啤酒发酵PLC控制系统设计

赵 麒

（1.贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州电子信息职业技术学院，贵州 凯里 556000）

啤酒在人类发展历史上有着不可替代的地位，是消耗量最多的饮料，因其饱含麦芽糖，还被称为“液体面包”。随着我国社会经济的不断发展，啤酒市场赢得了自二十世纪传入以来最受欢迎的时期，彻底打破了白酒市场在我国的垄断地位。随着啤酒市场的不断扩大，啤酒产量的激增，消费者对啤酒的品质要求越来越高。

啤酒的主要原料包括大麦芽、酒花和水，经过糖化、发酵最终酿制而成，有麦芽、酒花、水和酵母相互融合后产生的，含有有益于人体健康的其中氨基酸，即便低浓度，也是口味丰满、爽口舒适。啤酒的发酵是在相对密闭的空间中开展的，是微生物菌体进行新陈代谢的过程，对啤酒整个生产过程起着重要的作用。任何产品的品质不止来源于其原料，生产的过程控制也是至关重要的。随着生产工艺的提高，旧的啤酒生产工艺逐渐面临淘汰，生产企业为了降低生产本，提高经济效益，相继采用现代化系统控制生产过程。在此过程中，可编程控制器（PLC）控制系统以其控制精度高、操作方便、通用性好、可靠性高等优点，逐渐脱颖而出。在啤酒灌装过程中，采用PLC控制系统优化发酵工艺，减低生产成本，提高生产效益。

1 啤酒发酵的主要工艺

啤酒发酵有两个主要的过程，分为主酵和后酵，发酵罐是整个发酵过程的主体。

（1）主酵阶段。主发酵是由麦汁接种酵母，然后在发酵罐中开始发酵。发酵罐内的温度会逐渐升高，这是受到了大量热量的影响，这些热量是在酶的作用下分解淀粉释放而出的。随着时间的不断延长，酵母会逐渐发生沉淀，此时温度上升的速度也会变慢，我们需要密封发酵罐，让其在罐体内自然发酵。

（2）后酵阶段。主酵完成之后是后酵阶段，此阶段会发生降温过程。双乙肽还原发生在罐内温度5℃左右的时候。与此同时，糖类发酵仍然需要继续进行，是为了达到更好的降低氧的含量，更好地让蛋白质得到沉淀。

罐内温度从5℃降到-1℃左右需要以0.150C/h的下降速率，并且持续整个降温过程。发酵罐中含有多种不同德物质，这些物质在发酵过程中的转发还会受到其他因素的影响，其中压力和温度是两个主要的因素，他们对啤酒产品的影响是至关重要的。对于压力而言，它的增强能够增加啤酒中二氧化碳的溶解量，同时，啤酒内其他生成物也受压力增强而减少。对于温度而言，发酵在高温下进行，能够快速提高发酵速度，从而提高产品生产效率；相反，低温下进行发酵就会延长啤酒成品的时间，但会减少产生其他代谢物质的含量，口感提升。

（3）啤酒的发酵过程控制回路。啤酒发酵的温度控制就是利用冷媒介质对罐内温度进行按工艺要求的分段控制。根据啤酒发酵的工艺要求，当仪表检测到啤酒的发酵温度高于工艺要求的温度时，调节器输出信号，打开气动阀输送冷媒，通过啤酒罐罐壁的冷带给啤酒降温；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，整个发酵过程大约20多天完成。

2 啤酒发酵过程的温度控制

不可否认，啤酒整个生产过程影响较大的两个因素就是温度和压力。为了能够很好地控制发酵温度，需要将发酵过程中产生的热量尽可能去除，一般是在管壁夹套内注入液氨和冷酒精水，让它们对热量进行充分的吸收。如此，控制好发酵过程中的温度，来确保啤酒的最终品质。

前面提到啤酒发酵的主要工艺，分为主发酵阶段和后发酵阶段，这两个阶段，对温度都有着严格的要求。

（1）主发酵阶段：这个阶段的温度控制主要以发酵罐的上部为主，使发酵罐上下部分温差维持在0.5～1.0℃之间，这样能够罐内上下部分发酵物保持很好的对流，从而使发酵更加充分，而温差的控制是通过操控罐内冷媒物的流量来实现的。

（2）后发酵阶段：区别于主发酵阶段，后发酵阶段的温度控制主要以发酵罐的下部为主，此时，为了能够使得酵母实现最佳沉降，罐内温度需要上部高于下部。在后发酵阶段，一定要控制好温度下降的速度，在开始和结束阶段，有必要冷却冰水，降温过程要均匀、缓慢进行。

3 控制系统的设计

（1）PLC控制系统方案。可编程控制器（PLC）控制系统以其控制精度高、操作方便、通用性好、可靠性高等优点，逐渐在啤酒灌装过程中普及。考虑到不同企业的经济效益、发展状态等的不同，按照啤酒发酵工艺的控制需求，对PLC控制系统方案进行设计。PLC控制结构如图1所示。

图1 系统组成结构图

（2）程序流程设计。啤酒发酵过程中温度的控制是通过不断改变发酵罐内上、中、下三部分的温度，从而出现温度差来实现的，PLC的主要作用是能够在啤酒发酵温度控制过程中实时监测罐内各个部分的温度。啤酒的发酵工艺温度控制不同阶段不同，是呈现一定曲线规律的，通过PID能够使罐内温度与该曲线保持一致，同时生产工艺所要求的压力也能通过对排气阀的控制得以实现。之所以采用PID控制啤酒发酵过程中的温度，是因为啤酒发酵的过程存在时间滞后、非线性等特征，简单的控制算法经过实践过程发现并不适合。

4 PLC在啤酒生产中的应用

可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种数字运算操作的电子系统，它的出现是顺应了工业环境的发展要求。它采用的存储器是能够自由编程的，通过数字或者进行模拟，从而输入输出各种操作指令，包括逻辑运算、时间的定制、算数的计算等，最后达到控制各种类型的机械或生产过程的目的。PLC系统及相关设备的设计原则，是要遵循与工业控制系统合二为一的整体性原则，以及能够扩充工业控制系统本身功能的原则。

（1）PLC在原料粉碎过程中的应用。啤酒生产过程中的首个程序是对原料进行粉碎，此过程对系统的要求相对严格，因为其生产工艺比较复杂。有研究发现，采用三级总线上位机、下位机形式的控制系统具有操作方便、可靠性高、灵活性好、便于优化生产和控制等优点。为使硬件与控制程序具有较好的兼容性，尽量减少软硬件冲突，采用操作简便、功能完备的STEP7组态工具作为控制程序编制平台，并利用 STL语言进行程序编制。

（2）PLC在糖化过程中的应用。糖化过程是啤酒酿制过程中一个复杂的生物化学变化过程，麦汁中可发酵糖的含量足够多时，才能保证啤酒成品能够达到一定的发酵度，这是物质上最基本的保证。影响麦汁组成的因素是多种多样的，其中，糖化湿度、pH值的调整，直接到α-淀粉酶、β-淀粉酶的活性都是重要的组成因素。发酵罐在分段升温的时候，糖化过程会为各种酶提供最佳作用湿度条件，同时有效改善啤酒色泽和口味。PLC控制系统由上位机、下位机、模拟控制屏、采集单元及输出控制单元构成。PLC安装在模拟控制屏后，操作员在啤酒发酵进行之前，按照相关参数进行设置。糖化过程中可能某些特殊工艺需要操作员手动配合完成，对于这种类型的工艺，由操作员在上位或模拟控制中进行。自动运行时，PLC根据设定的工艺曲线，自动完成进料、糊化、糖化、过滤、煮沸、沉淀、冷却等各个环节的操作。投产以来，产品品质良好，经济效益可观。

（3）PLC在发酵温度控制中的应用。在受到酵母的干预下，啤酒在发酵过程中，对麦汁的部分组成能够产生代谢，麦汁风味经过一系列变化会产生啤酒风味，这即是啤酒发酵的整个过程。啤酒发酵过程中的主体发酵罐在此期间会释放出大量的热量，总体是一个热反应的经过，这是啤酒生产工艺流程中关键环节之一。PLC发酵控制系统，以计算机为依托，采用PID计算方法，实现程序的自我调节与指令的自然完成，从而使得整个发酵过程实现精准化。而且，PLC系统具有简单性与可操作性，稳定性能较强。

（4）PLC在灌装及包装过程中的应用。啤酒在灌装过程中，其压盖自动控制系统是由多个部分组成的，包括温度、压力等过程量的调节，灌装阀门的开启、灌装过程中损坏部分等。PLC系统能够在整个灌装过程中，对灌装工艺各个组成要素进行相应监控，并作出调整，压力、温度等均包括在内。PLC会将采集的相关信息向上传输给上位机，然后上位机会回传相应指令，PLC根据回传指令做出反应。通过大量啤酒灌装过程控制证明PLC系统在数据采集反馈等方面具有很大优势。

5 结语

PLC系统之所以在啤酒发酵过程的温度控制中能够起着如此重要的作用，源于PLC系统本身所具有的抗干扰能力，尤其在环境非常差的条件下，而且，PLC较小的体积，灵活简单的编程，在不需要变动硬件的情况下就能够通过改变自身程序来实现相关功能的变化，第三源于其强大的实时监测功能，可靠的数据采集能力，这是其他系统所不具备的。PLC系统的设计，对啤酒发酵控制系统市场是一个重大的补充，其相关的技术研究具有重要的参考价值。