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啤酒的發(fā)酵過程是在啤酒酵母的參與下，對麥汁的某些組成進行一系列代謝，從而將麥汁風味轉變?yōu)槠【骑L味的過程。啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)工藝流程中關鍵環(huán)節(jié)之一，也是一個極其復雜的在發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)生并釋放大量熱量的生化放熱反應過程。由于這一過程中不僅麥汁中的可酵糖和氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)被酵母細胞酶分解為乙醇（C2H5OH）和二氧化碳（CO2），同時還產(chǎn)生一系列的發(fā)酵副產(chǎn)物，如：雙乙酰，高級醇、醛、酸、酯等。這些代謝產(chǎn)物的含量雖然極少，但它們對啤酒質(zhì)量和口味的影響很大，而這些中間代謝產(chǎn)物的生成取決于發(fā)酵溫度。因此發(fā)酵過程是否正常和順利，將直接影響到最終啤酒成品的質(zhì)量。比如，發(fā)酵過程的溫度若發(fā)生劇烈變化，不僅會使酵母早期沉淀、衰老、死亡、自溶，造成發(fā)酵異常，還直接影響到酵母代謝副產(chǎn)物組成，從而對啤酒酒體與風味，及啤酒膠體穩(wěn)定性造成危害。所以發(fā)酵過程工藝條件的控制歷來都受到釀酒工作者的高度重視。
過去啤酒發(fā)酵過程中各種工藝參數(shù)的控制，多用常規(guī)表顯示，人工現(xiàn)場操作調(diào)節(jié)，手工記錄來實現(xiàn)。然而隨著啤酒產(chǎn)量的不斷增大，發(fā)酵罐數(shù)量逐步增多（有的廠已達30～40個），倘若仍然沿用常規(guī)辦法，不僅會因儀表眾多，給工人的生產(chǎn)操作造成極大的不便，而且還會因疏忽、錯漏等人為原因，造成生產(chǎn)質(zhì)量的不穩(wěn)定，甚至發(fā)生生產(chǎn)事故。因此，設計用可編程控制器（PLC）自動控制啤酒的發(fā)酵溫度。
1 啤酒發(fā)酵過程控制
1.1 被控對象
啤酒發(fā)酵是在發(fā)酵罐中靜態(tài)進行的，它是由罐體、冷卻帶、保溫層等部件組成。發(fā)酵罐的形狀一般為圓錐狀，容積較大，大部分在100m3（我國的啤酒發(fā)酵罐容積在120m3～500m3）以上。啤酒發(fā)酵要嚴格的按著工藝曲線進行，否則就會影響啤酒質(zhì)量。為了有利于熱量的散發(fā)，在發(fā)酵罐的外壁設置了上、中、下三段冷卻套，相應設立上、中、下三個測溫點和三個偏心氣動閥，通過閥門開度調(diào)節(jié)冷卻套內(nèi)的冰水流量以實現(xiàn)對酒體溫度的控制。以閥門開度為控制量，酒體溫度為被控量，相應有3個冷媒閥門，通過控制流過冷卻帶的冷媒流量，控制發(fā)酵罐的溫度。在發(fā)酵的過程中，溫度在不斷的升高，當達到上限溫度時，要打開制冷設備，通過酒精在冷卻管內(nèi)循環(huán)使罐內(nèi)的溫度降下來。當發(fā)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(xù)發(fā)酵，整個發(fā)酵過程大約20多天完成。因此，控制好啤酒發(fā)酵過程中溫度及其升降速率是決定啤酒質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關鍵。
1.2 啤酒發(fā)酵溫度曲線
啤酒發(fā)酵工藝曲線如圖1所示，包括自然升溫、高溫恒溫控制、降溫及低溫恒溫控制等三個階段。在前期的自然升溫階段基本上不需要加以控制，這是由于啤酒罐發(fā)酵過程中，升溫是靠發(fā)酵本身產(chǎn)生的熱量進行的，任其自然升溫；在恒溫階段，通過控制冷媒開關閥，保持發(fā)酵罐內(nèi)溫度恒定；在降溫階段，通過控制冷媒開關閥，以指定速率降溫。
圖1 典型啤酒發(fā)酵曲線
根據(jù)以上要求，設計以PLC為核心的啤酒發(fā)酵控制器。每個控制器控制一個發(fā)酵罐。具體的溫度控制采用PID 算法實現(xiàn)。PID控制以其簡單可靠、容易實現(xiàn)、靜態(tài)性能好等優(yōu)點而廣泛應用于實際工業(yè)過程中。
2 控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)
發(fā)酵過程PLC控制系統(tǒng)結構如圖2所示，由SIEMENS S7系列PLC（控制站）和若干臺IPC（操作站）組成。該系統(tǒng)采用3級總線結構：底層鏈路為PROFIBUS-DP總線，連接遠程I/O機架，負責PLC、CPU與分布式I/O站點的連接，現(xiàn)場設備就近連接到分布式I/O機架上。
圖2 發(fā)酵罐群PLC控制系統(tǒng)結構圖
�。�1）控制站（下位機）
下位機系統(tǒng)只需配置一套S7-200或者S7-300PLC系統(tǒng)（根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模而定），主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、自動控制、遙控和聯(lián)鎖等功能。下位機系統(tǒng)具有可靠性高、擴展方便的特點。
（2）操作站（上位機）
上位機系統(tǒng)由兩套以上的工業(yè)控制計算機結合相應的通信接口設備構成。
3 控制系統(tǒng)的軟件設計
3.1 控制系統(tǒng)組成
溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一。溫度控制系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。圖中的控制器即為PLC，它按PID控制規(guī)律來設計控制程序。PID調(diào)節(jié)器的輸出量變換成PWM脈寬調(diào)制量，用于控制PLC的輸出繼電器，從而控制啤酒發(fā)酵罐的冷媒開關閥。
圖3 溫度控制系統(tǒng)組成框圖
溫度測量元件采用線性度好且時間常數(shù)小的鉑電阻來測量發(fā)酵罐溫度，經(jīng)溫度變送器把溫度轉換成與其成比例的電壓。V/F轉換器的作用是將溫度轉換器輸出的電壓轉換成與其成比例的頻率，該頻率代表發(fā)酵罐內(nèi)的實際溫度。用PLC內(nèi)的高速計數(shù)器記錄此頻率，以便和溫度的給定值相比較產(chǎn)生誤差信號。
啤酒的發(fā)酵工藝過程共有十多天時間，最重要的環(huán)節(jié)是控制每個時間段發(fā)酵罐內(nèi)不同的發(fā)酵溫度，我們根據(jù)發(fā)酵工藝的要求，設計出發(fā)酵溫度-時間曲線，輸入可編程序控制器，使系統(tǒng)自動根據(jù)不同時間段的溫度給定值進行調(diào)節(jié)。整個系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。
圖4 控制主程序
主程序開始先計算出實際該罐啤酒的發(fā)酵時間，然后取出該段時間對應的標準溫度值，將標準溫度值與實際溫度值比較，若相等則再次回到主程序入口進行下一輪的標準值查找，若不相等則系統(tǒng)由CPU計算出相應的PID系數(shù)，輸出信號去控制電磁閥，用電磁閥控制的氣路打開或關閉冷媒閥，進行溫度調(diào)節(jié)。
該系統(tǒng)可用S7軟件編程。應用這些軟件，對整個系統(tǒng)進行組態(tài)，隨時可顯示出整個發(fā)酵罐系統(tǒng)的結構，各個閥門的實時狀態(tài)，可讀出每個發(fā)酵罐各點的實際溫度值，液位置等參數(shù)，對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控，并有各種報警實時顯示和溫度控制情況曲線記錄等，以便操作者及時掌握系統(tǒng)工作狀況。
3.2 PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)中PID控制器的實現(xiàn)
本系統(tǒng)采用德國SIMENS公司的S7-300PLC為控制核心，可實現(xiàn)溫度的采集與自動調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)要求實現(xiàn)12路溫度控制，每一回路均為設定固定值控制。根據(jù)實際要求選用相應的功能模塊。其中CPU模塊選用CPU-314IFM，其帶有一個MPI接口，集成有20個數(shù)字輸入端、16個數(shù)字輸出端、4個模擬輸入端、1個模擬輸出端，內(nèi)部集成PID控制功能塊，可以方便的實現(xiàn)PID控制。
PID控制器是比例—積分—微分控制（Proportional-Integral-Derivative）的簡稱，之所以得到廣泛應用是因為它具有以下優(yōu)點：
�。�1）不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學模型。由于非線性和時變性，很多工業(yè)控制對象難以得到其準確的數(shù)學模型，因此不能使用控制理論中的設計方法。對于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以得到比較滿意的效果。
（2）有較強的靈活性和適應性。積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制可以改善系統(tǒng)得動態(tài)響應速度，比例、積分和微分控制三者有效的結合就可以滿足不同的控制要求。根據(jù)被控對象的具體情況，還可以采用各種PID控制的改進的控制方式，如PI、PD、帶死區(qū)的PID、積分分離PID、變速積分PID等。
�。�3）PID控制器的結構模型，程序設計簡單，工程上易于實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便。
3.3 PLC實現(xiàn)PID控制的方式
用PLC對模擬量進行PID控制時，可以采用以下幾種方法：
�。�1）使用PID過程控制模塊。這種模塊的PID控制程序是PLC生產(chǎn)廠家設計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。但是這種模塊的價格較高，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。
（2）使用PID功能指令�，F(xiàn)在很多的PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。他們實際上是用于PID控制的子程序，與模擬量輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于使用PID過程控制模塊的效果，但是價格便宜。
�。�3）用自編的程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制。有的PLC沒有PID過程控制模塊和PID控制用的功能指令，有的雖然可以使用PID 控制指令，但是希望采用某種改進的PID控制算法。在上述情況下，都需要用戶自己編制PID控制程序。
3.4 PID控制參數(shù)的調(diào)整
1. 采樣周期TS的確定
根據(jù)采樣定理可知，采樣頻率應該大于或等于被采樣信號所含最高頻率的兩倍，才能還原出原信號，即fs≥2fmax，式中fs為采樣頻率， fmax為被采樣信號中最高頻率。
2. 參數(shù)Kp、Ki、Kd的確定
PID控制回路的參數(shù)整定是模擬量閉環(huán)控制中的一個難點，如果初始參數(shù)選擇不當，可能會出現(xiàn)很大的超調(diào)量，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。西門子公司的新一代小型S7-200PLC具有PID參數(shù)自整定功能，V4.0版的編程軟件STEP7-Micro/WIN增加了PID整定控制面板。這兩項功能相結合，使用戶能輕松地實現(xiàn)PID 的參數(shù)自整定。自整定能提供一組近似最優(yōu)的整定參數(shù)。S7-200的V4.0 版編程軟件STEP7-Micro/WIN中的PID整定控制面板用圖形方式監(jiān)視PID回路。該面板還可用來起動或取消自整定過程，設置自整定的參數(shù)，并將推薦的整定值或用戶設置的整定值應用到實際控制中。
結 論
本文介紹的發(fā)酵罐自動控制系統(tǒng)經(jīng)實踐檢驗，系統(tǒng)達到設計要求，運行效果良好，發(fā)酵溫度符合工藝要求。當實際溫度偏離標準溫度時，自控系統(tǒng)及時響應，通過電磁閥去控制冷媒閥開啟或關閉，發(fā)酵溫度很快穩(wěn)定在溫度給定值上，且發(fā)酵溫度變化曲線平緩，系統(tǒng)調(diào)節(jié)偏差僅為士0.1℃，與傳統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)儀系統(tǒng)的調(diào)節(jié)偏差士1℃相比，控制質(zhì)量大大提高。
本文創(chuàng)新點：
1. 以計算機為主站，以PLC為控制器，實現(xiàn)了對啤酒的發(fā)酵溫度控制；
2. 上位機監(jiān)控軟件以實時的形式，向操作人員提供發(fā)酵的溫度,實現(xiàn)了操作過程的可視化；
3. 整個軟PLC系統(tǒng)的架構是遵循IEC 61131-3標準的，各種符合IEC 61131-3標準的編程語言的轉換模型的建立和中間語言的結構定義是一個全新的開放的體系結構，有很強的兼容性和通用性。它支持數(shù)據(jù)結構，強大的網(wǎng)絡通訊功能，友好的人機界面，能夠執(zhí)行比較復雜的控制算法，程序具有可移植性。
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