啤酒發酵PLC控制系統設計

摘要：啤酒發酵是個動態過程。溫度、壓力、液位是其過程中最主要的參數，其中溫度是控制中的難點。本文根據啤酒發酵的工藝流程，按照一定的工藝要求進行控制，用西門子S7－200可編程控制器，著重于溫度的控制研究，設計理想的PLC程序，在啤酒發酵控制系統中完成溫度、濃度和時間的模擬量的讀取處理，完成溫度設定值和PID回路的計算，對電磁閥的輸出和發酵罐的操作狀態進行控制，以達到產品的質量要求。

關鍵詞：啤酒發酵溫度PIDPLC

作為“液體面包”的啤酒是盛夏首選飲料。啤酒以大麥芽﹑酒花﹑水為主要原料，經發酵釀制而成的，它是具有酒花香和爽口苦味、營養豐富、風味獨特的低度釀造酒，含有人體所必須的七種氨基酸。釀造業的發酵通常是在密閉的容器中進行的，作為啤酒生產過程中至關重要的一環， 發酵過程影響著啤酒的品質。以前的啤酒生產工藝已不再適應當今的生產規模和生產要求，啤酒企業紛紛采用現代化工業自動控制系統來生產產品，從而可以達到降低生產成本的目的。隨著計算機技術的發展，PLC控制系統也在不斷的發展和更新，其功能日益強大，已成為工業控制領域的主流控制設備之一。

啤酒發酵是啤酒生產過程中在酶的作用下生成水跟二氧化碳。啤酒發酵是放熱反應的過程，隨著反應的進行，罐內的溫度會逐漸升高，隨著二氧化碳等產物的不斷產生，密閉罐內的壓力會逐漸升高。啤酒發酵是一放熱的生化反應過程，通過調節發酵罐四周管道內的氣流量從而實現對發酵液體溫度的。過去對溫度的調節是由操作人員根據給定的曲線，手動調節氣閥開度的大小來達到控制溫度的目的，這樣由于操作人員的人為等因素在生產過程中產生的不良影響，往往使控制效果不理想。為此，啤酒生產的發酵工序提出計算機監控的要求，采用PID控制算法，使啤酒生產集控制與數據采集更合理，從而更好的保證產品的質量，提高產品生產效率。

1 啤酒生產工藝簡介

啤酒發酵分主酵和后酵兩個過程，整個發酵過程都是發酵罐中進行的。

第一階段是主酵階段，首先麥汁接種酵母進入發酵罐逐漸開始主發酵。在酶作用下分解淀粉釋放出熱量從而使整個罐內的溫度逐漸上升。溫度在上升一段時間后速度逐漸變慢，隨后酵母沉淀，這時我們要對發酵罐密封，使其自然發酵。第二階段是后酵階段，后酵階段分為2個降溫過程，第一個過程是當罐內溫度降低到5 ℃左右時進行雙乙酰還原。同時還需要繼續進行糖類發酵，更好的降低氧含量、沉淀蛋白質。第二個降溫過程約以0. 15℃/h的下降速率把罐內溫度5℃降到0-1℃左右。

發酵罐中各種物質的轉化速度受一系列因素的影響。壓力和溫度在發酵過程中對啤酒的品質和質量有很大的影響。首先壓力增加可以使二氧化碳在啤酒中的溶解量加大，同時減少啤酒中其他生成物。其次溫度對發酵速度影響很大。高溫發酵可以減少發酵時間，縮短產品周期；低溫發酵可以減少啤酒在發酵過程中產生的多余代謝物，提高啤酒的質感。因此，在啤酒生產過程中對溫度跟壓力的控制是極其重要的，通過調節控制閥開度來控制好溫度的升降速率，從而是定啤酒生產質量。通常在管壁的夾套內注入液氨和冷酒精水來吸收在發酵過程中產生的熱量，從而達到控制發酵溫度的目的。實現在發酵過程中自動控制溫度的效果。

2 啤酒發酵的溫度控制要求

根據對啤酒發酵工藝要求，將啤酒發酵分為主發酵、降溫和貯酒期三個階段。三個階段都對溫度有嚴格的要求。

①主發酵階段：這個階段溫控應以上部為主，通過對冷媒物流量大小來控制發酵罐上下溫差，一般溫差保持在0.5 —1.0℃，從而實現上下發酵物更好的對流，發酵反應更充分。

②降溫階段：這個階段溫度的控制應以下部為主，控制正好與主發酵階段相反，上部溫度應高于下部溫度，只有這樣才能使酵母更好的沉降。降溫階段控制溫度的速度要緩慢、均勻。在降溫開始和降溫結束時，應提前打開或關閉冷卻冰水。

③貯酒階段：貯酒階段的溫度要求要達到0℃以下，在這個階段可以使啤酒的膠體更穩定的保持。溫度控制要求平衡穩定為主，禁止高低抖動變化，只有這樣才能保持酒體的穩定。

發酵過程中溫度的控制除了對發酵罐冷卻層溫度控制外，對冷卻冰水溫度的控制也非常重要。一般來說冷媒溫度在-4℃左右即可，溫度過低發酵液體容易凝冰，所以在自動控制過程對溫度的監控至關重要，但是在控制過程中還要考慮到發酵液冰點和冷傳遞等因素的影響。

3 程序流程圖設計

啤酒發酵對象的時變性、時滯性及其不確定性，決定了發酵罐控制必須采用特殊的控制算法。為節省能源，降低生產成本，并且能夠滿足控制要求，發酵罐的溫度控制選擇了檢測發酵罐的上、中、下3段的溫度，通過上、中、下3段液氨進口的兩位式電磁閥來實現發酵罐溫度控制的方法。

根據工藝流程的介紹，可以總結出基本的程序流程圖如圖1所示：①計算出啤酒發酵時間。在程序中必須能夠得到每個發酵罐的起始發酵時間，然后由當前時間計算出罐內啤酒的已經發酵時間。②計算當前時刻的設定溫度。處在發酵過程中的每一個發酵罐根據各自的生產需要，都有一個工藝設定曲線。在計算出發酵的時間之后，可以通過計算得到當前時刻的設定溫度。③計算當前時刻的電磁閥開度。在確定出當前時刻的設定溫度之后，使用簡單的PID控制回路就可以計算出電磁閥的開度。

發酵過程中，根據生產進度，實時監控發酵罐上、中、下3段溫度的變化，根據3段溫度曲線變化合理設計手動控制和自動控制，同時可以進行手自動切換。在程序中設置各種報警，在超過設定溫度后要能停止生產的進行，從而達到預定的控制效果。在工控界面要能如實反映出我們需要監測的各個過程的溫度壓力等等。同時在程序中要有程序復位功能，這樣在發生故障后和因操作人員操作偶爾失誤而無法實現后續程序正常運行的情況。

對于采用外部冷媒間接換熱方式來控制體積大、慣性大的發酵罐的溫度的情況，采用普通的控制方案極易引起大的超調和持續的震蕩，很難取得預期的控制效果。因此我們要根據不同季節和不同的發酵罐設計出不同的工藝溫度和壓力控制曲線，來滿足工廠對啤酒品質的要求。這不僅要求高精度，高穩定性的控制，還要求控制系統有極大的靈活性。用PLC采集數據和控制執行實時性好，可靠性高。由于PLC可以用軟件來改變控制過程，并體積小，組裝靈活，編程簡單，抗干擾能力強及可靠性高等特點，特別適用于惡劣環境下運行。從而使PLC控制在啤酒發酵過程中發揮更大的作用。

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