啤酒发酵过程中的PLC应用

1、杭杭州州电电子子工工业业学学院院 毕毕业业 设设 计计 （ 论论 文文 ） 题题 目目 啤酒发酵过程中的 PLC 应用 分分 院院 自 动 化 学 院 专专 业业 自 动 化 班班 级级 99612 姓姓 名名 指导教师指导教师 2003 年年 06 月月 01 日日 啤酒发酵过程中的 PLC 应用 摘要 发酵技术是世界上最先进的农艺生物工程学技术。在啤酒酿造过程中有三种 主要的成分：水，谷物和 HOPS(啤酒花)。尽管酵母被认为是发酵过程的催化剂，而不 仅仅它自身只是作为一种成分，但它仍然是酿造过程中一个很基本的因素。作为一门 学问，或者说是一门艺术也好，酿造也是很基本的。而不仅仅是将水和谷

2、物转化成啤 酒的一个简单过程。最基础的就是，它是由下列过程组成的：谷物（主要是麦汁）和 水的混合物，酵母是用来促进发酵的，啤酒花则是用来增加芳香和气味的。发酵控制 系统的任务就是将发酵酒液的实际温度控制在和标准发酵曲线相差有限的误差范围内。 啤酒生产过程分为麦芽制造、麦芽汁制造、前发酵、后发酵、过滤灭菌、包装等几道 工。其中前发酵是啤酒发酵的主要过程，在这个过程中，酵母完成了增殖，厌氧发酵 及其沉淀回收等。这个过程消耗了大部分可发酵性糖和可同化性氮等麦汁成分，排出 的发酵代谢产物即啤酒的主要组成。而后发酵就是对主发酵的残糖继续发酵，达到要 求的发酵度，排除氧气，增加酒精中的 CO2 的溶解量。

3、促进发酵液成熟，改善口味， 促进啤酒自然澄清，使其具有良好的稳定性。 我们是用 SIMATIC S7 来控制啤酒发酵的这个过程，编写程序主要控制温度、 CIP、麦汁进罐等。选择硬件并实现它们之间的联系，编写 OB,FB ,FC 等，并通过在 OB 中调用 FB,FC 等来实现程序。并到现场进行调试。当以 STEP 7 编程时，不要求特别的 顺序，但是，在大多数项目中必须满足某些基本的任务。编程的内容主要包括梯形图 和语句表，在我编写的程序中，主要是语句表，在语句表中，递增地检查语法，如果 你使用语句表指令编写程序，则 STEP 7 在你输入每一指令之后检查语法。 关键词 啤酒 发酵 PLC（S

4、IMATIC S7） 温度控制 CIP。 The Apply of PLC in the Process of Beer Ferment Abstracts Ferment technology is a most advanced agriculture bioengineering technology in the world. there are three main ingredients in beer water grain and hops. Yeast is also a basic part of the brewing process, although it is co

5、nsidered a catalyst for fermentation rather than an ingredient in and of itself。As much an art as a science, brewing is the fundamental, yet not-so-simple practice of changing water and grain into beer. At its most basic, the process consists of the mixture of grain (primarily malted barley) and wat

6、er，yeast is introduced to initiate fermentation and hops are added for flavor and aroma. The task of ferment control system is to make the real temperature of ferment liquid as large as the standard ferment curve, the progress of beer production consists of malt production, wort production, former f

7、erment、latter ferment、filtration、casing and so on. Former ferment is the main ferment process of these, in this course , yeast achieves proliferate ,oxygen-detested ferment and deposition reclaim etc. This process consumes most wheat liquor component. and the ferment metabolize outcomes are the main

8、 constitute of beer. Latter ferment is the go-on of the former ferment, it aims at higher degree of ferment, get rid of O2, and increase the melt quantity of CO2 in the alcohol. promote the liquid of ferment to maturate ,improve taste and make the beer clear naturally. Afterwords it can be delivered

9、 to filtrate。 We use SIMATIC STEP7 to control the process of beer ferment, compile program primarily to control temperature、CIP and so on. we choose hardware and carry out the contact between them, compile OB、FB、FC and so on ,and via transferring FB, FC in OB to come true the program. It doesnt need

10、 special order when programming with STEP 7，but it must meet some basic task in the most items。The contents of programming primarily contain echelon plot and sentence list, It majored in sentence list in the program I compile，and in it , STEP 7 will check the parlance after you input an instruction

11、if you compile a program with a sentence list Key Words Beer ferment PLC（SIMATIC STEP 7） temperature controlling CIP 目 录 第一章第一章 引言引言.5 第二章第二章 PLC 概述概述.6 2.1 由来和发展 .6 2.2 工作原理 .6 2.3 构成 .6 2.4 特点 .7 2.5 优势 .8 2.6 SIMATIC S7 介绍.9 第三章第三章 啤酒的概述啤酒的概述.11 3.1 啤酒的生理作用 .11 3.2 世界啤酒的历史 .11 3.3 我国的啤酒历史： .12 3.

12、4 啤酒的生产工艺流程图： .12 3.5 研究啤酒的意义 .13 3.6 啤酒发展的前景 .14 第四章第四章 控制初步设计控制初步设计.15 4.1 前言.15 4.2 主要流程的控制.15 第五章第五章 详细控制方案详细控制方案.18 5.1 总述： .18 5.2 硬件部分： .18 5.3 软件部分： .20 5.4 控制手段： .21 5.5 存在的问题和需改进的地方 .35 第六章第六章 结论结论.36 第七章第七章 致谢致谢.37 参考文献参考文献.38 附录附录 发酵罐温度控制程序发酵罐温度控制程序.39 第一章第一章 引言引言 本论文以 SIMATIC STEP7 为介绍背

13、景，以西湖啤酒项目为例，系统地分析啤酒发酵过程 中的的 PLC 应用，所用到的 PLC 是模块化的中小型系统，也就是 S7-300。它有很多的特点：模块 化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等，并且在执行从小规模到中等性能要求控制任 务时可以做到即方便又经济。 啤酒酿造过程是这样的：糖化，麦汁充氧，添加酵母，发酵，降温，倒罐，贮酒。而我要做 的就是其中发酵的一部分，啤酒发酵也是一个复杂的过程，具体的流程是这样的：发酵作用是在啤 酒酵母的参与下对麦芽汁发酵的过程，也可使麦汁中的可发酵糖和氨基酸等营养物质被酵母细胞的 酶分解成酒精和二氧化碳，另外还有一系列的发酵副产品，如双乙酰，醛，酸和硫

14、化物等活性物质。 以及通过酵母还原双乙酰，改良已有的化合物，将麦汁的口味变成啤酒口味。 西湖啤酒这个项目的学习和研究，尤其是专业理论和实际工作的结合，不仅使我对整个的工艺 有了一定的了解，而且在实际的现场工作中，我对现场仪表也有了比较深刻的了解，同时我也认识 到我应该和必须掌握什么，以及怎样去掌握。比方说：一开始我只是拿了一本 STEP 7 的书在看， 却不知道它有什么应用，以及怎么样的去应用。在电脑上装了这个软件以及画了几幅流程图之后， 我才有了一个模糊的概念，在和老师在现场查看，以及在老师的指导下对程序进行修改，才建立了 一个比较清晰的印象。我相信，毕业设计的过程能为我以后在中控公司从事的

15、工作奠定良好的基础。 同时也向在我的毕业设计工作中提供帮助的老师，同学以及公司的同事们表示感谢。 张磊 2003.5.22 第二章第二章 PLCPLC 概述概述 2.1 由来和发展 微机技术已经并继续在改变世界，以微机技术为基础的可编程控制器也正在改变着工厂自动 控制的面貌。近 20 年来随着科学技术的迅猛发展，可编程控制器以其可靠性高。能经受恶劣环境 的考验，使用极方便的巨大优越性，迅速占领工业自控领域，成为工业自动控制的首选产品，与 机器人，CAD/CAM 并称为工业生产自动化的三大支柱。当前，在我国广大工矿企业中与技术改造 相配合正在兴起广泛应用可编程控制器的热潮。其发展之势就像数年前个

16、人计算机在我国迅速推 广一样，方兴未艾，如火如荼。 广大工程技术人员已经认识到可编程控制器的巨大优势性，许多人通过对进口设备，生产线 的分析解剖认识可编程控制器，还有许多人自己设计可编程控制器控制系统，取得良好成果后更 引发深入了解可编程控制器的兴趣。 1969 年美国地 DEC 公司制成了第一台可编程控制器投入通用汽车公司地生产线控制中，取得 了极其满意的效果，从此开创了可编程控制器的新纪元。1971 年日本开始生产可编程控制器； 1973 年欧洲开始生产可编程控制器；1974 年我国也开始研制可编程控制器。随着微电子技术、计 算机技术、通讯技术、数字控制技术的飞速发展，可编程控制器的数量、

17、型号、品种以异乎寻常的 速度发展，这点尤其在可编程控制器发展前期更为明显，据国外控制工程杂志的不完全统计， 全世界 1983 年有 37 家厂家生产 100 种型号的可编程控制器，而 1988 年就有了 70 家厂家生产 304 种型号的产品。从产品的销售势头也可以说明这一点。 2.2 工作原理 作为一种工业控制计算机，其核心就是一台计算机。但是由于有接口器件及监控软件的包围， 因此，其外形不像计算机，操作使用方法，编程语言甚至工作原理都与计算机有所不同。另一方面， 作为继电控制盘的替代物，由于其核心为计算机芯片，因此与继电器控制逻辑的工作原理也有很大 的区别。它的工作过程是：输入处理；程序处

18、理；输出处理 2.3 构成 它的核心是一台单板机，在单板机外围配置了相应的接口电路（硬件） ，在单板机种配置了监 控程序（软件） 。 2.3.1 硬件部分 1，单板机：可编程控制器中的单板机即为 CPU 板。它包括一台基本计算机必需的部件（中 央处理器 CPU，存储器 RAM 和 ROM，并行接口，串行接口，时钟 CTC） 。它的作用是对整个可编程控 制器的工作进行控制。它的工作分两部分：一部分是对系统进行管理，如自诊断，查错，信息传送 时钟，计数刷新等；另一部分就是根据用户程序执行输入输出操作，程序解释执行操作等。 2，输入接口电路：通常输入有两种形式，一种是直流输入，其输入器件可以是无源触

19、点或 传感器的集电极开路晶体管；另一种是交流输入，这实际上是将交流信号经整流，限流后再通过光 耦传入 CPU。 3，输出接口电路。 4，电源：在小型可编程控制器内部都包括一个稳压电源，它用于对 CPU 板、I/O 板等内部器 件供电。 5，扩展接口：用于扩展 I/O 单元的，它使可编程控制器的点数规模配置更为灵活。这种扩 展接口实际上为总线形式。 6，编程器接口：接各种型式的编程装置，还可以利用接口做一些监控的工作。 7，存储器接口：根据使用的需要扩展存储器，其内部也是可以接到总线上的。 8，编程器：一个独立的部件。 2.3.2 软件部分 1 系统监控程序：它是每一个可编程控制器成品必须包括的

20、部分，是由可编程控制器的制造 者编制的，用于控制可编程控制器本身的运行。 2 用户程序：它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。它是用梯形 图或某种可编程控制器指令的助记符编制而成的，可以是梯形图，指令表，高级语言，汇编语言等。 2.4 特点 1. 高可靠性 针对各种的故障原因，可以从软件及硬件两方面来解决可靠性问题。在硬件方面，首先是选用 优质器件，再就是设计合理的系统结构，加固，简化安装，使其易于抗冲击，对印制电路板的设计 加工及焊接工艺都做到严格要求。在软件方面设置了警戒时钟 WDT, 可编程控制器运行时对 WDT 定 时刷新，如果程序出现了死循环，就能立即跳出重新启动

21、，并报警，随时对 CPU 等内部电路进行检 测，一旦出错，立即报警。程序中还设置了对用户程序电路查错报错的程序，错误的程序和参数是 不能运行的。 2. 编程方便，易于使用 可编程控制器采用与实际电路接线图非常接近的梯形图，这种图形编程方式易懂易编。为了进 一步简化编程，当今的可编程控制器还针对具体问题设计了诸如步进顺控指令，流程图指令等指令 系统，这点对于加快系统开发速度非常重要。 3. 环境要求低 可编程控制器可适用于恶劣的工业环境。 4. 与其他装置配置连接方便 可编程控制器的接口原则是使外部接线、电平转换尽量少。 对于开关量，输入可以是无源触点开关或集电极开路晶体管输出；输出有继电器、可

22、控硅、晶 体管等各种不同的形式，可直接接各种不同类型的接触器、电磁阀等。 对于模拟量，只要模拟信号电平在一定的范围内，就可以按要求只设置转换特性，而不需另加 电平转换。另外还有运用热电偶直接输入的 A/D 转换器等，此时就连放大器，冷断补偿也是多 余的。 对于各种显示，音响输出更是以最快的形式提供接口，大量的问题都在可编程控制器的内部解 决了。 对于数据通讯，只须同轴电缆和普通 RS232 和 RS422 接口即可，不必由用户来考虑波特率及通 讯规程等具体的设置问题。 摘自可编程控制器原理及应用 2.5 优势 可编程控制器作为继电控制盘的替代物，它的好处是很显然的。首先，可编程控制器除了外部

23、接点外，内部提供了无穷多的各类触点，辅助继电器，其功能大大的扩展了。由于是计算机产品， 其程序的易修改性，可靠性，通用性，易扩展性，易维护性都大大提高，加上其体积小巧，安装， 调试方便，使设计加工周期大大缩短。从我国国情来看，进行技术改造的一次性投资虽大一些，但 是使用可编程控制器后，控制盘自身的耗电仅为原来的几十分之一，一年所节省的电费就可以将投 资收回。由于开发，调试周期大大缩短，因此很容易作到高产量，短交货期，对加快资金周转大有 帮助，又由于是采用标准件，对于售后服务和日常维护备品，备件也大为方便，并且，可编程控制 器可重复利用。 对于系统设计，采用可编程控制器后，只要初步确定 I/O

24、总数，即可定下机型及模块。这就使 制定采购计划大为方便。至于最终细节的设计，由软件即可完成。由于当今可编程控制器具有大量 模拟量控制模块、位置量控制模块和数据读/写模块，这些模块与 I/O 模块配合很容易就能构成一 个综合控制系统。 2.6 SIMATIC S7 介绍 2.6.1 总述 在 STEP7 中，可以用标准语言梯形逻辑(LAD)，语句表(STL)或功能块图(FBD)生成 S7 程序。在 实际中我们必须先决定用那种语言。在 STEP7 中，CPU 循环处理 OB1。一行一行地读入并执行程序 命令。当 CPU 返回到第一条程序时，它已完成了一个循环，所需要的时间就是所说的扫描循环时间。

25、功能块（FB）在程序地分级结构中位于组织块之下。它包含程序的一部分，这部分程序可以在 OB1 中被多次调用。功能块地所有形参和静态数据都存储在一个单独地、被制定给该功能块地数据 块（DB）中. 2.6.2 STEP 7 可以有各种不同的应用 （1）：STEP 7 程序编辑器：允许使用语句表指令或梯形图逻辑指令编写 CPU 程序；允许配置 PLC 间的数据交换。 （2）：通信组态：允许配置 PLC 间的数据交换。 （3）：S5/S7 交换器：允许将 STEP5 程序或块变换为等效的 STEP 7 程序或块。 （4）：STEP 7 建立：允许改变在建立过程中选取的语言或硬件选项。 2.6.3 ST

26、EP 7 中的编程任务 当以 STEP 7 编程时，不要求特别的顺序，但是，在大多数项目中必须满足某些基本的任务。 （1）：生成项目和 CPU 程序：在 STEP 7 中，你将程序数据储存在下列目录中： 项目：项目包括在一个网络中若干个 CPU 进行全局数据通信需要的信息。 CPU 程序：CPU 程序包括用于程序的块和块需要的信息，如符号表。 （2）：生成用于程序的块：当你生成新块时就开始生成新程序，你选择块型： OB,FB,FC，DB,VD 你能够输入或编辑程序，或者你能够说明用于块的局部数据。 （3）：选择输入数据的方法：在 STEP 7 中，你能够以下列方法中的一种输入数据： 在梯形图中

27、，递增地检查语法，如果你使用梯形图指令编写程序，则 STEP 7 在你输入每一指 令之后检查语法。 在语句表中，递增地检查语法，如果你使用语句表指令编写程序，则 STEP 7 在你输入每一指 令之后检查语法。 如同文本文件（仅在 STL 中） 。你象文本文件一样生成你的程序，但你必须遵守输入语句表指 令地准则，当你编译文本温江时，STEP 7 检查所有指令地语法。 2.6.4 通讯 这是一个经济而有效的解决方案；方便用户的 STEP7 的用户界面提供了通讯组态功能，这使 得组态非常容易、简单。SIMATICS7300 具有多种不同的通讯接口：多种通讯处理器用来连接 ASI 接口和工业以太网总线

28、系统；串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统；多点接口(MPl) 集成在 CPU 中，用于同时连接编程器、PC 机、人机界面系统及其他 SIMATICS7/M7C7 等自动 化控制系统。 CPU 支持下列通讯类型： 过程通讯：通过总线(ASI 或 Pronbus)对 IO 模块周期寻址(过程映象交换)。 数据通讯：在自动控制系统之间、人机界面(HMl)和几个自动化功能块间相互调用。 2.6.5 S7-300 指令系统 SIMATIC S7300 远非一般的特性反映在它的特殊功能度上。有 350 多条指令，包括熟知的、 功能强大的 STEP 5 指令和 SIMATIC TISOFT 指令。 其中

29、增加了不少新指令，从二进制处理到 32 位浮点运算使你节省可观的时间（以及用户存储器） 。乘除三角函数、对数函数和平方根函数也都 集成在内。 为简化起见，将边界求值用的整个指令序列组合在一条指令内。甚至找到一个直接编 址的非常简单的解决方案：实际上，你可间接的对任何指令进行编址，然后将它以简洁形式（例如 AI（DB 5，D3.6）集成到程序内。如系统功能调用等的新的程序早已集成在操作系统内，从而显著 的减少所需要的用户存储器容量，你可将它们用于中断处理，以及出错或复制数据处理，或是（例 如）可以利用时钟功能。 极大的拓宽了运算指令的范围。S7300 小型 PLC 不仅能处理加、减， 而且能在指

30、令级完成乘和除运算。准确度为 16 和 32 位。可处理定点和浮点数。 由于在简单和复 杂的应用中，操作员控制和监视显得日益重要，我们已将 HMI（人机接口）服务集成到操作系统 本身内 ，可经过 SIMATIC HMI 系统的操作员面板或操作站传送循环小数数据，不必对 CPU 进行 编程，对存储器的要求非常小。 摘自SIEMENS 可编程控制器 SIAMTIC STEP 7 第三章第三章 啤酒的概述啤酒的概述 3.1 啤酒的生理作用 啤酒是一种低浓度的饮料，每 100g 中仅有酒精 35g，一般不超过 8g。它有特殊的酒精花清 香味和适口的苦味，并有较高的营养成分即有较高的发热量。 人体所吸收

31、的酒精均匀迅速渗透到人体各内脏组织中，适当饮酒可引起兴奋，使皮肤血管扩张， 有温暖感，能放出 30j/g 的能量，还能增加胃液，胃酸的分泌，增加胃的消化吸收。 啤酒中的酒精含量少，因此对人体的危害比葡萄酒要小的多。酒花苦味物，有利尿，健胃和杀 菌的作用，啤酒中 CO2 轻度刺激胃液分泌，有利于消化。啤酒中溶解的磷酸盐和无机盐类可维持人 体的盐类平衡的渗透压。 啤酒生产问答 3.2 世界啤酒的历史 啤酒最早出现于公元前 3000 年左右，于古埃及和美索不达米亚（今伊拉克）地区。这一历史 事实可以在王墓的墓壁上得以证实。史料记载，当时啤酒的制作只是将发芽的大麦制成面包，在将 面包磨碎，置于敞口的缸

32、中，让空气中的酵母菌进入缸中进行发酵，制成原始啤酒。由于谷物的残 渣及杂菌污染，酒的味道可想而知。 公元 6 世纪，啤酒的制作方法由埃及经北非、伊比利亚半岛、法国传入德国。那时啤酒的制作 主要在教堂、修道院中进行。为了保证啤酒质量，防止由乳酸菌引起的酸味，修道院要求酿造啤酒 的器具必须保持清洁。 公元 11 世纪，啤酒花由斯拉夫人用于啤酒。 1480 年，以德国南部为中心，发展出了下面发酵法，啤酒质量有了大幅提高，啤酒制造业空 前发展。 1800 年时期，随着蒸汽机的发明，啤酒生产中大部分实现了机械化，生产量得到了提高，质 量比较稳定，价格较便宜。 1830 年左右，德国的啤酒技术人员分布到了

33、欧洲各地，将啤酒工艺传播到全世界 3.3 我国的啤酒历史： 我国古代的原始啤酒可能也有 4000 至 5000 年的历史, 但是市场消费的啤酒是到十九世纪末 随帝国主义洋枪洋炮一起进来的。在中国建立最早的啤酒厂是俄国人在哈尔滨八王子建立的乌卢布 列夫斯基啤酒厂, 此后五年时间里, 俄国、德国、捷克分别在哈尔滨建立另外三家啤酒厂。 1903 年英国和德国商人在青岛开办英德酿酒有限公司, 生产能力 2000 吨, 这就是现在青岛啤 酒厂的前身。 1904 年在哈尔滨出现了中国人自己开办的啤酒厂- 东北三省啤酒厂; 1914 年哈尔滨又建起 了五洲啤酒汽水厂； 同年北京建立了双合盛啤酒厂;1935

34、年广州出现了五羊啤酒厂(广州啤酒厂的 前身)。 1958 年我国在天津、杭州、武汉、重庆、西安、兰州、昆明等大城市投资新建了一批规模在 2000 吨左右的啤酒厂, 成为我国啤酒业发展的一批骨干企业。 到 1979 年, 全国啤酒厂总数达到 90 多家, 啤酒产量达 37.3 万吨, 比建国前增长了 50 多倍。 然而, 我们啤酒业大力发展真正发生在 1979 年后十年, 我国的啤酒工业每年以 30%以上的高 速度持续增长。80 年代, 我国的啤酒厂如雨后春笋般不断涌现, 遍及神州大地。到 1988 年我国大 陆啤酒厂家发展到 813 个, 总产量达 656.4 万吨, 仅次于美国、德国, 名列

35、第三, (到 1993 年跃 居第二 ) 短短十年, 我国啤酒厂家增长 9 倍, 产量增长 17.6 倍, 从而我国成了名符其实的啤酒 大国。 3.4 啤酒的生产工艺流程图： 图图 3.13.1 啤酒的生产工艺流程图啤酒的生产工艺流程图 酿造工艺流程酿造工艺流程( (文字注释文字注释) )： 1.麦芽由大麦制成，麦芽在进入酿造车间之前，先被送到粉碎塔，在这里麦芽经过轻压后粉碎 制成酿造用麦芽。 2.粉碎的麦芽与水在糊化锅中混合，麦芽和水经加热后沸腾，这是天然酸将难溶性的淀粉和蛋 白质转变成为可溶性的麦芽提取物，称作“麦芽汁”。 3.然后麦芽汁被送到称作分离塔的过滤容器。过滤之后进入煮沸锅。混合

36、物被煮沸以吸取酒花 的味道，并起色和消毒（其中糖是一种很重要的添加物，它可以使啤酒的颜色更淡，杂质更少，口 味更加爽快）。 4.在煮沸以后，加入酒花的麦芽汁被泵入回旋沉淀槽以去掉不需要的酒花剩余物和不溶性的蛋 白质。 5.从回旋沉淀槽中泵出的是洁净的麦芽汁，被送入热交换器冷却，随后，麦芽汁中被加入酵母， 开始进入发酵的程序。在发酵的过程中，人工培养的酵母将麦芽汁可发酵的糖份转化为酒精和二氧 化碳，生产出啤酒。发酵在八个小时内发生并以加快的速度进行，积聚一种被称作“皱沫”的高密 度泡沫，这种泡沫在第 3 天或第 4 天达到它的最高阶段。从第五天开始，发酵的速度有所减慢，皱 沫开始散布在麦芽汁表面

37、，必须将它撤掉，酵母在麦芽汁中所有可供发酵的物质发酵完后就开始在 容器底部形成一层稠状的沉淀物。随之温度逐渐降低，在 8 到 10 天后发酵就完全结束了。整个过 程中，需要对温度和压力做严格的控制。当然啤酒的不同，生产工艺的不同，导致发酵的时间也会 不同。 6.发酵结束以后，绝大部分酵母沉淀到罐底。酿酒师们将这部分酵母回收起来以供下一罐使用。 除去酵母后，生成物“嫩啤酒”被泵人后发酵罐。在此剩余的酵母和不溶性蛋白质进一步沉淀下来， 使啤酒的风格逐渐成熟，成熟的时间随啤酒品种的不同而异，一般在 721 天。 7.经过后发酵而成熟的啤酒在过滤机中将所有剩余的酵母和不溶性蛋白质滤去，就成为待包装 的

38、清酒。 8.然后就是包装，成品啤酒的包装常有瓶装，听装和桶装几种包装形式，在加上瓶子形状、容 量的不同，标签、颈套和瓶盖的不同以及外包装的多样化，从而构成了市场怀中琳琅满目的啤酒产 品。 3.5 研究啤酒的意义 我国的啤酒工业自 80 年代以来就有了很大的发展，这不仅体现在产量上也达到了 1600 万千升 以上，而且在规模上，装备和技术水平上以及质量上都有了很大的改观。许多工厂开始应用新技术， 新材料，新设备改进生产工艺，提高生产效率。同时，在观念上也有了很大的变化。 3.6 啤酒发展的前景 世界啤酒的未来充满希望，据世界啤酒和饮料论坛分析 2010 年世界啤酒市场的潜力将达 到 1.8 亿吨

39、，比现在增加 6 千万吨，人均消费量也将由每年 23 升增加至 26 升。 欧洲啤酒市场的恢复主要依靠东欧国家，因为西欧国家明显出现饱和现象。美国啤酒市场的持 续增长主要依靠拉丁美洲国家特别是巴西的支持。非洲市场也可能回升，因为其庞大的人口数量， 即使人均消费量增长不多，整个消费量增长也会很显著，这一地区也许会逐步发展成为活跃市场。 目前亚太地区的增长比过去小，但到 2005 年将显示其最高增长率。虽然目前中国啤酒的增长 势头有所缓和，但除中国外，亚洲还有其它许多有希望的发展中市场。具有 13 亿人口的中国将来 仍是一个庞大的市场，1990 年至 1995 年间其年增长率为 18%，1995

40、年至 2000 年，增长率约为 5%8%，中国人均 13 升的消费量，到 2002 年也将上升到 20 升。 因此可以说，虽然各地区的情况有所不同，增长幅度不同，但总的看来，世界啤酒市场的前景 是充满希望的、令人振奋的，这对我这样的做过以啤酒发酵为设计内容的工程人员来说也是一种鼓 励。也可以看出啤酒的前景是非常光明的。 啤酒工程应用技术 第四章第四章 控制初步设计控制初步设计 4.1 前言 啤酒发酵是一个复杂的过程，工艺路线长，生产环节多，对自动控制的要求很高。主要包括以 下的几个过程：发酵温度控制，麦汁进罐过程，麦汁管路 CIP，酵母回收过程，压榨酵母，管路 CIP（包括酵母回收管路 CIP

41、，出酒管路 CIP）罐 CIP，出酒过程等。 4.2 主要流程的控制 4.2.1 发酵温度控制 第一阶段：主酵保温 按主酵设定温度（一般为 12.5C）控制下温，上温低于下温的差值约 0.4C（可设定） 。上温超 过设定值开上、中阀，下温超设定值开下阀。 第二阶段：主酵降温 设定降温至多少摄氏度，以及降温过程需多少时间。 根据公式计算当前温度设定值：主酵设定温度（主酵设定温度降温温度）当前降温时间 /降温总时间 。 按计算出的当前设定温度控制下温，上温低于下温的差值约 0.4C（可设定） 。上温超过设定值 开上、中阀，下温超设定值开下阀。 第三阶段：后酵保温 按后酵设定温度（一般为 8.5C）

42、控制下温，上温低于下温的差值约 0.3C（可设定） 。上温超过 设定值开上、中阀，下温超设定值开下阀。 第四阶段：后酵降温 设定降温至多少摄氏度，以及降温过程需多少时间。 根据公式计算当前温度设定值：后酵设定温度（后酵设定温度降温温度）当前降温时间 /降温总时间 。 温度2C 时： 按计算出的当前设定温度控制下温，上温低于下温的差值约 0.2C（可设定） 。上温超过设定值 开上、中阀，下温超设定值开下阀。 温度2C 时： 按计算出的当前设定温度控制下温，上温下温的差值约 0.3C（可设定） 。上温超过设定值开 中阀，下温超设定值开下阀。 第五阶段：贮酒 过滤之前：按贮酒设定温度（-0.5C）控

43、制下温，上温高于下温的差值约 0.3C（可设定） 。上 温超过设定值开中阀，下温超设定值开下阀。 过滤至一半：按贮酒设定温度（-0.5C）控制下温，下温超设定值开下阀。上中阀不开。 过程中可以设定的参数（括号中数字为默认值）过程中可以设定的参数（括号中数字为默认值） 主酵设定温度值（12.5 C） 、主酵上下温度差值（0.4 C） 主酵降温温度设定值（8.5 C） ，降温过程总时间（48 小时） 、主酵降温上下温度差值（0.4C） 后酵设定温度值（8.5C） 、后酵上下温度差值（0.3 C） 后酵降温温度设定值（-0.5C） ，降温过程总时间、后酵降温上下温度差值（0.2 C） 贮酒温度设定值

44、（-0.5C） 、贮酒上下温度差值（0.3C） 主要的操作指令有：主酵阶段控温，主酵降温，后酵阶段控温，后酵降温，过滤前贮酒控温， 过滤至一般控温，停止控温。 4.2.2 麦汁进罐过程： 这个过程必备的启动条件就是所选的发酵罐为空罐。 这一个过程主要包括： 1. 麦汁进罐前管路 CIP。 2. 麦汁顶水。 3. 转进罐。 4. 水顶麦汁。 5. 洗管路。 过程中需预先设定的参数有：麦汁电导率设定值，麦汁继续顶水时间，清水电导率设定值，继 续顶麦汁时间，酵母添加总量，酵母添加比例，酵母排水累计量。操作时选择的参数主要有麦汁进 发酵罐罐号，充氧过程手自动，酵母添加过程手自动，酵母回收罐罐号。 4.

45、2.3 麦汁管路 CIP 酵母添加管路的 CIP 在麦汁管路 CIP 时进行，管路进行 CIP 时要求开酵母添加管路中的阀及 酵母添加泵，排污阀在每一个过程都要打开一次（5 分钟后关掉） ，酵母添加阀在整个过程常开。 包括两个过程：收到糖化麦汁管路 CIP 通知，按麦汁管路 CIP 启动按钮，过程启动；收到糖化麦汁 管路 CIP 结束通知，按麦汁管路 CIP 停止按钮，关泵，关排污阀之外的所有阀门。 4.2.4 酵母回收过程： 和前面所提到的麦汁进罐过程一样，这个过程的启动条件也是发酵罐要处于发酵状态。 主要包括的过程有： 1.过程开始，排放不良酵母，选择预回收酵母的发酵罐罐号，选择酵母进回收

46、罐罐号，按 STEP1 开始按钮，启动酵母回收过程； 2.转进罐，不良酵母排放完毕，按下 STEP2 开始按钮；STEP2 已经结束，3.按下 STEP3 开始按 钮结束这个过程。 过程中需由上位机预先设定的参数有：酵母回收罐容量；酵母回收后水顶酵母的时间。操作时 要选择的参数有：预回收酵母的发酵罐罐号，酵母进回收罐罐号。 4.2.5 管路 CIP（包括酵母回收管路 CIP，出酒管路 CIP） 酵母回收管路酵母回收管路 CIPCIP 酵母回收管路 CIP 时，在 CIP 开始后二分钟内和结束前二分钟，酵母回收管路中的酵母回收泵 旁通阀要求间隔打开，5 秒开，10 秒关；二分钟后为常开（温度和电

47、导率满足时开始计时） ，所有 过程均相同。 出酒管路出酒管路 CIPCIP（全面（全面 CIPCIP 和一般和一般 CIPCIP 两种）：两种）： 全面 CIP（清水洗热碱洗热水洗消毒液洗） 一般 CIP（清水洗热碱洗热水洗） 过程中需由上位机预先设定的参数有：管路 CIP 回收水洗设定时间，清水 CIP 设定时间 ，CIP 回收电导率设定值，碱液 CIP 回收电导率达到后延时时间，碱液 CIP 设定时间，消毒液 CIP 设定时 间，回收热水温度设定值，热水计时温度设定值，热碱计时温度设定值，热碱计时电导率设定值。 操作中需要选择的参数： CIP 管路选择（酵母回收管路，出酒管路，倒罐管路）

48、，CIP 类型 （全面 CIP，一般 CIP，热杀菌） 。 4.2.6 罐 CIP： 因为 CIP 过程中有碱洗这一过程，而 CIP 前发酵罐中会留有一定量的 CO2 气体，会造成碱和 CO2 反映，生成碳酸盐，形成新的污垢，降低碱液浓度，影响清洗效果。同时会使发酵罐内形成负 压，容易导致发酵罐失稳变形，所以 CIP 前一定要将 CO2 排掉，并且背压。 CIP 准备过程：全部手动操作。 过程中需由上位机预先设定的参数： 发酵罐 CIP 回收水洗设定时间，发酵罐 CIP 冷水洗设定 时间 ，发酵罐 CIP 碱液回收电导率设定值，发酵罐 CIP 碱液回收电导率达到后延时时间，发酵罐 CIP 碱洗

49、设定时间，发酵罐 CIP 消毒液洗设定时间。操作时选择的参数：CIP 发酵罐罐号，CIP 类型 4.2.7 出酒过程： 出酒前需先用无菌水清洗管路，手动进行。手动操用出酒泵。 第五章第五章 详细控制方案详细控制方案 5.1 总述： 酵母在通风后的冷却麦汁中吸收糖： C6H12O6 + 6O2 + 38ADP +38Pi 6H2O + 6CO2 + 38ATP+ 28kj （腺二磷） （高能磷酸） (腺三磷) （5.1） 酵母增殖到一定程度时： C12H22O12 + H2O 2C6H12O6 + 4ADP + 2Pi 4C2H5OH + 4CO2 + 4ATP + 113kj （5.2） 控制

50、方式分成手动和自动两种方式，所以总体的控制思路为：手动方式时，我们要通过各个选 取按钮选取相应的操作步骤，或是直接操作现场的设备；自动方式时，程序按设定的操作进行，可 以进行手自动切换，跳步等操作。同时应进行相关参数数据的设定。每个控制过程均可以进行人工 复位，当按下人工复位按钮时，系统自动恢复到初始状态，各个相关设备进入初始状态。 下位机为西门子的 S7-300 PLC 系统：采用 CPU315-2DP 外挂 ET200 的方式，此项目共有 6 个 远程 I/O。上位机采用 IFIX 监控软件，通过西门子的 CP5611 接口卡来实现与下位机的联接， CP5611 需加与 IFIX 的联接通

51、过 OPC 方式完成。 SIMATIC STEP 7 中的程序主要就是功能块的组合，所以在我编写的这些程序中，有 7 个 OB(ORGANIZATION BLOCK)、4 个 FB(FUNCTION BLOCK)、98 个 FC(FUNCTION)、 还有 32 块 DB(DATA BLOCK)。OB 相当于主函数，可以调用 FC（因为每一个块都被赋予了一个 SYMBOLIC NAME，所以在 OB 块中进行调用时，主要就是通过对 SYMBOLIC NAME 进行的操作）FC 中也可以调用 FB 和 DB。因 为程序块之间的调用很复杂，故将所有的程序块的 SYMBOLIC NAME 和他们的功

52、能做成一个附录。 每一个程序块中的程序都非常长，要想写出所有的程序是不太现实的，所以就将里面的一个很 重要的就是温度控制作为一个附录。 5.2 硬件部分： 图图 5.1 硬件连接硬件连接 正如上图所示：一个 UR(Universal Rack)可以通过主站和从站之间 PROFIBUS-DP 网络，用 PROFIBUS 现场总线实现 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上位机之间的数据通讯,。系统主机采用 SIEMENS S7 415-2DP 作为控制站主机，并采用 PROFIBUS DP 分布式 I/O 将现场 I/O 站与控制站连 接起来，于是就可将控制中心与各现场控制单元连接成一个一主多从

53、的 PROFIBUS 控制网络，然 后与远程控制柜（IM15）建立联系，因此可以建立起较大型地分布式结构系统。这就使通讯的范 围扩大，从 SIMATIC 控制器到第三方提供现场装置就可通讯了。使控制更方便，在现场，我们就 是在远程控制柜安装了一个 BUSCONNECTER,就可以实现在控制室里对远程控制柜的控制了。 I/O 模块的接线： 1）：DO 模块：6ES7 322-1BL00-0AA0：中间继电器的线包所需的 24VDC 电源由模块供出， 但 24V 电源需从电源接线到 DO 模块。每个模块需要引入四组电源。 2）：DI 模块：6ES7 321-1BL00-0AA0：外部接入点为干触点

54、，扫描电压由模块提供，需引入 二组 24VDC 电源； 3）：AI 模块：6ES7 331-7KF02-0AB0：8 点输入卡，此模块可以用作 020mA, 420mA, 010V,15V,05V 等信号的接入，接入不同的信号时，接线方式均不同，应注意接线方式。同时应 注意在组态时进行信号选择，在插入模块时进行拔号。模块送出的信号为 INT 型信号，需用 FC105 进行处理。 4）：AO 模块：6ES7 331-5HD01-0AB0：此模块可以作为 420mA, 010V 信号的输出模块； 输出信号类型不同时，接线方式不同；信号类型的选择通过软件来完成。 5.3 软件部分： 5.3.1 部分

55、程序块介绍 OB 块一共有 7 块，但是命名方面却比较固定， OB1：最高的编程层次，并组织 STEP 7 程序中 的其他块；OB 35：每 100ms 循环中断；DB80：循环时间故障；DB85 无运行错误的组织块； DB100：重新启动； DB122：模块接入错误。至于 FB,FC,DB 块则没有这样固定的要求。比方说： FB1 发酵罐温度控制，FB6 变频泵控制，FB12 调节阀控制，FB16 取样控制。 5.3.2 OB 块的调用 下面是 OB1 块中的一小部分程序： NETWORK1: CALL mzjgzkz CALL OFFDELAY CALL 3fztimer CALL 12f

56、ztimer CALL caiyang/shuchu CALL S7 from S5 input control CALL kgl output control CALL s7 to s5 output control CALL bpbkz 上面程序依次调用的是：FC110 (麦汁进罐总控制)，FC13（开泵关泵延时控制） FC4（3 分钟 定时器） FC3（12 分钟定时器） ， FC1（IO 采样及输出） ，FC1(S7 到 S5 接受到信号的输入控制)， FC20（开关量输出控制） ， FC24（变频泵调节控制） 。 5.3.3 常用的指令或语句： CLR： clear RLO(逻辑点)

57、 =0 NOT： Negate(否定)RLO SAVE：Save RLO in BR Register. RLO： Shows the results of a logic operation SET：Sets the RLO to signal state”1” JCN： Jump if RLO =0 JU：Jump unconditional JUO：Jump if unordered ACCU ：Accumulate: ABS： Absolute value of a Floating Point R：Loads the addressed counter with 0 if RLO=1

58、 L： Loads the current count of the addressed counter as an integer into ACCU-1 5.4 控制手段： 5.4.1 发酵罐温度控制 5.4.1.1 编写程序时的思路编写程序时的思路 图图 5.2 温度控制流程图（温度控制流程图（1） 图图 5.2 温度控制流程图（温度控制流程图（2） 主酵保温 主酵降温后酵保温后酵降温 贮酒end1 开始 con_states=5 end1 fj_states=0 end1 关上阀 开下阀 结束该程序块 关中阀 开下阀 关下阀 End1 图图 5.2 温度控制流程图（温度控制流程图（3）

59、 关下阀 上温低于 设定值 下温低于 设定值 关上阀 关中阀 开关量 结束 主酵保温 上温超过 设定值 下温超过 设定值 开上阀 开下阀 开关量 开中阀 1 1 上温低于 设定值 下温低于 设定值 关中阀 罐内液 体的量 关上阀 关下阀 结束 主酵降温 设定主酵温度，降温时间 计算控制温度 上温超过 设定值 罐内液 体的量 开上阀 开中阀 下温超过 设定值 开下阀 图图 5.2 温度控制流程图（温度控制流程图（4） 图图 5.2 温度控制流程图（温度控制流程图（5） 流程说明流程说明： 第一幅图是一个总程序，二是 end1 的程序，三是主酵保温的流程，四是主酵降温的流程，五 是后酵降温的部分流

60、程。在开始之后，先要判断 con-states 的值，如果是 5 的话，就继续执行，否 则就结束。然后再看 fj-states（发酵状态）的值。如果值是 1，就开始执行主酵保温的操作；如果值 是 2，就执行主酵降温的操作；如果值是 3，就执行后酵保温的过程；如果值是 4，就执行后酵降 温的操作；如果值是 5，就执行贮酒的操作，如果是其他的值就结束。 然后在每一个操作的过程中，都有一个选择阀门的操作，比方说，主酵保温的过程中，如果上 温和设定值的差大于 0.2 就开上中阀，小于 0.1 时就关。而下温和设定值（可以自己选择）的差大 于 0.2 就开下阀，小于 0.1 就关。后酵保温和主酵保温的过