1、啤酒发酵自动控制解决方案 一、 概述 ： 近年来，我国的啤酒需求量日趋增长，为适应这一市场需求，国内各啤酒生产厂家均在努力扩大生产规模，降低生产成本，提高产 品质量。而现在国内一些中小企业的啤酒生产状况仍较落后，自动化程 度 低，甚至 大部 或全部仍 处于手工操作。 在全部生产过程中， 糖化 、 发酵 过程是 个非常复杂的生化过程， 其中时间、温度、压力、流量等参数控制得是否恰当直接关系到啤酒 的产量、质量和消耗。因此，提高该工艺 过程 的控制水平，无疑是解决问题的关键。 我 们 浙江 浙大中自集成公司 根据对啤 酒生产 工艺的深入了解，在 厂 、 校专家 、 教授 、 工程 技术人员的通力合
2、作下，成功地 开发 了 啤酒 糖化 、 发酵自动化控制系统。 该 系列 控制系统是 浙江 浙大中自集成公司 自行 开发的高新技术产品，它集自动化仪表技术、自动控制理论、微机控制技术、微机网络技术、集散系统技术于一体，具有自动化程度化高、结构紧凑、操作简单方便、可靠性高等特点。本系统的使用大大减轻了工人的劳动强度，由于发酵温度可 以严格按工艺设定曲线运行，消除了操作工人为因素的影响，提高了控制 精度，确保了发 酵工艺的正确执行，保证产品质量的长期稳定，由于系统可以长期保持 运行数据，大大提高了管理水平。 二 、 啤 酒工艺过程 ： 啤酒生产过程主要分为：制麦、糖化、发酵、罐装四个部分。 一般讲啤
3、酒自动化，主要是指糖化和发酵 过程的自动化 。 三 、 控制系统 简介 ： 浙江 浙大中自集成控制股份有限公司在广泛的用户调查、专家访谈、市场调研与行业分析的基础上，吸收浙江大学工业自动化国家工程研究中心、浙江大学工业控制技术国家重点实验室、浙江大学工业控制技术研究所数十年的科研成果，基于浙大中自长期的科技攻关与技术创新实力，并结合其丰富的系统集成与工程应用经验，经过不断分析总结、开发创新、测试改进与考核完善 ，成功推出了新一代 Suny 系列 集散控制系统。 Suny 系列 集散控制系统采用尖端的电子技术、仪表控制技术、现代控制理论，吸取迄今为止的各种控制系统的长处，是集成综合了智能仪表、多
4、功能回路控制器、顺序控制器、可编程控制器功能的集散控制系统。具有先进控制策略、图形操作界面和在线实时组态工具；实现工业过程的实时监视、记录、操作、管理，及其连续控制、逻辑控制、顺序控制的综合；是一种实现各行各业复杂多样工业自动化构想的新型计算机控制系统。特别适合于国内企业组建控制系统和对现有控制设备进行技术改造，如 工业窑、环保设备、反 应器、精镏塔、加热炉、发酵罐、食品机械、干燥器、蒸发器、造纸机、以及中小型锅炉等类似控制要求的工业设备或工业过程。 四 、 糖化过程的自动化 4、 1 工 艺简介 ： 原料 (大米、麦芽 )经除尘、粉碎、调浆后送入糊化、糖化锅内，并严格按照一定的工艺曲线进行升
5、温、保温，在酶的作用下，使麦芽 (包括辅料 )充分溶解出来，然后，将麦汁与麦糟过滤分离。过滤后的麦汁经煮沸、蒸发、浓缩以达到要求的浓度，同时在此过程添加酒花，煮沸后的麦汁送入旋流沉清槽旋流沉清后，经薄板冷却器冷却至 8 左右送入发酵罐。 4、 2 控制系统结构及硬件选型 ： 糖化 过程自动控制系统是由 CRT 操作站、控制站、现场 仪表 及执行机构组成，如图 (一 )所示，系统容量为： AI： 48 AO： 16 DI：288 DO： 192 CRT 操作站是由一台操作员站、一台 工程 师站、两台 大屏彩显、一台打印机、 通讯 卡及相应 软件 组成。操作员及 工程 师站选用 我们 DLL 公司
6、的计算机。 控制站是 由 SunyPLC300 可编程控制器构成，分布式 I/O 结构， SunyPLC300与 CPU 以 以太网 方式 通讯 ， 遵从 IEEE802。 3 协议， 通讯速率为 10Mbps。 I/O扩展用 RS485，有四种速率可选。 现场 仪表 及执行机构的选型主要考虑快速、准确、可靠、卫生及无泄漏。测温元件选用铠装铂电阻，反应速度快；液位 、 变送器选用 高性能的 变送器，齐平膜片结构防堵、卫生；物位 仪表 、 流量计 、 调节阀 等仪表要求 其调节性能好，无泄漏。 4、 3 系统功能及特点 分布式 I/O 结构， 通讯 速度快 。 计算机及 SunyPLC 300
7、功能强大，速度快，信息存储量大，数据处理能力强。 扩容方便。 除系统设置画面外，实际使用时 ， 有流程图、数据总表、工艺曲线、实时趋势曲线、历史趋势曲线、数据报表、系统报警、打印 管理等画面。 4、 4 控制关键 ： 为了能够提高 啤酒产量及质量，降低能耗，必须实现整个生产过程的 自动顺序控制 ， 包括从原料粉 碎 至麦汁冷却、 CIP 自动清洗等。关键工艺参数必须控制得当，否则难以保证啤酒质量，关键控制点及控制方案如下： 4、 4、 1 投料水及洗糟水温度控制 此为简单的单回路调节，一次元件选用铠装铂热电阻能迅速反应冷热水混合后的温度，通过 PLC 控制合流三通阀 调节冷热水比例，可较好的完
8、成温度控制。 4、 4、 2 糊化、糖化锅温度控制 由于两锅体积较大、温度滞后大、很难获得理想的温度控制曲线。采用增量型 PID 算式进行处理，获得较好的效果，其算式如下： U(k)=AE(k)-BE(k-1)+CE(k-2) 式中 A=K(1+T0/T1+Td/T0) B=Kc(1+2Td/T0) C=Kc(Td/T0) E(k)=Qr(k)-Q(k) 式中 Qr(k) 第 K 个采样周期给定温度值 Q(k) 第 K 个采样周期实测温度值 其控制框图如下： 根据被控制对象的特点 ，在 PID 算式上进行特殊处理： A 系统在保温阶段 Qr(k)不变，采用 PI 控制方式； B 升温时采用 P
9、ID 算式； C 折点提前关阀门： D 对 U(k)和阀位输出进行限幅处理。 4、 4、 3 过滤麦汁流量调节 过滤速度的快慢直接影响糖化批次，所以过滤麦汁流量的控制就显得异常重要，过滤麦汁流量的大小主要是根据麦汁浊度来确定的，但目前国内生产的浊度计质量不理想而国外同类产品价格太昂贵，在控制中我们放弃了浊度这一参数，根据过滤麦汁流量的经验曲线和糟层阻力的大小建立一专家控制系统，保证麦汁快速过滤。 五 、 发酵罐 的自动化 ： 麦芽汁被送到 发酵罐 群 ，随后，酵母加入到麦芽汁。 根据啤酒的类型和体积，计算机根据预定的配方，自动 添加多少酵母。温度也是关键的 。这时，计算机将根据特定的温度控制曲
10、线，自动控制 发酵容器的介质温度 ， （两周）。 然后在一个温 控室中的容器里贮藏 。（ 四周 ） ，最后进行瓶装和罐装 。 5、 1 发酵罐的 生产技术要求： a、 罐顶压力显示； b、 多 个温区温度的显示与控制； 控制 精度 0.2 。 c、 每温度区可预置 24 个程序段； d、 系统有手动和自动二种控制方式； e、 各参数 上、下限超限 报警； f 可根据需要扩展监控罐群 的容量 。 5、 2 系统结构示意图 ： 5、 3 控制难点及要求： 发酵罐的温度控制是关键，温度高，有可能导致酵母死亡；温度过低，会使酒龄增长，增加了成本。它是由升温段 、 保持段 、 降温段控制构成； 控制系统
11、 严格按温度控制曲线，控制冷 、 热媒质进出量，以保证生产介质转化成合格产品的外部条件。操作过程要素及模拟的控制曲线如下： 动作过程如下： 可以通过 控制系统 的支持功能，来进行温度曲线的灵活控制 ,斜坡功能块最多可产生多达 24 个斜坡输出，算法的 输出作为副回路的设定值。副回路挂接一个 PID 算法控制回路，使 PID 回路的设定值可以按照设定的斜坡曲线随时间变化改变。斜坡算法有下列主要参数是：时间单位 TimUnit（秒、分钟、小时）、时间范围 TimSpan（小时数）、 24 条斜坡线段（ TIM0TIM24 和 OUT0OUT24）、回路方式 Mode（手动方式、自动方式）、斜坡时间 Time、斜坡控制结束后的操作 EndMode、手动输出 MOUT 等。 六 、 系统 效果 分析 ： 啤酒生产的自动化带来了可喜的经济效益，废品率降低了，物耗和能耗也大幅度节约； 开发新产品灵活了 ； 以人为本，减轻了一线工人的劳动强度 ； 提高了劳动生产率，提高了企业参与市场竞争的能力。 下面是我们承担 的某啤酒厂糖化车间 自控工程实施 的前后对比： 糖化批次 产量（ t） 粮耗（ t） 利税（万元） 人员（人） 自控前 5.5 68310 15180 2800 62 自控后 8 84940 17001 3564 30
