【正文】 任意階段間跳轉(zhuǎn)，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實現(xiàn)后續(xù)程序正常運行的情況。每個罐設(shè)有液位指示，可以作為裝酒和成品計量用，還可以了解整個發(fā)酵過程的液位變化。整個發(fā)酵過程的溫度控制在不同發(fā)酵時期是不同的，根據(jù)主酵→雙己酰還原→冷卻→酵母回收→后貯的階段，分別設(shè)定曲線進行控制，并采用 PI、PID 等控制方法，使系統(tǒng)控制精度符合工藝要求按啤酒發(fā)酵工藝要求，其中從 12℃保溫向 3℃下降的轉(zhuǎn)折點取決于酒液殘?zhí)橇慷蝗Q于發(fā)酵時間。為了使罐內(nèi)酒液循環(huán)并有利于不同發(fā)酵期的酵母沉淀，一般采用分三段間冷方式，控制罐內(nèi)酒液溫度，使之形成自上而下的溫度梯度。其各階段轉(zhuǎn)換條件及控制要求見表 41 所示。第 4 章 啤酒發(fā)酵溫度 PLC 控制方案 系統(tǒng)控制要求及功能 啤酒發(fā)酵溫度要求啤酒發(fā)酵期間，發(fā)酵溫度分為起始溫度（即麥汁冷卻溫度、滿罐溫度） 、最高溫度（稱發(fā)酵溫度） 、還原雙乙酰溫度和貯酒溫度。 本章小結(jié)本章介紹了西門子 PLC 的組成，并對其特點及基本原理做了深入分析，對 PLC 的基本功能做了介紹，由于 PLC 具有多種功能，因此其在啤酒發(fā)酵中起著相當重要的作用。正是由于 PLC 具有多種功能，集三電于一體，PLC 網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)良的性能價格比和PLC 具有高可靠性等等，使得 PLC 在工廠中倍受歡迎，用量高居首位，成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的支柱。此外，PLC 配置著大量內(nèi)含 CPU 的智能模板，有些專用于 PID 控制，有些用于運動控制，有些用于高速計數(shù)器，有些用于連網(wǎng)通信，它們采用模塊結(jié)構(gòu)，通過背板并行總線連成有機的整體。這些高性能處理器本身有很大的潛能，只要處理好不同性質(zhì)的實時多任務(wù)的調(diào)度，在 PLC 中加入針對慢連續(xù)量的過程控制并不困難。因此，PLC 被稱為“專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的計算機” 。在一個循環(huán)掃描周期 T 中，僅只有一小段時間集中進行 I/O 處理，也只有在這一小段集中 I/O 時間中的干擾才會被引入 PLC 內(nèi)部，在掃描周期的其余大部分時間，干擾都被阻擋在 PLC 之外。而且更重要的是它采用了諸如數(shù)字濾波、指令復(fù)執(zhí)、程序卷回、差錯校驗等一系列軟件抗干擾措施及故障診斷技術(shù)，以及在系統(tǒng)一級的容余配置等；此外，PLC 采用周期循環(huán)掃描方式工作，對輸入輸出集中進行處理。PLC 是一種具有很高可靠性的控制裝置，它與可編程調(diào)節(jié)器、DCS 系統(tǒng)同被列為“不損壞儀表” 。該過程控制因線路復(fù)雜，控制參數(shù)單一，故維護工作量大，且調(diào)節(jié)效果差，特別是在發(fā)酵罐數(shù)量多，體積大，系統(tǒng)滯后大的情況下更是如此。 PLC 在啤酒發(fā)酵中應(yīng)用的可行性啤酒發(fā)酵過程控制是啤酒釀造過程的一個重要工藝控制環(huán)節(jié)，發(fā)酵過程控制得好壞直接影響到整罐啤酒的產(chǎn)品質(zhì)量。據(jù)此選擇原則可以選用合理便捷的 PLC 產(chǎn)品?？煽毓栎敵瞿K是交流輸出模塊，只用于高速大功率負載；繼電器輸出模塊是交直流輸出模塊，即可帶直流也可帶交流，因其有觸點，故只能用于低速負載。輸出模塊有三種形式：繼電器輸出，晶體管輸出和可控硅輸出。 （3） 選擇 I/O 模塊。（2）選擇容量。日本的 PLC 以中小型機為主，價格便宜，典型代表為 OMRON 公司、三菱（MITSUBISHI）公司的產(chǎn)品。（1）PLC 機型的選擇圖 32 PLC 工作流程圖電源接上初始化檢查硬件和用戶程序存儲器檢 查 結(jié) 果 正常 ？采樣輸入信號，刷新 I/O數(shù)據(jù)，更新輸出信號監(jiān)控定時器復(fù)位逐條執(zhí)行用戶程序指令程 序 結(jié) 束 ？外設(shè)端口服務(wù)錯誤標志置位，故障燈亮故 障 性 質(zhì)I/O 內(nèi) 部 繼 電 器 清 零 ；定 時 器 復(fù) 位 ； 檢 查 I/O單 元 連 接否報警異常是 否初始化公共處理I/O 刷新執(zhí)行用戶程序外設(shè)端口服務(wù)（a） （b）目前國內(nèi)使用的 PLC 以國外產(chǎn)品居多。因此，對于每一個準備使用 PLC 的用戶來說，合理的選擇 PLC 是非常重要的，它直接影響到所設(shè)計系統(tǒng)的性能與造價。目前，國內(nèi)外的 PLC 產(chǎn)品有幾十個系列，上百個型號。這些邏輯功能不僅可以取代，而且遠遠超過諸如中間繼電器、時間繼電器等硬件邏輯所能達到的功能，從而為 PLC 在可靠性和便利性上形成特色奠定了基礎(chǔ) [12]。完成與外設(shè)端口連接的外圍設(shè)備（如編程器）或通訊適配器的通信處理。在程序執(zhí)行階段，CPU 按先左后右，先上后下的順序?qū)γ織l指令進行解釋、執(zhí)行，CPU 從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器中讀出各繼電器的狀態(tài)，根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進行邏輯運算，運算結(jié)果再寫入輸出映像寄存器中。輸入刷新時，CPU 從輸入電路中讀出各輸入點狀態(tài)，并將此狀態(tài)寫入輸入映像寄存器中；輸出刷新時候，將輸出繼電器的元件影響寄存器的狀態(tài)傳送到輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路隔離和功率放大，驅(qū)動外部負載。如果有異常情況，則根據(jù)錯誤的嚴重程度發(fā)出報警或停止 PLC 運行。復(fù)位監(jiān)控定時器（WDT） ，進行硬件檢查、用戶內(nèi)存檢查等。PLC 上電后，首先進行初始化，然后進圖循環(huán)工作過程，一次循環(huán)可歸納為五個工作階段，如圖 32 所示。以上幾個過程共同構(gòu)成了 PLC 工作的一個工作周期。然后返回第一條指令開始，新一輪掃描。PLC 的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按序號順序排列。電源中央處理單元（CPU）存儲器EPROM(系統(tǒng)程序)RAM（用戶程序）輸入單元輸出單元外設(shè)接口擴展口擴展單元編程器輸入信號輸出信號盒式打印機打印機EPROM 寫入器PLC 或上位計算機圖 31 PLC 組成示意圖 PLC 的工作原理與其它計算機系統(tǒng)相同，PLC 的 CPU 采用分時操作原理，每一時刻執(zhí)行一個操作，隨時間順序執(zhí)行各個操作。組合式 PLC 則在 I/O 配置上更方便、更靈活 [11]。無論哪知結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可根據(jù)需要進行配置與組合。裝有 CPU 單元的底板稱為 CPU 底板，其它稱為擴展底板。主機中CPU 是 PLC 的核心，I/O 單元是連接 CPU 與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于PLC 與編程器和上位機等外部設(shè)備的連接。整體式 PLC 是將中央處理器（CPU ） 、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機。PLC 的主要特點是與控制對象有更強的接口能力，也就是說，它的基本結(jié)構(gòu)主要是圍繞著適宜于過程控制的要求來進行設(shè)計的。而且由于 PLC 是專為工業(yè)控制而設(shè)計的專用計算機，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用，并具有很強的可靠性和抗干擾能力，易于裝入機械設(shè)備內(nèi)部，因而成為實現(xiàn)機電一體化十分理想的控制設(shè)備。PLC 還具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，可與各類型的 PLC 聯(lián)網(wǎng)，并可與上位機通信構(gòu)成分布式的控制系統(tǒng)。（3）通用性現(xiàn)代 PLC 不僅具有邏輯運算、定時、計數(shù)、順序控制等功能，而且還具有A/D、D/A 轉(zhuǎn)換，PID 控制、數(shù)值運算和數(shù)據(jù)處理等功能。PLC 的輸入輸出接口可直接與控制現(xiàn)場的用戶設(shè)備相連接，可拆卸的接線端子排使接線工作及其簡單?？紤]到大多數(shù)電氣技術(shù)人員的讀圖習慣和應(yīng)用微機的水平，PLC 采用了面向控制過程、面向問題的“ 自然語言”編程，易于掌握。這些措施的采用使 PLC 的可靠性和抗干擾能力大大優(yōu)于一般的計算機控制系統(tǒng)，PLC 的平均故障間隔時間（MTBF）可達幾十萬小時。硬件設(shè)計方面：采用可靠性高的元件，對干擾的屏蔽、隔離和濾波，對電源的掉電保護，存儲器內(nèi)容保護，采用看門狗和其他自診斷措施等。PLC 的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用是與其自身的性能特點密切相關(guān)的，與繼電器、微機控制相比，PLC 具有以下特點：（1）高可靠性PLC 是為了適應(yīng)工業(yè)環(huán)境而專門設(shè)計的控制裝置，可靠性高、抗干擾能力強是它的最重要的特點。自 1969 年 DEC 公司研制出世界上第一臺 PLC 后，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，有的已經(jīng)使用 RISC（精簡指令系統(tǒng) CPU）芯片。早期可編程序控制器主要用于開關(guān)量的邏輯控制，被稱為可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller） ，簡稱 PLC，這個名稱被一直沿用。024681 01 21 40a bc def T/℃t / h圖 22 啤酒發(fā)酵工藝曲線 本章小結(jié)本章對啤酒發(fā)酵整個過程做了概述，對發(fā)酵過程各階段溫度控制機理進行了詳細的說明，并對啤酒發(fā)酵設(shè)備和發(fā)酵溫控基本要求做了研究，從而總結(jié)出啤酒發(fā)酵工藝流程中 PLC 在各階段溫度控制中能起到的作用。圖中，0a 段為自然升溫段，不須外部控制； ab 段為主發(fā)酵階段；主酵階段，典型的控制溫度為 12℃；bc 段為降溫逐漸進入后酵，典型降溫速度為 ℃/h；cd 段為后酵階段，典型控制點 3℃；de 段為降溫進入貯酒階段，典型降溫速度為 ℃/h；e f 段為貯酒階段。殺菌就是啤酒在灌裝之前對其進行生物穩(wěn)定性處理的最后一個環(huán)節(jié)。啤酒過濾是一種分離過程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母細胞和其它混濁物從啤酒中分離出去，否則這些物質(zhì)會在以后的時間里從啤酒中析出，導(dǎo)致啤酒混濁，目前多采用硅藻土過濾方式。經(jīng)過一段時間的貯酒，整個發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。此外，后酵階段還完成了殘?zhí)前l(fā)酵，充分沉淀蛋白質(zhì)、降低氧含量，提高啤酒的穩(wěn)定性。普通啤酒在前酵時的工藝要求控制在 12℃左右，從前酵進入后酵的降溫過程。經(jīng)過 2~3 天后進入發(fā)酵最為旺盛的高泡期，再過 2~3 天，降糖速度變慢，糖度很低，酵母開始沉淀，進行封罐發(fā)酵。整個發(fā)酵過程可以分為主酵和后酵兩個階段：① 主酵—這個階段又稱為前酵。（2）發(fā)酵啤酒發(fā)酵是一個復(fù)雜的微生物代謝過程，這是啤酒生產(chǎn)過程中耗時最長的一個環(huán)節(jié)。主要分為以下階段：（l）麥汁充氧和酵母添加麥汁在泵入發(fā)酵罐進行發(fā)酵之前，麥汁中需要加入適量的酵母，整個發(fā)酵過程可以簡單理解為酵母把麥汁中的糖類分解成 C2H50H、H 2O 及其它產(chǎn)物的過程。P I C0 1T I C0 1T I C0 2T I C0 3L I0 1電磁閥 關(guān)排放 C O2上層溫度中層溫度下層溫度罐內(nèi)壓力罐內(nèi)液位冷媒出口冷媒入口圖21 啤酒發(fā)酵罐控制系統(tǒng)流程圖 啤酒發(fā)酵工藝流程根據(jù)錐形發(fā)酵大罐的特性將發(fā)酵的全過程分為多個階段，在各個階段，對象的特性相對穩(wěn)定，溫度和壓力的控制方面存在一定的規(guī)律性。啤酒發(fā)酵生產(chǎn)工藝對控制的要求是：發(fā)酵罐上、中、下液溫的實時測控，控制罐溫在特定階段與標準的工藝生產(chǎn)曲線相符；控制罐內(nèi)氣體的有效排放，使罐內(nèi)壓力符合不同階段的需要控制。氣體壓力的大小反應(yīng)了罐內(nèi) CO2 的多少，壓力到一定程度時需從罐頂排出一定的 CO2 以減小罐內(nèi)的壓力，防止爆炸。溫度參數(shù)的高低來提醒罐內(nèi)物料已加熱時間的長短，以便指導(dǎo)操作者進行物料儲存及物料反應(yīng)。在整個發(fā)酵過程中，根據(jù)麥芽發(fā)酵的反應(yīng)規(guī)律來控制發(fā)酵的溫度和時間是保證發(fā)酵過程正常安全地進行，提高啤酒質(zhì)量和口味，減輕工人的勞動強度，節(jié)約能源的關(guān)鍵。發(fā)酵是一個放熱的過程，如果讓啤酒自然發(fā)酵，發(fā)酵液的溫度會逐漸上升，因此在發(fā)酵罐外部罐壁設(shè)置有上、中、下三段冷卻套，相應(yīng)的設(shè)立上、中、下三個測溫點和三個調(diào)節(jié)閥，通過閥門調(diào)節(jié)冷卻套內(nèi)冷卻液的流量來實現(xiàn)對酒體溫度的控制 [7]。錐底內(nèi)角，不銹鋼罐錐角一般為 60 度，內(nèi)有涂料的鋼罐錐角通常為75 度，使排污時可強制酵母滑出。這樣使得罐內(nèi)發(fā)酵液與外界的熱交換量和發(fā)酵液產(chǎn)生的生化熱相比較可忽略不計，控溫中通過冷卻夾套由冷卻介質(zhì)帶走的熱量主要是生化熱。 啤酒發(fā)酵設(shè)備概述發(fā)酵罐是啤酒生產(chǎn)的主要設(shè)備，目前，我國絕大部分啤酒廠均采用園柱錐底式發(fā)酵罐簡稱錐形罐，—般在圓柱部分焊有兩到三段冷卻夾套，錐底還有一冷卻夾套。在貯酒過程中罐內(nèi)下段二氧化碳的密度梯度高于中上段，而下段發(fā)酵液的密度高于中、上段，同時存在自下而上和自上而下的對流，狀態(tài)紊亂，緩慢而不規(guī)則，使用調(diào)節(jié)閥控制冷媒可采用長時間小流量的操作方法，對于開關(guān)閥則可采用高頻短時間開啟控制，避免長時問深度冷卻，溫控精度要求在177。（7）貯酒階段貯酒階段的溫控對發(fā)酵液成熟及酒液澄清等影響很大，控溫不當將可能造成發(fā)酵液結(jié)冰。針對此情況，在生產(chǎn)中采用了 3 攝氏度保溫工藝，目的是穩(wěn)定酒液流態(tài)，是對流過程放緩或停頓，罐內(nèi)溫度均衡準確，并在保溫過程徹底排放剩余的廢酵母和沉積物，3 攝氏度保溫結(jié)束后開始進行新的對流降溫過程，實踐證明此工藝有效的保證了降溫速率及酒液澄清。（4）雙乙酰還原溫度冷卻至 3 攝氏度酒液在此階段降溫中密度逐漸增大，對流方向仍為自下而上，酒液沿罐壁向下流動，由于此時冷媒與酒液溫差較大，降溫及罐內(nèi)均衡過程不容易控制，應(yīng)以上帶和中帶控溫為主，須防止冷卻過于強烈造成貼近罐壁處部分酒液結(jié)冰，影響降溫效果及啤酒質(zhì)量。此過程以保持發(fā)酵液適度對流和一定數(shù)量懸浮酵母為主，溫度梯度為 T 上 T 中 T 下 ，三帶溫差在 ~ 攝氏度左右。（2）主發(fā)酵及雙乙酰還原階段主發(fā)酵階段酵母大量繁殖并產(chǎn)生較多的熱量，隨著發(fā)酵液中氧的迅速消耗，酵母在無氧呼吸下轉(zhuǎn)化為生成大量的酒精，使罐內(nèi)中下部酒液中酒精含量遠遠高于上部，酒體密度發(fā)生變化，在酒精釋放及密度變化的共同作用下，發(fā)酵液發(fā)生自下而上的強烈對抗，此階段溫控應(yīng)促進對流充分進行，保持旺盛發(fā)酵并均衡罐內(nèi)酒液狀態(tài)，以控制上段溫度為主，適度輔以中段，形成的溫度梯度，三帶溫差在 ℃左右。 發(fā)酵各階段溫度控制機理（1）自然升溫階段