啤酒發(fā)酵PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：啤酒發(fā)酵是個(gè)動(dòng)態(tài)過程。溫度、壓力、液位是其過程中最主要的參數(shù)，其中溫度是控制中的難點(diǎn)。本文根據(jù)啤酒發(fā)酵的工藝流程，按照一定的工藝要求進(jìn)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(shè)計(jì)理想的PLC程序，在啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)中完成溫度、濃度和時(shí)間的模擬量的讀取處理，完成溫度設(shè)定值和PID回路的計(jì)算，對(duì)電磁閥的輸出和發(fā)酵罐的操作狀態(tài)進(jìn)行控制，以達(dá)到產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

關(guān)鍵詞：啤酒發(fā)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(jīng)發(fā)酵釀制而成的，它是具有酒花香和爽口苦味、營養(yǎng)豐富、風(fēng)味獨(dú)特的低度釀造酒，含有人體所必須的七種氨基酸。釀造業(yè)的發(fā)酵通常是在密閉的容器中進(jìn)行的，作為啤酒生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的一環(huán)， 發(fā)酵過程影響著啤酒的品質(zhì)。以前的啤酒生產(chǎn)工藝已不再適應(yīng)當(dāng)今的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)要求，啤酒企業(yè)紛紛采用現(xiàn)代化工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來生產(chǎn)產(chǎn)品，從而可以達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)也在不斷的發(fā)展和更新，其功能日益強(qiáng)大，已成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備之一。

啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)過程中在酶的作用下生成水跟二氧化碳。啤酒發(fā)酵是放熱反應(yīng)的過程，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，罐內(nèi)的溫度會(huì)逐漸升高，隨著二氧化碳等產(chǎn)物的不斷產(chǎn)生，密閉罐內(nèi)的壓力會(huì)逐漸升高。啤酒發(fā)酵是一放熱的生化反應(yīng)過程，通過調(diào)節(jié)發(fā)酵罐四周管道內(nèi)的氣流量從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵液體溫度的。過去對(duì)溫度的調(diào)節(jié)是由操作人員根據(jù)給定的曲線，手動(dòng)調(diào)節(jié)氣閥開度的大小來達(dá)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(chǎn)過程中產(chǎn)生的不良影響，往往使控制效果不理想。為此，啤酒生產(chǎn)的發(fā)酵工序提出計(jì)算機(jī)監(jiān)控的要求，采用PID控制算法，使啤酒生產(chǎn)集控制與數(shù)據(jù)采集更合理，從而更好的保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

1 啤酒生產(chǎn)工藝簡介

啤酒發(fā)酵分主酵和后酵兩個(gè)過程，整個(gè)發(fā)酵過程都是發(fā)酵罐中進(jìn)行的。

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

發(fā)酵罐中各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速度受一系列因素的影響。壓力和溫度在發(fā)酵過程中對(duì)啤酒的品質(zhì)和質(zhì)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(shí)減少啤酒中其他生成物。其次溫度對(duì)發(fā)酵速度影響很大。高溫發(fā)酵可以減少發(fā)酵時(shí)間，縮短產(chǎn)品周期；低溫發(fā)酵可以減少啤酒在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的多余代謝物，提高啤酒的質(zhì)感。因此，在啤酒生產(chǎn)過程中對(duì)溫度跟壓力的控制是極其重要的，通過調(diào)節(jié)控制閥開度來控制好溫度的升降速率，從而是定啤酒生產(chǎn)質(zhì)量。通常在管壁的夾套內(nèi)注入液氨和冷酒精水來吸收在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱量，從而達(dá)到控制發(fā)酵溫度的目的。實(shí)現(xiàn)在發(fā)酵過程中自動(dòng)控制溫度的效果。

2 啤酒發(fā)酵的溫度控制要求

根據(jù)對(duì)啤酒發(fā)酵工藝要求，將啤酒發(fā)酵分為主發(fā)酵、降溫和貯酒期三個(gè)階段。三個(gè)階段都對(duì)溫度有嚴(yán)格的要求。

①主發(fā)酵階段：這個(gè)階段溫控應(yīng)以上部為主，通過對(duì)冷媒物流量大小來控制發(fā)酵罐上下溫差，一般溫差保持在0.5 —1.0℃，從而實(shí)現(xiàn)上下發(fā)酵物更好的對(duì)流，發(fā)酵反應(yīng)更充分。

②降溫階段：這個(gè)階段溫度的控制應(yīng)以下部為主，控制正好與主發(fā)酵階段相反，上部溫度應(yīng)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(jié)束時(shí)，應(yīng)提前打開或關(guān)閉冷卻冰水。

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

發(fā)酵過程中溫度的控制除了對(duì)發(fā)酵罐冷卻層溫度控制外，對(duì)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(fā)酵液體容易凝冰，所以在自動(dòng)控制過程對(duì)溫度的監(jiān)控至關(guān)重要，但是在控制過程中還要考慮到發(fā)酵液冰點(diǎn)和冷傳遞等因素的影響。

3 程序流程圖設(shè)計(jì)

啤酒發(fā)酵對(duì)象的時(shí)變性、時(shí)滯性及其不確定性，決定了發(fā)酵罐控制必須采用特殊的控制算法。為節(jié)省能源，降低生產(chǎn)成本，并且能夠滿足控制要求，發(fā)酵罐的溫度控制選擇了檢測發(fā)酵罐的上、中、下3段的溫度，通過上、中、下3段液氨進(jìn)口的兩位式電磁閥來實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐溫度控制的方法。

根據(jù)工藝流程的介紹，可以總結(jié)出基本的程序流程圖如圖1所示：①計(jì)算出啤酒發(fā)酵時(shí)間。在程序中必須能夠得到每個(gè)發(fā)酵罐的起始發(fā)酵時(shí)間，然后由當(dāng)前時(shí)間計(jì)算出罐內(nèi)啤酒的已經(jīng)發(fā)酵時(shí)間。②計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的設(shè)定溫度。處在發(fā)酵過程中的每一個(gè)發(fā)酵罐根據(jù)各自的生產(chǎn)需要，都有一個(gè)工藝設(shè)定曲線。在計(jì)算出發(fā)酵的時(shí)間之后，可以通過計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的設(shè)定溫度。③計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的電磁閥開度。在確定出當(dāng)前時(shí)刻的設(shè)定溫度之后，使用簡單的PID控制回路就可以計(jì)算出電磁閥的開度。

發(fā)酵過程中，根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度，實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)酵罐上、中、下3段溫度的變化，根據(jù)3段溫度曲線變化合理設(shè)計(jì)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，同時(shí)可以進(jìn)行手自動(dòng)切換。在程序中設(shè)置各種報(bào)警，在超過設(shè)定溫度后要能停止生產(chǎn)的進(jìn)行，從而達(dá)到預(yù)定的控制效果。在工控界面要能如實(shí)反映出我們需要監(jiān)測的各個(gè)過程的溫度壓力等等。同時(shí)在程序中要有程序復(fù)位功能，這樣在發(fā)生故障后和因操作人員操作偶爾失誤而無法實(shí)現(xiàn)后續(xù)程序正常運(yùn)行的情況。

對(duì)于采用外部冷媒間接換熱方式來控制體積大、慣性大的發(fā)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(diào)和持續(xù)的震蕩，很難取得預(yù)期的控制效果。因此我們要根據(jù)不同季節(jié)和不同的發(fā)酵罐設(shè)計(jì)出不同的工藝溫度和壓力控制曲線，來滿足工廠對(duì)啤酒品質(zhì)的要求。這不僅要求高精度，高穩(wěn)定性的控制，還要求控制系統(tǒng)有極大的靈活性。用PLC采集數(shù)據(jù)和控制執(zhí)行實(shí)時(shí)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(qiáng)及可靠性高等特點(diǎn)，特別適用于惡劣環(huán)境下運(yùn)行。從而使PLC控制在啤酒發(fā)酵過程中發(fā)揮更大的作用。

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