啤酒發(fā)酵PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

趙 麒

（1.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學院，貴州 凱里 556000）

啤酒在人類發(fā)展歷史上有著不可替代的地位，是消耗量最多的飲料，因其飽含麥芽糖，還被稱為“液體面包”。隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，啤酒市場贏得了自二十世紀傳入以來最受歡迎的時期，徹底打破了白酒市場在我國的壟斷地位。隨著啤酒市場的不斷擴大，啤酒產(chǎn)量的激增，消費者對啤酒的品質(zhì)要求越來越高。

啤酒的主要原料包括大麥芽、酒花和水，經(jīng)過糖化、發(fā)酵最終釀制而成，有麥芽、酒花、水和酵母相互融合后產(chǎn)生的，含有有益于人體健康的其中氨基酸，即便低濃度，也是口味豐滿、爽口舒適。啤酒的發(fā)酵是在相對密閉的空間中開展的，是微生物菌體進行新陳代謝的過程，對啤酒整個生產(chǎn)過程起著重要的作用。任何產(chǎn)品的品質(zhì)不止來源于其原料，生產(chǎn)的過程控制也是至關(guān)重要的。隨著生產(chǎn)工藝的提高，舊的啤酒生產(chǎn)工藝逐漸面臨淘汰，生產(chǎn)企業(yè)為了降低生產(chǎn)本，提高經(jīng)濟效益，相繼采用現(xiàn)代化系統(tǒng)控制生產(chǎn)過程。在此過程中，可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng)以其控制精度高、操作方便、通用性好、可靠性高等優(yōu)點，逐漸脫穎而出。在啤酒灌裝過程中，采用PLC控制系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)酵工藝，減低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效益。

1 啤酒發(fā)酵的主要工藝

啤酒發(fā)酵有兩個主要的過程，分為主酵和后酵，發(fā)酵罐是整個發(fā)酵過程的主體。

（1）主酵階段。主發(fā)酵是由麥汁接種酵母，然后在發(fā)酵罐中開始發(fā)酵。發(fā)酵罐內(nèi)的溫度會逐漸升高，這是受到了大量熱量的影響，這些熱量是在酶的作用下分解淀粉釋放而出的。隨著時間的不斷延長，酵母會逐漸發(fā)生沉淀，此時溫度上升的速度也會變慢，我們需要密封發(fā)酵罐，讓其在罐體內(nèi)自然發(fā)酵。

（2）后酵階段。主酵完成之后是后酵階段，此階段會發(fā)生降溫過程。雙乙肽還原發(fā)生在罐內(nèi)溫度5℃左右的時候。與此同時，糖類發(fā)酵仍然需要繼續(xù)進行，是為了達到更好的降低氧的含量，更好地讓蛋白質(zhì)得到沉淀。

罐內(nèi)溫度從5℃降到-1℃左右需要以0.150C/h的下降速率，并且持續(xù)整個降溫過程。發(fā)酵罐中含有多種不同德物質(zhì)，這些物質(zhì)在發(fā)酵過程中的轉(zhuǎn)發(fā)還會受到其他因素的影響，其中壓力和溫度是兩個主要的因素，他們對啤酒產(chǎn)品的影響是至關(guān)重要的。對于壓力而言，它的增強能夠增加啤酒中二氧化碳的溶解量，同時，啤酒內(nèi)其他生成物也受壓力增強而減少。對于溫度而言，發(fā)酵在高溫下進行，能夠快速提高發(fā)酵速度，從而提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率；相反，低溫下進行發(fā)酵就會延長啤酒成品的時間，但會減少產(chǎn)生其他代謝物質(zhì)的含量，口感提升。

（3）啤酒的發(fā)酵過程控制回路。啤酒發(fā)酵的溫度控制就是利用冷媒介質(zhì)對罐內(nèi)溫度進行按工藝要求的分段控制。根據(jù)啤酒發(fā)酵的工藝要求，當儀表檢測到啤酒的發(fā)酵溫度高于工藝要求的溫度時，調(diào)節(jié)器輸出信號，打開氣動閥輸送冷媒，通過啤酒罐罐壁的冷帶給啤酒降溫；當發(fā)酵溫度低于工藝要求的溫度時，關(guān)閉冷媒，則啤酒按工藝要求繼續(xù)發(fā)酵，整個發(fā)酵過程大約20多天完成。

2 啤酒發(fā)酵過程的溫度控制

不可否認，啤酒整個生產(chǎn)過程影響較大的兩個因素就是溫度和壓力。為了能夠很好地控制發(fā)酵溫度，需要將發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱量盡可能去除，一般是在管壁夾套內(nèi)注入液氨和冷酒精水，讓它們對熱量進行充分的吸收。如此，控制好發(fā)酵過程中的溫度，來確保啤酒的最終品質(zhì)。

前面提到啤酒發(fā)酵的主要工藝，分為主發(fā)酵階段和后發(fā)酵階段，這兩個階段，對溫度都有著嚴格的要求。

（1）主發(fā)酵階段：這個階段的溫度控制主要以發(fā)酵罐的上部為主，使發(fā)酵罐上下部分溫差維持在0.5～1.0℃之間，這樣能夠罐內(nèi)上下部分發(fā)酵物保持很好的對流，從而使發(fā)酵更加充分，而溫差的控制是通過操控罐內(nèi)冷媒物的流量來實現(xiàn)的。

（2）后發(fā)酵階段：區(qū)別于主發(fā)酵階段，后發(fā)酵階段的溫度控制主要以發(fā)酵罐的下部為主，此時，為了能夠使得酵母實現(xiàn)最佳沉降，罐內(nèi)溫度需要上部高于下部。在后發(fā)酵階段，一定要控制好溫度下降的速度，在開始和結(jié)束階段，有必要冷卻冰水，降溫過程要均勻、緩慢進行。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

（1）PLC控制系統(tǒng)方案?？删幊炭刂破鳎≒LC）控制系統(tǒng)以其控制精度高、操作方便、通用性好、可靠性高等優(yōu)點，逐漸在啤酒灌裝過程中普及?？紤]到不同企業(yè)的經(jīng)濟效益、發(fā)展狀態(tài)等的不同，按照啤酒發(fā)酵工藝的控制需求，對PLC控制系統(tǒng)方案進行設(shè)計。PLC控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

（2）程序流程設(shè)計。啤酒發(fā)酵過程中溫度的控制是通過不斷改變發(fā)酵罐內(nèi)上、中、下三部分的溫度，從而出現(xiàn)溫度差來實現(xiàn)的，PLC的主要作用是能夠在啤酒發(fā)酵溫度控制過程中實時監(jiān)測罐內(nèi)各個部分的溫度。啤酒的發(fā)酵工藝溫度控制不同階段不同，是呈現(xiàn)一定曲線規(guī)律的，通過PID能夠使罐內(nèi)溫度與該曲線保持一致，同時生產(chǎn)工藝所要求的壓力也能通過對排氣閥的控制得以實現(xiàn)。之所以采用PID控制啤酒發(fā)酵過程中的溫度，是因為啤酒發(fā)酵的過程存在時間滯后、非線性等特征，簡單的控制算法經(jīng)過實踐過程發(fā)現(xiàn)并不適合。

4 PLC在啤酒生產(chǎn)中的應用

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，它的出現(xiàn)是順應了工業(yè)環(huán)境的發(fā)展要求。它采用的存儲器是能夠自由編程的，通過數(shù)字或者進行模擬，從而輸入輸出各種操作指令，包括邏輯運算、時間的定制、算數(shù)的計算等，最后達到控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程的目的。PLC系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的設(shè)計原則，是要遵循與工業(yè)控制系統(tǒng)合二為一的整體性原則，以及能夠擴充工業(yè)控制系統(tǒng)本身功能的原則。

（1）PLC在原料粉碎過程中的應用。啤酒生產(chǎn)過程中的首個程序是對原料進行粉碎，此過程對系統(tǒng)的要求相對嚴格，因為其生產(chǎn)工藝比較復雜。有研究發(fā)現(xiàn)，采用三級總線上位機、下位機形式的控制系統(tǒng)具有操作方便、可靠性高、靈活性好、便于優(yōu)化生產(chǎn)和控制等優(yōu)點。為使硬件與控制程序具有較好的兼容性，盡量減少軟硬件沖突，采用操作簡便、功能完備的STEP7組態(tài)工具作為控制程序編制平臺，并利用 STL語言進行程序編制。

（2）PLC在糖化過程中的應用。糖化過程是啤酒釀制過程中一個復雜的生物化學變化過程，麥汁中可發(fā)酵糖的含量足夠多時，才能保證啤酒成品能夠達到一定的發(fā)酵度，這是物質(zhì)上最基本的保證。影響麥汁組成的因素是多種多樣的，其中，糖化濕度、pH值的調(diào)整，直接到α-淀粉酶、β-淀粉酶的活性都是重要的組成因素。發(fā)酵罐在分段升溫的時候，糖化過程會為各種酶提供最佳作用濕度條件，同時有效改善啤酒色澤和口味。PLC控制系統(tǒng)由上位機、下位機、模擬控制屏、采集單元及輸出控制單元構(gòu)成。PLC安裝在模擬控制屏后，操作員在啤酒發(fā)酵進行之前，按照相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置。糖化過程中可能某些特殊工藝需要操作員手動配合完成，對于這種類型的工藝，由操作員在上位或模擬控制中進行。自動運行時，PLC根據(jù)設(shè)定的工藝曲線，自動完成進料、糊化、糖化、過濾、煮沸、沉淀、冷卻等各個環(huán)節(jié)的操作。投產(chǎn)以來，產(chǎn)品品質(zhì)良好，經(jīng)濟效益可觀。

（3）PLC在發(fā)酵溫度控制中的應用。在受到酵母的干預下，啤酒在發(fā)酵過程中，對麥汁的部分組成能夠產(chǎn)生代謝，麥汁風味經(jīng)過一系列變化會產(chǎn)生啤酒風味，這即是啤酒發(fā)酵的整個過程。啤酒發(fā)酵過程中的主體發(fā)酵罐在此期間會釋放出大量的熱量，總體是一個熱反應的經(jīng)過，這是啤酒生產(chǎn)工藝流程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。PLC發(fā)酵控制系統(tǒng)，以計算機為依托，采用PID計算方法，實現(xiàn)程序的自我調(diào)節(jié)與指令的自然完成，從而使得整個發(fā)酵過程實現(xiàn)精準化。而且，PLC系統(tǒng)具有簡單性與可操作性，穩(wěn)定性能較強。

（4）PLC在灌裝及包裝過程中的應用。啤酒在灌裝過程中，其壓蓋自動控制系統(tǒng)是由多個部分組成的，包括溫度、壓力等過程量的調(diào)節(jié)，灌裝閥門的開啟、灌裝過程中損壞部分等。PLC系統(tǒng)能夠在整個灌裝過程中，對灌裝工藝各個組成要素進行相應監(jiān)控，并作出調(diào)整，壓力、溫度等均包括在內(nèi)。PLC會將采集的相關(guān)信息向上傳輸給上位機，然后上位機會回傳相應指令，PLC根據(jù)回傳指令做出反應。通過大量啤酒灌裝過程控制證明PLC系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集反饋等方面具有很大優(yōu)勢。

5 結(jié)語

PLC系統(tǒng)之所以在啤酒發(fā)酵過程的溫度控制中能夠起著如此重要的作用，源于PLC系統(tǒng)本身所具有的抗干擾能力，尤其在環(huán)境非常差的條件下，而且，PLC較小的體積，靈活簡單的編程，在不需要變動硬件的情況下就能夠通過改變自身程序來實現(xiàn)相關(guān)功能的變化，第三源于其強大的實時監(jiān)測功能，可靠的數(shù)據(jù)采集能力，這是其他系統(tǒng)所不具備的。PLC系統(tǒng)的設(shè)計，對啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)市場是一個重大的補充，其相關(guān)的技術(shù)研究具有重要的參考價值。