基于PLC的啤酒发酵罐温度控制系统设计(3)

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PIC电磁阀关01罐内压力排放CO2上层温度TIC01冷媒出口中层温度TIC02下层温度TIC03冷媒入口LI01罐内液位图2-1 啤酒发酵罐控制系统流程图

2.5 啤酒发酵工艺流程

根据锥形发酵大罐的特性将发酵的全过程分为多个阶段，在各个阶段，对象的特性相对稳定，温度和压力的控制方面存在一定的规律性。在发酵开始前，根据工艺要求预先设定工艺控制的温度、压力曲线；在发酵工程中，根据发酵进行的程度（发酵时间、糖度、双乙酰含量等），发酵罐上、中、下3段温度的差异，以及3段温度各自的变化趋势，自动正确选择各个阶段相应的控制策略，从而达到预期的控制效果[9]。主要分为以下阶段：

（l）麦汁充氧和酵母添加

麦汁在泵入发酵罐进行发酵之前，麦汁中需要加入适量的酵母，整个发酵过程可以简单理解为酵母把麦汁中的糖类分解成C2H50H、H2O及其它产物的过程。这个阶段麦汁原料经由连接管道由糖化罐进入发酵罐中。

（2）发酵

啤酒发酵是一个复杂的微生物代谢过程，这是啤酒生产过程中耗时最长的一个环节。在发酵期间，一般是往附着于罐壁上的冷却夹套内通入致冷酒精水或液氨来吸收生化反应热，以维持适宜的发酵温度，致冷量通过调节冷媒流量来控制。

整个发酵过程可以分为主酵和后酵两个阶段：

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① 主酵—这个阶段又称为前酵。麦汁接种酵母进入发酵罐几小时以后逐渐开始主发酵，麦汁糖度下降，产生CO2，反应热的释放使整个罐内的温度逐渐上升。经过2~3天后进入发酵最为旺盛的高泡期，再过2~3天，降糖速度变慢，糖度很低，酵母开始沉淀，进行封罐发酵。此时，前酵基本结束，进行降温转入后酵阶段。普通啤酒在前酵时的工艺要求控制在12℃左右，从前酵进入后酵的降温过程。

② 后酵—当罐内温度从前酵的12℃降到3℃左右时，后酵阶段开始了，这一阶段最主要的目的是进行双乙酰还原。此外，后酵阶段还完成了残糖发酵，充分沉淀蛋白质、降低氧含量，提高啤酒的稳定性。一旦双乙酰指标合格，发酵罐进入第二个降温过程，把罐内发酵温度从3℃降到0～－1℃左右进行贮酒，以提高啤酒的风味和质量。经过一段时间的贮酒，整个发酵环节基本结束。

（3）啤酒过滤和杀菌

主酵、后酵结束以后，啤酒将通过过滤机和高温瞬时杀菌进行生物以及胶体稳定处理然后灌装。啤酒过滤是一种分离过程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母细胞和其它混浊物从啤酒中分离出去，否则这些物质会在以后的时间里从啤酒中析出，导致啤酒混浊，目前多采用硅藻土过滤方式。如果啤酒中仍含有微生物（杂菌），则微生物可以在啤酒中迅速繁殖，导致啤酒混浊，其排泄的代谢产物甚至使啤酒不能饮用。杀菌就是啤酒在灌装之前对其进行生物稳定性处理的最后一个环节。

啤酒发酵工艺曲线如图2-2所示。图中，0a段为自然升温段，不须外部控制；ab 段为主发酵阶段；主酵阶段，典型的控制温度为12℃；bc段为降温逐渐进入后酵，典型降温速度为0.3℃/h；cd 段为后酵阶段，典型控制点3℃；de 段为降温进入贮酒阶段，典型降温速度为0.15℃/h；e f 段为贮酒阶段。啤酒口味和实际要求的不同，啤酒的发酵工艺曲线也就不同，但是对于确定好的啤酒发酵工艺，就应严格按照工艺曲线去控制温度和压力等，这样才能保证啤酒的质量。

141210 T/℃ab864200cdet/h图2-2 啤酒发酵工艺曲线

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2.6 本章小结

本章对啤酒发酵整个过程做了概述，对发酵过程各阶段温度控制机理进行了详细的说

明，并对啤酒发酵设备和发酵温控基本要求做了研究，从而总结出啤酒发酵工艺流程中PLC在各阶段温度控制中能起到的作用。

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第3章 应用PLC实现啤酒发酵温度控制的可行性分析

3.1 可编程序控制器PLC的特点

可编程序控制器（Programmable Controller）是一种以计算机（微处理器）为核心的通用工业控制装置。早期可编程序控制器主要用于开关量的逻辑控制，被称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，这个名称被一直沿用。现代PLC采用微处理器作为中央处理单元，其功能大大增强，不仅具有逻辑控制功能，还具有算术运算、模拟量处理和通信联网等功能，目前已经被广泛应用于工业生产的各个领域。自1969年DEC公司研制出世界上第一台PLC后，经过30多年的发展，有的已经使用RISC（精简指令系统CPU）芯片。最快的PLC处理一步程序仅需几十纳秒；软件上使用容错技术，硬件上使用多CPU技术，具有二三百步以上的高级指令，使PLC具有强大的数值运算、函数运算和大批量数据处理能力[10]。

PLC的迅猛发展和广泛应用是与其自身的性能特点密切相关的，与继电器、微机控制相比，PLC具有以下特点：

（1）高可靠性

PLC是为了适应工业环境而专门设计的控制装置，可靠性高、抗干扰能力强是它的最重要的特点。PLC在硬件和软件方面采取了如下一系列可靠性设计方法。

硬件设计方面：采用可靠性高的元件，对干扰的屏蔽、隔离和滤波，对电源的掉电保护，存储器内容保护，采用看门狗和其他自诊断措施等。

软件设计方面：采用软件滤波，软件自诊断，简化编程语言，信息保护和恢复，报警和运行信息的显示等。

这些措施的采用使PLC的可靠性和抗干扰能力大大优于一般的计算机控制系统，PLC的平均故障间隔时间（MTBF）可达几十万小时。

（2）易操作性

PLC的易操作性表现为编程简单，使用方便。考虑到大多数电气技术人员的读图习惯和应用微机的水平，PLC采用了面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，易于掌握。例如目前大多数PLC采用的梯形图语言，继承了继电器控制线路的清晰直观感，很容易被电气技术人员所接受和掌握。

PLC的输入输出接口可直接与控制现场的用户设备相连接，可拆卸的接线端子排使接线工作及其简单。PLC的自诊断功能使在系统出现故障的时候，维护人员可根据各种异常状态的指示或自诊结果，快速确定故障的位置，以便迅速处理和修复。

（3）通用性

现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D、D/A

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转换，PID控制、数值运算和数据处理等功能。因此，它既可对开关量进行控制，也可对模拟量进行控制；既可以控制单台设备，也可以控制一条生产线或全部生产工艺过程。PLC还具有通信联网功能，可与各类型的PLC联网，并可与上位机通信构成分布式的控制系统。

（4）易于实现机电一体化

由于PLC采用半导体集成电路，因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。而且由于PLC是专为工业控制而设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用，并具有很强的可靠性和抗干扰能力，易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备。

3.2 PLC的组成与基本原理

3.2.1 PLC的组成结构

PLC本质上是一台用于控制的专用计算机，因此它与一般的控制机在结构上有很大的相似性。PLC的主要特点是与控制对象有更强的接口能力，也就是说，它的基本结构主要是围绕着适宜于过程控制的要求来进行设计的。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。

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