基于PLC的啤酒发酵罐温度控制系统设计(2)

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1.2 啤酒发酵控制系统方案综述

目前，国内啤酒生产（糖化、发酵工段）的控制水平基本上可以分为四个档次。 （1）完全手动操作方式——其主要特点是阀门为手动。对温度、压力、液位、流量、浊度、电导率等生产过程中的模拟量信号采用常规分散仪表进行采集，然后集中或现场显示，操作人员在现场或集中操作盘（柜）上控制主要设置启停，阀门由工人到现场操作。这种方式下啤酒生产工艺参数得不到可靠执行，一致性较差，啤酒质量受人为因素影响较大，而且工人的操作劳动强度很大，主要生产设备与装置不能工作在较佳状态，原材料利用率低，产品能耗大，不可能采用较复杂的先进工艺生产啤酒，生产成本较高[2]。

（2）半自动控制方式（集中手动控制方式）——其主要特点为阀门多采用气动或电动自动阀门。采取诸如数据采集器等手段采集各种过程量进入控制室，一般设有马赛克模拟屏或上位机。在模拟屏或上位机上显示各种温度、流量、压力、液位等过程参数和电机、阀门的开启状态，对生产过程进行监控，操作人员根据显示的参数和工艺参数对比，在模拟屏或操作台上遥控阀门开启和电机启停从而满足工艺要求，生产中的关键数据由人工记录。但由于需要操作工人的频繁介入，其啤酒质量和口味也有较大的波动，工人劳动强度也比较大。

（3）PC机+数据采集插卡方式——以工业PC机加各种数据采集卡为代表，过程控制中的各种信号在外围通过相应的变送器送入插在工业PC机插槽中的数据采集卡，在PC机画面上显示各种生产过程参数，同时控制阀门与泵、电机等设备的启、停来满足工艺生产要求，目前国内不少啤酒厂发酵车间采用这种系统进行控制。一定程度上解决了啤酒生产过程控制问题，但存在以下缺点：a．系统可靠性差。b．画面呆板，缺乏一般工控组态软件灵活的程序脚本控制功能，同时系统本身安全性差，难以建立有效的操作等级和权限制度。c．系统的可扩充性差。d．由于外围器件的漂移较大，系统控制精度受一年四季影响大，控制效果不理想[3]。

（4）分布式控制系统——采用先进的计算机控制技术与多层网络结构加先进的控制算法对生产工序进行自动控制，主要特点是采用PLC作为下位机。目前有DCS（分布式控制系统）控制系统与FCS现场总线控制系统）控制系统两种。在这种控制方式中，下位机网络中控制单元一般采用PLC，其可靠性非常高（一般可连续可靠工作20年），性能稳定，上位机网络可兼容多种通讯协议（如TCP/IP协议），和标准数据库，挂在局域以太子网上，便于信息集成管理，和功能拓展。但主要缺点是一次投入资金较大[4]。

目前啤酒工业总的技术特点是向设备大型化、自动化、生产周期短，经济效益高的方向发展。近十年来，我国的啤酒工业得到了迅速发展，但是由于起步较晚，生产设备都比较落后，自动化程度低，因而产品效率较低，产品质量也不高，吨酒能耗较大，这都是我国啤酒工业急待解决的问题。

啤酒发酵对象的时变性、时滞性及其不确定性，决定了发酵罐控制必须采用特殊的控制算法。由于每个发酵罐都存在个体的差异，而且在不同的工艺条件下，不同的发酵菌种下，对象特性也不尽相同。因此很难找到或建立某一确切的数学模型来进行模拟和预测控

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制我国大部分啤酒生产厂家目前仍然采用常规仪表进行控制，人工监控各种参数，人为因素较多。这种人工控制方式很难保证生产工艺的正确执行，导致啤酒质量不稳定，波动性大且不利于扩大再生产规模。

1.3 实现啤酒发酵罐温度PLC控制的主要研究工作

（1）熟悉啤酒发酵的工艺过程，详细分析控制要求，选定装置所需检测和控制的参数，确定系统的控制方案。

（2）完成系统的硬件设计及其系统选型，包括系统的硬件连线，PLC的选型，PLC点数确定、PLC，扩展模拟量处理模块等部分。

（3）采用的是德国SIEMENS公司的S7-200系列PLC，运用与之相配的STEP7编程软件，通过STL和LAD两种编程语言编制了下位机的控制程序，完成系统软件设计，实现啤酒发酵温度自动控制的PLC控制系统设计。

1.4 本章小结

本章主要论述了选择该题目作为毕业设计的意义，以及我国现阶段啤酒发酵工业的发展现状，并对啤酒发酵过程和啤酒发酵控制系统方案进行了综述，对利用PLC进行啤酒发酵过程温度控制所需要进行的研究工作进行了总结。

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第2章 啤酒发酵工艺概述

2.1 啤酒发酵概述

啤酒是采用麦芽和水为主要原料，加酒花，经酵母发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、气泡的低酒精度饮料。啤酒生产工艺主要由麦汁制备（俗称糖化）、啤酒发酵、啤酒罐装等工艺流程组成。发酵过程是啤酒生产中一个非常重要的环节，啤酒发酵是一个复杂的生化过程，这个过程可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程，整个发酵过程同样也包含若干个生产工序，如：麦汁充氧、酵母添加、发酵、过滤、修饰以及酵母扩培等等。生产周期都在十几天以上，要求发酵液的温度严格按照一定的工艺曲线变化，温度控制精度在±0.5℃范围内如果温度控制偏低，就会使得发酵过程缓慢，影响生产进度；如果温度偏高，又会造成生化参数超出标准，影响啤酒的质量。

啤酒发酵整个过程分为：主发酵阶段、还原双乙酰阶段和低温贮酒阶段。从原麦汁入罐时刻起，就开始进行主发酵，这一阶段的温度控制在12摄氏度（不同工艺数值不同）。发酵液直接由糖化车间经管道灌入，初始的温度大约为8摄氏度左右，糖度为10度左右，每一罐发酵液需要分几批入罐，每一次入罐后都要由化验员测定一次糖度并把信息反馈到糖化车间，保证最后整罐发酵液的初始糖度符合标准。同时温度控制开始实施，以保证满罐后发酵液的温度在规定范围内。发酵液满罐后1小时工人开始测量发酵液的满罐糖度，以后每隔八小时测量一次。当糖度降至低于6.5度时，每两小时测量一次，直至到达6.0度。当糖度降到6.0度时主发酵阶段结束，主发酵阶段约历时4天。发酵进入还原双乙酰阶段，这一阶段要求温度控制在12~18摄氏度 （不同工艺数值）。进入第二阶段后，要求化验员每隔2小时测量一次双乙酞的浓度和糖度，直到糖度降至3.0度时变为每八小时测量一次。当糖度降至3.0度时再经过16小时糖度监测工作就结束。当双乙酰浓度下降到合格标准 （0.08mg/L）时，且糖度降至极限42~48小时后，如果此时距离装罐时间已大于6天，发酵就可以进入降温阶段，分两个阶段按不同的速率降温，此时把所有冷媒阀打开，使发酵液全速降温。当温度到达1摄氏度以下时发酵进入低温储酒阶段，在低温储酒阶段温度控制在0.5~10摄氏度。这一阶段主要是让酵母和一些固态物进行充分沉淀并进行回收。正常情况下，全过程必须在14天以上[5]。

2.2 发酵各阶段温度控制机理

（1）自然升温阶段

麦汁满罐温度高低直接关系到发酵工艺的准确执行，酵母前期增值速度，发酵周期的长短，发酵度的高低，酵母还原双乙酰能力以及副产物形成、泡沫、口味等，过低和过高

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的满罐温度均不利于酵母和成品酒质量[6]。满罐温度的确定应考虑麦汁分锅次进罐中酵母繁殖代谢使温度上升因素的影响，满罐后的自然升温阶段切忌因各种失误出现的控温，应通过此过程，使酵母尽快其发酵增殖适应新的麦汁环境形成良好的酒液对流。