【正文】 業(yè)迫切要求進(jìn)行技術(shù)改造，提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，以確保在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。如何提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化水平，增強(qiáng)我國(guó)啤酒產(chǎn)業(yè)的綜合實(shí)力是一個(gè)很好的研究課題。早期，由于人們對(duì)發(fā)酵機(jī)理認(rèn)識(shí)不深，再加上采用控制器的限制，對(duì)發(fā)酵采取自動(dòng)控制未能成功。啤酒發(fā)酵具有非線性、時(shí)間滯后和大慣性等特征，發(fā)酵過(guò)程的精密控制一直是自動(dòng)控制領(lǐng)域較難解決的問(wèn)題之一。溫度控制的精度一般在177。隨著控制領(lǐng)域新技術(shù)、新方法的不斷發(fā)展，這些問(wèn)題也在不斷地得到解決。所以，改良啤酒發(fā)酵控制應(yīng)用具有比較樂(lè)觀的前景，能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，具有很大的實(shí)用價(jià)值。1．完全手動(dòng)操作方式操作人員在現(xiàn)場(chǎng)或集中操作盤上控制主要設(shè)備的啟停。在這種生產(chǎn)方式下的啤酒生產(chǎn)控制全部由人工操作。這也導(dǎo)致啤酒口味穩(wěn)定性較差。而且這種操作方式對(duì)原材料利用率比較低，產(chǎn)品消耗巨大的能量。3．常規(guī)單變量PID控制在啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中，常規(guī)單變量PID是以發(fā)酵罐中部的溫度為被控量，中部冷卻閥門的開度為控制量，閥門開度在發(fā)酵的不同階段具有不同的比例系數(shù)，比例系數(shù)則主要靠操作員的經(jīng)驗(yàn)，是非常典型的單變量控制策略。4．模糊控制策略模糊控制策略雖然不需要建立被控對(duì)象并且能利用其非線性結(jié)構(gòu)的精確數(shù)學(xué)模型，在某些程度上提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，也能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，但是離線建立的模糊控制規(guī)則表不能在線修改是其比較大的缺陷。最近十年，我國(guó)的啤酒工業(yè)得到了快速發(fā)展，但由于起步時(shí)間較晚，生產(chǎn)設(shè)備落后，自動(dòng)化程度較低，導(dǎo)致產(chǎn)品效率低，產(chǎn)品質(zhì)量也不佳，釀酒能耗較大，這些都是我國(guó)啤酒工業(yè)急需解決的問(wèn)題。由于每個(gè)發(fā)酵罐都存在個(gè)體的差異，而且在不同的工藝條件下，不同的發(fā)酵菌種下，對(duì)象特性也不盡相同。這種人工控制方式很難保證生產(chǎn)工藝的正確執(zhí)行，導(dǎo)致啤酒質(zhì)量不穩(wěn)定，波動(dòng)性大且不利于擴(kuò)大再生產(chǎn)規(guī)模。綜上所述，每一種控制策略都有優(yōu)有劣。2 啤酒發(fā)酵工藝概述 啤酒發(fā)酵 啤酒發(fā)酵歷史最初的純種啤酒發(fā)酵所采用的酵母和發(fā)酵技術(shù)都是屬于上面發(fā)酵，知道19世紀(jì)中葉，德國(guó)的哭學(xué)家才分離出了下面啤酒酵母，并研究出了下面發(fā)酵技術(shù)。但在一些國(guó)家上面發(fā)酵小麥啤酒普遍受到歡迎，產(chǎn)量也在逐年上升。雖然上面發(fā)酵和下面發(fā)酵所采用的酵母都屬于同一個(gè)種——啤酒酵母，但是兩者在發(fā)酵工藝上有很大的不同：下面發(fā)酵的發(fā)酵溫度較低，發(fā)酵周期較長(zhǎng)，而上面發(fā)酵的發(fā)酵溫度相對(duì)較高，發(fā)酵周期較下面發(fā)酵短；下面發(fā)酵過(guò)程可明顯的劃分為主發(fā)酵和后發(fā)酵兩個(gè)階段，而上面發(fā)酵大都只有一個(gè)階段——主發(fā)酵；線面發(fā)酵酵母回收比較容易，而上面發(fā)酵則比較困難。本課題研究的主要是下面發(fā)酵過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。啤酒生產(chǎn)的工藝主要是由糖化（即麥汁的制備）、啤酒發(fā)酵、啤酒裝罐等流程組成。生產(chǎn)周期都在十幾天以上，要求發(fā)酵液的溫度嚴(yán)格按照既定的工藝曲線變化，而且對(duì)于的溫度控制精度要在177。啤酒發(fā)酵整個(gè)過(guò)程分為：主發(fā)酵階段、后發(fā)酵階段。發(fā)酵液則直接從糖化車間經(jīng)過(guò)管道注入，起始的溫度在8攝氏度左右，糖度要保持在10度左右，每個(gè)罐的發(fā)酵液需要分成幾批入罐，每次入罐之后都必須經(jīng)過(guò)化驗(yàn)員檢測(cè)一次糖度后把信息反饋給糖化車間，保證發(fā)酵液的初始糖度符合發(fā)酵標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)酵液注滿發(fā)酵罐后1小時(shí)操作員開始檢測(cè)發(fā)酵液的糖度，并且每隔八小時(shí)就要檢測(cè)一次。主發(fā)酵階段大約需要4天。進(jìn)入第二階段后，要求化驗(yàn)員每隔2小時(shí)檢測(cè)一次雙乙酰的濃度以及糖度。當(dāng)溫度到達(dá)1℃以下時(shí)發(fā)酵階段就開始進(jìn)入低溫儲(chǔ)酒階段，在儲(chǔ)酒階段溫度比較低，~10℃。正常情況，整個(gè)過(guò)程需要14天以上才能完成。發(fā)酵罐滿罐溫度的確定需要考慮麥汁分批進(jìn)入罐中后酵母繁殖以及代謝作用使溫度上升等諸多因素的影響，滿罐后的自然升溫階段不要因各種失誤導(dǎo)致出現(xiàn)的控溫，應(yīng)該通過(guò)此過(guò)程，使啤酒酵母能盡快地發(fā)酵增殖適應(yīng)新的麥汁環(huán)境，從而形成很好的酒液對(duì)流。后發(fā)酵階段控溫的原理與主酵階段比較類似，但此過(guò)程中的發(fā)酵速度比較緩慢，熱量產(chǎn)生比較少，對(duì)流速度相對(duì)較慢，對(duì)上段的溫度控制應(yīng)當(dāng)緩慢且慎重，不可快速冷卻，防止發(fā)酵罐內(nèi)的溫度出現(xiàn)大幅度的下降，酵母大量沉積會(huì)使其還原雙乙酰的能力下降。（3）降溫以及保溫階段發(fā)酵液還原雙乙酰達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)之后就開始進(jìn)入降溫階段，這個(gè)階段應(yīng)按照工藝設(shè)定好的速度把啤酒均勻地冷卻到貯酒的溫度，此時(shí)酒液發(fā)酵已經(jīng)基本上結(jié)束，并且二氧化碳的生成和放熱幾乎停止，原二氧化碳上升形成的拖拉力等造成的從下到上的對(duì)流大大減弱，啤酒在不同的溫度下密度差所形成對(duì)流的作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，根據(jù)啤酒最大密度時(shí)的溫度計(jì)算公式可知，啤酒最大密度時(shí)溫度約為3℃，3℃上下的啤酒對(duì)流方向是相反的，控制溫度時(shí)應(yīng)跟據(jù)這個(gè)特點(diǎn)來(lái)區(qū)別對(duì)待。（5）3℃保溫過(guò)程在整體降溫過(guò)程中，3℃以前的降溫速度非?？欤禍貞T性比較大，在接近3℃對(duì)流方向改變過(guò)程中，容易發(fā)生發(fā)酵罐內(nèi)各點(diǎn)啤酒溫度的混亂，或者溫度發(fā)生驟升驟降，或者溫度持續(xù)改變，無(wú)法按工序執(zhí)行控制，而且難以總結(jié)出變化的規(guī)律。（6）3℃以下深冷過(guò)程啤酒降溫到3℃時(shí)密度最高，這時(shí)將形成溫度不同密度卻相同的啤酒，區(qū)域性對(duì)流的自動(dòng)進(jìn)行狀態(tài)混亂，啤酒溫度形成了一定的梯度，套冷量傳達(dá)和冷卻的要求不能夠達(dá)到，冷卻速度和啤酒溫度下降很慢，此時(shí)主要控制下部溫溫度，加大錐罐底部啤酒溫度控制的強(qiáng)度，降低啤酒的密度，使對(duì)流方向由從下到上變成為自上而下，改變形成的溫度梯度，可以滿足溫度控制的效果，這個(gè)過(guò)程中下段溫度應(yīng)比中、上段溫度低1℃~2℃。這個(gè)階段溫度控制主要控制上、中、下三段溫度的均衡，縮小罐內(nèi)發(fā)酵液的溫差?！?，不能出現(xiàn)溫度回升。整個(gè)罐體除罐頂裝置和罐底的進(jìn)出口以外，全部用絕熱材料包裹起來(lái)，用其來(lái)阻隔與外界的熱交換。錐形發(fā)酵罐直徑和高度的比值一般是1: ~4。內(nèi)部涂有涂料的鋼罐錐角一般是75176。錐形罐的有效容量必須是每批麥汁注入量的整數(shù)倍，并且應(yīng)當(dāng)在16~24小時(shí)內(nèi)填充滿一個(gè)錐形罐，錐形罐的容量系數(shù)一般取80%~85%。 啤酒發(fā)酵溫控基本要求由于啤酒酵母的作用，麥汁在發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵，在發(fā)酵過(guò)程中釋放出的生化反應(yīng)熱和CO2熱量釋放導(dǎo)致發(fā)酵溫度上升，同時(shí)CO2的產(chǎn)生使罐內(nèi)壓力升高。罐類容器的主要工藝參數(shù)有氣體壓力、溫度、液位。發(fā)酵罐內(nèi)溫度的高低是提醒罐內(nèi)物料加熱的時(shí)間長(zhǎng)短，方便操作人員進(jìn)行物料的儲(chǔ)存以及物料的反應(yīng)。所以需要對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)液溫的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，同時(shí)發(fā)酵罐內(nèi)的壓力狀況也是安全生產(chǎn)過(guò)程中的必要的控制量。啤酒發(fā)酵的溫度控制系統(tǒng)流程圖如圖21所示。在發(fā)酵開始前，根據(jù)工藝要求先設(shè)定好工藝控制的壓力曲線、溫度；在發(fā)酵的過(guò)程中，根據(jù)發(fā)酵進(jìn)行的程度，發(fā)酵罐上段、中段以及下段溫度的差異，以及3段溫度各自的變化情況，自動(dòng)選擇各個(gè)階段相應(yīng)的控制策略，從而達(dá)到預(yù)期的控制效果。整個(gè)發(fā)酵過(guò)程可以理解為酵母把麥汁中的糖類分解成乙醇、水及其它產(chǎn)物的過(guò)程。（2）發(fā)酵啤酒發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的微生物代謝過(guò)程，這是啤酒生產(chǎn)過(guò)程中耗時(shí)最長(zhǎng)的一個(gè)環(huán)節(jié)。整個(gè)發(fā)酵過(guò)程可以分為主酵和后酵兩個(gè)階段：① 主酵——酵母接種到麥汁中，然后進(jìn)入發(fā)酵罐幾小時(shí)就逐步開始主發(fā)酵，麥汁的糖度逐漸下降，產(chǎn)生一定量CO2，反應(yīng)釋放的熱量使的整個(gè)罐內(nèi)的溫度逐步增加。此時(shí)，主發(fā)酵基本就結(jié)束了，開始進(jìn)行降溫轉(zhuǎn)入后酵階段。② 后酵——當(dāng)發(fā)酵罐內(nèi)的溫度從主酵的12℃降到大約3℃時(shí)，后酵階段開始進(jìn)行，這一階段是進(jìn)行雙乙酰還原為主。一旦雙乙酰指標(biāo)合格，發(fā)酵罐就需要進(jìn)入第二個(gè)降溫過(guò)程，把發(fā)