啤酒發酵PLC控制系統設計

趙 麒

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

啤酒在人類發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”。隨著我國社會經濟的不斷發展，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，啤酒產量的激增，消費者對啤酒的品質要求越來越高。

啤酒的主要原料包括大麥芽、酒花和水，經過糖化、發酵最終釀制而成，有麥芽、酒花、水和酵母相互融合后產生的，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，對啤酒整個生產過程起著重要的作用。任何產品的品質不止來源于其原料，生產的過程控制也是至關重要的。隨著生產工藝的提高，舊的啤酒生產工藝逐漸面臨淘汰，生產企業為了降低生產本，提高經濟效益，相繼采用現代化系統控制生產過程。在此過程中，可編程控制器（PLC）控制系統以其控制精度高、操作方便、通用性好、可靠性高等優點，逐漸脫穎而出。在啤酒灌裝過程中，采用PLC控制系統優化發酵工藝，減低生產成本，提高生產效益。

1 啤酒發酵的主要工藝

啤酒發酵有兩個主要的過程，分為主酵和后酵，發酵罐是整個發酵過程的主體。

（1）主酵階段。主發酵是由麥汁接種酵母，然后在發酵罐中開始發酵。發酵罐內的溫度會逐漸升高，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，酵母會逐漸發生沉淀，此時溫度上升的速度也會變慢，我們需要密封發酵罐，讓其在罐體內自然發酵。

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

罐內溫度從5℃降到-1℃左右需要以0.150C/h的下降速率，并且持續整個降溫過程。發酵罐中含有多種不同德物質，這些物質在發酵過程中的轉發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，他們對啤酒產品的影響是至關重要的。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，啤酒內其他生成物也受壓力增強而減少。對于溫度而言，發酵在高溫下進行，能夠快速提高發酵速度，從而提高產品生產效率；相反，低溫下進行發酵就會延長啤酒成品的時間，但會減少產生其他代謝物質的含量，口感提升。

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

2 啤酒發酵過程的溫度控制

不可否認，啤酒整個生產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酵溫度，需要將發酵過程中產生的熱量盡可能去除，一般是在管壁夾套內注入液氨和冷酒精水，讓它們對熱量進行充分的吸收。如此，控制好發酵過程中的溫度，來確保啤酒的最終品質。

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

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

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

3 控制系統的設計

（1）PLC控制系統方案。可編程控制器（PLC）控制系統以其控制精度高、操作方便、通用性好、可靠性高等優點，逐漸在啤酒灌裝過程中普及。考慮到不同企業的經濟效益、發展狀態等的不同，按照啤酒發酵工藝的控制需求，對PLC控制系統方案進行設計。PLC控制結構如圖1所示。

圖1 系統組成結構圖

（2）程序流程設計。啤酒發酵過程中溫度的控制是通過不斷改變發酵罐內上、中、下三部分的溫度，從而出現溫度差來實現的，PLC的主要作用是能夠在啤酒發酵溫度控制過程中實時監測罐內各個部分的溫度。啤酒的發酵工藝溫度控制不同階段不同，是呈現一定曲線規律的，通過PID能夠使罐內溫度與該曲線保持一致，同時生產工藝所要求的壓力也能通過對排氣閥的控制得以實現。之所以采用PID控制啤酒發酵過程中的溫度，是因為啤酒發酵的過程存在時間滯后、非線性等特征，簡單的控制算法經過實踐過程發現并不適合。

4 PLC在啤酒生產中的應用

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

（1）PLC在原料粉碎過程中的應用。啤酒生產過程中的首個程序是對原料進行粉碎，此過程對系統的要求相對嚴格，因為其生產工藝比較復雜。有研究發現，采用三級總線上位機、下位機形式的控制系統具有操作方便、可靠性高、靈活性好、便于優化生產和控制等優點。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酵度，這是物質上最基本的保證。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控制系統由上位機、下位機、模擬控制屏、采集單元及輸出控制單元構成。PLC安裝在模擬控制屏后，操作員在啤酒發酵進行之前，按照相關參數進行設置。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根據設定的工藝曲線，自動完成進料、糊化、糖化、過濾、煮沸、沉淀、冷卻等各個環節的操作。投產以來，產品品質良好，經濟效益可觀。

（3）PLC在發酵溫度控制中的應用。在受到酵母的干預下，啤酒在發酵過程中，對麥汁的部分組成能夠產生代謝，麥汁風味經過一系列變化會產生啤酒風味，這即是啤酒發酵的整個過程。啤酒發酵過程中的主體發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過，這是啤酒生產工藝流程中關鍵環節之一。PLC發酵控制系統，以計算機為依托，采用PID計算方法，實現程序的自我調節與指令的自然完成，從而使得整個發酵過程實現精準化。而且，PLC系統具有簡單性與可操作性，穩定性能較強。

（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是由多個部分組成的，包括溫度、壓力等過程量的調節，灌裝閥門的開啟、灌裝過程中損壞部分等。PLC系統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控，并作出調整，壓力、溫度等均包括在內。PLC會將采集的相關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系統在數據采集反饋等方面具有很大優勢。

5 結語

PLC系統之所以在啤酒發酵過程的溫度控制中能夠起著如此重要的作用，源于PLC系統本身所具有的抗干擾能力，尤其在環境非常差的條件下，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相關功能的變化，第三源于其強大的實時監測功能，可靠的數據采集能力，這是其他系統所不具備的。PLC系統的設計，對啤酒發酵控制系統市場是一個重大的補充，其相關的技術研究具有重要的參考價值。