【導(dǎo)讀】改善，我國啤酒工業(yè)也得到空前發(fā)展。由于啤酒生產(chǎn)的工藝復(fù)雜，目前我國大多數(shù)啤酒生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)裝備落后，自動(dòng)化。程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。如何提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化水平，增強(qiáng)我國啤酒產(chǎn)業(yè)的綜合實(shí)。力是一個(gè)很好的研究課題。為此，本通過對(duì)啤酒生產(chǎn)發(fā)酵過程的工藝及關(guān)鍵問題的分析，從硬。行設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)采用分級(jí)結(jié)構(gòu)。第一級(jí)為可編程邏輯控制器，系統(tǒng)選用SIEMENSS7-300，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的功能。第二級(jí)為工業(yè)控制計(jì)算機(jī),主要完成控制軟件的界面和控制過程。數(shù)據(jù)的監(jiān)視、管理和記錄功能。

　　

【正文】 酒液沿罐壁向下流動(dòng)；罐底部溫度高，相對(duì)密度小，同時(shí)借助酒液底部二氧化碳上升的拖動(dòng)力，酒液就會(huì)由罐中央向上流動(dòng)，這樣可加強(qiáng)罐內(nèi)酒液對(duì)流作用，有利于酵母懸浮發(fā)酵，縮短主發(fā)酵期。雙乙酰還原期：酒液自然升溫到 12176。 C～ 13176。 C，糖度已達(dá)到工藝要求，雙乙酰還原進(jìn)人高峰期，此時(shí)發(fā)酵液產(chǎn)生的熱量相對(duì)減少，溫升緩慢，可適當(dāng)開啟罐底或下段冷帶，同時(shí)關(guān)閉上段冷帶，以減弱酒液 對(duì)流，為酵母凝聚創(chuàng)造條件。為了保持一定量的酵母懸浮數(shù)和避免已沉降酵母自溶，罐底溫度控制在 7176。 C～ 9176。 C。在這兩段溫控中，若都以下部為主的話，則將減弱向上的流動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)酵速度減慢，甚至造成酵母早期沉降，使得降糖緩慢或終止。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，實(shí)施罐體不同部位的冷卻方式，不僅可以利用溫差引起的熱對(duì)流作用而加快向上流動(dòng)的速度，使得發(fā)酵速度快、酵母懸浮性增強(qiáng)、雙乙酰還原快，而 且還有利于啤酒的成熟。 (2)發(fā)酵第二階段 當(dāng)發(fā)酵溫度降至 8． 5～ 3176。 C，壓力在 ～ 0． 12MPa時(shí)，此階段由于發(fā)酵速度隨著發(fā)酵溫度的降低 而逐漸減弱，以及酒液溫度變化引起的熱對(duì)流作用，這階段的對(duì)流情況將會(huì)變?yōu)橛稍瓉淼南蛏狭鲃?dòng)逐漸變?yōu)橄蛳铝鲃?dòng)。錐形罐內(nèi)酒液由此產(chǎn)生了第一個(gè)流向轉(zhuǎn)折點(diǎn)。此時(shí)，降溫的主要目的是促使酵母及雜質(zhì)與酒液的盡快分離。因此，在下降 5176。 C的過程中，通過冷量梯度控制下段溫度低于中上段 l～ 2176。 C，以便罐中央酒液由上向下流動(dòng)，便于酵母沉降回收，盡快實(shí)現(xiàn)酒液流向的轉(zhuǎn)變，有利于酒液的澄清和 C02的溶解。 (3)發(fā)酵第三階段 當(dāng)發(fā)酵溫度降至 31176。 C，壓力在 ～ ，開始酒液是向下流動(dòng)的，但是隨著發(fā)酵溫度的繼續(xù)緩慢降低，這 時(shí)由于密度變化引起的對(duì)流作用使酒液緩慢向上流動(dòng)。又由于發(fā)酵更加緩慢地進(jìn)行，錐形罐內(nèi)酒液下部的 C02密度梯度高于中上部，面這時(shí)下部酒液的密度低于中上部，同樣引起對(duì)流作用而使酒液向上緩慢流動(dòng)。因此這階段的酒液對(duì)流情況便由原來的向下緩慢流動(dòng)轉(zhuǎn)為向上流動(dòng)。因溫差變化較小，所以酒液流向很不規(guī)則，向下與向上對(duì)流趨于平衡。錐形罐內(nèi)酒液由此產(chǎn)生了第二個(gè)流向轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)如果溫控波動(dòng)較大，將會(huì)影響到酒液的澄清及成熟，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成酒液混濁不清，甚至導(dǎo)致已沉降的酵母及雜質(zhì)重新懸浮，造成酵母自溶。在 5176。 25 C～ 3176。 C降溫期：由于啤酒的密 度在 3176。 C時(shí)最大，在 5176。 C～ 3176。 C降溫期，控制酒液溫度應(yīng)上低下高，酒液密度上大下小，使酒液沿罐壁形成自上而下的對(duì)流，提高冷卻速度。在 3～ 0。 C降溫期：控制酒液溫度應(yīng)下低上高，使下段和錐部酒液冷卻至 O176。 C，以降低酒液密度，罐壁形成自下而上對(duì)流，從而使酒液均勻快速地降至 O176。 C。這時(shí)采用“冷媒流量小冷卻時(shí)間長 的緩冷卻方式進(jìn) 行降溫，避免局部結(jié)冰。貯酒期：控制酒液溫度上高下低，酒溫保持在 1～ O176。 C范圍內(nèi)，避免溫度回升，造成酒液翻騰。此階段盡量避免產(chǎn)生較大的 (上、中、下 )溫差，冷卻控制以上、中、下三段為主并盡量縮小 三段之間的溫差，這樣可使酒液保持相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)，使不規(guī)則的流向趨于平衡，避免罐體的結(jié)冰，以溫度低而又不至于結(jié)冰為最佳冷卻效果。綜合上述，錐形發(fā)酵罐冷卻帶使用及溫控方法歸納見 (表 41) 從發(fā)酵工藝曲線看 溫度控制 似乎非常簡(jiǎn)單，但實(shí)際上發(fā)酵過程中工藝 曲線隨時(shí)都可更改。由于發(fā)酵罐大都采用上中下三層冷卻，在發(fā)酵不同階段對(duì)層溫度控制也不一樣?？刂频碾y點(diǎn)在于兩個(gè)降溫過程，因?yàn)槠【瓢l(fā)酵到了這兩個(gè)階段本身所產(chǎn)生的熱量很少，幾乎只能維持，如果在降溫過程中控制不好，易產(chǎn)生較大的超調(diào)。同時(shí)，由于控制手段中沒有加熱措施，超調(diào)后的溫度很難回升到給定的工藝要求值，因而將嚴(yán)重影響啤酒的質(zhì)量。 按發(fā)酵工藝，在發(fā)酵過程中要控制發(fā)酵罐溫度。溫度曲線如圖 4． 2所示 啤酒發(fā) 26 酵曲線分成 3部分： ①自然升溫段：控制系統(tǒng)不工作，任 其自然升溫：②恒溫段：通過控制冷媒開關(guān)閥，保持發(fā)酵罐內(nèi)溫度恒定；⑨降溫段：通過控制冷媒開關(guān)閥，以指定速度降溫。在不同發(fā)酵時(shí)期，酵母活力不同，罐內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有很大差異。由于冷流體密度較大，上層開關(guān)閥開通同樣會(huì)造成下一層的溫度下降，因此，發(fā)酵罐是一個(gè)三輸入三輸出的多變量溫度控制系統(tǒng)，具有大慣性、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、變大時(shí)滯等特點(diǎn)，控制較復(fù)雜。 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一個(gè)啤酒發(fā)酵罐共有 5個(gè)輸入點(diǎn)， 3點(diǎn)用于溫度輸入， l點(diǎn)用于壓力輸入， l點(diǎn)用于液位輸入；有 4個(gè)輸出點(diǎn)， 3點(diǎn)用于冷媒開關(guān)閥， 1點(diǎn)用于壓力開關(guān)閥。系統(tǒng)的點(diǎn)數(shù)要求不多，模擬量也不多，從性價(jià)比考慮，可選用 CPU 312. 選用 PS307， 輸入電源電壓 ： 24VDC, DI16/DO16。 在本系統(tǒng)中 PLC的主要任務(wù)是接受由發(fā)酵罐傳遞來的溫度、壓力模擬量輸入信號(hào)。然后與工藝曲線設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，計(jì) 算出偏差值，在使用簡(jiǎn)單的 PID控制回路計(jì)算出電磁閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵溫度的控制。除此之外，另一個(gè)重要的任務(wù)就是接受工控機(jī)（一級(jí)主站）的控制命令，從而實(shí)現(xiàn)臺(tái)面控制系統(tǒng)的控制。 發(fā)酵過程中，根據(jù)發(fā)酵進(jìn)行的程度（發(fā)酵時(shí)間、糖度、雙乙酰含量等），發(fā)酵罐上、中、下三段溫度的差異，以及三段溫度各自的變化趨勢(shì)，為了達(dá)到預(yù)定的控制效果，采用自動(dòng)或操作人員手動(dòng)控制選擇控制的方法。程序中設(shè)定了手動(dòng)操作和自動(dòng)控制選擇開關(guān)，在任意階段都能夠?qū)崿F(xiàn)兩者間的切換，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力的手、自動(dòng)選擇控制。程序中有人工階段選擇開關(guān)，可以在任意 階段跳轉(zhuǎn)，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實(shí)現(xiàn)后續(xù)程序正常運(yùn)行的情況。 控制主程序 設(shè)計(jì) 27 PLC的 I/O定義 :啟動(dòng)按鈕 ,模擬量讀取開關(guān) ,溫度設(shè)定值計(jì)算開關(guān),PID啟動(dòng)為 ,電磁閥控制為 ,罐狀態(tài)操作為 。對(duì)應(yīng)的輸出 :初始化過程 ,模擬量讀取處理 ,PID計(jì)算 ,電磁閥控制輸出 ,罐狀態(tài)操作 ,停止按鈕 . 表 4 序號(hào) 輸入元件 輸入地址 輸出元 件 輸出地址 1 啟動(dòng)按鈕 模擬量讀取處理 2 模擬量讀取開關(guān) 初始化過程 3 溫度設(shè)定計(jì)算開關(guān) PID計(jì)算 4 PID 啟動(dòng) 電磁閥控制輸出 5 電磁閥控制 罐狀態(tài)操作 6 罐狀態(tài)操作 7 停止按鈕 8 PLC接線圖 圖 43 PLC接線圖 28 控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖 4． 4所示。啤酒的發(fā)酵工藝過 程共有十多天時(shí)間，最重要的環(huán)節(jié)是控制每個(gè)時(shí)間段發(fā)酵罐內(nèi)啤酒的發(fā)酵溫度，根據(jù)發(fā)酵工藝的要求，設(shè)出發(fā)酵溫度．時(shí)間曲線，輸入可編程序控制器 (PLC)，使系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)不同時(shí)間段的溫度給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。主程序開始先計(jì)算出實(shí)際該罐啤酒的發(fā)酵時(shí)間，然后取出該段時(shí)間對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溫度值，將標(biāo)準(zhǔn)溫度值與實(shí)際溫度值比較，若相等則再次回到主程序入口進(jìn)行下一輪的標(biāo)準(zhǔn)值查找，若不相等則 系統(tǒng)由 CPU計(jì)算出相應(yīng)的 PID系數(shù)，輸出信號(hào)去控制電磁閥，用電磁閥控制的 氣路打開或關(guān)閉冷媒閥，進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。 根據(jù)啤酒發(fā)酵工藝流程的要求，設(shè)計(jì)出基本的程序流 程圖 如圖 44 圖 44 基本的程序流程圖 發(fā)酵罐的控制：根據(jù)發(fā)酵罐過程設(shè)定的狀態(tài)，判斷所處工序段，在根據(jù)溫度、開始 初始化 過程 模擬量讀取處理 計(jì)算溫度設(shè)定值 PID 計(jì)算 電磁閥控制輸出 罐狀態(tài)操作 29 時(shí)間、人工測(cè)定等參數(shù)判斷此工序是否完成，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的順序控制。 主程序的梯形圖如下 初始化過程 Network1 模擬量讀取處理 計(jì)算溫度設(shè)定值 PID計(jì)算 30 電磁閥控制輸出 罐裝 系統(tǒng)為主從結(jié)構(gòu)， 該系統(tǒng)性能 /價(jià)格比高、可靠實(shí)用、技術(shù)先進(jìn)，完全滿足啤酒生產(chǎn)發(fā)酵工藝的技術(shù)要求，并兼顧了發(fā)展的需求。 程序中設(shè)定了手動(dòng)操作和自動(dòng)控制選擇開關(guān)，在任意階段都能夠?qū)崿F(xiàn)兩者間的切換，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力的手、自動(dòng)選擇控制。程序中有人工階段選擇開關(guān)，可以在任意階段跳轉(zhuǎn)，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實(shí)現(xiàn)后續(xù)程序正常運(yùn)行的情況。 31 第五章總結(jié) 與展望 啤酒生產(chǎn)是一個(gè)大型的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，工藝復(fù)雜，操作步驟多。而我國大多數(shù)啤酒生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)裝備落后，自動(dòng)化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。如何提高啤酒生產(chǎn)過 程的綜合自動(dòng)化水平，提升企業(yè)的生產(chǎn)和管理水平，是一個(gè)刻不容緩的研究課題。因此，本文以啤酒生產(chǎn)過程為工程背景，對(duì)啤酒生產(chǎn)過程的麥芽烘干過程控制及啤酒發(fā)酵過程的溫度控制展開研究，這對(duì)利用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，提高我國啤酒產(chǎn)業(yè)的綜合實(shí)力具有重大的實(shí)際意義和研究?jī)r(jià)值。 啤酒廠自動(dòng)控制的展望 (1) 對(duì)啤酒糖化、發(fā)酵工段進(jìn)行自動(dòng)化控制并努力擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模是現(xiàn)階段國內(nèi)啤酒廠發(fā)展主流。 (2) 隨著國內(nèi)純生啤生產(chǎn)線的上馬 , 在線檢測(cè)設(shè)備將會(huì)增多 , 管板數(shù)量會(huì)下降 , 生產(chǎn)自動(dòng)化程度會(huì)進(jìn)一步提高。 (3) 不同設(shè)備、不同工段自 控系統(tǒng)間的銜接問題將會(huì)得到更多的重視 , 并逐步實(shí)施。 (4) 制冷車間的自控及與糖化、發(fā)酵工段自控的配合是啤酒廠降低能耗的重要途徑之一 , 有條件的廠家會(huì)努力實(shí)施。 (5) 全廠生產(chǎn)、管理、銷售系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合 ,會(huì)將啤酒這種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)管理水平帶上一個(gè)新的臺(tái)階 ,實(shí)施 CIMS系統(tǒng)是此行業(yè)的努力方向。 參考文獻(xiàn) [1]徐昌榮 、 呂衛(wèi)陽 . 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