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　　啤酒的發(fā)酵過程是在啤酒酵母的參與下，對(duì)麥汁的某些組成進(jìn)行一系列代謝，從而將麥汁風(fēng)味轉(zhuǎn)變?yōu)槠【骑L(fēng)味的過程。啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)工藝流程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是一個(gè)極其復(fù)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(yīng)過程。由于這一過程中不僅麥汁中的可酵糖和氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被酵母細(xì)胞酶分解為乙醇（C2H5OH）和二氧化碳（CO2），同時(shí)還產(chǎn)生一系列的發(fā)酵副產(chǎn)物，如：雙乙酰，高級(jí)醇、醛、酸、酯等。這些代謝產(chǎn)物的含量雖然極少，但它們對(duì)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(huì)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(duì)啤酒酒體與風(fēng)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(chǎng)操作調(diào)節(jié)，手工記錄來實(shí)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(dá)30～40個(gè)），倘若仍然沿用常規(guī)辦法，不僅會(huì)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(huì)因疏忽、錯(cuò)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(shè)計(jì)用可編程控制器（PLC）自動(dòng)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(duì)象
　　
　　啤酒發(fā)酵是在發(fā)酵罐中靜態(tài)進(jìn)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(guó)的啤酒發(fā)酵罐容積在120m3～500m3）以上。啤酒發(fā)酵要嚴(yán)格的按著工藝曲線進(jìn)行，否則就會(huì)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(shè)置了上、中、下三段冷卻套，相應(yīng)設(shè)立上、中、下三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)和三個(gè)偏心氣動(dòng)閥，通過閥門開度調(diào)節(jié)冷卻套內(nèi)的冰水流量以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)有3個(gè)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(dāng)達(dá)到上限溫度時(shí)，要打開制冷設(shè)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(dāng)發(fā)酵溫度低于工藝要求的溫度時(shí)，關(guān)閉冷媒，則啤酒按工藝要求繼續(xù)發(fā)酵，整個(gè)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(guān)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(gè)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(jìn)行的，任其自然升溫；在恒溫階段，通過控制冷媒開關(guān)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(guān)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(shè)計(jì)以PLC為核心的啤酒發(fā)酵控制器。每個(gè)控制器控制一個(gè)發(fā)酵罐。具體的溫度控制采用PID 算法實(shí)現(xiàn)。PID控制以其簡(jiǎn)單可靠、容易實(shí)現(xiàn)、靜態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)過程中。
　　
　　2 控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
　　
　　發(fā)酵過程PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由SIEMENS S7系列PLC（控制站）和若干臺(tái)IPC（操作站）組成。該系統(tǒng)采用3級(jí)總線結(jié)構(gòu)：底層鏈路為PROFIBUS-DP總線，連接遠(yuǎn)程I/O機(jī)架，負(fù)責(zé)PLC、CPU與分布式I/O站點(diǎn)的連接，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就近連接到分布式I/O機(jī)架上。
　　
　　圖2 發(fā)酵罐群PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
　　
　�。�1）控制站（下位機(jī)）
　　
　　下位機(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制、遙控和聯(lián)鎖等功能。下位機(jī)系統(tǒng)具有可靠性高、擴(kuò)展方便的特點(diǎn)。
　　
　�。�2）操作站（上位機(jī)）
　　
　　上位機(jī)系統(tǒng)由兩套以上的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)結(jié)合相應(yīng)的通信接口設(shè)備構(gòu)成。
　　
　　3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　　
　　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(shè)計(jì)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(guān)閥。
　　
　　圖3 溫度控制系統(tǒng)組成框圖
　　
　　溫度測(cè)量元件采用線性度好且時(shí)間常數(shù)小的鉑電阻來測(cè)量發(fā)酵罐溫度，經(jīng)溫度變送器把溫度轉(zhuǎn)換成與其成比例的電壓。V/F轉(zhuǎn)換器的作用是將溫度轉(zhuǎn)換器輸出的電壓轉(zhuǎn)換成與其成比例的頻率，該頻率代表發(fā)酵罐內(nèi)的實(shí)際溫度。用PLC內(nèi)的高速計(jì)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(hào)。
　　
　　啤酒的發(fā)酵工藝過程共有十多天時(shí)間，最重要的環(huán)節(jié)是控制每個(gè)時(shí)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(shè)計(jì)出發(fā)酵溫度-時(shí)間曲線，輸入可編程序控制器，使系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)不同時(shí)間段的溫度給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。整個(gè)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(jì)算出實(shí)際該罐啤酒的發(fā)酵時(shí)間，然后取出該段時(shí)間對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溫度值，將標(biāo)準(zhǔn)溫度值與實(shí)際溫度值比較，若相等則再次回到主程序入口進(jìn)行下一輪的標(biāo)準(zhǔn)值查找，若不相等則系統(tǒng)由CPU計(jì)算出相應(yīng)的PID系數(shù)，輸出信號(hào)去控制電磁閥，用電磁閥控制的氣路打開或關(guān)閉冷媒閥，進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。
　　
　　該系統(tǒng)可用S7軟件編程。應(yīng)用這些軟件，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，隨時(shí)可顯示出整個(gè)發(fā)酵罐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，各個(gè)閥門的實(shí)時(shí)狀態(tài)，可讀出每個(gè)發(fā)酵罐各點(diǎn)的實(shí)際溫度值，液位置等參數(shù)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并有各種報(bào)警實(shí)時(shí)顯示和溫度控制情況曲線記錄等，以便操作者及時(shí)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(shí)現(xiàn)
　　
　　本系統(tǒng)采用德國(guó)SIMENS公司的S7-300PLC為控制核心，可實(shí)現(xiàn)溫度的采集與自動(dòng)調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)12路溫度控制，每一回路均為設(shè)定固定值控制。根據(jù)實(shí)際要求選用相應(yīng)的功能模塊。其中CPU模塊選用CPU-314IFM，其帶有一個(gè)MPI接口，集成有20個(gè)數(shù)字輸入端、16個(gè)數(shù)字輸出端、4個(gè)模擬輸入端、1個(gè)模擬輸出端，內(nèi)部集成PID控制功能塊，可以方便的實(shí)現(xiàn)PID控制。
　　
　　PID控制器是比例—積分—微分控制（Proportional-Integral-Derivative）的簡(jiǎn)稱，之所以得到廣泛應(yīng)用是因?yàn)樗�具有以下�?yōu)點(diǎn)：
　　
　　（1）不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。由于非線性和時(shí)變性，很多工業(yè)控制對(duì)象難以得到其準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此不能使用控制理論中的設(shè)計(jì)方法。對(duì)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(qiáng)的靈活性和適應(yīng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分和微分控制三者有效的結(jié)合就可以滿足不同的控制要求。根據(jù)被控對(duì)象的具體情況，還可以采用各種PID控制的改進(jìn)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(jié)構(gòu)模型，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工程上易于實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便。
　　
　　3.3 PLC實(shí)現(xiàn)PID控制的方式
　　
　　用PLC對(duì)模擬量進(jìn)行PID控制時(shí)，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(shè)計(jì)的，并存放在模塊中，用戶在使用時(shí)只需設(shè)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(jià)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(shí)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(jià)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(jìn)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(yīng)該大于或等于被采樣信號(hào)所含最高頻率的兩倍，才能還原出原信號(hào)，即fs≥2fmax，式中fs為采樣頻率， fmax為被采樣信號(hào)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(gè)難點(diǎn)，如果初始參數(shù)選擇不當(dāng)，可能會(huì)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(xiàng)功能相結(jié)合，使用戶能輕松地實(shí)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(dòng)或取消自整定過程，設(shè)置自整定的參數(shù)，并將推薦的整定值或用戶設(shè)置的整定值應(yīng)用到實(shí)際控制中。
　　
　　結(jié) 論
　　
　　本文介紹的發(fā)酵罐自動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行效果良好，發(fā)酵溫度符合工藝要求。當(dāng)實(shí)際溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)，自控系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)，通過電磁閥去控制冷媒閥開啟或關(guān)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(diǎn)：
　　
　　1. 以計(jì)算機(jī)為主站，以PLC為控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)啤酒的發(fā)酵溫度控制；
　　
　　2. 上位機(jī)監(jiān)控軟件以實(shí)時(shí)的形式，向操作人員提供發(fā)酵的溫度,實(shí)現(xiàn)了操作過程的可視化；
　　
　　3. 整個(gè)軟PLC系統(tǒng)的架構(gòu)是遵循IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的，各種符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程語言的轉(zhuǎn)換模型的建立和中間語言的結(jié)構(gòu)定義是一個(gè)全新的開放的體系結(jié)構(gòu)，有很強(qiáng)的兼容性和通用性。它支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，友好的人機(jī)界面，能夠執(zhí)行比較復(fù)雜的控制算法，程序具有可移植性。

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