【中国国际啤酒网】在传统的啤酒发酵过程中，人们发现温度调节往往是人为的手动调节，而且要求生产者们不间断的看守，费时费神，消耗了大量的人力。同时，过去这种人为手动调节，达不到优质高效要求，生产出来的啤酒口感差，对于生产过程中的各种工参数的修改与制定添加了很大的难度。在现代化工业生产过程中，在已知的几种过程变量中，温度被视为是最重要的，在啤酒酿造的工艺过程中温度是酵母参与生化反应的重要外界因素，能否控制得好，是影响啤酒发酵物质的变化，决定了啤酒口感与质量，因此在设计生产工艺时，温度的控制作常常是作为第一位的技术参数来考虑，而对于温度的控制，利用PLC控制器，结合啤酒发酵的生产实际，发挥PLC的优点，对发酵罐温度进行自动操作控制，并且可实现一机多控的效果，即利用同一个PLC控制器来调节多个发酵罐体的温度。每个罐体可以按照各自事先设定好的程序运行，程序运行结束后自动关闭。
1 啤酒发酵过程控制
1.1 啤酒发酵温度曲线
啤酒发酵工艺曲线如图1所示，包括自然升温、主酵保温控制、高温双乙酰还原保温、降温及低温恒温控制等四个阶段。在前期的自然升温阶段基本上不需要加以控制，这是由于啤酒罐发酵过程中，升温是靠发酵本身产生的热量进行的，任其自然升温；在恒温阶段，通过控制冷媒开关阀，保持发酵罐内温度恒定；在降温阶段，通过控制冷媒开关阀，以指定速率降温。
图1
1.2 被控对象
啤酒发酵是在发酵罐中动态进行的，它是由罐体、冷却带、保温层等部件组成。发酵罐的形状一般为圆锥状，容积较大，大部分在200m3（我国的啤酒发酵罐容积在200m3～500m3）以上。啤酒发酵要严格的按着工艺曲线进行，否则就会影响啤酒质量。为了有利于热量的散发，在发酵罐的外壁设置了上、中、下三段冷却套，相应设立上、中、下三个测温点和三个偏心气动阀，通过阀门开度调节冷却套内的冰水流量以实现对酒体温度的控制。以阀门开度为控制量，酒体温度为被控量，相应有3个冷媒阀门，通过控制流过冷却带的冷媒流量，控制发酵罐的温度。在发酵的过程中，温度在不断的升高，当达到上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精冰水在冷却管内循环使罐内的温度降下来。当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒，则啤酒按工艺要求继续发酵，整个发酵过程一般20-30多天完成。因此，控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的至关重要的一环。根据图1啤酒发酵的工艺要求，设计以PLC为核心的啤酒发酵控制器。每个控制器控制一个发酵罐。具体的温度控制采用PID 算法实现。PID控制以其简单可靠、容易实现、静态性能好等优点而广泛应用于实际工业过程中。
2 控制系统的硬件实现
发酵过程PLC控制系统结构如图2所示，由SIEMENS S7系列PLC（控制站）和若干台IPC（操作站）组成。该系统采用3级总线结构：底层链路为PROFIBUS-DP总线，连接远程I/O机架，负责PLC、CPU与分布式I/O站点的连接，现场设备就近连接到分布式I/O机架上。
图2 发酵罐群PLC控制系统结构图
3 PLCDE 控制系统
3.1 控制系统组成
温度是工业生产中主要的被控参数之一。温度控制系统组成框图如图3所示。图中的控制器即为PLC，它按PID控制规律来设计控制程序。PID调节器的输出量变换成PWM脉宽调制量，用于控制PLC的输出继电器，从而控制啤酒发酵罐的冷媒开关阀。
图3 温度控制系统组成框图
温度测量元件采用线性度好且时间常数小的Pt100来测量发酵罐温度，经温度变送器把温度转换成与其成比例的电压。V/F转换器的作用是将温度转换器输出的电压转换成与其成比例的频率，该频率代表发酵罐内的实际温度。用PLC内的高速计数器记录此频率，以便和温度的给定值相比较产生误差信号。
啤酒的发酵过程共有二十多天时间，最重要的环节是控制每个时间段发酵罐内不同的发酵温度，我们根据发酵工艺的要求，设计出发酵温度-时间曲线，输入可编程序控制器，使系统自动根据不同时间段的温度给定值进行调节。整个系统主程序流程图如图4所示。
图4
4.PLC温控系统的软件
啤酒发酵的基本反映是繁琐的生化反应，其特点是期限长、控制难度大、惯性严重，我们从全局出发，提前估计、时间PID等方法，根据事先设定好的曲线进行实时监控。
4.1软件的设计
软件编制前，第一步先对我们所使用的的PLC说明书有一定的了解，等到熟练掌握以后方可编程。如果直接编程，则可利用软件包编程或图形编程器，如果用手持编程器编程，首先将梯形图绘制出来，再编制程序，以免较多错误出现，效率高。在设备上调试，在程序编制完成后要空调程序，各个动作一切正常后方可。经PLC软件编程实现，简单的进行说明：①初始化，复位各变量并输入常数。② 输入信号，包括输入PLC各点，设定温度的曲线，设定啤酒发酵罐体内参数、采样温度频率信号等。③跟踪温度，由实际发酵罐体温计算此罐体的工作时间，使设定温度与实际温度相等。④报警查询，实时查询每个报警内容且定时重复报警。⑤计算实际温度，经测温元件性能进行校对、计算，得到真实温度。⑥计算设定温度，根据每个发酵罐体绘制的温度曲线计算出那一时刻的设定温度。⑦计算输出值，其中有温度的偏差、保温的处理、PID的运算、输出的限幅。⑧SSR控制输出，由计算结果控制PLC输出点的接通闭合时间。⑨显示及报警，扫描显示各位，有数字型和字符型两种显示类型，把各位想显示的数字或字符转为七段码显示的数据格式的数值，好后轮流经YO在一段时间里输出这些数量的脉冲。⑩接触器的输出，依据啤酒发酵罐体开关状态和报警状态以及升温结束标志来控制接触器的接通和闭合。本系统按照需要就可以自动轮流显示每一个罐体的实际温度、偏差温度，亦可用手动选择显示各个罐体的实际温度、设定温度、输出百分率、剩余时间、具有传感器故障报警、偏差报警、超温自动关闭罐体加热元件及到时自动关罐体加热元件等报警保护功能等。
4.2主酵阶段的自动控制程序
主酵阶段是从发酵罐进入冷麦汁并添加酵母后开始。因为主发酵是放热反应的过程，所以导致罐内温度升高许多，导致罐内液体对流。冷却液阀门打开次序为TV上→TV中 →TV下，是由控制时间决定的：t上＜t中＜t下。为使测量的精度能够得到保证，上、中 两个测温点的温度加权平均的结果当做控制点。若这个点的温度不小于所设定的曲线值Δt1，那么TV上将打开，若这个点的温度不小于Δt2，那么将TV上、 TV中两个阀门同时打开。
4.3双己酰还原阶段控制程序
这个阶段主酵的反应已经完成，要做的就是减少罐体内液体的对流作用。所以我们可以通过PLC控制系统使得发酵罐体的上中下三个区域的温度平衡。
4.4冷却排酵母阶段控制程序
这个阶段主要是事酵母沉淀，所以发酵罐体从上到下温度压依次降低，才能达到所需效果，因此打开阀门的次序依次是TV下，、TV中、TV上。该阶段酵母处于代谢最为不活跃的状态，但是酵母泥中还是含有一定量的酒精，因此温度不要太低。
4.5后贮阶段的控制程序
在罐内液体温度大地哦啊某一温度值时，此时上部液体温度和中部液体温度要保持平衡，下部液体温度较低，主要是为了防止温度回升，引起对流，使得酵母重新混于液体中。另外还得控制阀门开启的时间过长将会导致结冰现象。 发酵工艺曲线的不同，啤酒的口感也是不一样的，可是对于已知的的啤酒发酵工艺，则应严格遵守工艺曲线来控制发酵温度和罐体内的压力等，只有这样方可确保啤酒的口感好。在每个阶段，对象相对稳定的特性，温度和压力的控制方面存在相应规律性。发酵过程中，按照发酵进行的程度大小，发酵罐从上至下三 个部位温度的不同，以及三部位温度各自的变化，合理的选择每个部分各个阶段合理的控制方案，获得理想的结果。
5．结论
在啤酒酿造的工艺过程中温度是酵母参与生化反应的重要外界因素，能否控制得好，是影响啤酒发酵物质的变化，决定了啤酒口感与质量，因此在设计生产工艺时，温度的控制作常常是作为第一位的技术参数来考虑，而对于温度的控制利用PLC控制器，合啤酒发酵的生产实际，发挥PLC的优点，对发酵罐温度进行自动操作控制，并且可实现“一机多控”的效果，即利用同一个PLC控制器来调节多个发酵罐体的温度。每个罐体可以按照各自事先设定好的程序运行，程序运行结束后自动关闭。PLC温度控制由于具有很好的稳定性，便于编制程序等优点，应用起来非常方便，节省大量的人力和物力，对提高啤酒质量的稳定性具有重要的意义，因此使得PLC温度控制系统在啤酒发酵过程中使用非常广泛。
参考文献：
1.肖兵.用PLC-5/15可编程控制器改造成型电气控制系统的可行性分析.甘肃电力,1998,3:51-55
2.孔今辉.PLC在啤酒发酵控制中的应用自动化仪表,2002,23(11):38-40
3.刘颖,赵雪.PLC温度控制系统的设计与研究.中小企业管理与科,2011,4:280
4.王文甫啤酒生产工艺北京中国轻工业出版社，1997
5.王念春自控系统在啤酒生产中应用的现状与展望.自动化与仪表2001,16(4):9-11
6.薛福珍，庞国仲，林盛荣.啤酒发酵过程的建模仿真与控制.中国科学技术大学学报，2001，31(4):502-508
7.刘刚.锥形罐发酵温控管理及自动控制系统设计中国酿造，2003, 5:P34-36
8.薛福珍，庞国仲，胡京华，等.啤酒发酵温度的多变量控制.自动化学报，2001,28(1): 150-154
9.邱公伟可编程序控制器网络通信及应用.北京:清华大学出版社，2000
