啤酒发酵PLC控制系统设计

摘要：啤酒发酵是个动态过程。温度、压力、液位是其过程中最主要的参数，其中温度是控制中的难点。本文根据啤酒发酵的工艺流程，按照一定的工艺要求进行控制，用西门子S7－200可编程控制器，着重于温度的控制研究，设计理想的PLC程序，在啤酒发酵控制系统中完成温度、浓度和时间的模拟量的读取处理，完成温度设定值和PID回路的计算，对电磁阀的输出和发酵罐的操作状态进行控制，以达到产品的质量要求。

关键词：啤酒发酵温度PIDPLC

作为“液体面包”的啤酒是盛夏首选饮料。啤酒以大麦芽酒花水为主要原料，经发酵酿制而成的，它是具有酒花香和爽口苦味、营养丰富、风味独特的低度酿造酒，含有人体所必须的七种氨基酸。酿造业的发酵通常是在密闭的容器中进行的，作为啤酒生产过程中至关重要的一环, 发酵过程影响着啤酒的品质。以前的啤酒生产工艺已不再适应当今的生产规模和生产要求,啤酒企业纷纷采用现代化工业自动控制系统来生产产品，从而可以达到降低生产成本的目的。随着计算机技术的发展，PLC控制系统也在不断的发展和更新，其功能日益强大，已成为工业控制领域的主流控制设备之一。

啤酒发酵是啤酒生产过程中在酶的作用下生成水跟二氧化碳。啤酒发酵是放热反应的过程，随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高，随着二氧化碳等产物的不断产生，密闭罐内的压力会逐渐升高。啤酒发酵是一放热的生化反应过程，通过调节发酵罐四周管道内的气流量从而实现对发酵液体温度的。过去对温度的调节是由操作人员根据给定的曲线，手动调节气阀开度的大小来达到控制温度的目的，这样由于操作人员的人为等因素在生产过程中产生的不良影响，往往使控制效果不理想。为此，啤酒生产的发酵工序提出计算机监控的要求，采用PID控制算法，使啤酒生产集控制与数据采集更合理，从而更好的保证产品的质量，提高产品生产效率。

1 啤酒生产工艺简介

啤酒发酵分主酵和后酵两个过程，整个发酵过程都是发酵罐中进行的。

第一阶段是主酵阶段，首先麦汁接种酵母进入发酵罐逐渐开始主发酵。在酶作用下分解淀粉释放出热量从而使整个罐内的温度逐渐上升。温度在上升一段时间后速度逐渐变慢，随后酵母沉淀，这时我们要对发酵罐密封，使其自然发酵。第二阶段是后酵阶段，后酵阶段分为2个降温过程，第一个过程是当罐内温度降低到5 ℃左右时进行双乙酰还原。同时还需要继续进行糖类发酵，更好的降低氧含量、沉淀蛋白质。第二个降温过程约以0. 15℃/h的下降速率把罐内温度5℃降到0-1℃左右。

发酵罐中各种物质的转化速度受一系列因素的影响。压力和温度在发酵过程中对啤酒的品质和质量有很大的影响。首先压力增加可以使二氧化碳在啤酒中的溶解量加大，同时减少啤酒中其他生成物。其次温度对发酵速度影响很大。高温发酵可以减少发酵时间，缩短产品周期；低温发酵可以减少啤酒在发酵过程中产生的多余代谢物，提高啤酒的质感。因此，在啤酒生产过程中对温度跟压力的控制是极其重要的，通过调节控制阀开度来控制好温度的升降速率，从而是定啤酒生产质量。通常在管壁的夹套内注入液氨和冷酒精水来吸收在发酵过程中产生的热量，从而达到控制发酵温度的目的。实现在发酵过程中自动控制温度的效果。

2 啤酒发酵的温度控制要求

根据对啤酒发酵工艺要求，将啤酒发酵分为主发酵、降温和贮酒期三个阶段。三个阶段都对温度有严格的要求。

①主发酵阶段：这个阶段温控应以上部为主，通过对冷媒物流量大小来控制发酵罐上下温差，一般温差保持在0.5 ―1.0℃，从而实现上下发酵物更好的对流，发酵反应更充分。

②降温阶段：这个阶段温度的控制应以下部为主，控制正好与主发酵阶段相反，上部温度应高于下部温度，只有这样才能使酵母更好的沉降。降温阶段控制温度的速度要缓慢、均匀。在降温开始和降温结束时，应提前打开或关闭冷却冰水。

③贮酒阶段：贮酒阶段的温度要求要达到0℃以下，在这个阶段可以使啤酒的胶体更稳定的保持。温度控制要求平衡稳定为主，禁止高低抖动变化，只有这样才能保持酒体的稳定。

发酵过程中温度的控制除了对发酵罐冷却层温度控制外，对冷却冰水温度的控制也非常重要。一般来说冷媒温度在-4℃左右即可，温度过低发酵液体容易凝冰，所以在自动控制过程对温度的监控至关重要，但是在控制过程中还要考虑到发酵液冰点和冷传递等因素的影响。

3 程序流程图设计

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。为节省能源，降低生产成本，并且能够满足控制要求，发酵罐的温度控制选择了检测发酵罐的上、中、下3段的温度，通过上、中、下3段液氨进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制的方法。

根据工艺流程的介绍，可以总结出基本的程序流程图如图1所示：①计算出啤酒发酵时间。在程序中必须能够得到每个发酵罐的起始发酵时间，然后由当前时间计算出罐内啤酒的已经发酵时间。②计算当前时刻的设定温度。处在发酵过程中的每一个发酵罐根据各自的生产需要，都有一个工艺设定曲线。在计算出发酵的时间之后，可以通过计算得到当前时刻的设定温度。③计算当前时刻的电磁阀开度。在确定出当前时刻的设定温度之后，使用简单的PID控制回路就可以计算出电磁阀的开度。

发酵过程中，根据生产进度，实时监控发酵罐上、中、下3段温度的变化，根据3段温度曲线变化合理设计手动控制和自动控制，同时可以进行手自动切换。在程序中设置各种报警，在超过设定温度后要能停止生产的进行，从而达到预定的控制效果。在工控界面要能如实反映出我们需要监测的各个过程的温度压力等等。同时在程序中要有程序复位功能，这样在发生故障后和因操作人员操作偶尔失误而无法实现后续程序正常运行的情况。

对于采用外部冷媒间接换热方式来控制体积大、惯性大的发酵罐的温度的情况，采用普通的控制方案极易引起大的超调和持续的震荡，很难取得预期的控制效果。因此我们要根据不同季节和不同的发酵罐设计出不同的工艺温度和压力控制曲线，来满足工厂对啤酒品质的要求。这不仅要求高精度，高稳定性的控制，还要求控制系统有极大的灵活性。用PLC采集数据和控制执行实时性好，可靠性高。由于PLC可以用软件来改变控制过程，并体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，特别适用于恶劣环境下运行。从而使PLC控制在啤酒发酵过程中发挥更大的作用。

参考文献：

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