啤酒的發酵過程是在啤酒酵母的參與下（xià），對麥汁的某些組成進行一係列代謝，從而將麥汁風味轉變為啤酒（jiǔ）風味的過程。啤（pí）酒發（fā）酵是啤酒生產工藝流程中關鍵環節之一，也是一（yī）個極其（qí）複雜的在發酵罐內發生並釋放大量（liàng）熱量的生化放熱反（fǎn）應過程。由於這一過程中不僅麥汁中的可酵糖（táng）和氨基（jī）酸等（děng）營養物（wù）質被酵母細胞酶分解為乙醇（C2H5OH）和二氧化碳（CO2），同時還產生一係列的發酵副產物，如：雙乙酰，高級醇、醛、酸、酯等。這些代（dài）謝產（chǎn）物的（de）含量雖然極少，但它們對啤酒質量和口味的影響很大，而這些中間代（dài）謝產物的生成取（qǔ）決於發酵溫度（dù）。因此發酵過程是否正（zhèng）常和（hé）順利，將直接影響到最終啤酒成品的質量。比如，發（fā）酵過（guò）程的溫度若發生劇（jù）烈變化，不僅會（huì）使酵母早期沉澱、衰老、死亡、自溶，造（zào）成發酵異常，還直接影響到酵母代（dài）謝副產物組成，從而對（duì）啤酒酒體與風味，及啤酒（jiǔ）膠體穩定性造成危害。所以發酵過程（chéng）工藝條件的控製曆來都受（shòu）到釀（niàng）酒工作者的高度（dù）重視。
　　
　　過去啤酒發酵過程中各種工藝參數的控製，多用常規表顯示，人工現場操作（zuò）調節，手（shǒu）工記錄來實現。然而隨著啤（pí）酒產（chǎn）量的不斷增大，發酵罐（guàn）數量逐步增多（有的廠已達30～40個），倘若仍然（rán）沿用常規辦法，不（bú）僅會因儀表眾多，給工人的生（shēng）產操作造成極大的不便，而且還會因疏忽、錯漏等人為原因，造成生產質量的不（bú）穩定，甚至發生生產事故。因此，設計用可編程控製器（PLC）自（zì）動控製啤（pí）酒的發酵溫度。
　　
　　1 啤酒（jiǔ）發酵過程控（kòng）製
　　
　　1.1 被控對象
　　
　　啤酒發酵是在發酵罐中靜態（tài）進行（háng）的，它是由罐體、冷卻帶、保溫層等部件組成。發酵罐的形狀一般為圓錐狀，容積較大（dà），大部分在100m3（我國的啤酒發酵罐容（róng）積在120m3～500m3）以上。啤酒發酵要嚴格的按著工藝（yì）曲線進（jìn）行，否則就會影響啤酒質量。為了（le）有利（lì）於熱量的散發，在發酵罐的外壁（bì）設置了上、中、下三段冷卻（què）套，相應（yīng）設立上、中、下三個測溫點和三個（gè）偏心（xīn）氣動閥，通過閥門開度調節冷卻套內的冰水流量以實現對酒體溫（wēn）度的（de）控（kòng）製。以閥門開度為控製量，酒體（tǐ）溫度為被控量，相應有3個冷媒閥門，通過控製流過冷卻帶的（de）冷媒流量，控製發酵罐的溫度（dù）。在發酵的過程中，溫度在不斷的升高，當達到上（shàng）限溫度時，要打開製冷設備，通過（guò）酒精在冷卻（què）管內循環使罐內的溫度降下來。當發酵溫度低於工（gōng）藝要求的溫度時（shí），關閉冷媒，則（zé）啤酒按（àn）工藝要求繼續發酵，整個發（fā）酵過程大約20多天完成（chéng）。因此，控製好（hǎo）啤（pí）酒發酵過程中溫度及其（qí）升降速率是決定啤酒質量和生產效率的關鍵。
　　
　　1.2 啤酒發酵溫（wēn）度曲線
　　
　　啤酒發酵工藝曲線如圖1所示，包括自然升溫、高溫恒溫控製、降溫及低（dī）溫恒溫控製等三個階段。在前期的自然升溫階段基本上不需要加以控（kòng）製，這是由於（yú）啤酒（jiǔ）罐發酵過程中，升溫是靠（kào）發（fā）酵本身產生的熱量（liàng）進行的，任其自（zì）然升溫（wēn）；在恒溫階段，通過控製冷媒開（kāi）關閥，保持發（fā）酵罐內溫度恒定；在（zài）降溫（wēn）階段，通過控製冷媒開關（guān）閥，以指定（dìng）速（sù）率降溫。
　　
　　圖1 典（diǎn）型啤（pí）酒發酵曲線
　　
　　根據以上要求（qiú），設計（jì）以PLC為核心（xīn）的啤酒發酵控製器。每個控（kòng）製器控製（zhì）一個發酵罐。具體的溫度控製采用PID 算法實現。PID控製以其簡單可（kě）靠、容易實現、靜態性能（néng）好等優點（diǎn）而廣泛應用於實際工業過程中。
　　
　　2 控製係統的硬件（jiàn）實現
　　
　　發酵（jiào）過程（chéng）PLC控製係統結構如圖2所示，由SIEMENS S7係列PLC（控製站）和（hé）若幹台IPC（操作站）組成（chéng）。該係統采用3級總線（xiàn）結構：底層鏈路為PROFIBUS-DP總線，連接遠（yuǎn）程I/O機架，負責PLC、CPU與分布式I/O站點的連接，現場設備（bèi）就近連接到分布式I/O機架上。
　　
　　圖2 發酵罐群PLC控製係統結構圖
　　
　　（1）控製站（下（xià）位機）
　　
　　下位機係統隻需配置一套（tào）S7-200或者S7-300PLC係統（根據係統規模而定），主要實現數據采集、自動控製、遙控和聯鎖等（děng）功能（néng）。下位機係（xì）統具有可靠性高、擴展方便的特點。
　　
　　（2）操作站（上位機）
　　
　　上位機係統（tǒng）由兩套以上的工業控製計算機結合（hé）相應的通信接口（kǒu）設（shè）備構成。
　　
　　3 控製（zhì）係統的軟件設計
　　
　　3.1 控製係統組成
　　
　　溫度是工業生產中（zhōng）主要的被控參數之一。溫（wēn）度控製係統組成框圖如圖（tú）3所示。圖中的控製器即為PLC，它按PID控製規律（lǜ）來設計控製程序。PID調節器的輸出量變換成PWM脈寬調製量，用（yòng）於控製PLC的輸出繼電（diàn）器，從（cóng）而控製啤酒（jiǔ）發酵罐的冷媒開關閥。
　　
　　圖3 溫度控製係統組成框圖
　　
　　溫度測（cè）量元件采用線性度好且時間常數小的鉑電阻來測量發酵罐溫度，經溫度變送器把溫度（dù）轉（zhuǎn）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（diàn）壓轉換成與其成比例的頻率，該頻率代表發酵罐（guàn）內的實際（jì）溫度。用PLC內的高速計數（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（de）發酵工（gōng）藝過程共有十多天（tiān）時間，最重要的（de）環節是控製每個時間段發酵罐內不同的（de）發酵溫度，我們根據發酵工藝（yì）的要求（qiú），設計出發酵溫度-時間曲線，輸入可編程（chéng）序控製器，使係統自動根據不同（tóng）時間段的溫（wēn）度給定值進行調節。整個係統主程序流程圖如圖4所示。
　　
　　圖4 控製主程序（xù）
　　
　　主程序開始（shǐ）先計算出實際該罐啤酒的發酵時間，然後取出該段時間（jiān）對應的（de）標準（zhǔn）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（biāo）準值查找，若不相等則係統由CPU計算出相應的PID係數，輸出信號去控製電磁（cí）閥，用電磁閥控製的氣路打開或關閉冷媒閥，進行溫度調節。
　　
　　該係統可用S7軟件編程。應用這（zhè）些（xiē）軟件（jiàn），對整個係統進行組態，隨時可顯示出整個發酵罐係統的結構，各個閥門的（de）實時狀態，可（kě）讀出每個發（fā）酵罐各點（diǎn）的實際溫度值，液位置等參數，對整個係統進行監控，並有各種報（bào）警實時顯示和溫度控製情況曲線記錄等，以便操作（zuò）者及時掌握係（xì）統工作狀況。
　　
　　3.2 PLC閉（bì）環控（kòng）製係統中PID控製器的實現
　　
　　本係統采用德國SIMENS公司的S7-300PLC為控製（zhì）核（hé）心，可實現溫度的（de）采集與自動調節。本係統要求實（shí）現12路溫度控製，每一回路均為設定固定值控製。根據（jù）實際要求選用相應的功能（néng）模塊。其中CPU模塊（kuài）選用CPU-314IFM，其（qí）帶有一（yī）個MPI接（jiē）口，集成有20個數字輸入（rù）端、16個（gè）數字輸出端（duān）、4個模擬輸入端、1個模擬輸出端，內部集成PID控製（zhì）功能塊，可以（yǐ）方（fāng）便的實現PID控製。
　　
　　PID控製器是比（bǐ）例—積分—微（wēi）分控（kòng）製（Proportional-Integral-Derivative）的簡稱，之所以得到廣泛應用是因（yīn）為它具有（yǒu）以下優點：
　　
　　（1）不（bú）需要精確的控製係（xì）統數學模型。由於非線性和時變性，很多工業控製對象難以（yǐ）得（dé）到其（qí）準確（què）的數學模型，因此不能使用控製理（lǐ）論中的設計（jì）方法。對於這一類係統，使（shǐ）用PID控製（zhì）可以得到比較滿意的效果（guǒ）。
　　
　　（2）有較強的靈活性和適（shì）應性。積分控製可以消除係統的靜差，微（wēi）分控製可以改善係統得動態響應速度，比例、積分和微分控製三者有效的結（jié）合就（jiù）可以（yǐ）滿足不同的控製要求。根據被控對象的具體情況，還（hái）可以采用（yòng）各種PID控製的改進的控製（zhì）方式，如PI、PD、帶（dài）死（sǐ）區的PID、積分分離PID、變速積分PID等。
　　
　　（3）PID控製器的結構模型，程序設計簡單，工程上易（yì）於實現，參數調整方便。
　　
　　3.3 PLC實現（xiàn）PID控製的方式
　　
　　用PLC對模擬量進行PID控（kòng）製（zhì）時，可以采用以下幾種方法：
　　
　　（1）使用PID過程控製模塊。這種模塊的PID控製程序是PLC生產廠家設計的，並存放在模（mó）塊中，用戶在（zài）使用時隻需設置一些參（cān）數，使（shǐ）用起來非常（cháng）方便，一（yī）塊模塊可（kě）以控製幾路甚至幾十路閉（bì）環回路。但是這種模塊的價格較高，一般在（zài）大（dà）型控製係統中使（shǐ）用。
　　
　　（2）使用PID功能指令。現在很多的PLC都有供PID控製用的功能指（zhǐ）令，如S7-200的PID指（zhǐ）令。他（tā）們實際上是用於（yú）PID控製（zhì）的子程序，與模擬量輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似於（yú）使用（yòng）PID過程控製模（mó）塊的效果，但是價（jià）格（gé）便宜。
　　
　　（3）用自編的程序實（shí）現PID閉環控製。有的PLC沒（méi）有PID過程控製模塊和PID控製（zhì）用的功能指令，有的雖然（rán）可以使用PID 控製指令，但是希望采（cǎi）用某種改進的PID控（kòng）製算法。在上（shàng）述情況下，都需要用戶（hù）自己編製PID控製程序。
　　
　　3.4 PID控製參數的調整
　　
　　1. 采（cǎi）樣周期TS的確定
　　
　　根據采樣定理可知，采樣頻率應該大於或等於被采樣信號所含最高頻率的兩倍，才能還原出原（yuán）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（cān）數Kp、Ki、Kd的確定
　　
　　PID控製回路的參數整（zhěng）定是模擬量閉環控製中的一個難點（diǎn），如果初始參數選擇不當，可能會出現（xiàn）很大的超調量，甚至使係統不穩定。西門子公司的（de）新一代小型S7-200PLC具有PID參數自（zì）整定功能，V4.0版的編（biān）程軟件STEP7-Micro/WIN增加了PID整定控製麵板。這兩項功能相結合，使用（yòng）戶能輕鬆地實現PID 的參（cān）數自整定。自整定能提（tí）供一（yī）組近似（sì）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整定控製麵板用（yòng）圖（tú）形方式監視PID回（huí）路。該麵板還（hái）可用來起動或取消自整定過程，設置自整定的參數（shù），並將推薦的整定值或用戶（hù）設置（zhì）的（de）整定值應（yīng）用到實際控製中。
　　
　　結 論
　　
　　本文介紹的發酵罐自動控製係統經（jīng）實踐檢驗，係統達到（dào）設計要求，運行（háng）效果良好（hǎo），發酵溫度（dù）符合工藝要求。當實際溫度（dù）偏離標準溫度時（shí），自（zì）控係（xì）統及時響應，通過電磁閥去控製冷媒閥開啟或（huò）關閉（bì），發酵溫度很快穩定在溫度給（gěi）定值上，且發酵溫度變化曲線平緩，係（xì）統調節偏（piān）差僅為士0.1℃，與傳統的溫度（dù）調節儀係（xì）統的調節偏差士（shì）1℃相比，控製質量大大提高。
　　
　　本文創新點：
　　
　　1. 以計算機（jī）為主站，以PLC為控製器，實現了（le）對啤（pí）酒的發酵溫度控製；
　　
　　2. 上位機監控軟件以實時的形式，向操作人員提供發酵的溫度,實現了操作過程的（de）可視化；
　　
　　3. 整個軟（ruǎn）PLC係統的架構是遵循IEC 61131-3標準的，各種符合IEC 61131-3標準的編程語言的（de）轉換模型的建立和中間語言的結構定義（yì）是一個全新的開（kāi）放的體係結構（gòu），有很強的（de）兼容性和通用（yòng）性。它支持數據結構，強大的網絡通訊功（gōng）能，友好的人機界麵，能夠執行比較複雜的控製算法，程序具有（yǒu）可移植（zhí）性。

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