（电力电子与电力传动专业论文）基于plc的啤酒生产过程控制研究与实现.pdf

t h es t u d yo fp l ci nb e e rp r o d u c t i o nc o n t r o l a n di t sa p p l i c a t i o n s a b s t r a c t b e e rp r o d u e t i o ni so n eo ft r a d i t i o n a l i n d u s t r y i no u rc o u n t r y w i t ht h e d e v e l o p p m e n to fc i v i le c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fd e m o t i cl i v i n gc o n d i t i o n ， b e e ri n d u s t r yh a sa l s ob e e nr a p i d l y i m p r o v e d b u ts t i l l ，b e c a u s eo ft h ec o m p l e x t e c h n o l o g yo ft h eb e e rp r o d u c t i o n ，t h e r ea r em a n yd r a w b a c k s ，s u c ha sb e h i n d h a n d t e c h n i c a le q u i p m e n t s ，r a r ea p p l i c a t i o no fa u t o m a t i o n ，i n s t a b lep r o d u c tq u a l i t y ，e t e 。 h o wt oi m p r o v et h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o nl e v e li nb e e rp r o d u e t i o nb e c o m e sa u r g e n tr e s e a r c hp r o je e t t h u s ，t h i sp a p e rd e s i g n st h eb e e rs a c c h a r i f i c a t i o n p r o c e s s i n ga u t o c o n t r o ls y s t e mi nh a r d w a r ea n ds o f t w a r et h r o u g ha n a l y z i n gt h e t e c h n i c sa n dt h ea n a l y s i so fk e yi s s u e s t w oa s p e c t so ft h eb e e rp r o d u c t i o np r o c e s s i nt h eb e e rf e r m e n t a t i o nc o n t r o ls y s t e md e s i g n a d o p t i n gac l a s s i f i c a t i o ns y s t e ma s aw h o l es t r u c t u r e t h ef i r s tc l a s sf o rt h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) ， o p t i o n a ls y s t e ms i e m e n ss 7 - 2 0 0 ，d i r e c t l yw i t ht h es c e n ei n s t r u m e n t s ，m e t e r s c o n n e c t i o n s ，m a i n l yt oc o m p l e t eo n s i t ed i g i t a la n da n a l o gs i g n a la c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gc o m p o n e n t sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fr e a l - t i m ec o n t r o lf u n c t i o n s l e v e l2f o ri n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r ( i p c ) ，t h es y s t e mc h o s e na d v a n t e c hi p c ， c o m p l e t e c o n t r o lo ft h em a i ns o f t w a r ei n t e r f a c ea n dc o n t r o lp r o c e s sd a t a m o n i t o r i n g ，m a n a g e m e n ta n dr e c o r d i n gf u n c t i o n s p l cm a i ns u b - s t a t i o n sb e t w e e n t h es t a t i o n sa n dt h r o u g hp r o f i b u s d pn e t w o r kc o n n e c t i o n ，p l ca n di p cn e t w o r k c o n n e c t i o nb e t w e e nt h em p i p l cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ed e s i g n e dw i t hs i e m e n s p l c so w np r o g r a m m i n gt o o l ss t e p 7 d e v e l o p m e n t ，h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n dt h e c o m p l e t i o no ft h ef e r m e n t a t i o np r o c e s sc o n t r 0 1 k e yw o r d ：b e e rs a c c h a r i f i c a t i o np r o c e s s i n g ； 插图清单 图1 1 “7 点糊化模态 与“6 a 发酵模态”示意图3 图2 1 啤酒生产流程示意图8 图2 2 添加大米糖化工艺示意图1 0 图2 3 啤酒发酵温度典型控制曲线1 4 图3 1 麦芽烘干工艺流程图1 6 图3 2 热风循环自动控制系统流程图1 8 图4 1 啤酒发酵罐结构示意图1 9 图4 2 典型啤酒发酵曲线2 3 图4 3 啤酒发酵控制系统结构图2 3 图4 4 控制主程序2 6 图4 5 发酵罐温度控制系统示意图2 8 图4 6 相平面运动轨迹示意图2 9 图4 7 m - p i d 控制结构图3 0 图4 8 m - p i d 控制在啤酒发酵温度控制系统中的控制曲线3 2 表格清单 表3 1p l c 的i o 定义表1 7 表4 1 发酵罐冷却带使用及温控方法2 2 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金起王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书面使用过的材料。与我一周工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：霭琶签字日期。7 年6 月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒筵王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目曼王些盔 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：篙否冗 签字日期：o i 年月l o 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址； 聊虢物鄂导师签名：唧一分a 彳 签字日期：。7 年名月，口日 2 电话： 邮编： 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师朱程辉副教授致以最诚挚的敬意和感谢。 我所取得的每一分进步和成功都凝聚着朱老师辛勤的汗水，他严谨的治学作风、 渊博的知识、忘我的敬业精神使我终身难忘。导师不仅教授我知识，还教给我 做人的道理，他的言传身教更使我此生受益匪浅。 同时，还特别感谢葛锁良、杜少武等老师。感谢他们在学习上给予我极大 的帮助和支持。我也真诚感谢电气与自动化工程学院的全体老师，是他们为我创造 了必要条件并提供学习和深造的机会 感谢孟祥发老师在学习上和生活上给予的帮助，使我能在合肥工业大学顺 利的完成学业。 感谢和我一起在合工大上学的同学，感谢他们的帮助与支持。 曹吉花 2 0 0 9 年5 月 第一章绪论 1 1 啤酒生产过程简介 啤酒生产是一个传统产业【，根据啤酒生产的特点和要求，通常把一个完 整的生产工艺划分为糖化、发酵和灌装三大过程。糖化过程包括粉碎、糖化、 糊化、过滤、煮沸以及c i p 等生产工序；发酵过程包括麦汁充氧、酵母添加、 酵母扩培和酵母回收、啤酒发酵、修饰、清酒、硅藻土过滤以及c i p 、冷热脱 氧水的制备等工序【9 1 ，整个生产工艺的自动化关键在于实现生产工序中过程参 数的自动控制以及各工序之间严格的联动控制。 其中发酵过程的温度控制是影响产品质量最重要的测控参数之一，也是最难 控制的回路之一，究其原因是对象特性包含了大时滞、时变及其它一些不确定 的因素。 1 1 1 国内啤酒生产技术水平现状 我国是一个啤酒生产大国【1 1 ，2 0 0 0 年我国的啤酒总产量为2 2 3 1 万吨( 仅次 于美国) ，共有4 0 0 多个生产厂家( 1 9 9 8 年为4 9 5 家) ，但其中仅l8 家的产量达 到2 0 万吨以上( 占总产量的1 3 ) ，其它绝大多数为中小型啤酒厂。这些为数众 多的中小型啤酒厂都普遍存在： ( 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。 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o 1 1 2 国内啤酒生产的控制水平 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，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 ) p c 机+ 数据采集插卡方式。以工业p c 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p c 机插槽中的 数据采集卡，在p c 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p c 机上运行w i n d o w s 9 5 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p l c 作下位机。目前有 d c s ( 分布式控制系统) 控制系统与f c s ( 现场总线控制系统) 控制系统两种。在 d c s 控制系统中，下位机网络中控制单元一般采用p l c ，其可靠性非常高( 一般 可连续可靠工作2 0 年) ，性能稳定，上位机网络可兼容多种通讯协议( 例t c p i p 协议) ，便于下一步与管理网络的联结，完全有效克服了p c 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( c i p ) 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， 2 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。 通过对啤酒厂糖化、发酵工艺的全面分析与总结，可以认为啤酒厂的主 要被控对象为温度时间类曲线，这类温度时间曲线是由多段直线组成的折线， 而这些折线的形状可由直线问的交点确定。这样，可用工艺曲线关键点 2 1 ( 见图 1 1 中的小圆圈) 来表征不同品种，不同原材料的发酵工艺及糊化、糖化工艺。 对图1 1 中的两种工艺曲线，可用7 个与6 个平面坐标点来存贮描述。再进 一步，可将所有品种啤酒的糊化、糖化及发酵工艺做成标准的“模态 文件， 并随时对这些标准模态进行扩充，以满足开发新品种啤酒的需求。按工艺曲线 关键点个数的多少，称其为“几点模态”文件，例如图1 1 称其为“普通啤酒 7 点糊化模态”及“普通啤酒6 点发酵模态”。通过模态文件，在分布式控制 方式中可实现啤酒厂“可视化控制界面 。 p 越 厦 1 0 1 i | 。 v a 删中r c 升温保温2 0 分钟 z 辫9 3 c 。黻念物料 保温1 0 分钟棍合后，糖化锅温度 为6 3 2 04 06 08 01 0 0 1 2 0 1 4 0 时问 糊化时问( 分钟) 图卜1 “7 点糊化模态”与“6 点发酵模态”示意图 所谓“可视化控制界面”是指操作人员可在计算机屏幕上选定模态文件并在工艺 控制的任何时刻对这些模态文件的关键点上下左右移动，组成理想的工艺控制曲线， 只要操作人员调整好工艺曲线，工艺流程就会按设定好的曲线进行。这种操作界面形 象直观，操作简便，具体实行的细节由程序自动按设定好的曲线进行。 1 2 啤酒生产过程自动控制的作用与意义 1 2 1 自动控制在啤酒生产中的作用 随着2 0 世纪7 0 年代微处理器芯片的出现，自动控制技术在西方发达国家 的工业生产领域得到了广泛的应用，同时积累了很多宝贵的经验。我国在引进 西方工业生产设备的同时i s ，也消化吸收了部分自动化控制技术，并认识到采 用自动控制技术的必要性。同时随着硬件( 微处理芯片) 成本的进一步降低与 3 圪加8 6 4 2 0 吨 p 雠赡 m m 5；的们加加 部分软件国产化的实现，使得实现自动控制的总体费用已大大下降，应用领域 也从化工、钢铁等国家高度重视的传统重工业向其它行业扩展，使得大部分厂 家在生产中使用自动控制系统成为可能。 目前国内啤酒市场竞争激烈i n ，主要体现在两个方面：即啤酒质量、口味 稳定性的竞争和啤酒价格的竞争。为适应现代化生产的要求，提高、稳定产品 质量与口味，提高劳动生产率，降低成本，同时使企业的生产管理水平和竞争 能力更上一层楼，在啤酒生产中进行自动化控制可以很好的提高竞争能力。它 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1 0 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 ) 采用模块结构设计。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p l c ，同时在系统结构设计中考虑到有 利于用户的多次投资，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。 4 1 2 2 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w t o ，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。 1 2 3 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【1 0 1 主要集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p i d 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i ：1 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，降低生产自动化程度； ( 4 ) 在线检测设备问题。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3 0 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、一段 冷却技术，可节省蒸汽用量2 0 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； 5 1 3 论文课题的提出与主要研究内容 本文的研究课题来源于工业生产过程的实际需求，研究的目的就是为这类 问题提供理想的实际解决方案。 作者在2 0 0 6 2 0 0 8 年承担了安徽省教育厅自然科学研究课题可编程控制器 在啤酒发酵过程中的应用。在课题研究中发现啤酒生产过程中发酵温度的控制 是影响啤酒质量的关键问题，这也是制约自动化技术在啤酒生产过程中推广应 用的关键所在。为此，本文将以啤酒生产过程为背景，重点研究发酵温度的测 量以及以发酵温度为代表的实际温度控制问题。 1 3 1 被控对象一般特性的描述 在众多的工业生产过程中，往往伴随着物理化学反应、生化反应、相变过 程及物质和能量的转换和传递。系统本身存在复杂性、不确定性、滞后性、非 线性等因素，这些因素都在客观上决定了自动控制技术的多样性。不论是经典 控制理论，还是现代控制理论，或者是智能控制技术，都有各自的优越性和局 限性。因此，对于过程控制系统的设计，仅仅采用控制理论中现成的方法往往 是不够的，通常还必须针对工业过程的特殊性要求，开发不同的过程控制系统。 工业过程具有以下一些特征： ( 1 ) 纯滞后特性 工业过程中大多数被控对象都是时滞对象【2 1 。而造成时滞现象的有两方面 原因：输入延时和状态延时。如果控制介质需要传输一定的距离才能作用于被 控对象，其间会产生输入延时。不论是因对象时间常数引起的等效滞后，还是 因传输延时引起的纯滞后，必将对系统的控制带来负面的影响，在控制过程中 直接表现为因滞后导致输入过多的控制量，带来系统的超调甚至失稳。以啤酒 发酵的温度控制为例：这类控制对象一般为1 2 0 5 0 0 m 3 的发酵罐，为了保证食 品卫生，罐体内部没有搅拌装置，介质温度完全依靠能量的传导和内部液体的 对流达到控制的目的，因此大滞后性是这类对象最关键的特征之一。 ( 2 ) 时变特性 时变性是指对象特性随时间发生变化的现象。同样以啤酒发酵对象为例， 在一个新生产周期的开始阶段( 称前酵期或主酵) ，发酵旺盛，并产生大量的 c 0 2 ，内部对流明显；进入后酵期，发酵现象趋于停止，内部对流逐渐减弱。 描述被控对象特性的时间常数t 和纯滞后t 都将随发酵进程的深入而逐渐增大， 采用一种固定的控制器实现整个生产周期的有效控制是非常困难的。在分析对 象特性的时候，由于受到认识上的限制，往往也不能确切掌握工业过程中各种 物理、化学变化的本质特征，这也必然会导致获取的对象特性与实际特性存在 难以确定的偏差。例如在啤酒生产过程中，酵母特性、原料特性等许多因素的 变化都会引起被控系统特性参数的变化和摄动，而这些因素在实际系统中都是 6 很难在线或实时获取的。 显然，除了纯滞后、时变不确定性之外，非线性、约束多样、状态的不完 全性等特征在很多控制对象中都普遍存在。但是，纯滞后、时变不确定性通常 是影响自动控制理论应用于实践过程的最普遍因素。对于这类系统，如何确定 合理的性能指标、选择有效的控制策略、设计理想的控制器，是过程控制工作 者探索的主要课题。 1 3 2 主要研究内容 论文以啤酒生产过程p l c 控制和综合自动化系统的研究为工程背景，主要 研究和讨论啤酒发酵过程中的温度控制策略、控制器设计。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p l c 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 计了啤酒发酵温度控制策略、p l c 控制硬件系统结构和控制流程。 7 第二章啤酒生产过程工艺简介 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，2 0 0 0 年世界主要啤酒生产国的啤酒总产量约1 6 3 5 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1 9 9 3 年达到1 1 9 0 万吨，列美国之后成为世界第二，2 0 0 2 年达到2 3 8 6 万吨， 2 0 0 6 年达3 5 0 0 万吨。截至2 0 0 7 年我国啤酒产量及消费量已连续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1 0 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。 2 1 啤酒生产工艺简介 啤酒是以优质麦芽和水为主要原料 9 1 ，酒花为香料和苦料，经糖化与酵母 发酵酿制而成的含有c o 。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3 ，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、 c o 。的回收、脱氧水制备、热水制备、c i p 、冷冻、空气压缩等等。 照照腰一厢。鼎周 一一一”一。一一? 。一一。一一一。一一一o o o o o o 。o o 。一一一一 图2 - 1 啤酒生产流程示意图 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 ) c 0 2 回收：将发酵过程中产生的c 0 2 进行回收，以备需要时进行添加 8 和综合利用； ( 7 ) c i p ：c i p 意为原位清洗( c l e a n i n gi np l a c e ) ，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； ( 1 0 ) 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 1 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 。c 6 。c 水中浸泡数日，后烘晾5 1 0 天，促其发芽。 2 1 2 糖化过程 糖化过程是麦汁制备和处理的过程，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、 e 1 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、大米等浸泡1 5 2 0 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5 0 。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 9 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p h 值控制。 ( 2 ) 糊化和糖化e 2 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。 p 雠 赠1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 01 8 0 2 1 0 2 4 0 时间( 分钟) 图2 - 2 添加大米糖化工艺示意图 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) ； 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p h 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： 1 0 糖化过程中的温度：6 2 6 3 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： 4 8 c 。5 0 。c 蛋白质休止、6 2 c - - 6 5 麦芽糖形成休止、7 0 。c - 7 5 糖化休止、7 8 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p h 值：醪液的p h 值在5 5 5 6 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，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l m i n ) ； 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p h 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p h 值、提高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l m i n ) 。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9 5 9 8 冷却至6 。c 8 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 1 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 1 2 过程可以简单的理解为酵母把麦汁中的糖类分解成c 2 h 5 0 h 、h 2 0 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，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c 2 h s o h 、c 0 2 和h 2 0 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，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c 0 2 ，反应热的释放使整个罐内的温度逐渐上升。经过2 3 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1 2 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 h 。( b ) 后酵。当罐内温度从前酵的1 2 。c 降到5 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 1 5 h 的速率把罐内发酵温度从5 降到o 一1 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0 3 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c 0 2 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。 12 10 b 6 4 2 a 图2 3 啤酒发酵温度控制曲线 o a 段：自然升温段，不需要外部控制：a b 段：主酵阶段，温度控制为1 2 。c b c 段：逐渐降温进入后酵，降温速度为0 3 c h 。c d 段：后酵阶段，温度控制为5o c ； d e 段：降温进入贮酒阶段，降温速度为0 1 5 。c h 。 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1 2 0 5 0 0 m ) 、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l8 0 m 3 发酵罐的等效滞后时间，前酵阶段约为8 l5 分钟，到了 后酵阶段可达1 5 - 3 0 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