基于S7-400PLC的啤酒發(fā)酵溫控系統(tǒng)硬件平臺(tái)的構(gòu)建

張松宇 楊文斌 邢偉華

摘要：啤酒生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)酵階段的溫度控制是影響啤酒口味、香味及色澤的重要因素。以S7-400 PLC控制器和BRAUMAT平臺(tái)為硬件基礎(chǔ)，開發(fā)啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。該硬件平臺(tái)已投入生產(chǎn)，運(yùn)行結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制。

Abstract： In beer production， temperature control during fermentation is an important factor affecting beer taste， flavor and color. Based on S7-400 PLC controller and BRAUMAT platform， the temperature control system of beer fermentation was developed to realize man-machine interaction. The hardware system has been put into production， and the operation results show that the system is stable and reliable， and can achieve accurate control of temperature.

關(guān)鍵詞：啤酒發(fā)酵;溫控系統(tǒng);S7-400 PLC;BRAUMAT平臺(tái)

Key words： beer fermentation;temperature control system;S7-400 PLC;BRAUMAT platform

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）34-0194-02

0? 引言

在啤酒生產(chǎn)中，有兩大主要工藝階段——糖化和發(fā)酵。糖化階段要生產(chǎn)出合格的麥汁，發(fā)酵階段則是利用糖化的麥汁進(jìn)行發(fā)酵，生產(chǎn)出啤酒原漿。啤酒發(fā)酵是一個(gè)非常復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程，溫度是啤酒發(fā)酵過(guò)程中最重要的參數(shù)，如果溫度控制偏低，就會(huì)使得發(fā)酵過(guò)程緩慢，影響生產(chǎn)進(jìn)度;如果溫度偏高，又會(huì)造成生化參數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)，影響啤酒的質(zhì)量。由此可見，精確控制發(fā)酵液的反應(yīng)溫度是生產(chǎn)出高品質(zhì)啤酒的必要條件，而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的溫度控制又必須保證具備可靠穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)支撐，據(jù)此，文章以國(guó)內(nèi)某新建大型啤酒廠為例，介紹如何使用西門子S7-400 PLC 構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定可靠的啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。

1? 啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

啤酒發(fā)酵是在啤酒酵母體內(nèi)所含的一系列酶類的作用下，以麥汁所含的可發(fā)酵性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為底物而進(jìn)行的一系列生物化學(xué)反應(yīng)。啤酒發(fā)酵分主發(fā)酵（旺盛發(fā)酵）和后熟兩個(gè)階段。

在主發(fā)酵階段，進(jìn)行酵母的適當(dāng)繁殖和大部分可發(fā)酵性糖的分解，同時(shí)形成主要的代謝產(chǎn)物乙醇和高級(jí)醇、醛類、雙乙酰及其前驅(qū)物質(zhì)等代謝副產(chǎn)物。主發(fā)酵階段，發(fā)酵罐內(nèi)溫度逐漸上升，為自然升溫，當(dāng)達(dá)到上限時(shí)，主發(fā)酵結(jié)束。此后，發(fā)酵進(jìn)入后熟階段，溫度逐漸下降。

首先是還原雙乙酰階段，當(dāng)雙乙酰濃度下降到合格標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，發(fā)酵就可以進(jìn)入降溫階段，分兩個(gè)階段按不同的速率降溫，此時(shí)把所有冷媒閥打開，使發(fā)酵液全速降溫，降溫階段的溫度為-1～12℃。當(dāng)溫度到達(dá)1℃以下時(shí)發(fā)酵進(jìn)入低溫儲(chǔ)酒階段，在低溫儲(chǔ)酒階段溫度控制在0.5～10℃。這一階段主要是讓酵母和一些固態(tài)物進(jìn)行充分沉淀并進(jìn)行回收。低溫發(fā)酵使壓力增加能使二氧化碳在啤酒中的溶解量加大，并減少啤酒中其他生成物[1]?？梢?，在發(fā)酵過(guò)程中，對(duì)溫度、酒液密度、液位的把握相當(dāng)重要。因此，在啤酒發(fā)酵過(guò)程中，要在發(fā)酵罐的不同位置標(biāo)定測(cè)溫點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)罐內(nèi)溫度并加以控制，使得溫度滿足各個(gè)階段的控制要求。

2? 硬件平臺(tái)構(gòu)建

2.1 信號(hào)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)代啤酒廠，發(fā)酵一般是在錐形罐中進(jìn)行，錐形罐的體積一般在100m3-500m3。該廠發(fā)酵罐區(qū)共有72個(gè)發(fā)酵罐，分為3個(gè)區(qū)域，其中1#罐區(qū)前后酵共30個(gè)400m3錐形罐，2#罐區(qū)前后酵共30個(gè)400m3錐形罐，3#罐區(qū)前后酵共12個(gè)錐形罐。錐形罐如圖1所示。

為了使發(fā)酵罐內(nèi)溫度均勻且穩(wěn)定，發(fā)酵罐設(shè)有上層、中層、底層4段冷卻夾套設(shè)備，同時(shí)對(duì)應(yīng)安裝4個(gè)溫度智能變送器和4個(gè)冷媒調(diào)節(jié)閥，進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)[2]。具體信號(hào)如下：

1個(gè)罐頂壓力檢測(cè)（4-20mA模擬量輸入信號(hào)（AI）），4個(gè)溫度檢測(cè)：（電阻信號(hào)（RTD）），1個(gè)CIP清洗旋轉(zhuǎn)檢測(cè)（數(shù)字量輸入信號(hào)（DI）），1個(gè)發(fā)酵罐空位檢測(cè)（1DI），1個(gè)罐底閥（1個(gè)罐底閥包括3個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)（DO），2個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)（DI）），1個(gè)備壓調(diào)節(jié)閥（1個(gè)模擬量輸出信號(hào)（AO），1DO），一個(gè)取樣閥（1DO），一個(gè)排酵母控制箱（1DO、1DI）、4個(gè)冷媒電磁閥（4DO）。

依據(jù)罐區(qū)排布及橋架走向，初步確定6個(gè)罐的信號(hào)進(jìn)入一個(gè)分布式I/O子站。子站采用IM153-4接口模塊通過(guò)PROFINET總線與S7-400 CPU相連接。每個(gè)I/O子站柜配置1塊8AI（8通道數(shù)字量輸入模塊），3塊8RTD（8通道鉑電阻輸入模塊），1塊8AO（8通道模擬量輸出模塊），2塊32DO（32通道數(shù)字量輸出模塊），2塊32DI（32通道數(shù)字量輸出模塊）。

每個(gè)以太網(wǎng)接口模塊最多可以帶12個(gè)I/O模塊，根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)，每個(gè)分布式I/O子站內(nèi)I/O模塊總數(shù)為9塊，符合數(shù)量要求。

依據(jù)每個(gè)子站包含6個(gè)發(fā)酵罐信號(hào)，整個(gè)發(fā)酵罐罐區(qū)需要設(shè)置12個(gè)子站，具體模塊配置如表1所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了保證信號(hào)的穩(wěn)定可靠傳輸，分布式I/O子站采用冗余的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。S7-400 PLC的CPU、接口模塊IM153-4都為雙以太網(wǎng)端口，支持環(huán)網(wǎng)冗余連接。傳輸速率100M/s，支持大規(guī)模數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3? 上位機(jī)配置

上位機(jī)采用服務(wù)器—客戶端架構(gòu)，采用該種結(jié)構(gòu)，操作端負(fù)荷小，操作反應(yīng)速度快，大量的數(shù)據(jù)計(jì)算交給配置強(qiáng)大的服務(wù)器進(jìn)行。上位機(jī)軟件采用BRAUMAT平臺(tái)，BRAUMAT平臺(tái)為業(yè)界領(lǐng)先的自控系統(tǒng)平臺(tái)，基于BRAUMAT開發(fā)的溫控系統(tǒng)，具有控制高效、可靠、易于管理與維護(hù)的特點(diǎn)。系統(tǒng)具備工藝配方管理、歷史曲線記錄與查詢、批次跟蹤等功能。（圖3）

4? 結(jié)束語(yǔ)

基于西門子S7-400 PLC的啤酒發(fā)酵溫控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)架構(gòu)，采用冗余設(shè)計(jì)，保證可靠性，采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，保證數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸，采用先進(jìn)的上位機(jī)工控平臺(tái)，使得該平臺(tái)結(jié)構(gòu)配置在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。該硬件平臺(tái)已投入實(shí)際生產(chǎn)中，在整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為精確控制發(fā)酵溫度奠定堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)，保證了企業(yè)的正常生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐云鵬.關(guān)于PLC的智能化PID啤酒發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代鹽化工，2017（1）：26：27.

[2]李鑫，張煜星，高博.基于S7-1200PLC的啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)研究[J].食品與機(jī)械，2018（4）：116-119.

[3]阮文韜.關(guān)于啤酒釀造過(guò)程PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[J].食品研究與開發(fā)，2016（20）：111-114.