基于S7-400 PLC的啤酒發(fā)酵靶向溫度控制系統(tǒng)

張松宇 徐 彬 楊文斌

(1. 內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070； 2. 內(nèi)蒙古計算機(jī)應(yīng)用研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 3. 內(nèi)蒙古煤礦設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)原料釀制成啤酒的關(guān)鍵工藝，而發(fā)酵溫度是影響啤酒轉(zhuǎn)化及發(fā)酵成敗的關(guān)鍵因素，因此精準(zhǔn)控制發(fā)酵溫度是啤酒發(fā)酵工藝的首要任務(wù)。實(shí)際發(fā)酵過程中，發(fā)酵溫度受生化反應(yīng)進(jìn)程、發(fā)酵罐容積、冷媒量、發(fā)酵時間等多重因素影響，致使啤酒發(fā)酵溫控系統(tǒng)具有大時滯和非線性的特性[1]。

目前，較多學(xué)者將模糊控制[2-3]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[4]、Smith預(yù)估補(bǔ)償[5-7]等控制方法應(yīng)用于啤酒發(fā)酵系統(tǒng)中，提高了啤酒發(fā)酵溫度的控制精度。但是，幾乎所有的控溫方法都是將啤酒發(fā)酵液的發(fā)酵過程視為一個靜態(tài)過程，忽略了發(fā)酵液在發(fā)酵過程中的動態(tài)循環(huán)規(guī)律。目前啤酒廠廣泛使用大型發(fā)酵罐(≥400 m3)，如果發(fā)酵過程中不考慮發(fā)酵液的動態(tài)循環(huán)規(guī)律，控溫過程中，靠近罐壁的發(fā)酵液早已達(dá)到目標(biāo)溫度，但罐內(nèi)中心發(fā)酵液溫度離目標(biāo)溫度偏差較大，此時繼續(xù)供給冷媒會導(dǎo)致控溫效果差，甚至出現(xiàn)罐壁結(jié)冰現(xiàn)象。因此，要實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制，需充分利用發(fā)酵過程中由于溫度不同造成的發(fā)酵液自循環(huán)規(guī)律，促進(jìn)罐內(nèi)發(fā)酵液的良性循環(huán)和熱交換，以此提高控溫效果。試驗(yàn)針對啤酒發(fā)酵各階段內(nèi)發(fā)酵液的動態(tài)特性，擬將發(fā)酵液循環(huán)規(guī)律與模糊PID算法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)發(fā)酵溫度控制，并在某啤酒廠的發(fā)酵罐群進(jìn)行測試與應(yīng)用，為有效提高啤酒發(fā)酵溫控系統(tǒng)的控制精度提供理論依據(jù)。

1 啤酒發(fā)酵溫度控制原理

目前，中國啤酒廠廣泛使用圓柱露天錐形發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵。如圖1所示，發(fā)酵罐容積400 m3，罐高21 m，直徑6.8 m，為大型發(fā)酵罐，罐體設(shè)置4段冷帶[8]，每段冷帶為纏繞數(shù)周在罐壁上的夾套。為了使溫度測量更加精確，在4段冷帶上分別設(shè)置上溫、中溫、下溫、錐溫4個測溫點(diǎn)[9]。

1. 發(fā)酵罐 2. 手動截止閥 3. 過濾器 4. 冷媒閥EV01 5. 冷媒閥EV02 6. 冷媒閥EV03 7. 冷媒閥EV04 8～12. 手動截止閥 13. 單向閥 14. PT100溫度傳感器TIC01 15. PT100溫度傳感器TIC02 16. PT100溫度傳感器TIC03 17. PT100溫度傳感器TIC04 18. 罐頂壓力變送器PIC圖1 啤酒發(fā)酵罐溫度控制示意圖Figure 1 Temperature control diagram of beer fermentation tank

啤酒發(fā)酵溫度控制原理[1]：將PT100溫度傳感器插入發(fā)酵罐中，并通過三線制接法接入RTD模塊，RTD模塊經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將電阻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號傳輸給PLC。PLC依據(jù)發(fā)酵工藝設(shè)定溫度值與溫度傳感器檢測值進(jìn)行比較得出偏差，再利用相應(yīng)溫控算法對偏差進(jìn)行邏輯運(yùn)算并輸出相應(yīng)控制量。冷媒調(diào)節(jié)閥依據(jù)PLC的控制信號自動調(diào)節(jié)閥門開度，改變冷媒流量，實(shí)現(xiàn)溫度控制。

2 靶向控溫思想

2.1 發(fā)酵液循環(huán)特性

啤酒發(fā)酵是麥汁在啤酒酵母的作用下進(jìn)行的復(fù)雜的生化反應(yīng)過程。啤酒發(fā)酵液最大密度時的溫度可按式(1)計算[10]。

T=4-(0.65ωP-0.24ω)，

(1)

式中：

T——啤酒發(fā)酵液最大密度時的溫度，℃；

ωP——啤酒濃度，°P；

ω——酒精濃度，g/100 g。

啤酒發(fā)酵液最大密度時的溫度為3 ℃左右，啤酒溫度、密度與發(fā)酵液運(yùn)動的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)啤酒溫度>3 ℃時，發(fā)酵液密度隨溫度的升高而減?。划?dāng)啤酒溫度<3 ℃時，發(fā)酵液密度隨溫度的降低而減小；當(dāng)啤酒溫度為3 ℃時，發(fā)酵液密度最大。發(fā)酵初期，由于酵母的劇烈代謝作用，發(fā)酵液出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。當(dāng)糖分減少，酵母作用結(jié)束時，冷媒成為影響發(fā)酵液循環(huán)特性的主要因素，靠近罐壁的溫度偏低，而中間區(qū)域的溫度較高，因此形成內(nèi)外溫度差。與發(fā)酵初期不同，此時的內(nèi)外溫差成為促使發(fā)酵液運(yùn)動的主要因素，使得溫度低、密度高的靠近罐壁的發(fā)酵液向下運(yùn)動，而溫度高、密度小的中間區(qū)域的發(fā)酵液則向上運(yùn)動。

圖2 啤酒溫度、密度與發(fā)酵液運(yùn)動關(guān)系示意圖Figure 2 Diagram of the relationship between temperature, density and liquor movement when beer is cooled

2.2 靶向控溫點(diǎn)

啤酒發(fā)酵溫度工藝包括自然升溫階段(8～10 ℃)、主酵階段(10 ℃)、升溫階段(10～12 ℃)、雙乙酰還原階段(12 ℃)、高溫降溫階段(12～3 ℃)、低溫降溫階段(3～0 ℃ 或-1 ℃)和貯酒階段(0 ℃或-1 ℃)[11]。發(fā)酵的各個階段對溫度的控制要求各不相同，與此對應(yīng)的發(fā)酵液的動態(tài)循環(huán)狀態(tài)也不相同，將能夠促進(jìn)發(fā)酵液動態(tài)循環(huán)的控溫點(diǎn)稱為靶向控溫點(diǎn)。發(fā)酵過程中，若能夠針對每一階段的靶向控溫點(diǎn)進(jìn)行控溫，會極大地縮短發(fā)酵過程，節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率。

(1) 自然升溫到主發(fā)酵和雙乙酰還原階段(圖3)：該階段酵母活性最強(qiáng)，糖化后的醪液中含有足夠的糖分，發(fā)酵液在罐壁內(nèi)外溫差和二氧化碳?xì)怏w的雙重作用下形成動態(tài)循環(huán)。此時，二氧化碳成為推動發(fā)酵液運(yùn)動的主要因素，為了抑制其溫度上升，促進(jìn)循環(huán)，此階段的靶向控溫點(diǎn)應(yīng)為上溫和中溫。

(2) 高溫降溫段(圖4)：發(fā)酵基本結(jié)束，CO2形成的上升力消失，罐內(nèi)發(fā)酵液整體向下運(yùn)動。此時冷媒導(dǎo)致的內(nèi)外溫差成為推動發(fā)酵液循環(huán)的主要因素，為了促進(jìn)其向下運(yùn)動，此階段的靶向控溫點(diǎn)也是上溫和中溫。

(3) 低溫降溫段(圖5)：發(fā)酵液溫度由3 ℃降到0 ℃或-1 ℃。此時靠近罐壁的發(fā)酵液向上運(yùn)動，中間發(fā)酵液向下運(yùn)動。糖分已全部被消耗，罐壁的內(nèi)外溫差成為發(fā)酵液循環(huán)[12]的主動力，為了增加罐壁附近的發(fā)酵液向上運(yùn)動的動力，促進(jìn)循環(huán)，因此靶向控溫點(diǎn)為錐溫和中溫。

(4) 貯酒段：此階段的任務(wù)是保持溫度不變，以利于澄清酒液，保證啤酒品質(zhì)，發(fā)酵液循環(huán)方向與圖5相同，靶向控溫點(diǎn)依然是錐溫和中溫。

圖3 主發(fā)酵和雙乙酰還原階段循環(huán)示意圖Figure 3 Cycle diagram of main fermentation and diacetyl reduction stages

圖4 高溫降溫階段循環(huán)示意圖Figure 4 Cycle diagram of high temperature cooling stage

圖5 低溫降溫段與貯酒段循環(huán)示意圖Figure 5 Circulation schematic diagram of low temperature cooling section and liquor storage section

3 模糊PID溫控算法

3.1 模糊PID溫控原理

由于影響發(fā)酵溫度的因素較多，導(dǎo)致運(yùn)用傳統(tǒng)的采用固定參數(shù)值的PID控制器難以滿足溫度控制要求。依據(jù)啤酒發(fā)酵工藝，設(shè)計了基于靶向控溫點(diǎn)實(shí)現(xiàn)溫度控制的模糊PID控制器來調(diào)節(jié)啤酒發(fā)酵溫度，原理圖[13]如圖6 所示。

圖6 模糊PID溫控原理圖Figure 6 Principle diagram of fuzzy PID temperature control

由圖6可知，模糊PID[14]溫控過程可分為3步：① PT100溫度傳感器檢測啤酒發(fā)酵罐相應(yīng)靶向控溫點(diǎn)的實(shí)際溫度y(t)，PLC將y(t)與設(shè)定溫度r(t)進(jìn)行邏輯運(yùn)算后得出e(t)和ec(t)并作為模糊控制器的輸入變量，經(jīng)量化因子Ke和Kec后進(jìn)行模糊化處理。② 模糊控制器根據(jù)當(dāng)前溫度e(t)、ec(t)和預(yù)先制定的PID控制器修正參數(shù)ΔKP，ΔKI，ΔKD與發(fā)酵溫度e(t)，ec(t)之間的模糊關(guān)系進(jìn)行模糊推理獲得模糊控制量，經(jīng)反模糊化獲得ΔKP，ΔKI，ΔKD的精確值，再與PID控制器初始參數(shù)KP0，KI0，KD0求和運(yùn)算后獲得PID控制器的實(shí)時參數(shù)KP，KI，KD并傳給PID控制器[13]。③ PID控制器根據(jù)當(dāng)前參數(shù)值輸出控制量，冷媒調(diào)節(jié)閥接收控制量自動調(diào)節(jié)閥門開度，改變冷媒流量，實(shí)現(xiàn)溫度的精確調(diào)整。

3.2 模糊PID控制器設(shè)計

3.2.1 控制器參數(shù)的確定 將溫度偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，將PID參數(shù)的修正值ΔKP、ΔKI、ΔKD作為模糊控制器的輸出變量[15]。模糊PID控制器各參數(shù)見表1。

3.2.2 選擇隸屬函數(shù) 典型的隸屬函數(shù)有高斯型、三角形、Z型[16]等，為提高啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)的控制精度且方便計算，選擇三角形隸屬函數(shù)作為系統(tǒng)輸入輸出變量的隸屬函數(shù)。

3.2.3 建立模糊規(guī)則 建立模糊規(guī)則是設(shè)計模糊控制器的關(guān)鍵步驟，將直接影響系統(tǒng)的輸出結(jié)果。系統(tǒng)采用If A and B then C[17]的結(jié)構(gòu)并依據(jù)現(xiàn)場工程師多年累積的參數(shù)調(diào)整經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)得到以下模糊控制規(guī)則表[18](表2)。

在Matlab模糊邏輯工具箱圖形界面窗口中，運(yùn)行View→Rules命令，調(diào)出模糊規(guī)則觀測器窗口，輸入不同的模糊輸入變量值e和ec，計算出與之對應(yīng)的模糊輸出變量值ΔKP、ΔKI、ΔKD，從而得到模糊控制查詢表(表3)。

表1 模糊PID控制器相關(guān)參數(shù)?Table 1 Parameters of fuzzy controller

? NB表示負(fù)大，NM表示負(fù)中，NS表示負(fù)小，Z0表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。

表2 模糊規(guī)則表?Table 2 Fuzzy rules

? NB表示負(fù)大，NM表示負(fù)中，NS表示負(fù)小，Z0表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。

表3 模糊控制查詢表Table 3 Fuzzy control rules query table

4 啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 硬件配置

以中國某大型啤酒集團(tuán)武漢工廠搬遷項(xiàng)目為例，依據(jù)現(xiàn)場控制需求和控制點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行合理設(shè)計與選型。該廠發(fā)酵罐區(qū)共有36個發(fā)酵罐，通過對系統(tǒng)控制點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計可得：4-20 mA型 AI點(diǎn)數(shù)36、電阻信號(RTD)型AI點(diǎn)數(shù)144，AO點(diǎn)數(shù)180、DI點(diǎn)數(shù)180、DO點(diǎn)數(shù)216。選用西門子S7-400 PLC 為控制器，利用Step 7軟件實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)的硬件選型、組態(tài)等，系統(tǒng)硬件配置見表4。

4.2 軟件設(shè)計

利用Step 7軟件設(shè)計模糊PID控制器控制程序，流程圖見圖7。軟件設(shè)計主要完成以下工作：① 根據(jù)啤酒發(fā)酵工藝流程，在上位機(jī)軟件中設(shè)置啤酒發(fā)酵配方工藝，確保系統(tǒng)在發(fā)酵的各個階段能嚴(yán)格按照溫度工藝要求進(jìn)行自動調(diào)節(jié)；② S7-400PLC讀取溫度傳感器檢測的相應(yīng)靶向控溫點(diǎn)的溫度值并與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較；③ 若二者相等，則進(jìn)行下一個掃描周期的溫度實(shí)測值與設(shè)定值的比較；④ 若二者不相等，S7-400PLC將二者邏輯運(yùn)算結(jié)果送入模糊控制器，模糊控制器推理出最優(yōu)的 PID參數(shù)；⑤ PID控制器依據(jù)當(dāng)前參數(shù)輸出控制量調(diào)節(jié)當(dāng)前靶向控溫點(diǎn)冷媒閥開度，冷媒流量發(fā)生變化，從而改變發(fā)酵罐內(nèi)的溫度。

表4 硬件配置表Table 4 Moduleconfiguration table of fermentation tank area

圖7 啤酒發(fā)酵溫度控制程序流程圖Figure 7 Flow chart of beer fermentation temperature control program

4.3 Braumat平臺設(shè)計

啤酒發(fā)酵系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用Braumat平臺，其具有完善的訂單/配方管理、趨勢曲線記錄等功能[19]。將Braumat平臺應(yīng)用于啤酒釀造系統(tǒng)中，不僅可以提高啤酒品質(zhì)，同時還可以與工廠的信息管理系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)訂單下達(dá)及生產(chǎn)信息上傳等功能，提高啤酒生產(chǎn)智能化水平。配方編輯器畫面(圖8)能清晰地顯示工藝流程，同時也讓工藝更改變得更加方便高效。發(fā)酵監(jiān)控畫面(圖9)能直觀地顯示生產(chǎn)過程參數(shù)，如發(fā)酵罐罐頂壓力、各層溫度、冷媒閥開度等參數(shù)信息。

圖8 配方編輯器畫面Figure 8 Formulaeditor screen

圖9 發(fā)酵過程監(jiān)測畫面Figure 9 Fermentation process monitoring screen

5 測試與應(yīng)用

課題所述的啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)已應(yīng)用于中國某大型啤酒集團(tuán)武漢工廠搬遷項(xiàng)目，發(fā)酵罐采用4段冷媒控溫，4段PT100鉑電阻溫度測溫。在該廠搬遷前，發(fā)酵溫度控制誤差為±0.6 ℃，且溫度波動頻繁，偶爾會出現(xiàn)發(fā)酵罐結(jié)冰等現(xiàn)象。此次搬遷新建工廠采用了發(fā)酵靶向控溫思想并結(jié)合模糊PID控溫算法，獲得采樣中溫曲線(圖10)。由圖10可知，中溫曲線與給定溫度曲線基本重合，溫度誤差達(dá)±0.3 ℃，且控溫過程中發(fā)酵罐無結(jié)冰現(xiàn)象，表明靶向控溫思想有效地促進(jìn)了發(fā)酵液的循環(huán)，提高了控溫精度，解決了發(fā)酵液制冷時受冷不均勻的問題，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

圖10 發(fā)酵罐溫度歷史趨勢曲線Figure 10 Fermentation process monitoring screen

6 結(jié)論

以S7-400PLC為控制器完成了系統(tǒng)的硬件配置、軟件設(shè)計和Braumat平臺設(shè)計。針對發(fā)酵液的動態(tài)循環(huán)特性，提出靶向控溫思想并結(jié)合模糊PID溫控算法對發(fā)酵溫度進(jìn)行控制。與現(xiàn)有的研究成果對比，試驗(yàn)發(fā)酵系統(tǒng)有效地提高了控溫精度，解決了大型發(fā)酵罐發(fā)酵液制冷時受冷不均勻的問題，適合工廠應(yīng)用。試驗(yàn)采用的溫控算法較為簡單，并且通過現(xiàn)場測試應(yīng)用，解決了罐壁結(jié)冰，熱交換過程緩慢的問題。但啤酒發(fā)酵過程本身是一個極其復(fù)雜的生化過程，繼續(xù)跟蹤生產(chǎn)，優(yōu)化算法參數(shù)仍是下一步研究重點(diǎn)。