牛法德的毕业设计

1、学科代码：080601学号：061401010095贵 州 师 范 大 学（本 科）毕 业 设 计题 目：啤酒生产过程中PLC自动控制系统的设计学 院：机械与电气工程学院专 业：电气工程及其自动化年 级：2006级姓 名：牛法德指导教师：郑小倩（讲师）完成时间：2010年5月5日目录摘要. .2引言. .3第1章 啤酒生产发展的状况. . 31.1 我国啤酒工业的现状.31.2 啤酒生产控制的水平. 4 1.3 啤酒生产自动控制的作用和意义.5啤酒生产自动控制的作用. 6 1.3.2啤酒生产自动控制的意义. 61.4国内啤酒生产自动控制存在的问题. 61.5本文主要研究的内容. 7第2章 PL

2、C与啤酒生产过程工艺的简介. 72.1PLC的简介. . .72.1.1国内外的技术现状. . . 8 PLC 300的简介. . 82.2 啤酒生产工艺的简介. .8原料的制备过程. .9糖化过程. .9发酵过程. .15 第3章 PLC在麦芽烘干过程中的应用. 163.1麦芽烘干的过程分析. 163.2麦芽烘干机PLC控制系统的设计.1.173.2.1 系统的硬件设计.17 3.2.2 系统的软件设计.183.3 系统的可行性分析. .22 第4章 PLC在啤酒发酵过程中的应用. . 234.1啤酒发酵过程分析. . 244.2啤酒发酵过程中PLC控制系统的设计. 25系统的硬件设计 26

3、系统的软件设计. 284.3系统的可行性分析. 30第5章 总结与展望. 30参考文献. 32致谢辞啤酒生产过程中PLC自动控制系统的设计牛法德（贵州师范大学 机械与电气工程学院 贵阳 550014）摘要：啤酒工业是我国食品工业中一个重要的产业部门，随着国民经济的发展和人民生活的改善，我国啤酒工业也得到空前发展。尽管如此，我国的啤酒生产工业目前还存在许多不尽如人意的地方。由于啤酒生产的工艺复杂，目前我国大多数啤酒生产企业技术装备落后，自动化程度低，产品质量不稳定。如何提高啤酒生产的综合自动化水平，增强我国啤酒产业的综合实力是一个很好的研究课题。为此，本通过对啤酒生产发酵过程的工艺及关键问题的分

4、析，从硬件、软件两个方面采用西门子S7-300PLC对啤酒生产过程中麦芽烘干和啤酒发酵自动控制系统进行设计，整个系统采用分级结构。第一级为可编程逻辑控制器(PLC)，系统选用SIEMENS S7-300，直接与现场仪器、仪表连接，主要完成对现场数字、模拟信号进行采集和处理以及对执行元件进行实时控制的功能。第二级为工业控制计算机（IPC）,主要完成控制软件的界面和控制过程数据的监视、管理和记录功能。关键词：麦芽烘干;啤酒发酵;PLCAbstract：Beer industry is an important food industry in the industrial sector, alon

5、g with the development of national economy and the improvement of people's life in China, also get beer industrial unprecedented development. Nevertheless, our beer production industry currently still exist many unsatisfactory. Due to the complexity of the beer production process, the current mo

6、st beer production enterprise technical equipment backwardness, low automatization, product quality is not stable. How to improve beer production integrated automation level, enhance the comprehensive strength in beer industry is a very good study. Therefore, the production of beer fermentation proc

7、ess through the process and the key problem analysis, from two aspects of hardware and software by Siemens S7-300 PLC for beer production process malt beer fermentation drying and automatic control system design, the entire system USES hierarchical structure. Article 1 for the programmable logic con

8、troller (PLC), the system selects SIEMENS S7-300, directly connected with the instrument and meter, the main field of digital simulation signal and sampling and processing and real-time control of components of the function. 2 for industrial control computer (IPC), the main control software interfac

9、e and control process monitoring, data management and record function.Keywords: malt drying, Beer fermentation, PLC引言随着20世纪70年代微处理芯片的出现,自动控制技术在西方发达工业化国家的工业生产领域得到了广泛的应用。我国在引进西方工业生产设备的同时,也消化吸收了部分自动化控制技术,并进一步认识到了采用自动控制技术的必要性。随着硬件(微处理芯片)成本的进一步降低与部分软件国产化的实现,在工业生产中实现自动控制技术的总体费用大大下降,应用领域从化工、钢铁等国家高度重视的传统重工业

10、行业向其它轻工业行业扩展,使得大部分厂家在生产中使用自控系统的要求成为可能。国内啤酒进行生产自动控制只有近10年的历史,同时啤酒行业有自已独有的环境、工艺、设备装置、人员素质特点,只有结合国内啤酒行业的实际情况与行业经验,针对啤酒行业生产的特殊性,才能有针对性地开发出适应中国特色的啤酒行业自动控制系统。第一章啤酒生产发展的状况1.1我国啤酒工业的现状中国是世界上啤酒第二生产大国,但人均占有啤酒量很低,不少洋啤酒看好中国啤酒市场,大举向国内市场进军,造成国内啤酒市场竞争异常激烈。近些年来，随着人命生活水平的不断提高，对啤酒的消费越来越大，根据国际饮料生产协会统计表明，我国的啤酒的产量和消费量已位

11、于世界前列，成为啤酒生产和消费的大国。专家预测我国的啤酒行业将进入高速发展的时期。而现在国内一些中小规模啤酒企业的生产状况滞后于啤酒的发展趋势。普遍存在自动化程度低、生产效率低下等问题。为了消除人工操作带来的弊端，降低生产成本和粮食消耗，提高啤酒的生产质量。啤酒企业企业迫切需要自动化程度高、安全可靠性好、便于操作维护的自动化系统。目前国内中小型啤酒厂都普遍存在以下问题：(1)自控水平差，技术含量低，生产过程主要采用简单控制甚至人工控制为主，表现在啤酒质量不稳定，理化和感官质量都需要亟待提高；(2)产品档次低，品种单一；(3)能耗和原料消耗大，目前该指标的国内先进水平与国际先进水平存在较大差距。

12、因此，如何提高我国啤酒工业的综合实力，提高产品的技术含量，积极参与国际市场竞争是一个刻不容缓的课题。这个问题是由管理水平、原料质量等多方面原因导致的，但该领域的自动化水平和自控质量是其中最主要的因素之一。1.2目前国内啤酒厂家生产的控制水平目前，国内啤酒生产(糖化、发酵工段)的控制水平基本上可分为4个档次。(1)完全手动操作方式。其主要特点是阀门为手动。对温度、压力、液位、流量、浊度、电导率等生产过程中的模拟量信号采用常规分散仪表进行采集，然后集中或现场显示，操作人员在现场或集中操作盘(柜)上控制主要设备的启停，阀门由工人到现场操作。这种方式下啤酒生产工艺参数得不到可靠执行，一致性较差，啤酒质

13、量受人为因素影响较大，而且工人的劳动强度很大，主要生产设备与装置不能工作在较佳状态，原材料利用率低，产品能耗大，不可能采用较复杂的先进工艺生产啤酒(如低压煮沸工艺)，生产成本较高。许多中、小型啤酒厂家还在采用手动控制，但将逐步被智能仪表和自控系统所代替。(2)半自动控制方式(集中手动控制方式)。主要特点为阀门多采用气动或电动自动阀门。采用数据采集器采集各种过程量进入控制室，控制室设有模拟屏或上位机，在模拟屏或上位机上显示各种温度、流量、压力、液位等过程参数和电机、阀门的开启状态，对生产过程进行监控，操作人员根据显示的参数与工艺参数对比，在模拟屏或操作台上遥控阀门开启和电机启停，从而满足工艺要求

14、，生产中的关键数据由人工记录。但由于需要操作工人的频繁介入，其啤酒质量与口味也有较大的波动，工人的劳动强度也比较大，目前国内中小型啤酒厂较多采用。(3)PC机+数据采集插卡方式。以工业PC机+各种数据采集卡为代表，过程控制中的各种信号在外围通过相应的变送器送入插在工业PC机插槽中的数据采集卡，在PC机画面上显示各种生产过程参数，同时控制阀门与泵、电机等设备的启停，来满足生产工艺要求。目前国内不少啤酒厂发酵车间采用这类系统进行控制。一般在PC机上运行Windows95操作系统，可在一定程度上解决啤酒生产过程控制问题。但存在以下缺点：系统的可靠性差，这一方面是由于上位机操作系统及数据采集卡的可靠性

15、较差造成的，另一方面是由于上位机软件自身不完善造成的。画面呆版，缺乏一般工控组态软件灵活的程序脚本控制功能，同时系统本身的安全性较差，难以建立有效的操作等级与权限制度，易受到病毒及操作者的恶意攻击。系统的可扩充性差，控制系统无网络构成，不便于下一步工厂管理网络与生产网络的联结，不能有效保护工厂投资的长期效益，同时也不便于整个车间、工厂的联锁控制。(4)分布式控制方式。采用先进的计算机控制技术与多层网络结构及先进控制算法对生产工序进行自动控制，主要特点为采用PLC作下位机。目前有DCS(分布式控制系统)控制系统与FCS(现场总线控制系统)控制系统两种。在DCS控制系统中，下位机网络中控制单元一般

16、采用PLC，其可靠性非常高(一般可连续可靠工作20年)，性能稳定，上位机网络可兼容多种通讯协议(例TCPIP协议)，便于下一步与管理网络的联结，完全有效克服了PC机+数据采集卡控制方式的缺点。按照工艺参数与流程要求，对物料粉碎系统(大米与麦芽)、糖化系统(糊化、糖化、过滤、煮沸、沉淀)、薄板冷却系统、供水系统、洗涤(CIP)系统、发酵罐发酵系统、酵母扩培系统等工艺过程中的各种泵、搅拌电机、电动或气动阀门等开关量和温度、压力、液位、流量、浊度、电导率等模拟量进行监测控制，能记录完整的生产工艺数据，在电子模拟屏或计算机屏幕上显示工艺流程中各阀门、电机的运行状况，同时对各种超、欠压、温度超限、阀门故

17、障、液位超限等故障进行声光报警。并且设有“自动”和“手动”两种状态，即当现场出现故障或要对工艺进行人工干预时，可将开关转换到“手动”状态，对各种执行机构进行手动操作。这样技术人员可以设定新的参数，操作人员可以在现场处理紧急问题，从而达到了理想的效果。这种控制方式是国内啤酒生产控制发展的主流方向，主要缺点为一次性投入资金较大。1.3 啤酒生产自动控制的作用和意义啤酒生产自动控制的作用啤酒生产自动控制可以：(1)提高工艺水平，稳定产品质量、啤酒口味，提高原材料利用率，节约能源，降低生产成本，减轻操作人员的劳动强度，使工人有更多的时间关注工艺参数。(2)强化产品的质量管理。先进的算法程序与硬件的高可

18、靠性保证生产过程严格按照设定的工艺参数执行。一致性很高，同时可记录下真实的生产过程数据，并可随时调用查阅这些数据，作为生产决策部门质量分析和改进生产工艺的可靠依据。(3)辅助生产管理。减轻工人操作强度的同时可增强工人的工作责任心。并且水、电、气(汽)的消耗计量更准确，方便生产成本的控制和管理。国内啤酒生产自动控制只有近10年的历史，同时啤酒行业有自己独有的环境、工艺、设备装置、人员素质等特点，只有结合国内啤酒行业的实际情况与行业经验，针对啤酒行业生产的特殊性，才能有针对性地开发出适应中国特色的啤酒行业自动控制系统。通过大量的归纳、分析，可得出啤酒行业自控系统的基本要求：1)由于啤酒行业员工缺乏

19、自控系统操作的实际经验，系统采用全中文操作界面，面向工艺人员设计，不需要计算机方面的专门知识，操作简便。(2)采用块结构设计。系统硬件、软件可扩充性强，可靠性高，特别对糖化这种快过程生产车间，下位机采用PLC，同时在系统结构设计中考虑到有利于户的多次投资，确保用户的投资价值。(3)自动化程度高，自控设备运行的费用低。易耗件有较高通用性(国内易于购买)，不使用冷门产品，使生产的正常运行得到可靠安全的保证。(4)完备的生产数据记录功能。系统提供专用的历史数据查阅程序，便于分析改正生产过程中存在的不足。(5)合理的安全体系。结合工厂日常管理的经验，对生产设备、控制点数、操作人员进行合理的划分，给予不

20、同的操作权限与操作等级，从制度上保证生产可靠、安全运行。132啤酒生产过程自动控制的意义(1)对啤酒糖化、发酵工段进行自动化控制、扩大生产规模是国内啤酒厂发展的主流，中国已经加入WTO，完全靠手动控制的小型啤酒厂将难以维持生计。(2)随着国内纯生啤酒生产线的上马，在线检测设备将会增多，生产自动化程度会进一步提高。(3)不同设备、不同工段自控系统间的衔接问题将会得到更多的重视，只有解决好这一问题，生产过程自动化才有可能。(4)制冷车间的自控及与糖化、发酵工段自控的配合是啤酒厂降低能耗的重要途径之一，已受到越来越多的啤酒生产企业的重视。14国内啤酒生产自动控制存在的问题目前国内啤酒厂自动控制主要集

21、中在糖化工段与发酵、清酒工段。但存在如下的不足：(1)控制方法问题。例如，在啤酒发酵罐控制中，目前所用的控制系统大多采用简单PID控制，无法解决发酵罐上、中、下3个冷却带的耦合问题，也难以解决发酵罐大惯性，系统超调、控制精度等问题。(2)糖化、发酵工段的自控衔接问题。例如，从糖化工段向发酵罐输入麦汁等工作，目前需要两个车间操作人员相互协调，难以自动完成；(3)与进口设备自控系统的衔接问题。不少啤酒厂的酵母自动添加装置、麦芽粉碎装置、脱氧水装置、过滤装置等采用国外进口设备，这些设备自身带有控制系统接口标准随厂家而变，若不能与总自控系统很好衔接，则需要人工干预生产过程，低生产自动化程度；(4)在线

22、检测设备问题。在线检测设备价格昂贵，大多需要进口，如缺乏在线检测设备，则需要人工干预自控过程的进行，影响自动化程度；(5)糖化车间过滤槽自动控制问题。由于过滤过程的复杂性与国产过滤槽装置的缺陷，在过滤过程中，需要人工进行一定的干预；(6)制冷车间自控问题。啤酒厂用制冷机组的台数控制制冷量以满足工艺要求，造成旺季制冷量不足、淡季制冷量过大，冷媒温度波动过大等问题。理论分析表明，采用变频调速技术对制冷机组进行控制，与发酵、糖化车间特别是发酵车间自控系统配合，动态调节制冷量的大小，不仅可以解决冷媒温度波动过大问题，还可节省电能30以上；(7)锅炉车间自控问题。数据表明，在糖化车间采用低压煮沸工艺、一

23、段冷却技术，可节省蒸汽用量20以上，若糖化车间自控系统与锅炉车间自控系统配合，可进一步降低蒸汽用量；15主要研究内容论文以啤酒生产过程PLC控制和综合自动化系统的研究为工程背景，主要研究和讨论啤酒生产过程中的麦芽烘干和啤酒发酵两部分。主要研究内容如下：(1)对啤酒生产工艺过程进行了全面介绍，在分析麦芽烘干工艺的基础上，设计了麦芽烘干机PLC控制系统；(2)在分析研究啤酒发酵工艺过程及啤酒发酵温度控制特点的基础上，设计了啤酒发酵过程的控制流程图、主程序的梯形图。第二章PLC与啤酒生产过程工艺的简介2.1 PLC的简介PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种

24、通用工业自动控制装置。这种装置具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，得到了用户的公认和好评。它经过短短的几十年发展后，现已成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM），被广泛的应用于机械、冶金、化工、交通、电力等领域中。随着PLC系统规模的不断扩大，技术的不断深化，PLC系统的可扩展和网络互连变得原来越普遍，甚至成为PLC应用系统的成败的关键技术和因素。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。它具有通信联网的功能，使得PLC与PLC 之间、PLC与上

25、位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现了分散集中控制。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，使以网络为主干的自动化分布式控制系统成为行业趋势。由此，网络通信的实时性和可靠性，以及网络故障的智能诊断和排除都成为工业网络通信关注的焦点。通信在自动化系统中无处在，它是整个自动化控制系统的灵魂。 国内外的技术现状随着现代信息技术和计算机技术的不断发展，分布式控制系统在工厂自动化和过程自动化中的应用迅速增长，现场总线技术已成为工业网络通信的佼佼者。现场总线和以太网技术的结合，弥补了各自的缺点，从而达到了优势互补，使得网络通信又有了长足的发展。网络通信方式的多样化和通

26、信速度的提高，使信息交换领域从现场设备控制到企业管理层的不断扩大。为了适应这种形式的发展，世界各PLC生产厂家纷纷给自己的产品增加了通信及联网的功能，并研制开发出自己的PLC网络。如三菱的MELSEC NET、CCLINK网、欧姆龙的Controller Link，西门子的SINEC H1局域网等。现在即使是卫星和小型的PLC也都具有了网络通信接口。今后网络总的发展趋势是向高速、多层次、大信息吞吐量、高可靠性可开放式（即通信协议向国际标准或地区通用工艺标准靠近）的发展方向。工业的现代化，很大程度体现在工业生产过程的自动化，其中信息的传输，数据的交换也成为评判工业自动化水平的因素。现场总线技术的

27、出现，现场设备的智能化以及IT技术与自动化技术的日趋融合，使得工业自动化产业面临变革性的挑战。网络技术在工业中所占的比重越来越大。而在这方面我国主要应用的都是国外的技术标准。PLC在我国工业生产中的应用已相当广泛，其网络通信方面的优势日益明显，要求我们必须紧跟技术的前沿，充分利用国外的技术，提高我们的工业现代化水平，并进一步有自己的能力去开发适合于自身发展的技术。2.1.2 PLC300的主要组成部分S7-300/400属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。S7-300的CPU模块（简称为CPU）都有一个编程用的RS-485

28、接口，有的有PROFIBUS-DP接口或PTP串行通信接口，可以建立一个MPI（多点接口）网络或DP网络。1.电源模块.2.后备电池3.24VDC连接器4.模式开关.5.状态和故障指示灯6.存储器卡(CPU313以上)7.MPI多点接口8.前连接器9前盖功能最强的CPU的RAM为512KB，最大8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量最大65536，模拟量通道最大为4096，有350多条指令。计数器的计数范围为1999，定时器的定时范围为10ms9990s。只需要扩展一个机架，可以使用价格便宜的IM365接口模块对。数字量模块从0号机架的4号槽开始，每个槽位分配4个字节的地址

29、，32个I/O点。模拟量模块一个通道占一个字地址。从IB256开始，给每一个模拟量模块分配8个字。1模块诊断功能可以诊断出以下故障：失压，熔断器熔断，看门狗故障，EPROM、RAM故障。模拟量模块共模故障、组态/参数错误、断线、上下溢出。2过程中断数字量输入信号上升沿、下降沿中断，模拟量输入超限，CPU暂停当前程序，处理OB40。1状态与故障显示LEDSF（系统出错/故障显示，红色）：CPU硬件故障或软件错误时亮。BATF（电池故障，红色）：电池电压低或没有电池时亮。DC 5V（5V 电源指示，绿色）：5V电源正常时亮。FRCE（强制，黄色）：至少有一个I/O被强制时亮。RUN（运行方式，绿色

30、）：CPU 处于RUN状态时亮；重新启动时以2 Hz的频率闪亮；HOLD（单步、断点）状态时以0.5Hz的频率闪亮。STOP（停止方式，黄色）：CPU处于STOP，HOLD状态或重新启动时常亮。BUSF（总线错误，红色）。2.2 啤酒生产工艺的简介啤酒是目前世界上消费量最大的酒类饮料，全球啤酒产量已连续多年稳步增长n们，2000年世界主要啤酒生产国的啤酒总产量约1635亿公升。随着国家经济的发展和人民生活水平的改善，我国啤酒工业得到了空前发展，啤酒产量在1993年达到1190万吨，列美国之后成为世界第二，2002年达到2386万吨，2006年达3500万吨。截至2007年我国啤酒产量及消费量已

31、连续4年保持世界第一。目前我国仍是世界上啤酒市场增长最快的地区之一，预计今后两年还将保持10左右的增速。啤酒工业对国民经济建设发挥了非常重要的作用。啤酒是以优质麦芽和水为主要原料，酒花为香料和苦料，经糖化与酵母发酵酿制而成的含有CO2气体和低度酒精的饮料酒。由于大麦麦芽具有优良的酿造特性，所以逐渐取代了小麦、荞麦等其他谷物而成为啤酒酿造的主要原料，其他谷物只是作为辅料使用。在我国为降低麦汁制备的成本心，还常常采用大米、玉米、糖等辅料。一个完整的啤酒生产过程可划分为麦汁制备、发酵、啤酒处理、清酒、灌装等工序，如图2-1所示。其他辅助工序还有麦芽的烘干、CO2的回收、脱氧水制备、热水制备、CIP、

32、冷冻、空气压缩等等。 图2-1 啤酒工艺各工序的主要功能如下：(1)麦汁制备：采用大麦、酒花、水及辅料进行麦汁制备；(2)发酵过程：将制备好的麦汁进行发酵，得到啤酒；(3)啤酒处理：对发酵成熟的啤酒进行过滤、修饰、高浓度稀释等处理；(4)清酒：将过滤好的啤酒泵入清酒罐进行低温储存，等待灌装；(5)灌装：将成品啤酒装瓶(罐)，这是啤酒生产的最后一道工序；(6)C02回收：将发酵过程中产生的C02进行回收，以备需要时进行添加和综合利用；(7)CIP：CIP意为原位清洗(Cleaning In Place)，又称为现场清洗系统，用来对整个糖化、发酵过程的所有设备和管道进行清洗，以保证整个啤酒生产过程

33、的清洁无菌；(8)脱氧水制备：除去生产用水中的溶解氧，得到无氧(或溶解氧很低)、无菌的生产用水；(9)冷冻：为整个啤酒厂提供物料、中间产品、环境、设备冷却、降温及辅料储存所需的冷媒；(10)空气压缩：为整个啤酒厂提供物料输送、设备驱动所需的气源。其生产主流程为：在糖化车间制备好的麦汁经冷却、添加酵母后进入发酵罐进行发酵，发酵成熟的啤酒经过滤、修饰液添加、高浓度稀释等处理环节后，去掉酒头酒尾，进入清酒罐，等待灌装。2.2.1原料制备大麦是制造啤酒的主要原料，在进入酿造过程之前，首先要将大麦在5°C6°C水中浸泡数日，后烘晾510天，促其发芽。2.2.2糖化过程糖化过程是麦汁制

34、备和处理的过程，其主要目的是将原料中的非水溶性物质转化成水溶性物质，特别是可发酵性糖，此为麦汁发酵生成啤酒的前提条件。啤酒糖化生产过程是啤酒生产的第一个关键性环节，对整个啤酒生产的产量、质量、消耗等影响很大。糖化过程工艺指标控制的好坏，对啤酒的稳定性、E1感、外观会起到决定性的影响，整个糖化过程主要包括原料粉碎、糊化、糖化、过滤、煮沸、沉淀、冷却等生产工序。(1)原料粉碎粉碎是对麦芽和大米进行机械破碎的过程，粉碎设备主要由料仓、提升机、粉碎机等单元设备组成。粉碎方式主要有干法粉碎、湿法粉碎、回潮粉碎和锤式粉碎四种。干法粉碎是将储存的麦芽、大米等干粉碎物直接进入粉碎机进行粉碎；湿法粉碎是将麦芽、

35、大米等浸泡1520分钟后再进入粉碎机进行粉碎；回潮粉碎是介于干法粉碎与湿法粉碎之间的一种改良粉碎法。麦芽等粉碎物在进入粉碎机之前，用50°C的蒸气或水雾喷湿，使皮壳吸水后立即进入粉碎机进行粉碎。不同的粉碎方式、不同的啤酒厂，其粉碎工艺各有不同。以典型的浸湿回潮粉碎过程为例，其操作流程可以简单归纳为：由储仓运来的麦芽、大米等物料首先进入分离筛，除去大块的脏物，对干粉碎物进行喷淋浸湿(喷淋水称为浸渍水)，将麦芽、大米分别进入粉碎机进行粉碎，同时用调酿造水(调浆水)再度淋湿，形成麦芽浆、大米浆，用泵自锅底将麦芽浆、大米浆分别送入糖化锅及糊化锅。在粉碎系统中，除了实现料仓控制粉碎机控制、原料

36、计量等一般测控要求以外，主要还包括浸渍水和调浆水的流量、温度以及PH值控制。(2)糊化和糖化酒精是啤酒的重要组成部分，它是由糖发酵而来。糊化和糖化可以简单地理解为淀粉分解转化为糖的过程。糊化：在热水溶液中，水分子大量进入淀粉分子中，淀粉颗粒膨胀、破裂，形成乳性的溶液，在这一膨胀过程中没有发生物质的分解。糖化：通过淀粉酶的作用，把已经液化的淀粉分解成麦芽糖和糊精。糖化过程如图2-2所示。在糖化过程中主要产生下列可被啤酒酵母发酵和不可发酵的淀粉分解产物。 图2-2糖化过程糊精：不可发酵；麦芽三糖：能被所有高发酵度酵母发酵。只有当麦芽糖发酵完后，酵母才能分解它(在后酵储存时分解，所以称为后发酵性糖)

37、；麦芽糖及其他双糖：能被酵母又快又好的发酵，称为主发酵性糖；葡萄糖：最先被酵母发酵，称为起发酵性糖。为保证啤酒质量，淀粉必须彻底分解成糖及糊精。这个过程也是麦汁制备中最重要的过程。由于浸出物主要是在糖化中通过酶的作用产生，为了使该过程能够尽最大可能形成更多、更好的浸出物，酶必须工作在最佳温度及PH值范围内，使其充分发挥作用。麦汁中的各种糖分和糊精共同影响着啤酒的质量，因此在糖化时必须注意影响淀粉分解的各种因素，这些因素主要有：糖化过程中的温度：62°C63°C的糖化温度，可以得到最大量的麦芽糖和最高的最终发酵度，不同的时间段糖化温度各有不同，各阶段的休止温度是：48

38、6;C-50°C蛋白质休止、62°C-65°C麦芽糖形成休止、70°C-75°C糖化休止、78°C并醪(将原料不同或温度不同的醪液混合)糖化休止；糖化时间：随着时间的延长，浸出物溶液的浓度、麦芽糖的含量、最终发酵度也在不断的提高，但提高过程也将越来越慢；醪液的PH值：醪液的PH值在5556时，可提高浸出物的浓度，形成较多的可发酵性糖；醪液浓度：在稀醪中，更多的浸出物可以溶出，但浓醪可以更好的保护酶。糖化方法有两大类：煮出糖化法和浸出糖化法。前者首先在糊化锅中把大米浆按温度曲线进行糊化，再通过醪泵和糖化锅中的麦芽浆混合，并且开始升温糖化

39、，然后将混合醪液的一部分分到糊化锅加热到沸点再与其余醪液混合，最后达到糖化终了温度；后者是纯粹利用酶的分解作用进行糖化的方法，和煮出法比较没有分醪煮沸的步骤。为使生产出的啤酒达到期望值，在糖化中需要注意以下几个要点：温度控制(滞后时间约为lmin)；合理搅拌：进行搅拌可以使麦芽和水充分混合，促进酶反应完全，但搅拌应分阶段进行，并避免高速搅拌；醪液的PH值；避免醪液吸氧；糊化锅防溢控制等等。其中，糊化与糖化的温度控制是关键。一方面，这是一个生化反应过程，温度对麦汁产量和质量的影响都非常大，各种分解酶都需要在各自特定的温度下才能发挥其最佳作用；另一方面，这也是一个能耗很大的过程，如何在自动运行过程

40、中尽可能降低能耗，也是衡量整个系统质量的一个关键。(3)过滤糖化过程结束后的醪液中含有水溶性物质和非水溶性物质。浸出物的水溶液叫“麦汁"，非水溶性物质叫“麦糟”，麦糟中主要含有麦皮、叶芽和其他物质，这些物质不溶子水。啤酒生产仅把麦汁作为原料送到发酵环节进行发酵，为达到目的，就必须尽最大可能使麦汁与麦糟分离，该分离过程叫做“过滤”。麦汁过滤有过滤槽过滤及过滤机过滤两种方式，采用过滤槽方式过滤时，麦糟起着过滤介质的作用；采用过滤机过滤时，麦糟则不作为过滤介质。目前，我国的大多数厂家采用过滤槽方式过滤，整个过滤过程分为以下几个步骤：预热水、泵入醪液、静置、混浊麦汁回流、头道麦汁过滤、洗糟和

41、洗糟麦汁过滤、排糟等等。(4)煮沸麦汁煮沸是一项复杂的物理化学过程，其主要目的是稳定麦汁成分。麦汁煮沸主要作用有：酶的钝化：破坏麦芽酶的活力，使其失去作用，主要是停止淀粉酶的作用，稳定麦汁中可发酵性糖和糊精的比例，以保持麦汁组分和发酵的一致性。麦汁灭菌：通过煮沸，消灭麦汁中存在的各种菌类，避免发酵时产生麦汁败坏，以保证最终产品的质量。蛋白质变性与絮凝沉淀：煮沸过程中析出某些受热变性及絮凝沉淀的蛋白质，提高啤酒的非生物稳定性。蒸发水分：蒸发麦汁中多余的水分，使麦汁浓缩到要求的浓度。酒花成分的浸出：在煮沸过程中添加酒花，将其所含的成分浸出，赋予啤酒独特的苦味和香味。其他：包括降低麦汁的PH值、提高

42、麦汁的色度及麦汁的抗氧化能力、蒸发出不良的挥发性成分等等。煮沸过程的控制主要包括：(a)蒸发强度的(煮沸强度)控制：也就是温度的控制(滞后时间约为lmin)。煮沸的蒸发过程可以分为两个阶段：小蒸发阶段和大蒸发阶段。小蒸发阶段是指开蒸汽升温到锅内温度达到沸腾温度为止的过程大蒸发阶段即从沸腾开始到煮沸结束关蒸汽的过程。在大蒸发阶段中，需要根据麦汁浓度控制蒸发强度以达到控制麦汁浓度的目的。(b)补水温度以及补水量的定量控制。(c)煮沸锅防溢控制。(d)酒花及其它辅料添加控制等等。(5)澄清、冷却煮沸结束时的麦汁总是含有冷、热凝固物，冷、热凝固物对以后的啤酒酿造有不利的影响，会损坏啤酒质量，所以必须将

43、其除去。麦汁冷却与凝固物的分离一般分两步进行：(a)麦汁预冷却与热凝固物的分离：降低麦汁温度，促进热凝固物的沉淀并将其除去。(b)麦汁冷却和冷凝固物的析出和分离：预冷却的麦汁通过激冷，最后达到发酵要求的温度，同时析出凝固物，并将其排除。麦汁的冷却在薄板冷却器中进行，通常用冰水作冷媒将热麦汁从9598冷却至6°C8°C的接种温度。至此，整个糖化环节基本结束，生产出的麦汁泵入发酵罐转入发酵环节。2.2.3发酵过程发酵过程是啤酒生产中另一个非常重要的环节，这个过程可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程，整个发酵过程同样也包含若干道生产工序。例如：麦汁充氧、酵母添加、发酵、过滤、修饰以及

44、酵母培养等等。(1)麦汁充氧和酵母添加麦汁在泵入发酵罐进行发酵之前，麦汁中需要加入适量的酵母，整个发酵过程可以简单的理解为酵母把麦汁中的糖类分解成C2H50H、H20及其它产物的过程酵母进入麦汁以后，首先需要进行繁殖。而酵母繁殖需要氧气，为了酵母的繁殖，必须使酵母活化并进入发酵阶段，因此必须给酵母提供足够的氧气。在啤酒酿造过程中，麦汁充氧是唯一的一次给酵母提供氧气的机会。酵母会在几小时内消耗掉提供的氧气，对麦汁质量无损害。麦汁充氧和酵母添加可在同一设备中进行，使酵母和氧气均匀地加入和溶入麦汁之中。因此，这个过程我们需要在一定时间内对二者进行量的控制。(2)发酵啤酒发酵是一个复杂的微生物代谢过程

45、，这是啤酒生产过程中耗时最长的一个环节。简单的说啤酒发酵就是把糖化麦汁中的糖类分解成为C2H5OH、C02和H20的过程，并释放出大量的热量。同时在发酵过程中还会产生种类繁多的中间代谢产物(发酵副产物)，虽然这些代谢产物的含量极少，但它们同酒花成份一起对啤酒的质量和口味起着决定性的影响。发酵副产物既可以使啤酒口味丰满，也能对啤酒口味、发泡持性等产生不利的影响。通常发酵副产物可以分为两类：(a)生青昧物质。例如双乙酰(联二酮)、醛、硫化物等，这些物质赋予啤酒不纯正、不成熟、不协调的口味和气味。它们可以在发酵过程中通过生化途径从啤酒中分离出去，这是啤酒后酵的目的。(b)芳香物质。例如高级醇、酯等，

46、这些物质主要决定啤酒的香味，在一定的浓度范围内，它们的存在是优质啤酒的前提条件。整个发酵过程可以分为主酵和后酵两个阶段：(a)主酵。这个阶段又称为前酵。麦汁接种酵母进入发酵罐几小时以后逐渐开始主发酵，麦汁糖度下降，产生C02，反应热的释放使整个罐内的温度逐渐上升。经过23天后进入发酵最为旺盛的高泡期，再过2-3天，降糖速度变慢，糖度很低，酵母开始沉淀，进行封罐发酵。此时，前酵基本结束，进行降温转入后酵阶段。普通啤酒在前酵时的温度要求控制在12°C左右，从前酵进入后酵的降温过程，其降温速度一般控制在0.3°Ch.(b)后酵。当罐内温度从前酵的12°C降到8°

47、;C左右时，后酵阶段开始了，这一阶段最主要的目的是进行双乙酰还原。此外，后酵阶段还完成残糖发酵，充分沉淀蛋白质、降低氧含量，提高啤酒的稳定性。一旦双乙酰指标合格，发酵罐进入第二个降温过程，约以0.15°Ch的速率把罐内发酵温度从5°C降到O°C-1左右进行贮酒，以提高啤酒的风味和质量。经过一段时间的贮酒，整个发酵环节基本结束。通常，发酵液温度要求控制在给定温度的士03范围之内，以期达到理想的发酵状况。另外，在不同的发酵阶段，对发酵罐内温度场也有相应的要求：在前酵阶段希望发酵罐内从罐项到罐底有一正的温度梯度(上段温度高于下段温度)，以利于发酵液对流和酵母在罐内的均匀

48、混合。在后酵阶段，则要求发酵液由上到下必须有一定的负温度梯度，便于酵母的沉淀和排出。在发酵过程中，各种物质的转化速度受一系列因素的影响。例如：麦汁特性、酵母特性、酵母数量、运动情况、发酵压力和发酵温度，其中发酵压力和发酵温度是可以通过外部控制的两个极其关键的因素。压力不断上升会使溶解在啤酒中的C02不断增加，同时使发酵、酵母增殖和发酵副产物的形成逐渐停止。发酵温度的上升会使发酵速度明显加快。一般认为，低温发酵可以降低双乙酰、脂类等代谢产物的含量，可以提高啤酒的色泽和口味。高温发酵则可以加快发酵速度，提高生产效率和经济效益。相比之下，发酵压力的控制并不存在太多技术难度。因此，如何掌握好啤酒发酵过

49、程中的发酵温度，控制好温度的升降速率是决定啤酒生产质量的核心内容之一。所以在整个啤酒发酵周期需要对发酵温度作严格的控制，其典型控制曲线如图2-3所示，不同品种、不同工艺所要求的温度控制曲线会略有不同。 图2-3温度控制曲线oa段：自然升温段，不需要外部控制；ab段：主酵阶段，温度控制为12°C；bc段：逐渐降温进入后酵，降温速度为0.3°Ch；cd段：后酵阶段，温度控制为5°C/h；de段：降温进入贮酒阶段，降温速度为0.15°Ch。在发酵期间，一般是往附着于罐壁上的冷却夹套内通入致冷酒精水或氨来吸收生化反应热，以维持适宜的发酵温度，致冷量通过调节冷媒流

50、量来控制。单从定性角度分析，可以得出关于发酵温度控制对象的两个明确结论：(a)大时滞性。由于发酵罐容积大(我国主要采用的发酵罐最大容积为120500m3)、内部没有搅拌装置，所以整个热交换过程十分缓慢，系统特性表现的时滞很大。正常情况下的l80m3发酵罐的等效滞后时间，前酵阶段约为8l 5分钟，到了后酵阶段可达15-30分钟。此外，生产原料质和量、发酵进程、冷媒物性以及生产环境等因素的变化也严重地影响着实际的对象特性。(b)时变性。在一个生产周期内，发酵深度和冷媒物性都是变化的，冷媒温度一般也是变化的(例如作为冷媒的酒精水通常会在-4C-10范围内变化)。这也使得对象模型具有明显的时变性。因此

51、，发酵温度成了整个控制系统的控制难点。(3)啤酒过滤和杀菌主酵、后酵结束以后，啤酒将通过过滤机和高温瞬时杀菌进行生物以及胶体稳定处理然后灌装。啤酒过滤是一种分离过程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母细胞和其它混浊物从啤酒中分离出去，否则这些物质会在以后的时间里从啤酒中析出，导致啤酒混浊，目前多采用硅藻土过滤方式。如果啤酒中仍含有微生物(杂菌)，则微生物可以在啤酒中迅速繁殖，导致啤酒混浊，其排泄的代谢产物甚至使啤酒不能饮用。杀菌就是在啤酒罐装之前对其进行生物稳定性处理的最后一个环节。这个过程的工艺目的非常明确，所设计的自动控制内容主要包括：啤酒流量的控制、过滤机系统的联动控制、杀菌温度和杀菌时

52、间的控制等等。(4)酵母扩培发酵所必须的酵母通过纯种培养获得，整个培养过程通常分为3个阶段：获得合适的酵母细胞、实验室扩培和车间扩培。其中酵母的车间扩培需要控制扩培温度、充氧、CIP及其他一些控制内容。第三章PLC在啤酒生产麦芽烘干过程中的应用麦芽是啤酒生产中的主要原料，麦芽的烘干过程控制对麦芽的品质有直接的影响。本文介绍一种应用PLC控制的燃油循环式谷物烘干机，它选用S7-300型PLCCPU312型PLC作为控制器，可实现对麦芽烘干全过程的控制。大麦是制造啤酒的主要原料，在进入酿造过程之前，首先要将大麦在5°C1O°C水中浸泡数日后烘晾510天，促其发芽，然后对麦芽进行

53、加热或熏烤处理，即烘干。烘干温度根据麦芽的种类在80°C200°C之间选择确定。由于烘干方法、烘干温度以及烘干时间的不同，麦芽的色泽、甜度、口味、芳香和其他品质都会有所不同。麦芽的正常颜色在黄色和黑色之间，烘干温度高或烘干时间长则麦芽颜色较深，反之则颜色较浅。深色(红或黑色)麦芽常用于调节啤酒的颜色。烘烤较轻的麦芽能产生较多的可发酵糖，而烘烤较重的麦芽则不易发酵。因此烘干过程对啤酒生产起关键作用。本文介绍用PLC对大麦烘干过程进行自动控制。31麦芽烘干工艺流程麦芽烘干的工艺流程可以用图3-1所示的工艺流程来描述。主要过程包括以下几个方面。(1)大麦经送料斗进入提升机，在此判断水分是否超标；(2)如果水分超标，则经上绞龙、调质仓和干燥仓进行烘干处理，再经排粮仓和上绞龙返回提升机；(3)对烘干后的大麦再判断