啤酒发酵温度控制

范文一：啤酒发酵温度控制

攀枝花学院本科毕业设计（论文）

啤酒生产自动控制系统设计

学生姓名：邓辉

学生学号： 200910503012

院（系）：电气信息工程学院

年级专业： 09自动化

指导教师：周荣富副教授

助理指导教师：

二〇一三年六月

攀枝花学院本科毕业设计（论文）摘要

摘要

在啤酒发酵过程中, 温度是决定啤酒口感和风味的一个重要指标, 但存在现场温度控制较困难的客观因素。为满足啤酒生产向着连续化, 自动化方向发展, 对啤酒发酵过程中的温度实行计算机自动控制是具有重要意义的。对功能要求不多,工程成本要求低廉的分散控制系统,大型DCS系统并不是最佳选择。本论文的主要工作就是设计采用SunyPCC800小型集散控制系统来控制啤酒发酵过程的温度。SunyPCC800能很好地控制啤酒发酵各阶段的温度，使得发酵过程能按照正常的工艺要求进行，达到预期的生产效果。本系统不仅具有控制可靠安全,控制算法灵活,用户操作界面方便、丰富,而且设计灵活多变,成本低廉,在啤酒生产自动化中具有广泛的应用前景。

关键词：集散控制系统，发酵温度，温度控制

ABSTRACT

In the process of beer fermentation, the temperature of beer taste and flavor is an important index, but the objective factors of the temperature control more difficult. To satisfy beer production towards continuous, automatic direction development, to implement the computer automatic control in the process of beer fermentation temperature is significant. Not to function requirement, low engineering cost requirements of distributed control system, large DCS system is not the best choice. The main work of this paper is to design using SunyPCC800 small distributed control system to control the temperature of beer fermentation process. SunyPCC800 can well control in different stages of the beer fermentation temperature, fermentation process can be carried out in accordance with the normal process requirement, achieve the desired effect in production. This system not only has control and reliable safety, flexible control algorithm, user interface and convenient operation, rich, and flexible in design, low cost, has extensive application prospect in the beer production automation.

Keywords: distributed control system，temperature， temperature control

摘要 ............................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................... II 目录 ............................................................................................................................ III

1 概述 ........................................................................................................................... 1

1.1 绪论 ...................................................................................................................................... 1

1.2 啤酒发酵控制系统方案综述 .............................................................................................. 1

2 啤酒发酵工艺概述 ..................................................................................................... 4

2.1 啤酒发酵 .............................................................................................................................. 4

2.1.1 啤酒发酵历史 .......................................................................................................... 4

2.1.2 啤酒发酵过程 .......................................................................................................... 4

2.2 发酵各阶段温度控制机理 .................................................................................................. 5

2.3 啤酒发酵设备概述 .............................................................................................................. 7

2.4 啤酒发酵温控基本要求 ...................................................................................................... 7

2.5 啤酒发酵工艺流程 .............................................................................................................. 8

3 控制系统设计 ........................................................................................................... 11

3.1 被控对象 ........................................................................................................................... 11

3.2 发酵过程控制回路 ............................................................................................................ 11

3.3控制系统设计 ..................................................................................................................... 12

3.3.1 DCS在啤酒发酵中应用 ......................................................................................... 12

3.3.2 系统设计 ................................................................................................................ 12

4 系统硬件和软件配置 ............................................................................................... 14

4.1系统硬件 ............................................................................................................................. 14

4.1.1控制系统的构成 ..................................................................................................... 14

4.1.2系统硬件结构及工作原理 ..................................................................................... 14

4.1.3控制站功能 ............................................................................................................. 14

4.2系统软件 ............................................................................................................................. 15

4.2.1组态软件 ................................................................................................................. 16

4.2.1监控软件 ................................................................................................................. 16

4.2.1控制软件 ................................................................................................................. 16

5 本系统的优点和特色 ............................................................................................... 18

结论 ............................................................................................................................... 19

参考文献 ................................................................................................................... 20

致谢 ............................................................................................................................... 21

1 概述

1.1 绪论

啤酒是目前世界上产量以及消费最大的一种酒，特别是北美地区和欧洲国家的总产量以及人均消费量都在世界前列，我国随着改革的开放以及现代化建设，人民生活水平不断断提高，啤酒己成为人们的时尚饮品，市场的宠儿，产量直线上升，进入九十年代后产量逐年增加，目前已成为仅次于美国的世界第二大啤酒产销国，令世界啤酒界人士刮目相看。但是我国人均啤酒消费水平只有8升，仅相当于世界水平的1/3差距很大；近年来，虽然我国的啤酒装备配套水平有很大提高，但与国外的主要啤酒生产厂家相比大部分企业技术落后，国内的啤酒行业迫切要求进行技术改造，提高生产率，保证产品质量，以确保在激烈的市场竞争中立于不败之地。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。

啤酒发酵是啤酒生产过程非常重要的环节，是决定啤酒质量的最关键的一步，特别是对发酵过程中温度、压力的控制尤其重要，控制指标的好坏将直接影响啤酒的质量。早期，由于人们对发酵机理认识不深，再加上采用控制器的限制，对发酵采取自动控制未能成功。随着人们对发酵机理的逐步认识，并随着可靠性高、能经受恶劣环境器件的引用，对发酵采用自动控制逐渐取得成功。

啤酒发酵具有非线性、时间滞后和大惯性等特征，发酵过程的精密控制一直是自动控制领域较难解决的问题之一。啤酒的发酵工艺，生产周期一般在十五天，并且要求发酵液温度严格地按照工艺曲线变化。温度控制的精度一般在±0.5℃范围内，这样的控制精度光凭传统的热工仪表和手工操作方式是完全不够满足要求的，但是目前国内的许多生产厂家都是采用这种方式进行生产。随着控制领域新技术、新方法的不断发展，这些问题也在不断地得到解决。改良啤酒发酵生产过程自动化控制是酿造业技术进步的有效手段，它能在相同的原材料和动力消耗下增加啤酒质量和啤酒口感，还可以减少劳动量、改善工作条件、提高啤酒的发酵工艺水平及生产管理水平。所以，改良啤酒发酵控制应用具有比较乐观的前景，能产生较大的经济效益，具有很大的实用价值。

1.2 啤酒发酵控制系统方案综述

目前，国内啤酒生产（糖化、发酵工段）的控制水平基本上可以分为四个档次。

1．完全手动操作方式

操作人员在现场或集中操作盘上控制主要设备的启停。阀门则需要操作员到现场进行操作。在这种生产方式下的啤酒生产控制全部由人工操作。生产工艺参数不能得到可靠执行，导致一致性比较差，所以啤酒的质量受人工因素影响较大。这也导致啤酒口味稳定性较差。而且操作员的劳动强度非常大，主要的生产设备和装置不能够在最佳状态进行工作。而且这种操作方式对原材料利用率比较低，产品消耗巨大的能量。

2．集中手动控制方式

集中手动控制方式又称半自动控制方式，采取数据采集器等手段采集各种过程量然后送入控制室，控制室安装有上位机或模拟屏，在上位机或模拟屏上显示各种流量、温度、液位和压力等许多过程参数和阀门、电机的开启状态，实行对生产过程进行监控。

3．常规单变量PID控制

在啤酒发酵温度控制系统中，常规单变量PID是以发酵罐中部的温度为被控量，中部冷却阀门的开度为控制量，阀门开度在发酵的不同阶段具有不同的比例系数，比例系数则主要靠操作员的经验，是非常典型的单变量控制策略。但是，痛过分析，啤酒的发酵过程是一种多变量控制的过程，因此，单变量控制不能解决发酵罐上、中和下3个冷却带耦合问题，所以比例系数依赖于操作员的经验，导致控制精度受到严重影响。

4．模糊控制策略

模糊控制策略虽然不需要建立被控对象并且能利用其非线性结构的精确数学模型，在某些程度上提高了系统的准确性，也能满足实际生产的需要，但是离线建立的模糊控制规则表不能在线修改是其比较大的缺陷。

啤酒工业目前的技术特点是向自动化、大型化、生产期短和经济效益高的方向来发展。最近十年，我国的啤酒工业得到了快速发展，但由于起步时间较晚，生产设备落后，自动化程度较低，导致产品效率低，产品质量也不佳，酿酒能耗较大，这些都是我国啤酒工业急需解决的问题。

啤酒发酵对象的时变性、时滞性及其不确定性，决定了发酵罐控制必须采用特殊的控制算法。由于每个发酵罐都存在个体的差异，而且在不同的工艺条件下，不同的发酵菌种下，对象特性也不尽相同。因此很难找到或建立某一确切的数学模型来进行模拟和预测控制我国大部分啤酒生产厂家目前仍然采用常规仪表进行控制，人工监控各种参数，人为因素较多。这种人工控制方式很难保证生产工艺的正确执行，导致啤酒质量不稳定，波动性大且不利于扩大再生产规模。

5．多变量控制

对已有的单变量控制器进行改进，使其能达到某些生产要求的一个有效措施就是对罐体实行多变量控制的策略，薛福珍等人对系统进行Smith多变量解耦和预补偿之后，对控制变量进行了优化调节，并成功用于发酵发酵过程的温度控制，并且取得了令人满意的控制效果。

综上所述，每一种控制策略都有优有劣。从长远发展的角度上来看，现代控制和智能控制都具有良好的发展前景，具有很高的研究价值和实用价值。

2 啤酒发酵工艺概述

2.1 啤酒发酵

2.1.1 啤酒发酵历史

最初的纯种啤酒发酵所采用的酵母和发酵技术都是属于上面发酵，知道19世纪中叶，德国的哭学家才分离出了下面啤酒酵母，并研究出了下面发酵技术。到目前为止，除英国、澳大利亚、加拿大、美国、德国等少数几个国家还保留上面发酵法以外，世界上的大多数啤酒厂都采用下面发酵法，下面发酵法生产的啤酒已占世界总产量的90%以上。但在一些国家上面发酵小麦啤酒普遍受到欢迎，产量也在逐年上升。我国几乎全部的啤酒厂都采用下面发酵方法。

虽然上面发酵和下面发酵所采用的酵母都属于同一个种——啤酒酵母，但是两者在发酵工艺上有很大的不同：下面发酵的发酵温度较低，发酵周期较长，而上面发酵的发酵温度相对较高，发酵周期较下面发酵短；下面发酵过程可明显的划分为主发酵和后发酵两个阶段，而上面发酵大都只有一个阶段——主发酵；线面发酵酵母回收比较容易，而上面发酵则比较困难。两者的组要工艺区别如表2-1所示。本课题研究的主要是下面发酵过程的自动控制系统设计。

表2-1上面发酵与下面发酵主要工艺区别

2.1.2 啤酒发酵过程

啤酒采用的主要原料麦芽和水，加上酒花，经啤酒酵母发酵酿制成的一种低酒精度饮料。啤酒生产的工艺主要是由糖化（即麦汁的制备）、啤酒发酵、啤酒装罐等流程组成。发酵过程是啤酒生产中非常重要的一个环节，啤酒发酵是一个很复杂的生化过程，这个过程就是通过一系列生化反应而把麦汁转化成啤酒的过程，整个发酵过程同样也包含若干个生产工序，如：麦汁充氧、酵母添加、发酵、过滤、修饰以及酵母扩培等等。生产周期都在十几天以上，要求发酵液的温度严格按照既定的工艺曲线变化，而且对于的温度控制精度要在±0.5℃范围内，如果温度偏低，就会使得发酵过程缓慢，从而影响生产进度；如果温度偏高，又会造成发酵副产物超出标准，影响啤酒的质量。

啤酒发酵整个过程分为：主发酵阶段、后发酵阶段。从原麦汁入发酵罐起，

就开始进行主发酵，这个阶段温度要控制在12℃（不同工艺数值不同）左右。发酵液则直接从糖化车间经过管道注入，起始的温度在8摄氏度左右，糖度要保持在10度左右，每个罐的发酵液需要分成几批入罐，每次入罐之后都必须经过化验员检测一次糖度后把信息反馈给糖化车间，保证发酵液的初始糖度符合发酵标准。同时温度控制开始，保证发酵液的温度在规定的范围之内。发酵液注满发酵罐后1小时操作员开始检测发酵液的糖度，并且每隔八小时就要检测一次。当糖度下降到低于6.5度时，则每两小时检测一次，一直到达糖度变为6.0度。糖度降到6.0度时主发酵阶段就结束了，主发酵阶段大约需要4天。发酵进入后发酵阶段，这个阶段要求温度控制在12℃~18 ℃（不同工艺数值不同）。进入第二阶段后，要求化验员每隔2小时检测一次双乙酰的浓度以及糖度，当糖度降到3.0度时则变为每八小时检测一次。糖度下降到3.0度时再通过16个小时的糖度检测工作就结束。双乙酰浓度下降至标准浓度（0.08mg/L）时，并且糖度降到极限的42~48个小时后，如果此时离装罐时间已经超过6天，发酵则可以进入降温的阶段，降温阶段需要分成两个阶段切按照不同的速率进行降温，此时需要把所有的冷媒阀打开，使发酵液能够快速降温。当温度到达1℃以下时发酵阶段就开始进入低温储酒阶段，在储酒阶段温度比较低，一般控制在0.5~10℃。这个阶段主要是回收酵母和一些固态物质能够充分沉淀。正常情况，整个过程需要14天以上才能完成。

2.2 发酵各阶段温度控制机理

（1）自然升温阶段

麦汁注满发酵罐后的温度高低将会直接影响发酵工艺是否能准确执行，发酵过程周期的长短，酵母还原双乙酰的能力，酵母的增值速度以及副产物的形成、泡沫、啤酒的口味等，过高或者过低的发酵罐温度都不利于酵母和成品啤酒的质量。发酵罐满罐温度的确定需要考虑麦汁分批进入罐中后酵母繁殖以及代谢作用使温度上升等诸多因素的影响，满罐后的自然升温阶段不要因各种失误导致出现的控温，应该通过此过程，使啤酒酵母能尽快地发酵增殖适应新的麦汁环境，从而形成很好的酒液对流。

（2）主发酵及后发酵阶段

主发酵阶段由于啤酒酵母的大量繁殖而产生比较多的热量，随着发酵液中氧气的快速消耗，啤酒酵母在无氧呼吸的作用下转化成大量的酒精，使的罐内中下带啤酒中酒精含量远远超过上带，啤酒的密度发生改变，在酒精的释放和密度改变的共同作用下，死的发酵液发生从下到上的剧烈对抗，此过程温度控制应促进对流作用能充分进行，保持比较旺盛发酵状态并切均衡发酵罐内酒液的状态，要求以控制上段的温度为主要部分，中段为辅，形成温度的梯度，切保证三带的温

差在0.5℃左右。后发酵阶段控温的原理与主酵阶段比较类似，但此过程中的发酵速度比较缓慢，热量产生比较少，对流速度相对较慢，对上段的温度控制应当缓慢且慎重，不可快速冷却，防止发酵罐内的温度出现大幅度的下降，酵母大量沉积会使其还原双乙酰的能力下降。在此过程中主要以保持发酵液对流度和数目一定的悬浮酵母，温度情况为T上<><>

（3）降温以及保温阶段

发酵液还原双乙酰达到标准之后就开始进入降温阶段，这个阶段应按照工艺设定好的速度把啤酒均匀地冷却到贮酒的温度，此时酒液发酵已经基本上结束，并且二氧化碳的生成和放热几乎停止，原二氧化碳上升形成的拖拉力等造成的从下到上的对流大大减弱，啤酒在不同的温度下密度差所形成对流的作用逐渐占据主导地位，根据啤酒最大密度时的温度计算公式可知，啤酒最大密度时温度约为3℃，3℃上下的啤酒对流方向是相反的，控制温度时应跟据这个特点来区别对待。

（4）双乙酰还原温度冷却至3℃

啤酒在这个阶段降温中密度见见增大，对流方向仍为从下到上，啤酒沿发酵罐壁向下流动，由于此时的冷媒与啤酒温差比较大，降温及罐内的平衡过程不好控制，所以应以上带和中带的温度控制为主，而且必须防止冷却过于剧烈而造成贴近罐壁部分的啤酒结冰，从而影响降温效果和啤酒的质量。

（5）3℃保温过程

在整体降温过程中，3℃以前的降温速度非常快，降温惯性比较大，在接近3℃对流方向改变过程中，容易发生发酵罐内各点啤酒温度的混乱，或者温度发生骤升骤降，或者温度持续改变，无法按工序执行控制，而且难以总结出变化的规律。针对这种情况，在生产过程中采用了3℃保温的工艺，目的是为了稳定啤酒流动状态，以及减缓或者停顿对流的过程，发酵罐内温度能准确地均衡下来，并且在保温过程中彻底排放掉剩余的废弃的啤酒酵母以及沉积物，3℃保温过程结束以后就可以开始进行新一轮的对流降温过程，通过实践，这种工艺手段能有效的保证降温速率和啤酒的澄清。

（6）3℃以下深冷过程

啤酒降温到3℃时密度最高，这时将形成温度不同密度却相同的啤酒，区域性对流的自动进行状态混乱，啤酒温度形成了一定的梯度，套冷量传达和冷却的要求不能够达到，冷却速度和啤酒温度下降很慢，此时主要控制下部温温度，加大锥罐底部啤酒温度控制的强度，降低啤酒的密度，使对流方向由从下到上变成为自上而下，改变形成的温度梯度，可以满足温度控制的效果，这个过程中下段温度应比中、上段温度低1℃~2℃。

（7）贮酒阶段

贮酒阶段的温度控制对于发酵液的成熟和啤酒的澄清等都有很大影响，温度控制不当就可能使得发酵液结冰。这个阶段温度控制主要控制上、中、下三段温度的均衡，缩小罐内发酵液的温差。贮酒过程中罐中下段二氧化碳的密度要高于中段和上段，但是下段发酵液的密度要高于中段和上段，同时存在从下到上和从上到下的对流，状态比较混乱，缓慢而且很不规则，使用调节阀的控制冷媒可采用时间长、流量小的操作方法，对于开关阀就可以采去频率高、时间短开启控制，避免长时间的深度冷却，温度控制精度要求在±0.2℃，不能出现温度回升。

2.3 啤酒发酵设备概述

发酵罐是啤酒生产的主要设备，目前，我国绝大部分啤酒厂均采用园柱锥底式发酵罐简称锥形罐，—般在圆柱部分焊有两到三段冷却夹套，锥底还有一冷却夹套。整个罐体除罐顶装置和罐底的進出口以外，全部用绝热材料包裹起来，用其来阻隔与外界的热交换。这样使得罐内发酵液与外界的热交换量和发酵液产生的生化热相比较可忽略不计，控温中通过冷却夹套由冷却介质带走的热量主要是生化热。锥形发酵罐直径和高度的比值一般是1: 1.5~4。锥形罐的底内角，不锈钢罐锥角一般情况是60°，内部涂有涂料的钢罐锥角一般是75°，这样可以使的在排污时酵母能强制滑出。锥形罐的有效容量必须是每批麦汁注入量的整数倍，并且应当在16~24小时内填充满一个锥形罐，锥形罐的容量系数一般取80%~85%。发酵是一个放热的过程，如果让啤酒自然发酵，发酵液的温度会逐渐上升，因此在发酵罐外部罐壁设置有上、中、下三段冷却套，相应的设立上、中、下三个测温点和三个调节阀，通过阀门调节冷却套内冷却液的流量来实现对酒体温度的控制。

2.4 啤酒发酵温控基本要求

由于啤酒酵母的作用，麦汁在发酵罐内发酵，在发酵过程中释放出的生化反应热和CO2热量释放导致发酵温度上升，同时CO2的产生使罐内压力升高。在整个发酵过程中，根据发酵过程的规律来控制发酵过程的时间和温度是保证发酵能够正常地、安全地进行，提高啤酒的质量以及口味，减轻操作人员的劳动强度，较少能耗的关键。罐类容器的主要工艺参数有气体压力、温度、液位。气压的大小能反应出发酵罐内CO2的多少，压力到了一定的程度就需从发酵罐顶部排出一定量的CO2来减小罐内的压力，防止出现爆炸。发酵罐内温度的高低是提醒罐内物料加热的时间长短，方便操作人员进行物料的储存以及物料的反应。液位能间接地反应物料的多少，方便控制物料的储存量，实时调控和进行物料的反应等。所以需要对发酵罐内液温的变化进行实时控制，同时发酵罐内的压力状况也是安全生产过程中的必要的控制量。

图2-1 啤酒发酵罐控制系统流程图

啤酒的发酵工艺对控制的要求是：发酵罐上带、中带、下带酒液温度的实时检测，并且控制发酵罐的温度在特定阶段要与标准的工艺生产曲线相符合；控制发酵罐内部气体的排放，使得发酵罐内的压力状况符合不同阶段的控制需要。啤

酒发酵的温度控制系统流程图如图2-1所示。

2.5 啤酒发酵工艺流程

根据锥形发酵大罐的特性将发酵的全过程分为多个阶段，在各个阶段，对象的特性相对较稳定，压力和温度的控制方面具有一定的规律性。在发酵开始前，根据工艺要求先设定好工艺控制的压力曲线、温度；在发酵的过程中，根据发酵进行的程度，发酵罐上段、中段以及下段温度的差异，以及3段温度各自的变化情况，自动选择各个阶段相应的控制策略，从而达到预期的控制效果。主要分为以下阶段：

（l）酵母添加

麦汁中需要加入适量的酵母，才能注入发酵罐内。整个发酵过程可以理解为酵母把麦汁中的糖类分解成乙醇、水及其它产物的过程。可以用化学总反应方程式如下：

C6H12O6+2ADP+2H3PO4→2C2H5OH+2CO2+2ATP+113kj

葡萄糖乙醇

这个阶段麦汁原料经由连接管道由糖化罐进入发酵罐中。

（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。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液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。

整个发酵过程可以分为主酵和后酵两个阶段：

① 主酵——酵母接种到麦汁中，然后进入发酵罐几小时就逐步开始主发酵，麦汁的糖度逐渐下降，产生一定量CO2，反应释放的热量使的整个罐内的温度逐步增加。经过2~3天后就开始进入发酵最旺盛的高泡期，再过2~3天，糖的下降速度变慢，糖度降到很低，啤酒酵母开始沉淀，这时需要进行封罐发酵。此时，主发酵基本就结束了，开始进行降温转入后酵阶段。一般的啤酒在主酵时的工艺要求大约控制在12℃。

② 后酵——当发酵罐内的温度从主酵的12℃降到大约3℃时，后酵阶段开始进行，这一阶段是进行双乙酰还原为主。此外，后酵阶段还完成了剩余糖的发酵工作，蛋白质得到充分沉淀，氧含量得到降低，提高啤酒质量的稳定性。一旦双乙酰指标合格，发酵罐就需要进入第二个降温过程，把发酵罐内的温度从3℃降到0～－1℃，这时候就可以进行贮酒，这样能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。

（3）啤酒过滤和杀菌

主酵、后酵结束以后，啤酒需要经过高温瞬时杀菌和过滤机进行生物和胶体稳定处理在进行装罐。啤酒过滤就是把啤酒中残余的酵母细胞和其它物质从啤酒

abT/℃8

00cdt/h中分离出去，如果不进行分离，这些物质就会慢慢从啤酒中析出，使得啤酒变混浊。目前采用最多的是硅藻土过滤方式。如果啤酒中仍含有杂菌，则杂菌可能在啤酒中迅速繁殖，导致啤酒变混浊，其排泄的代谢产物甚至使啤酒变质，从而不能饮用。所以啤酒在灌装之前必须进行杀菌处理，这是最后一个，也是最重要的一个环节。啤酒发酵工艺曲线如图2-2所示。

图2-2 啤酒发酵工艺曲线

图中，0a段为自然升温段，不须外部控制；ab 段为主发酵阶段；主酵阶段，典型的控制温度为12℃；bc段为降温逐渐进入后酵，典型降温速度为0.3℃/h；cd 段为后酵阶段，典型控制点3℃；de 段为降温进入贮酒阶段，典型降温速度为0.15℃/h；e f 段为贮酒阶段。啤酒口味和实际要求的不同，啤酒的发酵工艺曲线也就不同，但是对于确定好的啤酒发酵工艺，就应严格按照工艺曲线去控制温度和压力等，这样才能保证啤酒的质量。

3 控制系统设计

3.1 被控对象

啤酒发酵是在发酵罐中静态进行的，它是由罐体、冷却带、保温层等部件组成。发酵罐的形状一般为圆锥状，容积较大，大部分在100m3（我国的啤酒发酵罐容积在120m3～500m3）以上。啤酒发酵要严格的按着工艺曲线进行，否则就会影响啤酒质量。为了有利于热量的散发，在发酵罐的外壁设置了上、中、下三段冷却套，相应设立上、中、下三个测温点和三个偏心气动阀，通过阀门开度调节冷却套内的冰水流量以实现对酒体温度的控制。以阀门开度为控制量，酒体温度为被控量，相应有3个冷媒阀门，通过控制流过冷却带的冷媒流量，控制发酵罐的温度。在发酵的过程中，温度在不断的升高，当达到上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精在冷却管内循环使罐内的温度降下来。当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒，则啤酒按工艺要求继续发酵，整个发酵过程大约20多天完成。因此，控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的关键。

3.2 发酵过程控制回路

啤酒发酵过程的温度控制是利用冷媒介质对发酵罐内的温度按工艺要求进行的分段控制，如图3-1。根据啤酒发酵的工艺要求，当仪表检测到啤酒的发酵温度高于工艺要求的温度时，调节器输出信号，打开气动阀输送冷媒，通过啤酒罐罐壁的冷带给啤酒降温；当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒，则啤酒按工艺要求继续发酵，整个发酵过程大约20多天完成。

图3-1 发酵过程控制回路

3.3控制系统设计

3.3.1 DCS在啤酒发酵中应用

啤酒发酵过程是啤酒生产过程的一个非常重要工艺环节，发酵过程控制将会直接影响到整罐啤酒的质量。老式的啤酒发酵过程控制是利用多个单回路的温度控制仪表来控制各个发酵罐上的不同点温度，然后根据温度变化情况来控制冷媒阀的开度，从而达到温度调节的目的。但是该过程控制线路复杂繁多，控制参数比较单一，所以导致维护工作量大，而且调节效果比较差，特别是在发酵罐的数目较多，体积比较大，系统滞后较大的情况下。随着计算机控制技术的广泛应用，啤酒发酵过程也逐步开始应用计算机控制系统。

DCS是一种具有很高可靠性的控制装置，它与可编程调节器、PLC系统同被列为“不损坏仪表”。因为DCS系统具有很高的可靠性，其系统采用容错设计，所以某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能丧失。其次，DCS还具有开放、灵活、协调、易于维护、控制功能齐全等优点，所以集散控制系统可完成啤酒发酵过程控制功能，完成与上位机的通讯，实现啤酒发酵过程的远程监控。

3.3.2 系统设计

针对发酵的过程控制回路采用DCS控制系统来控制啤酒发酵过程的温度。DCS的基本组成如图3.2所示。

图3.2 DCS的基本组成

根据DCS的系统构成设计的啤酒发酵温度控制原理如图3.3

图3.3发酵温度控制系统原理图

温度控制过程的基本步骤如下：

①I/O功能模块采集发酵罐上、中、下三段的温度，并传输给控制站。

②控制根据啤酒发酵工艺的标准温度来确定发酵罐现在的温度是否偏高，然后执行温度控制命令。

③控制站输出的命令通过O/I模块反馈给现场执行器。

④现场执行器执行控制站输出的控制要求，调节冷媒阀的开度。

⑤冷媒阀通过开度的大小来控制冷媒流量的大小。

⑥冷媒通过冷媒入口输送到发酵罐各个冷媒通道，达到控制温度的目的。

4 系统硬件和软件配置

4.1系统硬件

4.1.1控制系统的构成

根据生产实际需要,本系统采用自动和手动两种工作方式。自动和手动相互有应答信号,以确定各自的工作状态利用PT100双支热电阻采集温度信号,该信号分别送入控制站,根据温度的变化,调节相应的冷媒阀,实现温度的控制。。

4.1.2系统硬件结构及工作原理

SunyPCC800小型集散控制系统控制站硬件结构图如图4.1。控制站的硬件包括公共部件、功能模块、调理模块等几大部分。公共部件包括机柜、机笼、控制模块、电源组件、散热组件、总线底板、集线器、光端机、转接端子板等；功能模板包括：I/O模板、通信模板等；调理模块包括：模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出、脉冲量输入、脉冲量输出、特殊定制模块等。I/O模板基于SmartBus连接调理模板，并通过冗余现场总线相互连接。控制站采用工业以太网连接操作站/工程师站，工业以太网可冗余配置。

4.1.3控制站功能

SunyPCC800小型集散控制系统控制站由功能模板构成，功能模板是控制站内部完

成特定任务的硬件板卡、运算处理单元、应用软件的组合。功能模板智能化，具

有独立性、自主性，及时有效地完成所分担的局部任务。显示记录模板实现数据动态显示、实时操作、历史数据存储与浏览、报表处理与打印，是控制系统的本地人机界面：控制模板集成了高速处理器和智能双冗余控制网络（CNet）驱动，根据控制组态所生成的目标文件，解释运行，实现所设计的控制策略，并支持数据同步与冗余切换；

啤酒的发酵工艺是当搪化后的麦汁进入发酵雄后,先进行自然升温,升到一个特定温度后,在这个温度上进行恒温发酵。当糖度降到一定程度后,进行一定顺序的降温和恒温,最后发酵结束。送清酒罐,在清酒罐中进行恒温控制。

为满足发酵工艺,发酵嫩中温度分布不均匀,因此在上带、中带和下带要分别进行温度检测和控制。如采用常规PID算法,当实际温度高于发酵温度0.2℃,打开相应的上带中带或下带的冷却阀。当实际温度低于发酵温度0.1℃ ,就关闭相应的上带、中带或下带冷却阀。但由于该系统滞后较大,虽然测温点温度仍在正常值, 但啤酒出口已结冰。因此该系统不能采用PID 算法,而采用专家控制系统。利用专家控制经验对啤酒温度进行补偿,从而达到对啤酒实际温度控制。解决啤酒嫩出口结冰难题。另外由于发酵过程中产生CO,所以,必须进行顶压监视和报警。为了读出液位值, 还必须进行液位检测。

4.2系统软件

Sunytech工业控制应用软件平台是SunyPCC800

小型集散控制系统的系统软

件包，它基于WindowsNT/2000和SROS多任务实时操作系统，基于组件结构设计，采用32位多任务、多线程等最新技术，集现场数据采集、算法执行、实时数据和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及监控网络等功能于一体。

SunyPCC800系统的软件体系如图4.2，分为工程师站组态软件、操作员站实时监控软件及现场控制站实时控制软件三大部分，三部分软件分别运行在不同层次的硬件平台上，并通过控制网络、系统网络进行通信，彼此互为配合、互为协调，交换各种数据集管理、控制信息，完成整个集散控制系统的各种功能。SunyTech工业控制应用软件平台由实时控制组件（SunyRTM）、系统配置组件（SunyCFG）、人机界面组件（SunyHMI）三大类组件构成，如表4-1所示。

4.2.1组态软件

SunyTech工业控制应用软件平台功能全面、易于使用，它由人机界面软件、系统配置组件、实时控制组件等及其所含的软件模块组成，实现工程管理组态、实时数据库组态、控制算法组态、系统硬件组态、图形组态、历史记录组态、报表组态、报警组态、在线组态在线下装、安全性组态等功能。

4.2.1监控软件

SunyTech工业控制应用软件平台集成了功能强大、运算稳定的实时监控软件，运行于Windows NT/2000操作系统下由实时控制组件、人机界面组件、系统配置组件等组成。主要有高速的实时数据库、画面及流程显示、控制调节、系统硬件诊断、报警、报表、趋势显示、DDE、OPC、ODBC、ActiveX借口、WEB服务、SOE分析等功能。

4.2.1控制软件

现场控制站是SunyPCC800小型集散控制系统的核心部分，现场信息的采集，各种控制算法的实现都在控制站上完成。为保证现场控制的高可靠运行，在控制模板的软件上采取了一系列的可靠性保护措施，如控制模板与控制网络的故障诊断、网络冗余、主从切换、故障恢复、数据掉电保持等。现场控制站控制软件运行在一套高效的实时多任务操作系统功能的轻重缓急被赋予不同的优先级，在铺以对突发中断事件的实时处理，因而能有效的利用CPU资源，是各功能模块协调地工作。现场控制软件主要完成以下功能：数据采集、数据转换、算法运行、控

制输出、与其他站点通信及实时广播数据、控制站自诊断及故障恢复、冗余切换、在线组态在线下装、工程在线升级与数据保持。

5 本系统的优点和特色

（1）可靠性高：系统采用分布式控制系统结构,加强了基本单元功能的完整性, 避免了“危险集中”，消除了导致全局性故障的节点。同时，系统采用了网络工作站冗余备份令牌控制方式,进一步提高了系统的可靠性。

（2）抗干扰能力强：系统中使用具有较强抗干扰能力和连续运行工作能力的研华工业控制计算机作为操作员站和工程师站,测控单元具有自校正、自诊断、自恢复功能,测量精度高、稳定性好、可选性及抗电磁、抗工频能力强,特别适合于恶劣的工业环境。

（3）组网灵活,可扩充性强：网络架构系统具有较大的伸缩性,根据发酵罐数量和工艺要求的工艺参数数量,可选择多个测控单元,并根据工程进展逐步扩充完善。该系统网络可挂结50个测控单元。系统网中，可根据资金情况或需求量接入一台或多台工业控制机作为操作员站和工程师站。一般工程师站只需一台,而操作员站需要多台,通过网络总线分布在全厂各有关部门。若需要还可接入一些备份机,以提高系统的可靠性。网络传输速率200kBPS,传输距离有线达1.2km,无限达100km。

（4）良好的用户界面：汉字提示下的界面设计可使操作员及时获取整个发酵过程的信息。其中包括发酵过程的温度、压力、流量实时测量数据、各个发酵罐的运行状态、罐内温度趋势曲线图、冷媒阀门开度和报警出错提示等。同时,操作人员还可以通过功能键在线改变工艺参数,干涉发酵过程,改变运行状态,随时打印工艺参数数据和发酵过程总曲线等。

结论

在啤酒发酵过程中,温度是决定啤酒口感、风味等的一个重要指标, 但存在现场温度控制较困难的客观因素。为满足啤酒生产向着连续化,自动化方向发展, 对啤酒发酵过程中实行计算机自动控制是具有重要意义的。对功能要求不多,工程成本要求低廉的集散控制系统,大型DCS系统并不是最佳选择。采用SunypCC800小型集散控制性能优越的组态软件包的啤酒发酵控制系统在啤酒厂的实际应用中,系统具有极强的抗干扰能力、运行稳定、用户界面直观方便,极大地减轻了操作人员的劳动强度,提高了啤酒质量,且工程造价低。在啤酒行业中真正做到低成本自动化。

参考文献

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致谢

时光如箭，一转眼就到了毕业的季节。在论文即将完成之际，我的心中诸多感慨。在论文的写作过程中虽然遇到了许多的困难和障碍，但都在老师和同学的帮助下度过了。我尤其要感谢在毕业设计中一直认真指导我周荣富老师，您严谨的教学态度，和善的语气，开阔的思维，循循善诱的指导一直给我很大帮助。当我对论文的思路感到迷惘、无所适从时，您为我理清思路，指导我在一条比较清晰的思路上进行修改。您为我营造了一个良好的研究氛围。

感谢所有教授我知识的老师在大学四年中对我的栽培，感谢每一位电气信息工程学院的老师对我的关怀和教育！

范文二：啤酒发酵温度过程控制

PLC在啤酒发酵温度控制中的应用

概述

啤酒的发酵过程是在啤酒酵母的参与下，对麦汁的某些组成进行一系列代谢，从而将麦汁风味转变为啤酒风味的过程。啤酒发酵是啤酒生产工艺流程中关键环节之一，也是一个极其复杂的在发酵罐内发生并释放大量热量的生化放热反应过程。由于这一过程中不仅麦汁中的可酵糖和氨基酸等营养物质被酵母细胞酶分解为乙醇（C2H5OH）和二氧化碳（CO2），同时还产生一系列的发酵副产物，如：双乙酰，高级醇、醛、酸、酯等。这些代谢产物的含量虽然极少，但它们对啤酒质量和口味的影响很大，而这些中间代谢产物的生成取决于发酵温度。因此发酵过程是否正常和顺利，将直接影响到最终啤酒成品的质量。比如，发酵过程的温度若发生剧烈变化，不仅会使酵母早期沉淀、衰老、死亡、自溶，造成发酵异常，还直接影响到酵母代谢副产物组成，从而对啤酒酒体与风味，及啤酒胶体稳定性造成危害。所以发酵过程工艺条件的控制历来都受到酿酒工作者的高度重视。

过去啤酒发酵过程中各种工艺参数的控制，多用常规表显示，人工现场操作调节，手工记录来实现。然而随着啤酒产量的不断增大，发酵罐数量逐步增多（有的厂已达30～40个），倘若仍然沿用常规办法，不仅会因仪表众多，给工人的生产操作造成极大的不便，而且还会因疏忽、错漏等人为原因，造成生产质量的不稳定，甚至发生生产事故。因此，设计用可编程控制器（PLC）自动控制啤酒的发酵温度。

一啤酒发酵过程控制

1 被控对象

2 啤酒发酵温度曲线

啤酒发酵工艺曲线如图1所示，包括自然升温、高温恒温控制、降温及低温恒温控制等三个阶段。在前期的自然升温阶段基本上不需要加以控制，这是由于啤酒罐发酵过程中，升温是靠发酵本身产生的热量进行的，任其自然升温；在恒温阶段，通过控制冷媒开关阀，保持发酵罐内温度恒定；在降温阶段，通过控制冷媒开关阀，以指定速率降温。

图1 典型啤酒发酵曲线

根据以上要求，设计以PLC为核心的啤酒发酵控制器。每个控制器控制一个发酵罐。具体的温度控制采用PID 算法实现。PID控制以其简单可靠、容易实现、静态性能好等优点而广泛应用于实际工业过程中。

3控制系统的硬件实现

发酵过程PLC控制系统结构如图2所示，由SIEMENS S7系列PLC（控制站）和若干台IPC（操作站）组成。该系统采用3级总线结构：底层链路为PROFIBUS-DP总线，连接远程I/O机架，负责PLC、CPU与分布式I/O站点的连接，现场设备就近连接到分布式I/O机架上。

图2 发酵罐群PLC控制系统结构图

（1）控制站（下位机）

下位机系统只需配置一套S7-200或者S7-300PLC系统（根据系统规模而定），主要实现数据采集、自动控制、遥控和联锁等功能。下位机系统具有可靠性高、扩展方便的特点。

（2）操作站（上位机）

上位机系统由两套以上的工业控制计算机结合相应的通信接口设备构成。

4 控制系统的软件设计

4.1 控制系统组成

温度是工业生产中主要的被控参数之一。温度控制系统组成框图如图3所示。图中的控制器即为PLC，它按PID控制规律来设计控制程序。PID调节器的输出量变换成PWM脉宽调制量，用于控制PLC的输出继电器，从而控制啤酒发酵罐的冷媒开关阀。

图3 温度控制系统组成框图

温度测量元件采用线性度好且时间常数小集成温度传感器TMP17(或LM35或LM135目前应用最广泛之一)来测量发酵罐温度，经温度变送器把温度转换成与其成比例的电压。V/F转换器的作用是将温度转换器输出的电压转换成与其成比例的频率，该频率代表发酵罐内的实际温度。用PLC内的高速计数器记录此频率，以便和温度的给定值相比较产生误差信号。啤酒的发酵工艺过程共有十多天时间，最重要的环节是控制每个时间段发酵罐内不同的发酵温度，我们根据发酵工艺的要求，设计出发酵温度-时间曲线，输入可编程序控制器，使系统自动根据不同时间段的温度给定值进行调节。整个系统主程序流程图如图4所示。

图4 控制主程序

主程序开始先计算出实际该罐啤酒的发酵时间，然后取出该段时间对应的标准温度值，将标准温度值与实际温度值比较，若相等则再次回到主程序入口进行下一轮的标准值查找，若不相等则系统由CPU计算出相应的PID系数，输出信号去控制电磁阀，用电磁阀控制的气路打开或关闭冷媒阀，进行温度调节。

该系统可用S7软件编程。应用这些软件，对整个系统进行组态，随时可显示出整个发酵罐系统的结构，各个阀门的实时状态，可读出每个发酵罐各点的实际温度值，液位置等参数，对整个系统进行监控，并有各种报警实时显示和温度控制情况曲线记录等，以便操作者及时掌握系统工作状况。

4.2 PLC闭环控制系统中PID控制器的实现

本系统采用德国SIMENS公司的S7-300PLC为控制核心，可实现温度的采集与自动调节。本系统要求实现12路温度控制，每一回路均为设定固定值控制。根据实际要求选用相应的功能模块。其中CPU模块选用CPU-314IFM，其带有一个MPI接口，集成有20个数字输入端、16个数字输出端、4个模拟输入端、1个模拟输出端，内部集成PID控制功能块，可以方便的实现PID控制。 PID控制器是比例—积分—微分控（Proportional-Integral-Derivative）的简称，之所以得到广泛应用是因为它具有以下优点：

（1）不需要精确的控制系统数学模型。由于非线性和时变性，很多工业控制对象难以得到其准确的数学模型，因此不能使用控制理论中的设计方法。对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。

（2）有较强的灵活性和适应性。积分控制可以消除系统的静差，微分控制可以改善系统得动态响应速度，比例、积分和微分控制三者有效的结合就可以满足不同的控制要求。根据被控对象的具体情况，还可以采用各种PID控制的改进的控制方式，如PI、PD、带死区

的PID、积分分离PID、变速积分PID等。

（3）PID控制器的结构模型，程序设计简单，工程上易于实现，参数调整方便。

3.3 PLC实现PID控制的方式

用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法：

1）使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格较高，一般在大型控制系统中使用。

（2）使用PID功能指令。现在很多的PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。他们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，但是价格便宜。

（3）用自编的程序实现PID闭环控制。有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有的虽然可以使用PID 控制指令，但是希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下，都需要用户自己编制PID控制程序。

4.4 PID控制参数的调整

1. 采样周期TS的确定

根据采样定理可知，采样频率应该大于或等于被采样信号所含最高频率的两倍，才能还原出原信号，即fs≥2fmax，式中fs为采样频率， fmax为被采样信号中最高频率。

2. 参数Kp、Ki、Kd的确定

PID控制回路的参数整定是模拟量闭环控制中的一个难点，如果初始参数选择不当，可能会出现很大的超调量，甚至使系统不稳定。西门子公司的新一代小型S7-200PLC具有PID参数自整定功能，V4.0版的编程软件STEP7-Micro/WIN增加了PID整定控制面板。这两项功能相结合，使用户能轻松地实现PID 的参数自整定。自整定能提供一组近似最优的整定参数。S7-200的V4.0 版编程软件STEP7-Micro/WIN中的PID整定控制面板用图形方式监视PID回路。该面板还可用来起动或取消自整定过程，设置自整定的参数，并将推荐的整定值或用户设置的整定值应用到实际控制中。

结论

本文介绍的发酵罐自动控制系统经实践检验，系统达到设计要求，运行效果良好，发酵温度符合工艺要求。当实际温度偏离标准温度时，自控系统及时响应，通过电磁阀去控制冷媒阀开启或关闭，发酵温度很快稳定在温度给定值上，且发酵温度变化曲线平缓，系统调节偏差仅为士0.1℃，与传统的温度调节仪系统的调节偏差士1℃相比，控制质量大大提高。本文创新点：

1. 以计算机为主站，以PLC为控制器，实现了对啤酒的发酵温度控制；

2. 上位机监控软件以实时的形式，向操作人员提供发酵的温度,实现了操作过程的可视化；

3. 整个软PLC系统的架构是遵循IEC 61131-3标准的，各种符合IEC 61131-3标准的编程语言的转换模型的建立和中间语言的结构定义是一个全新的开放的体系结构，有很强的兼容性和通用性。它支持数据结构，强大的网络通讯功能，友好的人机界面，能够执行比较复杂的控制算法，程序具有可移植性。

范文三：啤酒发酵温度控制系统设计

摘要

随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象的温度进行控制日益成为今后自动

控制领域的一个重要发展方向。啤酒发酵过程是一个极其复杂的生化放热反应,其温度控制

对象具有严重的非线性、时变性、对象模型的不确定性，并存在严重的纯滞后性。本文通

过对啤酒发酵温度动态特性的分析及其控制方案的综合比较，结合单片机在温度控制中所具

备的强大功能，设计了一个以AT89C52单片机为核心的啤酒发酵温度控制系统。本设计依

据啤酒发酵过程中对发酵罐的温度控制提出的具体功能要求，主要介绍了AT89C52芯片各

引脚功能和系统各组成部分单片机元件的工作原理及电路原理图，并且绘制出了部分主要元

件的电路图和连接图，并在最后绘制出了各相关软件的流程图和软件的具体程序。本设计还

把外扰和模型不确定性都看作外部扰动, 预先估计出过程在基本扰动下的动态特性,介绍了

应用于啤酒发酵过程温度的数字Smith 预估补偿控制，为解决时滞系统的控制问题提供了

一种有效的途径。该系统具有硬件结构简单、成本低,扩展性、移植性强, 软件功能完善，控

制系统可靠，具有一定的参考实用价值。

关键词:AT89C52单片机，啤酒发酵过程，温度检测与控制，Smith预估器，传感器

ABSTRACT

According to the fast development of single chip technology in recent years, control the object temperature through the single chip has become a major development directions of the automatic control field. The process of the beer fermentation is a very complex biochemistry exothermic reaction, its temperature control has very serious Non-linearity When denaturation Uncertainty of Object model and has Pure time delay .The paper based on the analysis of the beer fermentation temperature Dynamic Properties and the comparison the control program , combine the powerful function of single chip in which temperature control, design a AT89C52 as the core of beer fermentation temperature control system .The design based on the beer fermentation process for fermenter temperature control to the specific functional requirements, introducing AT89C52 Chip various pins function and introducing principle and circuit diagram of single chip System components ,and drawing Some of the key components of the circuit diagrams and link map , and drawing the flowchart of related Software and concrete procedure of software. The design also regards the outside harasses and the model uncertainty as exterior perturbation, estimating the process in advance under the basic perturbation dynamic characteristic , introducing temperature digital Smith estimate compensate control which applies in the beer fermentative process, providing one effective way to solve the time-lag system control problem. The system has hardware to be circuit simple to design originally, with perfect function software have , reliable control system have, the high characteristic of cost performance, have certain use and reference value.

KEY WORDS : AT89C52single chip，beer fermentation process, Smith predictor controller，

sensor

摘要 I

ABSTRACT II

1 绪论 1

1.1 系统开发背景 1

1.2 温度控制系统的概况 1

1.3 啤酒发酵的工艺流程 2

1.4 选题的提出及意义 3

1.5 本文的主要工作 4

2 啤酒发酵过程动态特性分析与温度控制策略 5 2.1 发酵过程温度控制对象及动态特性 5

2.2 发酵过程温度控制策略 6

3 系统的硬件设计 8

3.1 系统结构框图 8

3.2 系统CPU芯片介绍 8

3.2.1 89C52单片机 8

3.2.2 扩展外部存储器电路 12

3.3 输入电路芯片介绍 13

3.3.1 AD590 温度传感器 13

3.3.2 A,D转换芯片ADC0809 15

3.4 键盘、显示、报警电路 18

3.4.1 键盘电路 18

3.4.2 显示接口电路 21

3.4.3 报警电路 24

3.5 输出电路介绍 26

3.5.1 D,A转换芯片DAC0832 26

3.5.2 执行器的设计 27

4 系统的软件设计 29

4.1 系统的控制算法 29

4.2 系统软件程序设计 31

4.2.1 主程序设计 32

4.2.2 T0中断服务程序 32

4.2.3 子程序清单 34

4.3 源程序清单 36

5 总结 42

致谢 43

参考文献 44

一、传统发酵技术

生产工艺流程: 充氧冷麦汁?发酵?前发酵?主发酵?后发酵?贮酒?鲜啤酒

? 菌种

编辑本段二、现代发酵技术

现代发酵技术主要包括大容量发酵罐发酵法(其中主要是圆柱露天锥形发酵罐发酵法)、

高浓糖化后稀释发酵法、连续发酵法等。 (一) 锥形发酵罐发酵法

传统啤酒是在正方形或长方形的发酵槽(或池)中进行的，设备体积仅在5,30m，啤

酒生产规模小，生产周期长。20世纪50年代以后，由于世界经济的快速发展，啤酒生产规

模大幅度提高，传统的发酵设备以满足不了生产的需要，大容量发酵设备受到重视。所谓大

容量发酵罐是指发酵罐的容积与传统发酵设备相比而言。大容量发酵罐有圆柱锥形发酵罐、

朝日罐、通用罐和球形罐。圆柱锥形发酵罐是目前世界通用的发酵罐，该罐主体呈圆柱形，罐顶为圆弧状，底部为圆锥形，具有相当的高度(高度大于直径)，罐体设有冷却和保温装置，为全封闭发酵罐。圆柱锥形发酵罐既适用于下面发酵，也适用于上面发酵，加工十分方便。德国酿造师发明的立式圆柱锥形发酵罐由于其诸多方面的优点，经过不断改进和发展，逐步在全世界得到推广和使用。我国自20世纪70年代中期，开始采用室外圆柱体锥形底发酵罐发酵法(简称锥形罐发酵法)，目前国内啤酒生产几乎全部采用此发酵法。 1(锥形罐发酵法的特点 (1)底部为锥形便于生产过程中随时排放酵母，要求采用凝聚性酵母。 (2)罐本身具有冷却装置，便于发酵温度的控制。生产容易控制，发酵周期缩短，染菌机会少，啤酒质量稳定。 (3)罐体外设有保温装置，可将罐体置于室外，减少建筑投资，节省占地面积，便于扩建。 (4)采用密闭罐，便于CO2洗涤和CO2回收，发酵也可在一定压力下进行。即可做发酵罐，也可做贮酒罐，也可将发酵和贮酒合二为一，称为一罐发酵法。 (5)罐内发酵液由于液体高度而产生CO2梯度(即形成密度梯度)。通过冷却控制，可使发酵液进行自然对流，罐体越高对流越强。由于强烈对流的存在，酵母发酵能力提高，发酵速度加快，发酵周期缩短。 (6)发酵罐可采用仪表或微机控制，操作、管理方便。 (7)锥形罐既适用于下面发酵，也适用于上面发酵。 (8)可采用CIP自动清洗装置，清洗方便。 (9)锥形罐加工方便(可在现场就地加工)，实用性强。 (10)设备容量可根据生产需要灵活调整，容量可从20,600m不等，最高可达1500m。 2. 锥形罐工作原理与罐体结构 (1)锥形发酵罐工作原理锥形罐发酵法发酵周期短、发酵速度快的原因是由于锥形罐内发酵液的流体力学特性和现代啤酒发酵技术采用的结果。接种酵母后，由于酵母的凝聚作用，使得罐底部酵母的细胞密度增大，导致发酵速度加快，发酵过程中产生的二氧化碳量增多，同时由于发酵液的液柱高度产生的静压作用，也使二氧化碳含量随液层变化呈梯度变化(见表4-3-1)，因此罐内发酵液的密度也呈现梯度变化，此外，由于锥形罐体外设有冷却装置，可以人为控制发酵各阶段温度。在静压差、发酵液密度差、二氧化碳的释放作用以及罐上部降温产生的温差(1,2?)这些推动力的作用下，罐内发酵液产生了强烈的自然对流，增强了酵母与发酵液的接触，促进了酵母的代谢，使啤酒发酵速度大大加快，啤酒发酵周期显著缩短。另外，由于提高了接种温度、啤酒主发酵温度、双乙酰还原温度和酵母接种量也利于加快酵母的发酵速度，从而使发酵能够快速进行。 (2)锥形发酵罐基本结构 ?罐顶部分罐顶为一圆拱形结构，中央开孔用于放置可拆卸的大直径法兰，以安装CO2和CIP管道及其连接件，罐顶还安装防真空阀、过压阀和压力传感器等，罐内侧装有洗涤装置，也安装有供罐顶操作的平台和通道。 ?罐体部分罐体为圆柱体，是罐的主体部分。发酵罐的高度取决于圆柱体的直径与高度。由于罐直径大耐压低，一般锥形罐的直径不超过6m。罐体的加工比罐顶要容易，罐体外部用于安装冷却装置和保温层，并留一定的位置安装测温、测压元件。罐体部分的冷却层有各种各样的形式，如盘管、米勒扳、夹套式，并分成2,3段，用管道引出与冷却介质进管相连，冷却层外覆以聚氨酯发泡塑料等保温材料，保温层外再包一层铝合金或不锈钢板，也有使用彩色钢板作保护层。 ?圆锥底部分圆锥底的夹角一般为60º,80º，也有90º,110º，但这多用于大容量的发酵罐。发酵罐的圆锥底高度与夹角有关，夹角越小锥底部分越高。一般罐的锥底高度占总高度的1/4左右，不要超过1/3。圆锥底的外壁应设冷却层，以冷却锥底沉淀的酵母。锥底还应安装进出管道、阀门、视镜、测温、测压得传感元件等。此外，罐的直径与高度比通常为1:2,1:4，总高度最好不要超过16m，以免引起强烈对流，影响酵母和凝固物的沉降。制罐材料可用不锈钢或碳钢，若使用碳钢，罐内壁必须涂以对啤酒口味没有影响的且无毒的涂料。发酵罐工作压力可根据罐的工作性质确定，一般发酵罐的工作压力控制在0.2,0.3MPa。罐内壁必须光滑平整，不锈钢罐内壁要进行抛光处理，碳钢罐内壁涂料要均匀，

无凹凸面，无颗粒状凸起。 (3)锥形发酵罐主要尺寸的确定 ?径高比锥形罐呈圆柱锥底形，圆筒体的直径与高度之比为1:1,4。一般径高比越大，发酵时自然对流越强烈，酵母发酵速度快，但酵母不容易沉降，啤酒澄清困难。一般直径与麦汁液位总高度之比应为1:2，直径与柱形部分麦汁高度之比应为1:1,1.5。 ?罐容量罐容量越大，麦汁满罐时间越长，发酵增殖次数多、时间长，会造成双乙酰前驱物质形成量增大，双乙酰产生量大、还原时间长。此外，还会造成出酒、清洗、重新进麦汁等非生产时间延长，且用冷高峰期峰值高，造成供冷紧张。由于二氧化碳的释放和泡沫的产生，罐有效容积一般为罐总量的80%左右。 ?锥角一般在60?,90?之间，常用60?,75?(不锈钢罐常用锥角60?，内有涂料的钢罐锥角为75?)，以利于酵母的沉降与分离。 ?冷却夹套和冷却面积锥形发酵罐冷却常采用间接冷却。国内一般采用半圆管、槽钢、弧形管夹套，或米勒板氏夹套在低温低压(,3?、0.03MPa)下用液态二次冷媒冷却，国外多采用换热片式(爆炸成型)一次性冷媒直接蒸发式冷却。一次性冷酶(如液氨蒸发温度为,3,,4?)蒸发后的压力为1.0MPa,1.2MPa,对夹套耐压性要求较高。由于啤酒冰点温度一般为,2.0,,2.7?,为防止啤酒在罐内局部结冰，冷媒温度应在,3?左右。国内常采用20%,30%的酒精水溶液，或20%丙二醇水溶液作为冷媒。根据罐的容量不同，冷却可采用二段式或三段式。冷却面积根据罐体的材料而定，不锈钢材料一般为0.35,0.4m/m发酵液，碳钢罐为0.5,0.62m/m发酵液。锥底冷却面积不宜过大，防止贮酒期啤酒的结冰。 ?隔热层和防护层绝热层材料要求导热系数小、体积质量低、吸水少、不易燃等特性。常用绝热材料有聚酰胺树脂、自熄式聚苯乙烯塑料、聚氨基甲酸乙酯、膨胀珍珠岩粉和矿渣棉等。绝热层厚度一般为150,200mm。外保护层一般采用0.7,1.5mm厚的铝合金板、马口铁板或0.5,0.7mm的不锈钢板，近来瓦楞型板比较受欢迎。 ?罐体的耐压发酵产生一定的二氧化碳形成罐顶压力(罐压)，应设有二氧化碳调节阀，罐顶设有安全阀。当二氧化碳排出、下酒速度过快、发酵罐洗涤时二氧化碳溶解等都会造成罐内出现负压，因此必须安装真空阀。下酒前要用二氧化碳或压缩空气背压，避免罐内负压的产生，造成发酵罐"瘪罐"。 3(锥形罐发酵工艺 (1)锥形罐发酵的组合形式锥形罐发酵生产工艺组合形式有以下几种: ?发酵,贮酒式此种方式，两个罐要求不一样，耐压也不同，对于现代酿造来说，此方式意义不大。 ?发酵,后处理式即一个罐进行发酵，另一个罐为后熟处理。对发酵罐而言，将可发酵性成分一次完成，基本不保留可发酵性成分，发酵产生的CO2全部回收并贮存备用，然后转入后处理罐进行后熟处理。其过程为将发酵结束的发酵液经离心分离，去除酵母和冷凝固物，再经薄板换热器冷却到贮酒温度，进行1,2天的低温贮存后开始过滤。 ?发酵-后调整式即前一个发酵罐类似一罐法进行发酵、贮酒，完成可发酵性成分的发酵，回收CO2、回收酵母，进行CO2洗涤，经适当的低温贮存后，在后调整罐内对色泽、稳定性、CO2含量等指标进行调整，再经适当稳定后即可开始过滤操作。 (2)发酵主要工艺参数的确定 ?发酵周期由产品类型、质量要求、酵母性能、接种量、发酵温度、季节等确定，一般12,24天。通常，夏季普通啤酒发酵周期较短，优质啤酒发酵周期较长，淡季发酵周期适当延长。 ?酵母接种量一般根据酵母性能、代数、衰老情况、产品类型等决定。接种量大小由添加酵母后的酵母数确定。发酵开始时:10,20×10个/ml;发酵旺盛时:6,7×10个/ml;排酵母后:6,8×10个/ml;0?左右贮酒时:1.5,3.5×10个/ml。 ?发酵最高温度和双乙酰还原温度啤酒旺盛发酵时的温度称为发酵最高温度，一般啤酒发酵可分为三种类型:低温发酵、中温发酵和高温发酵。低温发酵:旺盛发酵温度8?左右;中温发酵:旺盛发酵温度10,12?;高温发酵:旺盛发酵温度15,18?。国内一般发酵温度为:9,12?。双乙酰还原温度是指旺盛发酵结束后啤酒后熟阶段(主要是消除双乙酰)时的温度，一般双乙酰还原温度等于或高于发酵温度，这样既能保证啤酒质量又利于缩短发酵周期。发酵温度提高，发酵周期缩短，但

代谢副产物量增加将影响啤酒风味且容易染菌;双乙酰还原温度增加，啤酒后熟时间缩短，但容易染菌又不利于酵母沉淀和啤酒澄清。温度低，发酵周期延长。 ?罐压根据产品类型、麦汁浓度、发酵温度和酵母菌种等的不同确定。一般发酵时最高罐压控制在0.07,0.08MPa。一般最高罐压为发酵最高温度值除以100(单位MPa)。采用带压发酵，可以抑制酵母的增殖，减少由于升温所造成的代谢副产物过多的现象，防止产生过量的高级醇、酯类，同时有利于双乙酰的还原，并可以保证酒中二氧化碳的含量。啤酒中CO2含量和罐压、温度的关系为: CO2(%，m/m)=0.298+0.04p,0.008t 其中 p --罐压(压力表读数)(MPa) t --啤酒品温(?) ?满罐时间从第一批麦汁进罐到最后一批麦汁进罐所需时间称为满罐时间。满罐时间长，酵母增殖量大，产生代谢副产物α-乙酰乳酸多，双乙酰峰值高，一般在12,24h，最好在20h以内。 ?发酵度可分为低发酵度、中发酵度、高发酵度和超高发酵度。对于淡色啤酒发酵度的划分为:低发酵度啤酒，其真正发酵度48%,56%;中发酵度啤酒，其真正发酵度59%,63%;高发酵度啤酒，其真正发酵度65%以上，超高发酵度啤酒(干啤酒)其真正发酵度在75%以上。目前国内比较流行发酵度较高的淡爽性啤酒。 (4)锥形发酵罐工艺要求 ?应有效的控制原料质量和糖化效果，每批次麦汁组成应均匀，如果各批麦汁组成相差太大，将会影响到酵母的繁殖与发酵。如10ºP麦汁成分要求为:浓度%(m/m)10?0.2，色度(EBC单位)5.0,8.0，pH5.4?0.2，α-氨基氮(mg/L)140,180。 ?大罐的容量应与每次糖化的冷麦汁量以及每天的糖化次数相适应，要求在16h内装满一罐，最多不能超过24h，进罐冷麦汁对热凝固物要尽量去除，如能尽量分离冷凝固物则更好。 ?冷麦汁的温度控制要考虑每次麦汁进罐的时间间隔和满罐的次数，如果间隔时间长次数多，可以考虑逐批提高麦汁的温度，也可以考虑前一、二批不加酵母，之后的几批将全量酵母按一定比例加入，添加比例由小到大，但应注意避免麦汁染菌。也有采用前几批麦汁添加酵母，最后一批麦汁不加酵母的办法。 ?冷麦汁溶解氧的控制可以根据酵母添加量和酵母繁殖情况而定，一般要求每批冷麦汁应按要求充氧，混合冷麦汁溶解氧不低于8mg/L。 ?控制发酵温度应保持相对稳定，避免忽高忽低。温度控制以采用自动控制为好。 ?应尽量进行CO2回收，以便于进行CO2洗涤、补充酒中CO2和以CO2背压等。 ?发酵罐最好采用不锈钢材料制作，以便于清洗和杀菌，当使用碳钢制作发酵罐时，应保持涂料层的均匀与牢固，不能出现表面凹凸不平的现象，使用过程中涂料不能脱落。发酵罐要装有高压喷洗装置，喷洗压力应控制在0.39,0.49MPa或更高。 (5)操作步骤(一罐法发酵) ?接种选择已培养好的0代酵母或生产中发酵降糖正常，双乙酰还原快、微生物指标合格的发酵罐酵母作为种子，后者可采用罐,罐的方式进行串种。接种量以满罐后酵母数在(1.2,1.5)×10个/ml为准。 ?满罐时间正常情况下，要求满罐时间不超过24h，扩培时可根据启发情况而定。满罐后每隔1天排放一次冷凝固物，共排3次。 ?主发酵温度10?，普通酒10?0.5?,优质酒9?0.5?，旺季可以升高0.5?。当外观糖度降至3.8%,4.2%时可封罐升压。发酵罐压力控制在0.10,0.15MPa。 ?双乙酰还原主发酵结束后，关闭冷媒升温至12?进行双乙酰还原。双乙酰含量降至0.10mg/L以下时，开始降温。 ?降温双乙酰还原结束后降温，24h内使温度由12?降至5?，停留1天进行酵母回收。亦可在12?发酵过程中回收酵母，以保证更多的高活性酵母。旺季或酵母不够用时可在主发酵结束后直接回收酵母。 ?贮酒回收酵母后，锥形罐继续降温，24h内使温度降至-1?,-1.5?，并在此温度下贮酒。贮酒时间:淡季7天以上，旺季3天以上。 4(酵母的回收锥形罐发酵法酵母的回收方法不同于传统发酵，主要区别有:回收时间不定，可以在啤酒降温到6,7?以后随时排放酵母，而传统发酵只能在发酵结束后才能进行;回收的温度不固定，可以在6,7?下进行，也可以在3,4?或0,1?下进行;回收的次数不固定，锥形罐回收酵母可分几次进行，主要是根据实际需要多次进行回收;回收的方式不同，

一般采用酵母回收泵和计量装置、加压与充氧装置，同时配备酵母罐且体积较大，可容纳几个罐回收的酵母(相同或相近代数);贮存方式不同，锥形罐一般不进行酵母洗涤，贮存温度可以调节，贮存条件较好。一般情况下，发酵结束温度降到6,7?以下时应及时回收酵母。若酵母回收不及时，锥底的酵母将很快出现"自溶"。回收酵母前锥底阀门要用75%(v/v)的酒精溶液棉球灭菌，回收或添加酵母的管路要定期用85?的NaOH(俗称火碱)溶液洗涤20分钟;管路每次使用前先通85?的热水30分钟、0.25%的消毒液(H2O2等)10分钟;管路使用后，先用清水冲洗5分钟，再用85?热水灭菌20分钟。酵母使用代数越多，厌氧菌的污染一般都会增加，酵母使用代数最好不要超过4代。对厌氧菌污染的酵母不要回收，最好做灭菌处理后再排放。回收酵母时注意:要缓慢回收，防止酵母在压力突然降低造成酵母细胞破裂，最好适当备压;要除去上、下层酵母，回收中层强壮酵母;酵母回收后贮存温度2,4?，贮存时间不要超过3天。酵母泥回收后，要及时添加2,3倍的0.5,2.0?的无菌水稀释，经80,100目的酵母筛过滤除去杂质，每天洗涤2,2.5次。若回收酵母泥污染杂菌可以进行酸洗:食用级磷酸，用无菌水稀释至5%(m/m)，加入回收的酵母泥中，调制pH2.2,2.5，搅拌均匀后静置3h以上，倾去上层酸水即可投入使用。经过酸洗后，可以杀灭99%以上的细菌。酵母使用代数:有人研究发现，在同样的条件下，2代酵母的发酵周期较长，但降糖、还原双乙酰的能力较好;3代酵母在发酵周期、降糖、还原双乙酰能力等方面最好，酵母活性最强;4代酵母以后，发酵周期逐渐延长，酵母的降糖能力和双乙酰还原能力也逐渐下降，产品质量将变差。如果麦汁的营养丰富(α-氨基氮含量高，大于180mg/L)，回收酵母的活性高，而麦汁营养缺乏时，回收的酵母活性很差，对下一轮发酵和啤酒质量有明显影响。回收酵母泥时用0.01%的美蓝染色测定酵母死亡率，若死亡率超过10%就不能再使用，一般回收酵母死亡率应在5%以下。 5(CO2的回收 CO2是啤酒生产的重要副产物，根据理论计算，每1kg麦芽糖发酵后可以产生0.514kg的CO2，，每1kg葡萄糖可以产生0.489kg的CO2，实际发酵时前1,2天的CO2不纯，不能回收，CO2的实际回收率仅为理论值的45%,70%。经验数据为，啤酒生产过程中每百升麦汁实际可以回收CO2约为2,2.2kg。 CO2回收和使用工艺流程为: CO2收集?洗涤?压缩?干燥?净化?液化和贮存?气化?使用 ?收集CO2 发酵1天后，检查排出CO2的纯度为99%,99.5%以上，CO2的压力为100,150kPa，经过泡沫捕集器和水洗塔除去泡沫和微量酒精及发酵副产物，不断送入橡皮气囊，使CO2回收设备连续均衡运转。 ?洗涤 CO2进入水洗塔逆流而上，水则由上喷淋而下。有些还配备高锰酸钾洗涤器，能除去气体中的有机杂质。 ?压缩水洗后的CO2气体被无油润滑CO2压缩机2级压缩。第1级压缩到0.3MPa(表压)，冷凝到45?;第2级压缩到1.5,1.8MPa(表压)，冷凝到45?。 ?干燥经过2级压缩后的CO2气体(约1.8MPa)，进入1台干燥器，器内装有硅胶或分子筛，可以去除CO2中的水蒸汽，防止结冰。也有把干燥放在净化操作后。 ?净化经过干燥的CO2，再经过1台活性碳过滤器净化。器内装有活性炭，清除CO2气体中的微细杂质和异味。要求2台并联，其中1台再生备用，内有电热装置，有的用蒸汽再生，要求应在37h内再生1次。 ?液化和贮存 CO2气体被干燥和净化后，通过列管式CO2净化器。列管内流动的CO2气体冷凝到,15?以下时，转变成,27?、1.5MPa的液体CO2，进入贮罐，列管外流动的冷媒R22蒸发后吸入致冷机。 ?气化液态CO2的贮罐压力为1.45MPa(1.4,1.5之间)，通过蒸汽加热蒸发装置，使液体CO2转变为气体CO2，输送到各个用气电。回收的CO2纯度要大于99.8%(v/v)，其中水的的最高含量为0.05%，油的最高含量为5mg/L，硫的最高含量为0.5mg/L，残余气体的最高含量为0.2%，将CO2溶于不能出现不愉快的味道和气味。 6(锥形罐的清洗与消毒在啤酒生产中，卫生管理至关重要。生产环节中清洗和消毒杀菌不严格所带来的直接后果是:轻度污染使啤酒口感差，保鲜期短，质量低劣;严重污染可使啤酒酸

败和报废。 (1)发酵大罐的微生物控制啤酒发酵是纯粹啤酒酵母发酵，发酵过程中的有害微生物的污染是通过麦汁冷却操作、输送管道、阀门、接种酵母、发酵空罐等途径传播的，而发酵空罐则是最大的污染源。因此，必须对啤酒发酵罐进行洗涤及消毒杀菌。 (2)杀菌剂的选择设备、方法、杀菌剂对大罐洗涤质量起着决定作用，而选择经济、高效、安全的消毒杀菌剂则是关键。我国大多数啤酒厂所采用的杀菌剂大致有CIO2、双氧水、过氧乙酸、甲醛等，使用效果最好的是CIO2。 (3)洗涤方法的选择 ?清水-碱水-清水这种方法是比较原始的洗涤方法，目前在中小型啤酒厂中使用较多，虽然洗涤成本低，但不能充分杀死所有微生物，而且会对啤酒口感带来影响。也有采用定期用甲醛洗涤杀菌，但并不安全。 ?清水-碱水-清水-杀菌剂(CIO2、过氧乙酸、双氧水) 一般认为上述三种消毒剂最终分解产物无毒副作用，洗涤后不必冲洗。采用此种方法的厂家较多，其啤酒质量特别是口感、保鲜期会比第一种方法提高一个档次。 ?清水-碱水-清水-消毒剂-无菌水有的厂家认为这种方法对微生物控制比较安全，又可避免万一消毒剂残留而带来的副作用，但如果无菌水细菌控制不合格也会带来大罐重复污染。 ?清水-稀酸-清水-碱水-清水-杀菌剂-无菌水此种方法被认为是比较理想的洗涤方法。通过对长期使用的大罐内壁的检查，可发现粘附有由草酸钙、磷酸钙和有机物组成的啤酒石，先用稀酸(磷酸、硝酸、硫酸)除去啤酒石，再进行洗涤和消毒杀菌，这样会对啤酒质量有利。 (4)其它因素对大罐洗涤的影响 ?CIP系统的设计:特别是管道角度、洗涤罐的容量及分布、洗涤水的回收方法等，都会对洗涤杀菌产生影响。有些采用带压回收洗涤水，压力过高会使洗涤水喷射产生阻力而影响洗涤效果。 ?洗涤器:当前生产的洗涤器种类很多，应选择喷射角度完全，不容易堵塞的万向洗涤器。定期拆开大罐顶盖对洗涤器进行检查，以免洗涤器因异物而堵塞。 ?洗涤泵及压力:如果泵的压力过小，洗涤液喷射无力，也会在大罐内壁留下死角，洗涤的压力一般应控制在0.25,0.4MPa。 ?大罐内壁:有的大罐内壁采用环氧树脂或T541涂料防腐，使用一段时间后会起泡或脱落，如果不及时检查维修，就会在这些死角藏有细菌而污染啤酒。 ?洗涤时间:只要方法正确，设备正常，一般清水冲洗每次15,20分钟，碱洗时间20分钟，杀菌时间20,30分钟，总时间控制在90,100分钟是比较理想的。 ?微检取样方法:大罐洗涤完毕后放净水，关闭底阀几分钟，然后再打开，用无菌试管或无菌三角瓶，在火焰上取样作无菌平皿培养24小时或厌氧菌培养7天，取样方法不正确或者培养不严格也会使微生物测定不准确。编辑本段三、异常发酵现象和处理方法

1(发酵液"翻腾"现象(造成酒液澄清慢，过滤困难，质量较差) 产生的原因:主要是由于冷却夹套开启不当，造成上部温度与工艺曲线偏差1.5,4?，罐中部温度更高，引起发酵液强烈对流。另外，压力不稳，急剧升降也会造成翻腾。解决办法:检查仪表是否正常;严格控制冷却温度，避免上部酒液温度过高;保持罐内压力稳定。 2(发酵罐结冰当罐的下部温度与工艺曲线偏差2?左右，会使贮酒期罐内温度达到啤酒的冰点(-1.8,2.3?)，可能导致冷却带附近结冰。啤酒冰点温度的经验计算公式为: G =-A×0.42+P×0.04+0.02 式中 A-啤酒中酒精含量m/m% P-原麦汁浓度m/m% G-冰点? 结冰的原因:仪表失灵、温度参数选择不当、热电阻安装位置深度不合适、仪表精度差、操作不当等。解决的办法:检查测温元件及仪表误差，特别要检查铂电阻是否泄漏，若泄漏应烘烤后石蜡密封或更换;选择恰当的测温点位置和热电阻插入深度;加强工艺管理、及时排放酵母;冷媒液温度应控制在-2.5,-4?，不能采用-8?的冷媒液。 3(酵母自溶原因:当罐下部温度与中、下部温度差1.5,5?以上时，会造成酵母沉降困难和酵母自溶现象。罐底酵母泥温度过高(16,18?)、维持时间过长，也会造成酵母

自溶，产生酵母味，有时会出现啤酒杀菌后混浊。解决的办法:检查仪表是否正常;及时排放酵母泥;冷媒温度保持-4?，贮酒期上、中、下温度保持在-1,1?之间。 4(饮用啤酒后"上头"现象原因:一般啤酒中高级醇含量超过120mg/L，异丁醇超过10mg/L，异戊醇含量超过50mg/L时，就会造成饮用啤酒后的"上头"现象。解决办法:选用高级醇产生量低的酵母菌种;适当提高酵母添加量，减少酵母的增殖量，酵母细胞数以15×10个/ml为宜;控制12?P麦汁α,氨基氮含量在180?200mg/L左右;控制麦汁中溶解氧含量在8,10mg/L;控制好发酵温度和罐压。 5(双乙酰还原困难发酵结束后双乙酰含量一直偏高达不到要求。造成这种现象的原因有:麦汁中α-氨基氮含量偏低，代谢产生的α-乙酰乳酸多，造成双乙酰峰值高，迟迟降不下来;采取高温快速发酵，麦汁中可发酵性糖含量高，酵母增殖量大，利于双乙酰的形成;主发酵后期酵母过早沉降，发酵液中悬浮的酵母数过少，双乙酰还原能力差;使用的酵母衰老或酵母还原双乙酰的能力差等。解决办法:控制麦汁中α-氨基氮含量(160,200mg/L),避免过高或过低;适当提高酵母接种量和满罐温度，双乙酰还原温度适当提高;发酵温度不宜过高，升温后采用加压发酵抑制酵母的增殖;主发酵结束后，降温幅度不宜太快;采用双乙酰还原能力强的菌种;添加高泡酒，加快双乙酰的还原;用CO2洗涤排除双乙酰;降温后与其他罐的酒合滤。 6(双乙酰回升发酵结束后双乙酰合格，经过低温贮酒或过滤以后，或经过杀菌双乙酰的含量增加的现象称为双乙酰回升。双乙酰回升的主要原因有:啤酒中双乙酰前驱物质残留量高，滤酒后吸氧造成杀菌后双乙酰超标的回升现象;发酵后期染菌造成双乙酰回升;过滤后吸氧使酵母再繁殖产生α,乙酰乳酸，经氧化后使双乙酰含量增加。解决办法:过滤时尽可能减少氧的吸入;过滤后清酒不宜长时间存放，更不能再不满罐的情况下放置过夜;清酒中添加抗氧化剂如抗坏血酸等或添加葡萄糖氧化酶消除酒中的溶解氧;灌装机要用二氧化碳背压;灌酒时用清酒或脱氧水引沫，以保证完全排除瓶颈空气，避免啤酒吸氧。 7(发酵中止现象发酵液发酵中止即所谓的"不降糖"。造成这种现象的原因有:麦芽汁营养不够，低聚糖含量过高，α,氨基氮不足，酸度过高或过低;酵母凝聚性强，造成早期絮凝沉淀;酵母退化，发生突变导致不降糖;酵母自发突变，产生呼吸缺陷型酵母所致。解决办法:如果是由酵母凝聚性强，造成早期絮凝沉淀所致。可以通过增加麦汁通风量，调整发酵温度，待糖度降到接近最终发酵度时再降温以延长高温期。但会改进酵母的凝聚性能，最好采用分离凝聚性较弱的酵母菌株解决这一现象。如果是因酵母退化，发生突变导致不降糖所致。可以采用更换新的酵母菌种来解决。如果是由酵母自发突变，产生呼吸缺陷型酵母所致。可以从原菌种重新扩培或更换菌种。此外，在麦芽汁制备过程中，要加强蛋白质的水解，适当降低蛋白质分解温度，并延长蛋白质分解时间;糖化时要适当调整糖化温度，加强低温段的水解，保证足够的糖化时间，并调整好醪液的PH值。四、其它啤酒发酵技术 (一)纯生啤酒酿造技术纯生啤酒是经过严格无菌处理(非热杀菌)，确保酒液内没有任何活体酵母或其他微生物，保质期达六个月到一年，又称为冷杀菌啤酒。纯生啤酒是近几十年逐步发展起来的一种啤酒新产品，其追求的目标是啤酒口感的新鲜、纯正和爽口。由于冷杀菌技术的不断完善，使纯生啤酒的产量日益增加，成为啤酒行业市场竞争的一个热点之一。可以预计我国今后几年内纯生啤酒将会在啤酒销售市场占据重要地位。纯生啤酒的质量要求:具有"熟啤酒"相同的生物稳定性和非生物稳定性;较长时间内保持啤酒的新鲜程度(风味稳定性);具有较好的香味和口味、以及良好的酒体外观和泡沫性能;符合规定的理化指标要求。即纯生啤酒除了不采用热杀菌外，其他质量要求与熟啤酒相同。纯生啤酒生产中存在的主要问题:由于未经热杀菌，啤酒中蛋白酶A的活性仍然存在，对啤酒的泡沫影响较大，造成啤酒泡沫的泡持性较差。纯生啤酒的衡量标准:测定啤酒中蔗糖转化酶的活性。一般经过巴氏杀菌或瞬间杀菌的啤酒蔗糖转化酶的活性被破坏，测定有无蔗糖转化酶活性可以判断是否为纯生啤酒。 1(纯

生啤酒生产方式: 纯生啤酒生产必须做到整个生产过程无菌或得到控制，最后进入到无菌过滤组合系统进行无菌过滤。包括复式深层无菌过滤系统和膜式无菌过滤系统。经过无菌过滤后，要求能基本除去酵母及其它所有微生物营养细胞(无菌过滤LRV?7),确保纯生啤酒的生物稳定性。 (1)微生物抑制法向酒液中添加无机抑制剂或有机抑制剂(防腐剂)，通过抑制微生物繁殖与代谢避免啤酒变质。常用消毒剂有苯甲酸那、山梨酸、曲酸、霉克、乳酸链菌肽等。 (2)紫外杀菌法以紫外线杀灭微生物控制啤酒中少量的微生物。由于紫外线杀菌效果不太理想，且可能对啤酒口味有影响，目前未被采用。 (3)无菌过滤法这种方法是目前常用的冷杀菌法，经硅藻土过滤机和精滤机过滤后的啤酒，进入无菌过滤组合系统进行无菌过滤。包括复式深层无菌过滤系统和膜式无菌过滤系统。经过无菌过滤后，要求能基本除去酵母及其它所有微生物营养细胞(无菌过滤LRV?7),才能确保纯生啤酒的生物稳定性。 2(纯生啤酒生产基本要求: (1)纯种酿造的关键-啤酒酵母纯生啤酒的生产是纯种酿造和有效控制后期污染的有机地结合。任何杂菌的存在都会影响啤酒的质量。 (2)选择良好的酒基经过发酵、后熟的啤酒，应具有良好的质量(包括风味、泡沫、非生物稳定性和满足理化指标要求)。生产中应认真做到:把好原料关、选好菌种、严格生产工艺与操作。 (3)保证有可靠的无菌生产条件纯生啤酒生产就是在生产过程中有效控制杂菌的结果，而不是通过各种手段处理的结果。生产过程中严格控制杂菌是纯生啤酒生产的关键，无菌过滤和无菌灌装则是生产的辅助手段。因此，啤酒整个生产全过程要尽量做到没有或基本没有杂菌污染，才能保证纯生啤酒的质量和减少后期处理的工作负荷量。 (4)在前道工序严格控制微生物污染的基础上，生产纯生啤酒进行的无菌过滤要满足以下要求:无菌过滤的有效性，对任何微生物除去率要达到要求，并且不会影响啤酒的口味、泡沫等质量要求;选用合理的无菌过滤组合，一般要求应按深层过滤-表面过滤-膜过滤的顺序进行组合，其孔径选择为:深层过滤1,3微米、表面过滤0.8,1微米、膜过滤0.45,0.65微米。应配置两组过滤组合，以保证正常生产;具有独立的CIP和膜再生系统; (5)纯生啤酒包装时，要有以下基本要求:包装容器清洗系统(含瓶、易拉罐、生啤酒桶)应保证清洁、无菌;对灌装车间，灌装机可以放在一个密闭的无菌房间内，室内空气要进行有效的过滤，室内对室外保持正压，约0.03,0.05kPa;对输送啤酒瓶的输送链，在未灌装啤酒、密封以前的部分应使用带有消毒作用的链润滑剂，同时在灌装机前的部分输送链应有不断清洗装置，确保整个输送链的卫生;生啤酒灌装线的洗瓶机，应采用单端进出，防止进瓶端的污瓶污染出瓶端的洁净瓶;洗净的啤酒瓶在输送到灌装机的过程中，要有密闭的防护罩，避免灰尘、飞虫等的污染。 3(纯生啤酒生产过程中的微生物管理 (1)酿造无菌水的制备处理过程: 深井水?软化处理?砂滤器?活性碳过滤器?颗粒捕集过滤器?预过滤器?除菌过滤器对于硬度大的水应先进行软化处理，并去除大颗粒杂质后再进行膜过滤处理。水除菌过滤器使用前要用蒸汽进行杀菌，生产用水的水网应定期进行清洗和消毒。无菌水微生物控制指标:细菌总数?10个/100ml，酵母菌0个/100ml，厌氧菌0个/100ml。 (2)无菌空气的制备无菌空气用于冷麦汁充氧和酵母扩培，无菌空气过滤处理不当，会对纯生啤酒生产中的微生物控制带来影响，必须加强无菌空气过滤系统的管理。无菌空气的制备流程如下: 压缩空气?除油、水和杂粒?预过滤器?除菌过滤器?重点工位除菌分过滤器?无菌空气无菌空气微生物控制指标:细菌总数?3个/10分钟，酵母菌0个/10分钟，厌氧菌0个/10分钟。 (3)无菌CO2的制备啤酒酿造过程中清酒CO2的添加、脱氧水的制备、清酒罐背压等阶段均需使用CO2。在纯生啤酒生产中也要对CO2进行无菌处理，CO2的回收管路也要定期进行CIP清洗，气体除菌过滤器每次使用前要进行蒸汽消毒处理。无菌CO2的制备流程如下: CO2液化贮罐?加热气化?预过滤器?除菌过滤器?分气点除菌过滤器?无菌CO2 无菌CO2微生物控制指标:细菌总数?3个/10分钟，酵母菌0个/10分钟，厌氧菌0

个/10分钟。 (4)消毒用蒸汽的处理处理的目的是为了除去蒸汽带入的颗粒，防止除菌滤芯的破坏或堵塞，延长滤芯的使用寿命。蒸汽过滤一般采用不锈钢材质、过滤精度在1.0μm的微孔过滤芯。 (5)过滤操作中的微生物控制 ?避免发酵液污染杂菌是纯生啤酒生产的基础。 ?过滤前对酒输送管路、缓冲罐、过滤机、硅藻土(或珍珠岩)添加罐、清酒罐进行CIP清洗。 ?过滤系统及清酒罐的取样阀要定期拆洗，每次操作前进行严格清洗。 ?活动弯头、管连接、软管、取样阀、工具等不使用时要浸泡在消毒液中。 ?硅藻土添加间要独立分隔，并安装紫外灯定期杀菌。 ?每次操作后要用0.1%的热酸清洗，每周对过滤系统用2.0%的热碱进行清洗。 ?清酒要求: 浊度<><150mg><0.5。细菌总数?50个 00ml，酵母菌0个/100ml，厌氧菌0个/100ml。="" (6)清酒的无菌过滤="" 由安装在灌装压盖机前的0.45μm的膜过滤机进行无菌过滤，膜过滤机要有高灵敏度的膜完整性检测系统。膜过滤机用的冷、热水，要经过20μm预过滤处理大颗粒后，再供膜过滤机使用。="" (7)无菌灌装="" 装间应达到30万级的洁净要求，洁净室的设计、建造以及卫生消毒可以参考医药行业的gmp标准。="" 净室工作人员要穿洁净服，人数在4人以内。避免人员频繁进出，人员进出时要进行严格消毒。="" 生啤酒用啤酒瓶应采用卫生条件好的新瓶(如薄膜包装的托板瓶);采用适合纯生啤酒使用的无菌瓶盖，瓶盖贮藏斗应安装紫外灯消毒。="" 瓶机的末道洗水改用热水对瓶子进行冲洗，洗瓶机出口端至洁净室入口的输瓶系统要安装隔离罩和紫外灯，并且要对出口端热消毒1个小时;要使用含有抑菌成分的链条润滑剂和具有抗水、耐酸碱的软化剂，对输送链板、接水板、护瓶栏、玻璃罩、链条底架部位等要进行消毒。="" 装压盖机使用前要对设备表面，入瓶、出瓶处进行清洁，提前打开紫外灯进行空气消毒。每月定期对灌装压盖机进行酸洗，预防机内结垢。="" 4(纯生啤酒的生产过程要确保可靠的无菌条件="" 严格来说，"纯生啤酒的生产是在生产过程中有效控制杂菌污染的结果，而不是通过各种手段处理的结果"，因而不能单纯依靠终端的过滤和相应的其他处理。也就是说，在纯生啤酒的生产过程中，最为重要的是必须严格控制生产过程的杂菌污染，最后的无菌过滤和无菌灌装只是辅助手段，依此来保证并提高纯生啤酒的质量。为此，要求在啤酒生产的全过程尽量做到没有或基本没有杂菌污染。用四平金士百啤酒集团的一句话说，生产纯生啤酒，关键是打造一个纯生环境。为了确保纯生啤酒质量和降低后期无菌过滤、无菌包装的工作负荷，要求杂菌应小于10个,ml。="" (1)啤酒生产过程中杂菌污染的类型:="" 次污染和二次污染:="" 一次污染是指啤酒生产过程中，从可以被污染的时候开始发生的微生物接触污染，这种污染危害较大。二次污染是指啤酒经过无菌处理后再次发生的接触污染，主要发生在清酒和包装过程。二次污染是生产纯生啤酒必须严格控制的内容。="" 叉污染和累积污染:="" 交叉污染是指由于生产设备、生产工具、添加酵母以及其他共用的设施被杂菌污染，消毒灭菌不够所引发的相互污染。其中，以酵母的污染危害较大。="" 累积污染是指在啤酒生产过程中，各个工序不断发生污染，造成污染程度的累加。这种污染的情况量为严重，对啤酒质量的危害性最大。="" 接污染和间接污染:="" 直接污染是指与产品直接接触的原辅材料、添加剂、设备、管道和气源、水源等含有杂菌对产品发生的污染;间接污染是指污染了与产品直接接触的物品而受到的污染，如人体、环境等。="" (2)生产纯生啤酒，还应做好以下几方面的工作:="" 先要做好与产品直接接触的气源、水源和其他物料的无菌过滤和消毒灭菌工作，防止产品的直接污染和一次污染。="" 次对麦芽汁制备、啤酒发酵、无菌过滤和包装等生产过程，要分别配置相应的cip和sip系统，尽量做到不共用。="" 产所使用的容器、管道、阀门等的内壁要经抛光处理。内壁抛光后的ra应不低于0.8微米，尽可能达到0.5微米。="" 个啤酒生产过程要在密闭的、带正压的条件下进行，并得到良好的cip洗涤和有效的sip消毒灭菌。="">

包括添加酵母，都应严格控制无菌条件，确保不发生杂菌的污染。 ?要完善微生物检测手段，确定相应的微生物检测点和检测制度，使用先进的检测方法和检测仪器，全程进行有效的微生物监测，确保无菌生产的条件。 (二)小麦啤酒的生产技术小麦啤酒是以小麦芽为主要原料，使用部分麦芽、辅料(大米等)，添加酒花，采用上面发酵工艺酿制成的特殊类型的啤酒，其特点是口味清爽、柔和，酒精含量较高，泡沫性能好，类似于国外的白啤酒或上面发酵啤酒。 1(小麦啤酒的生产形式小麦啤酒生产形式有以下三种: (1)上面发酵型属于传统的爱尔(Ale)啤酒生产方法，用小麦芽、麦芽为原料，按一定的糖化工艺制成麦汁，在较高的温度下接种上面酵母进行发酵，发酵结束后用撇沫法回收酵母，经适当时间的后熟及贮酒制成，具有爱尔啤酒典型的风味。 (2)混合发酵型其糖化操作与上面发酵型相同，但同时使用两种酵母(上面酵母和下面酵母)进行发酵，不过酵母添加的时间不同，即先使用较高的温度和用上面酵母进行发酵，达到一定的发酵度后，按上面发酵的方式回收酵母，然后转入贮酒罐。在贮酒罐添加下面酵母进行发酵，经过适当时间的后熟处理即可。 (3)阶段发酵型类似于混合发酵型，即以小麦芽、麦芽制成的麦汁在较高的温度下添加上面酵母进行上面发酵，待发酵结束后用酵母离心分离机分离掉上面酵母，再经瞬间杀菌除去上面酵母并迅速冷却到下面酵母发酵温度，同时添加上述麦汁和下面酵母进行第二次发酵，经后熟处理。国外白啤酒主要采用以上方法生产。 2(小麦芽的选择一般选择蛋白质含量低、色度和粘度较低的小麦制成小麦芽。 (1)小麦芽的溶解度一般低于大麦芽，粗细粉浸出物差值偏高，库尔巴哈值偏低，蛋白质的溶解不足，糖化时应加强对蛋白质的分解。 (2)小麦芽没有粗糙的皮壳，其无水浸出率比大麦芽高约5%。 (3)小麦芽中花色苷的含量较低，洗糟水温可以提高到80?(洗糟水先进行酸化处理)。 (4)小麦芽糖蛋白含量较高，酿制出的啤酒泡沫性能好，泡沫丰富持久。 (5)小麦芽由于细胞溶解不足，小麦芽中β-葡聚糖等半纤维素的含量高，制成的麦汁粘度高，易造成麦芽汁过滤困难，糖化时应添加适量的β-葡聚糖酶、戊聚糖酶以降低麦汁粘度，加快过滤的进行。 (6)小麦芽中蛋白质含量较高，会造成麦汁过滤困难和啤酒的非生物稳定性较差，应尽量选用蛋白质含量较低的小麦品种制备小麦芽。 (7)麦芽汁过滤尽量采用麦汁压滤机。 (8)传统的小麦啤酒具有明显的酯香味和酸味，而采用下面酵母低温发酵酿制出的小麦啤酒风味变化不大。 (9)小麦啤酒滤酒前添加硅胶可以提高啤酒的澄清度，使啤酒易于过滤。 4(工艺要求 (1)加强糖化阶段蛋白质的分解小麦芽的含氮量高与大麦芽，且小麦芽的溶解度低于大麦芽，粉状粒的比例稍低(80%多)，库尔巴哈值不到40%，必须加强蛋白质的分解。 (2)小麦啤酒的浊度较高，麦汁煮沸时可以添加麦汁澄清剂(卡拉胶)，添加量为20,30mg/100L麦汁，以提高麦汁清亮度，加快麦汁过滤。 (3)加强麦汁煮沸，煮沸强度应达到9,10%，煮沸pH为5.2,5.4。还可以添加适量的CaCl2，有利于蛋白质的絮凝沉淀。 (4)采用低温发酵工艺，升压后及时排放酵母，减少酵母自溶，进入贮酒期每2天左右排放一次酵母。0?以下贮酒时间适当长些，以利于蛋白质和蛋白质-多酚物质的西出。 (5)滤酒时添加蛋白酶如酶清或木瓜蛋白酶等进一步分解蛋白质，添加量应根据小试确定。添加过量会使啤酒口味淡薄，泡沫性能变差，同时也会造成啤酒混浊(因其本身也是蛋白质)。 (6)过滤前对发酵液快速降温，使发酵液温度达到-1?以下，促进蛋白质的析出。 (7)过滤前也可以添加适量的食用单宁沉淀蛋白质，添加量一般为20mg/100L啤酒左右，有利于防止啤酒混浊，避免啤酒过滤困难。 (三)低醇、无醇啤酒的生产技术低醇啤酒是指酒精体积分数值低于正常啤酒的特种啤酒，如无醇啤酒、低热量啤酒等。无醇啤酒是指经正常啤酒生产过程但啤酒的酒精体积分数低于0.5%的特种啤酒。无醇啤酒因其酒精含量很低，故非常适于社交场合饮用，也适于一些不宜饮酒的人群，如女士、司机、运动员、少年、儿童、酒精过敏者等消费人群。据了解，最早由瑞士推出的无醇啤酒，在美、

德、英、日等国家已经相继生产，并已经有了很大的发展。国内燕京等啤酒生产企业已开始采用低温真空蒸馏技术生产无醇啤酒。低醇啤酒的生产关键在于要求酒精含量低但啤酒特有风味不能少，其他质量特征也要保证。低醇啤酒的生产工艺大致上可以分为两类: 一类是通过控制啤酒发酵过程中酒精产生量处在所要求的标准范围内，如路氏酵母法，巴氏专利法，高温糖化法等。目前可以使用经过诱导变异的酵母生产无醇啤酒，其能在发酵过程中还原酒精(转变为酯或有机酸等)或基本不产生酒精，能使麦汁正常发酵，无不良风味及有害成分产生，发酵成熟的啤酒中酒精体积分数?0.5%。另一类是将正常发酵的啤酒中的酒精通过各种手段去除以达到标准的要求，如减压蒸发法，反渗透法，透析法等。酒精去除法的优点是: (1)去除的酒精量可以随意控制，可以生产无醇啤酒。 (2)糖化发酵工艺无需变化，只须进行发酵后处理。酒精去除法的缺点是: (1)需要投入大量的资金购置酒精去除设备。 (2)需要额外的处理费用和时间。 (3)处理过程中啤酒风味物质会被损失。 (4)处理不当易造成二次污染。限制发酵法的优点是: (1)无须额外的设备投资。 (2)生产工艺简单，成本低。 (3)风味损失少。限制发酵法的缺点是: (1)糖化或发酵工艺发生变化且工艺控制要求高。 (2)控制不当会影响啤酒口味和稳定性。目前，两类生产工艺都有使用，采用限制发酵法生产低醇啤酒更为经济实用，采用低温真空蒸馏法生产成本较高，而膜技术的应用为高效、节能、环保的无醇啤酒生产开辟新的途径。 1(限制发酵法生产低醇啤酒的方法简介: (1) 稀释法将正常浓度的麦汁稀释到较低的浓度进行发酵，也可以将正常的麦汁发酵后稀释到所要求的浓度以生产低醇啤酒，这种方法的缺点是:如果稀释倍数过低，啤酒中的酒精含量达不到要求值。稀释倍数过高，啤酒风味物质同时也被稀释掉，造成啤酒口味淡薄。 (2)低温浸出糖化法麦芽粉碎后用低于60?的热水浸泡，由于麦芽中的淀粉在此条件下不会被糊化而分解，也就不会产生可发酵的糖份，浸出液中仅含有少量的麦芽中带来的糖份。将经过这种糖化方法处理的麦汁进行发酵可产生较低含量的酒精。 (3)终止发酵法当啤酒发酵到所要求的酒精含量时快速降温，同时将酵母从发酵液中分离出来，使发酵停止。这种工艺生产的啤酒带有甜味，双乙酰还原难以彻底。 (4)巴氏专利法此工艺将高浓发酵和低浓发酵法巧妙地结合起来，既克服了低浓发酵法生产的低醇啤酒口味淡薄的缺点，也克服了高浓发酵法酒精含量偏高的缺点。此法生产的低醇啤酒风味较好，生产工艺简单易控制。用此工艺可以生产酒精含量从0.9%,2.4%的低醇啤酒。 (5)废麦糟法将糖化废麦糟再进行浸泡，加酸分解和蒸煮等处理，生产较低浓度的麦汁，为保证麦汁应有的香味，也可以添加40%,60%低温浸出法生产的麦汁。这种麦汁发酵产生较低的酒精含量。此工艺的缺点是操作烦琐。 (6)路氏酵母法采用专门的路氏酵母对正常麦汁进行发酵，由于这种酵母只能发酵麦汁中占总糖含量15%左右的果糖，葡萄糖和蔗糖，而不能发酵麦芽糖，因此只能产生少量酒精。但缺点是这种工艺生产的低醇啤酒由于含有大量的麦芽糖，啤酒带有甜味，而且生物稳定性较差。 (7)高温糖化法通过采用较高的糖化温度，跳过β-淀粉酶分解淀粉的过程以避免产生大量的麦芽糖，但又使液化彻底以防过多的糊精残留而影响啤酒稳定性。用此工艺生产的麦汁在发酵过程中酵母只能发酵正常情况25%,30%的糖份，完全可以控制酒精含量在1.5%以下。此工艺的关键在糖化的精确控制上。确当的糖化工艺控制完全可以保证啤酒既有合适的发酵度，又有较好的啤酒风味和稳定性。缺点是糖化操作要求较高。 (8)固定化酵母发酵法利用特定酵母固定化到一定载体上，麦汁在5,20h内缓慢流过固定化的酵母柱，通过低温和调节流速准确监控和调节酒精的形成以生产符合要求的无醇啤酒。在控制酒精形成的同时，发酵副产物和口味物质仍然能产生，生产的无醇啤酒可以达到质量要求，同时酒损低，环保，具有良好的开发潜力。 2(酒精去除法无醇啤酒方法简介 (1)低温真空蒸发(蒸馏)法该方法是以减压蒸发或蒸馏法将正常发酵好的啤酒中的乙醇蒸发，补加适量水分达到无醇啤酒质量要求;也可

将酒精蒸发或蒸馏后，再用一定量的含有低酒精度的啤酒与其混合，使混合后的啤酒风味接近正常啤酒。该法要求在低压(4,20kPa绝对压力)、低温(30,55?)下进行蒸馏，使酒精体积分数将至0.5%以下。采用的方法有真空蒸馏法、真空蒸发法和真空离心蒸发法。其中蒸发法使用效果较好。 (2)膜分离法膜分离法是使啤酒流过由有机或无机材料制成的膜而达到除醇的目的。常用的方法有反渗透法、渗析法。反渗透法除醇分三个阶段:浓缩、二次过滤和补充。浓缩阶段:每百升啤酒经过膜过滤产生2.2L渗出液，残余啤酒的酒精含量和浓度升高。二次过滤阶段:用完全除盐水补充啤酒中焙分离的渗出液，直到浓缩液中达到要求的酒精含量为止。补充阶段:浓缩液用水补充至原来的啤酒量，酒精含量也降到0.5%以下，同时还需给啤酒补充CO2，因为通过反渗透和补充水，啤酒中CO2含量很低。渗析法的膜由薄壁空心纤维制成，其孔径很小，啤酒中的酒精通过膜向膜的另一边渗透，而啤酒中的大分子物质被截留下来。随着渗析过程的进行，渗出液中酒精含量逐步增加，啤酒中的酒精含量逐步减少。当渗出液中酒精用连续真空蒸馏法缓慢去除时，啤酒中的酒精酒能达到要求。

啤酒的发酵过程是在啤酒酵母的参与下，对麦汁的某些组成进行一系列代谢，从而将麦汁风味转变为啤酒风味的过程。啤酒发酵是啤酒生产工艺流程中关键环节之一，也是一个极其复杂的在发酵罐内发生并释放大量热量的生化放热反应过程。由于这一过程中不仅麦汁中的可酵糖和氨基酸等营养物质被酵母细胞酶分解为乙醇(C2H5OH)和二氧化碳(CO2)，同时还产生一系列的发酵副产物，如:双乙酰，高级醇、醛、酸、酯等。这些代谢产物的含量虽然极少，但它们对啤酒质量和口味的影响很大，而这些中间代谢产物的生成取决于发酵温度。因此发酵过程是否正常和顺利，将直接影响到最终啤酒成品的质量。比如，发酵过程的温度若发生剧烈变化，不仅会使酵母早期沉淀、衰老、死亡、自溶，造成发酵异常，还直接影响到酵母代谢副产物组成，从而对啤酒酒体与风味，及啤酒胶体稳定性造成危害。所以发酵过程工艺条件的控制历来都受到酿酒工作者的高度重视。

过去啤酒发酵过程中各种工艺参数的控制，多用常规表显示，人工现场操作调节，手工记录来实现。然而随着啤酒产量的不断增大，发酵罐数量逐步增多(有的厂已达30,40个)，倘若仍然沿用常规办法，不仅会因仪表众多，给工人的生产操作造成极大的不便，而且还会因疏忽、错漏等人为原因，造成生产质量的不稳定，甚至发生生产事故。因此，设计用可编程控制器(PLC)自动控制啤酒的发酵温度。

1 啤酒发酵过程控制

1.1 被控对象

啤酒发酵是在发酵罐中静态进行的，它是由罐体、冷却带、保温层等部件组成。发酵罐的形状一般为圆锥状，容积较大，大部分在100m3(我国的啤酒发酵罐容积在120m3,500m3)以上。啤酒发酵要严格的按着工艺曲线进行，否则就会影响啤酒质量。为了有利于热量的散发，在发酵罐的外壁设置了上、中、下三段冷却套，相应设立上、中、下三个测温点和三个偏心气动阀，通过阀门开度调节冷却套内的冰水流量以实现对酒体温度的控制。以阀门开度为控制量，酒体温度为被控量，相应有3个冷媒阀门，通过控制流过冷却带的冷媒流量，控制发酵罐的温度。在发酵的过程中，温度在不断的升高，当达到上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精在冷却管内循环使罐内的温度降下来。当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒，则啤酒按工艺要求继续发酵，整个发酵过程大约20多天完成。因此，控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的关键。

1.2 啤酒发酵温度曲线

啤酒发酵工艺曲线如图1所示，包括自然升温、高温恒温控制、降温及低温恒温控制等三个阶段。在前期的自然升温阶段基本上不需要加以控制，这是由于啤酒罐发酵过程中，升温是靠发酵本身产生的热量进行的，任其自然升温;在恒温阶段，通过控制冷媒开关阀，保持发酵罐内温度恒定;在降温阶段，通过控制冷媒开关阀，以指定速率降温。

图1 典型啤酒发酵曲线

2 控制系统的硬件实现

发酵过程PLC控制系统结构如图2所示，由SIEMENS S7系列PLC(控制站)和若干台IPC(操作站)组成。该系统采用3级总线结构:底层链路为PROFIBUS-DP总线，连接远程I/O机架，负责PLC、CPU与分布式I/O站点的连接，现场设备就近连接到分布式I/O机架上。

图2 发酵罐群PLC控制系统结构图

(1)控制站(下位机)

下位机系统只需配置一套S7-200或者S7-300PLC系统(根据系统规模而定)，主要实现数据采集、自动控制、遥控和联锁等功能。下位机系统具有可靠性高、扩展方便的特点。

(2)操作站(上位机)

上位机系统由两套以上的工业控制计算机结合相应的通信接口设备构成。

3 控制系统的软件设计

3.1 控制系统组成

图3 温度控制系统组成框图

温度测量元件采用线性度好且时间常数小的铂电阻来测量发酵罐温度，经温度变送器把温度转换成与其成比例的电压。V/F转换器的作用是将温度转换器输出的电压转换成与其成比例的频率，该频率代表发酵罐内的实际温度。用PLC内的高速计数器记录此频率，以便和温度的给定值相比较产生误差信号。

啤酒的发酵工艺过程共有十多天时间，最重要的环节是控制每个时间段发酵罐内不同的发酵温度，我们根据发酵工艺的要求，设计出发酵温度-时间曲线，输入可编程序控制器，使系统自动根据不同时间段的温度给定值进行调节。整个系统主程序流程图如图4所示。

图4 控制主程序

主程序开始先计算出实际该罐啤酒的发酵时间，然后取出该段时间对应的标准温度值，将标准温度值与实际温度值比较，若相等则再次回到主程序入口进行下一轮的标准值查找，若不相等则系统由CPU计算出相应的PID系数，输出信号去控制电磁阀，用电磁阀控制的

气路打开或关闭冷媒阀，进行温度调节。

3.2 PLC闭环控制系统中PID控制器的实现

PID控制器是比例—积分—微分控制(Proportional-Integral-Derivative)的简称，之所以得到广泛应用是因为它具有以下优点:

(1)不需要精确的控制系统数学模型。由于非线性和时变性，很多工业控制对象难以得到其准确的数学模型，因此不能使用控制理论中的设计方法。对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。

(2)有较强的灵活性和适应性。积分控制可以消除系统的静差，微分控制可以改善系统得动态响应速度，比例、积分和微分控制三者有效的结合就可以满足不同的控制要求。根据被控对象的具体情况，还可以采用各种PID控制的改进的控制方式，如PI、PD、带死区的PID、积分分离PID、变速积分PID等。

(3)PID控制器的结构模型，程序设计简单，工程上易于实现，参数调整方便。

3.3 PLC实现PID控制的方式

用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法:

(1)使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格较高，一般在大型控制系统中使用。

(2)使用PID功能指令。现在很多的PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200

的PID指令。他们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，但是价格便宜。

(3)用自编的程序实现PID闭环控制。有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有的虽然可以使用PID 控制指令，但是希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下，都需要用户自己编制PID控制程序。

3.4 PID控制参数的调整

1. 采样周期TS的确定

根据采样定理可知，采样频率应该大于或等于被采样信号所含最高频率的两倍，才能还原出原信号，即fs?2fmax，式中fs为采样频率， fmax为被采样信号中最高频率。

2. 参数Kp、Ki、Kd的确定

结论

本文介绍的发酵罐自动控制系统经实践检验，系统达到设计要求，运行效果良好，发酵温度符合工艺要求。当实际温度偏离标准温度时，自控系统及时响应，通过电磁阀去控制冷媒阀开启或关闭，发酵温度很快稳定在温度给定值上，且发酵温度变化曲线平缓，系统调节偏差仅为士0.1?，与传统的温度调节仪系统的调节偏差士1?相比，控制质量大大提高。

本文创新点:

1. 以计算机为主站，以PLC为控制器，实现了对啤酒的发酵温度控制;

2. 上位机监控软件以实时的形式，向操作人员提供发酵的温度,实现了操作过程的可视化;

范文四：啤酒发酵过程温度控制的设计

X X X X 学院

《啤酒发酵过程温度控制的设计》

大作业报告

专业计算机科学与技术

学号

姓名

日期 2015.12.30

1、作业内容及任务

麦汁发酵过程是一个复杂的生物化学过程，通常在锥形发酵罐中进行。目前的处理方法多是在麦汁发酵期间，在二十多天的发酵期间，根据酵母的活动能力，生长繁殖快慢，确定发酵曲线。要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗等达到最佳状态，必须严格控制各阶段的温度，使其在给定的温度曲线的±0.5℃范围内。发酵期间锥形发酵罐控制上、中、下三部分的温度，温度曲线见下图。

图1 发酵过程温度工艺曲线

通过啤酒发酵过程，掌握相关步骤。考查动手能力和对所学知识的掌握程度，以及查阅资料和收集信息能力。使设计者熟悉本设计的相关知识及培养解决设计过程中可能遇到问题的能力。

图2 发酵罐的测控点分布及管线图

2、对作业的认知或解读

麦汁发酵过程是啤酒生产中的一个重要环节。过去。啤酒发酵过程采用传统的手工操作控制，生产效率低，劳动强度大，不易于管理；啤酒质量差，产量低，

酒损多。有些啤酒生产厂家采用常规的仪表调节系统，虽然给企业带来一些益处，但也不利于现代化管理和机动灵活地修改工艺参数。采用计算机对啤酒发酵过程进行自动控制和现代化管理，很好地解决以上问题，获得了巨大的经济效益和社会效益。

图3 计算机控制系统原理图

3、系统结构模型框图

T1T30

图3 啤酒发酵过程计算机控制系统硬件框图

4、系统硬件元器件选型

WZP-231铂热电阻、RTTB-EKT温度变送器进行温度测量和变送、I/V变换

板、A/D板、电容式液位变送器及电动调节阀等

5、硬件设计

（1）模拟量输入通道设计本系统检测30个温度（T1~T30）、10个压力（p1~p10）、10个液位（H1~H10）。对于温度，我们选用WZP-231铂热电阻30支和RTTB-EKT温度变送器30只进行温度测量和变送，即将-20~+50℃变换成4~20mA DC信号变换成1~5V DC信号，最后把1~5V DC信号送至32路12位光电隔离A/D板IPC5488，从而实现温度的数据采集。对于压力，选用10台电容式压力变送器CECY-150G，进行压力测量变送，即将0~0.25MPa压力变换成10台电容式压力变送器4~20mA DC信号，同样经过I/V板送至A/D板。对于液位，选用10台电容式液位变送器CECU-341G（实际上是单法兰差压变送器），进行液位测量和变送，即将0~0.2MPa的差压转换成4~20mA DC信号，同样经I/V变换送至A/D板。

（2）模拟量输出通道设计本系统自动控制30个温度，即使用30个电动调节阀ZDLP-6B，通过调节阀门开度，从而调节冷却液（单酒精）流量，达到控制发酵温度的目的。

在模拟输出通道中，采用8路12位光电隔离D/A转换板IPC5486，将计算机输出的控制量转换成4~20mA DC信号，该信号送至操作器DFQ-2100，

DFQ-2100具有自动和手动切换功能，DFQ-2100输出4~20mA DC信号送至电动调节阀，从而实现控制30个调节阀，达到控制温度的目的。

另外，系统还配有+24V DC电源给变换、操作器供电。因采用光电隔离技术，故A/D板和D/A板都采用DC/DC电源变换模板，提高光电隔离所需的工作电源。

6、数字控制器的设计

（1）温度传感器

工业装配式热电阻通常用来显示仪表和计算机配套，直接测量各种生产过程中-200℃～+500℃范围内液体、蒸汽和气体介质及固体表面的温度。我厂生产热电阻全部符合ICE国际标准和国家有关规定，有铂热电阻和铜热电阻两大类，铂电阻又分为云母骨架、陶瓷骨架、厚膜电阻和薄膜电阻等。铜电阻的骨架有聚碳酸酯制成。铂电阻分度号Pt100，铜电阻分度号Cu50。BA1、BA2、Pt100铂电阻和Cu100铜电阻可订做。在此，我们选择Pt100。

（2）温度变送器

HAKK-WB系列温度变送器为24V供电、二线制的一体化变送器。产品采用进口集成电路，将热电阻的信号放大，并转换成4-20mA或0-10mA的输出电流,或0～5V的输出电压。其中铠装变送器可以直接测量汽体或液体的温度特别适用于低温范围测量，克服了冷凝水对测温所带来的影响特点。 Pt100温度变送

器用于Pt100铂电阻信号需要远距离传送、现场有较强干扰源存在或信号需要接入DCS系统使用。铂电阻温度变送器采用独特的双层电路板结构，下层是信号调理电路，上层电路可定义传感器类型和测量范围。

（3）孔板流量计

HYG系列孔板流量计（又称节流装置、差压式流量计）是测量流量的差压发生装置，配合各种差压计或差压变送器可测量管道中各种流体的流量。孔板流量计节流装置包括环室孔板，喷嘴等。孔板流量计节流装置与差压变送器配套使用，可测量液体、蒸汽、气体的流量，孔板流量计广泛应用于石油、化工、冶金、电力、轻工等部门。

充满管道的流体，当它们流经管道内的节流装置时，流束将在节流装置的节流件处形成局部收缩，从而使流速增加，静压力低，于是在节流件前后便产生了压力降，即压差，介质流动的流量越大，在节流件前后产生的压差就越大，所以孔板流量计可以通过测量压差来衡量流体流量的大小。这种测量方法是以能量守衡定律和流动连续性定律为基准的。

（4）差压变送器

3051X高精度差压变送器具备EJA原装表所有功能，还扩展了一些实用功能。旋转开关可PV值清零，顺时针增大，逆时针减小,可以1μA调整，也可大范围调整。

3051X高精度差压变送器主要性能和参数：

（1）输出信号：4～20mA.DC,二线制。（2）供电电压：12V～45V.DC。（3）电源影响：＜0.005%/V。（4）负载影响：电源稳定时无负载影响。（5）启动时间：＜2秒，不需预热。（6）工作环境：-25℃～+70℃ 相对温度：0～100%。迁移后的上下限绝对值均不应超过最大量程范围的上限值。（7）负载特征：RL≤（u-12）/i，式中：u---供电电压，i---回路电流。（8）振动影响：任何方向200Hz振动±0.5%/g。

（9）安装位置：膜片未垂直安装时，可能产生小于0.24Kpa的误差，但可通过调零消除。（10）防爆类型：隔爆型ExdllCT5,本安型ExiallCT6.

（5）流量积算仪

新虹润NHR-5610系列流量积算控制仪针对现场温度、流量等各种信号进行采集、显示、控制、远传、通讯、打印等处理，构成数字采集系统及控制系统。双屏LED数码显示，具有极宽的显示测量范围，可显示整五位的瞬时流量测量值、入口/出口温度测量值、流量（差压、频率）测量值等，及整11位的流量累积测量值，0.2％级测量精度，0.1％级累积精度。具备36种信号输入功能，可配接各种差压信号（孔板装置）、线性信号（电磁流量计）及脉冲信号（涡街流量计）。

可带两路模拟量变送输出。支持RS485、RS232串行接口，采用标准MODBUS

RTU通讯协议。仪表可带RS232C打印功能，具有手动、定时、报警打印功能。带DC24V馈电输出，为现场变送器配电。输入、输出、电源、通讯相互之间采用光电隔离技术。

（6）电动调节阀

RC系列电动调节阀包括驱动器，接受驱动器信号（0-10V或4-20mA）来控制阀门进行调节，也可根据控制需要，组成智能化网络控制系统，优化控制实现远程监控。

（7）UP-550程序调节器

液晶显示高性能程序调节器，UP550程序调节器1/4DIN型是高级程序控制仪表，具有30种程序模式、5种强大的调节功能。还具有便于查看的大屏数字显示，用于交互式程序模式与参数设定的LCD显示特性。标配有自动协调功能、“SUPER”抑制过冲功能以及新增加的“SUPER”hunting抑制功能。位置比例调节与加热/冷却模式适合于多种应用。

7、程序流程图

控制系统主程序的流程图

8、抗干扰分析

在硬件方面的抗干扰措施有：

（1）在电源输入端设置低通滤波器，滤去高次谐波成份。

（2）在温度传感器两端，以及其它地方使用压敏电阻器，吸收不同极性的过电压。

（3）在运行现场进行电磁干扰试验，对试验结果进行概率统计分析，并通过精心选择元器件、采用抗干扰技术使干扰源产生的电磁干扰降至最小。

（4）采用了AT89S52中的看门狗定时器，提高系统硬件抗干扰的能力。在软件方面的抗干扰措施有：

A、在程序设计时，将各程序模块分区存放，彼此之间空出一些存储单元，在这些单元中填充FF（RST指令）。同时对程序中重要的跳转和调用子程序指令前均加入三个NOP指令，以保证程序流向的正确性。

B、利用平均滤波法求取平均值。将最近6次采样得到的温度值，去除最大值和最小值，求算术平均值。

9、心得体会

本次设计让我深刻的理解了一些在学习中没有理解的知识。经过多次查阅资料，使我了解了啤酒发酵过程温度控制系统的相关知识。并通过这次设计加深了我对计算机控制这一门课程的认识，更深刻的体会到了工业自动控制究竟是什么。开始课程设计的时候认真的研究书本的设计方案，有模糊或是不同想法的地方就又回到课本上这些内容所设计的知识点，从而使我对计算机控制的信心又开始膨胀了。在这次课程设计中，我们结合在工厂实习以及查阅的资料，将理论与生产实际相结合，不仅了解了生产过程的复杂，更加深刻的掌握了理论知识。这次是比较完整的一个程序的设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的基础知识，解决实际问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、对程序整体的把握等其他能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富。这是我们都希望看到的也正是我们进行课程设计的目的所在。

虽然这次设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种组件的运用，各种算法的应用，各种控件的利用我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并逐步掌握的。和老师以及同学的沟通交流更使我对程序整体的规划与设计有了新的认识也对自己提出了新的要求。

10、参考文献

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[2] 李文涛.过程控制[M].北京：科学出版社. 2012.

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[8] 王树青.发酵过程自动化.化工自动化及仪表，1993

[9] 刘秀强.浅谈啤酒发酵过程中的温度控制.食品工业，1998

范文五：啤酒发酵温度的模糊控制与实现

啤酒发酵温度的模糊控制与实现电气传动２００７年第３７卷第１２期

啤酒发酵温度的模糊控制与实现

于浩洋黑龙江工程学院

摘要：针对啤酒发酵过程具有时变性、时滞性和非线性的特点，采用模糊积分控制器对啤酒发酵过程中的温度进行控制，从而构成模糊积分控制方法。实际运行结果表明该方法不仅优于传统的ＰＩＤ控制和常规的模糊控制方法，而且具有灵活性好，控制适应性强、动态性能好等优点。整个设计过程显示该方法编程简单、

容易实现。

关键词：模糊控制模糊积分控制器单片机温度控制啤酒发酵

Ｆ眦ｚｙＣｏｎｔｒｏｌ粕ｄＡｐｐｌｊｃａｔｉ蚰ｔｏｔｈｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆＢ∞ｒＦｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ

ＹｕＨａｏｙａｎｇ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｂｎｔｒｏｎｅｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｄｅｓｉｇｎｅｄ

ａ

ｏｎ

ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆ

ｔｈｅｂｅｅｒ

ｆｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ

ｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｆｕｚｚｙ—ｉｎｔｅｇｒａｔｅ

ａｓ

ｆｕｚｚ），．ｉｎｔｅｇｒａｔｅｃｏｎｔｒｏＵｅｒｗｈｉｃｈｈ４ｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｓｕｃｈｔｉｍｅ—ｖａｒｙｉｎｇ，ｔｉｍｅ—ｄｅｌａｙ

ｍｅｔｈｏｄｏｆ

ａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒ．Ｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎａｃｔｕａｌｄｅｖｉｃｅｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ

ｎｏｔ

ｏｎｌｙｂｅｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈｅ

ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｎｄｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ，ｂｕｔａｌｓｏｈａｓａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｇｏｏｄｎｅ】【ｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｔｒｏｎｇｃｏｎｔｒｏｌ

ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｇｏｏｄｄｙｎａｍｉｃ

ｐｅｒｆｏｍａｎｃｅ．

Ｗｈｏｌｅ

ｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓ

ｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓ

ｅａｓｙ

ｔｏａ—

ｃｈｉｅｖｅａｎｄｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ

ｆｕｚｚｙ－ｉｎｔｅｇｒａｔｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ

ｂｅｅｒ

ｆｅｍｌｅｎｔａｔｉｏｎ

１

引言

啤酒发酵是整个啤酒生产过程最重要的环

制效果良好口２

啤酒发酵系统对象及工艺过程简介

主要控制对象是发酵罐，罐内装有大量的麦

节，是一个复杂的微生物代谢过程。对于发酵罐内温度的控制是啤酒生产工艺流程毕的关键环节之一，也是确保啤酒质量、口感等特性的关键［１］。啤酒发酵罐内的温控对象不同于一般的工业对象，由于发酵过程的内部机理非常复杂，影响微生物生长的因素也错综复杂，因此整个过程具有时滞性大、时变性强、测量环境恶劣等特点，所以直至目前还很难用较精确的数学模型来描述。基于这种情况，常规的ＰＩＤ控制算法难以达到满意的效果口］，而近些年来流行的模糊控制能够做到对时变性、非线性和复杂的被控对象进行较为有效的控制，但是采用常规的模糊控制的最大问题，就是存在稳态误差，特别是对于大滞后对象的控制，其控制的动态特性也有待进一步提高口］。

针对上述情况，本文将模糊积分控制器［４］与单片机相结合应用于啤酒发酵罐内的温度控制系统，系统实际运行效果达到了预期的设计目的，控

２．１被控对象

汁，酵母在罐内发生化学反应而产生热量，使罐内温度升高，为了维持适宜的发酵温度，通常是往发酵罐冷却夹套内注入酒精水混合物来带走多余的反应热，由于罐内没有搅拌装置和加热装置，因此系统表现出很大的时滞效应；同时发酵罐的温控特性主要取决于发酵液内生化反应的激烈程度，而啤酒发酵过程是不断变化的间歇生产过程，因此对象特性具有明显的非线性和时变性。２．２啤酒发酵工艺曲线

不同的啤酒种类和口味，其发酵工艺曲线也不同，但对于确定的工艺曲线，就必须严格按照工艺曲线来控制，这样才能保证啤酒的质量和口味。本控制系统的啤酒发酵工艺曲线如图１所示。图１中，Ｏ口段为自然升温段；口６段为主发酵阶段；６ｃ

段为降温逐渐进入后酵；ｃｄ段为后酵阶段；如段

５３

万方数据

电气传动２００７年第３７卷第１２期

啤酒发酵温度的模糊控制与实现

为降温进入贮酒阶段；口，段为贮酒阶段。

图３模糊积分控制器的结构图

始终处于断开状态，因此，此时只有常规模糊控制

图１啤酒发酵工艺曲线

器起作用，目的是使系统快速响应和消除此时的误差；在系统接近（或进入）稳态时，即Ｐ＜岛时，判断电路由于条件满足而闭合输出，将此时已经是比较小的误差ｅ进行积分（累加），然后和原来的误差一起作为新的输入误差，从而使小误差的论域被进一步缩小，进而达到极大限度地减小系统的稳态误差。３．２硬件设计

硬件电路的设计如图４所示。

２．３发酵过程简介

由于啤酒酵母的作用，麦汁在发酵罐内发酵，在发酵过程中释放出的生化反应热和Ｃｏ。热量释放导致发酵温度上升，同时Ｃ０。的产生使罐内压力升高。在整个发酵过程中，发酵温度和压力必须根据具体的生产工艺进行严格控制，其中罐内温度通过控制冷却夹套内的酒精混合物的流量降温，整个系统没有外部加热措施，罐内压力通过控制Ｃ０。排气阀来调节。发酵控制系统流程图如图２所示。

双）（葛ｌ

系统

冷媒出

口

刊１黼卜一匾制题Ｈ墨Ｈ巫—岖固

—一墼Ｉ

图４控制电路结构方框图

温度传感器采用ＬＭ３５，它的灵敏度为１０ｍＶ／℃，常温下的测温精度为土ｏ．５℃以内，消耗电量最大也只有７０肛Ａ，采用双电源供电时，温度测量范围为一５５～＋１５０℃（金属壳封装）和一４０～＋１１０℃（Ｔ０９２封装），无需进行调整。ＬＭ３５对发酵罐内温度进行采样，信号放大后，经

图２啤酒发酵控制系统流程图

Ａ／Ｄ转换送单片机８０Ｃ５１中进行判断和运算。Ｄ／Ａ０８３２得到ｏ～５Ｖ的电压经过放大器放大为

Ｏ～１０Ｖ的电压，再通过集成转化电路ＡＤ６９４进

３’发酵罐内温度控制器的设计

３．１模糊积分控制器的设计

由于被控对象具有时变性、非线性和滞后性等

行Ｖ／Ｊ转换，从而得到４～２０ｍＡ的电流信号并自动地调节阀门的开度，实现发酵罐温度的控制。同时通过键盘还可以对控制温度进行设定和修改，发酵罐的温度可以通过液晶实时显示。３．３软件设计

选择温度偏差Ｅ和偏差变化率ＥＣ的论域为｛－一６，６），Ｕ的论域为｛一７，７），Ｅ的模糊子集为ｔＮＢ，ＮＭ，Ｎｓ，Ｎｏ，Ｐｏ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ、，ＥＣ莉Ｕ的模糊子集为｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，Ｚｏ，ＰＳ，ＰＭ，尸Ｂ），Ｅ，ＥＣ，【，的隶属函数均为梯型，隶属函数曲线分别如图５、图６、图７所示。

特点，因此常规的ＰＤ控制已经不能满足控制要

求，特别是对于滞后性的控制，达不到满意的控制效果，而常规的模糊控制器虽然能够解决对系统滞后性的有效控制，却无法有效地解决自身存在的稳态误差。因此，为改善模糊控制器的动态及稳态性能，采用积分模糊控制器，结构如图３所示。

本控制器是由普通模糊控制器、判断电路和积分电路３部分构成。在控制初始阶段，由于系统的误差较大，判断电路由于条件不满足，其输出

５４

万方数据

啤酒发酵温度的模糊控制与实现图５温度偏差Ｅ的

图６偏差变化率肼

隶属函数曲线

的隶属函数曲线

图７输出Ｕ的隶属函数曲线

模糊控制的控制规则可以写为：

ｉｆ

Ｅ

ａｎｄ

ＥＧｔｈｅｎＵ＃（ｉ＝１，２，…，７，８；

歹＝１，２，…，７）

根据现场情况和设计原则得到控制规则表，如表１所示。

表ｌ控制规则表

Ｅ

ＥＣ

ＮＢ

ＮＭ

Ｎｓ

Ｎｏ

Ｐｏ

ＰｓＰＭ

ＰＢＮＢＰＢＰＢＰＢ

ＰＢ

ＰＭ

ＰＳｚｏＮＭＰＢ

ＰＢ

ＰＭＰＭ

ＰＭＰＳｚｏＮＳ

ＮＳＰ８ＰＢ

ＰＭ

ＰｓＰＳｚｏＮＭ

ＮＭＺＯ

ＰＢ

ＰＭＰＳ

ＰＳｚｏＮｓＮＭ

ＮＭ

ＰＳ

ＰＭ

ＰＭｚｏ

ｚｏ

ＮｓＮＭＮＢＮＢＰＭ

ＰｓｚｏＮｓ

ＮＭ

ＮＢＮＢ

ＰＢ

２０

ＰＳ

ＮＭ

Ｎ８

ＮＢ

Ｎ８

Ｎ３

ＮＢ

本控制算法的程序流程图如图８所示。

图８模糊～积分算法控制流程图

万方数据

电气传动

２００７年’第３７卷第１２期

４

系统实时运行结果

本控制应用于某啤酒厂１２０ｍ３发酵罐的温

度控制，并同时对发酵罐的工作状态进行了实时

记录，图９是发酵罐温度实际运行曲线。系统的测量精度为±Ｏ．５℃，控制精度达到了士Ｏ．４℃，实际运行表明完全满足设计要求（小于标准工艺所要求的士２℃）。

Ｉｍ

图９发酵罐实测温度曲线

５

结论

理论分析表明模糊积分控制算法对时间滞后

对象的控制上即优于传统的ＰＩＤ控制算法，又能有效地减小常规的模糊控制算法中存在的稳态误差，通过将此算法应用于啤酒发酵罐中对温度环节的控制，可以看出此方法不仅具有灵活性好，控参考文献

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１９９７ＣｏｓｔａＢｒａｎｃｏＰＪ，ＤｅｎｔｅＪＡ．ＦｕｚｚｙＳｙｓｔｅｍｓＭｏｄｅｌ—

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顼丽百丽互丽Ｆ丽

修改稿日期：２００７＿０７—１２

５５

制适应性强、动态性能好等优点，而且编程简单、容易实现；实际运行结果再次表明此方法的正确性和可行性。

２

３李士勇．模糊控制神经控制和智能控制论［Ｍ］．哈尔

４于浩洋．模糊控制在燃煤锅炉燃烧系统中的应用研究

５孙增圻．智能控制理论与技术［Ｍ］．北京：清华大学出

啤酒发酵温度的模糊控制与实现

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

于浩洋， Yu Haoyang黑龙江工程学院电气传动

ELECTRIC DRIVE2007，37(12)1次

参考文献(5条)

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2.Costa Branco P J.Dente J A Fuzzy Systems Modeling in Practice 2001(1)3.李士勇模糊控制神经控制和智能控制论 1998

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5.孙增圻智能控制理论与技术 1997

相似文献(10条)

1.期刊论文于浩洋.景方.宋清昆.陈树生模糊控制在燃煤锅炉燃烧系统中的应用研究 -哈尔滨理工大学学报2003,8(1)

针对燃煤锅炉燃烧过程复杂,难用准确的数学模型来描述以及常规方法控制效果不理想等问题,在分析常规模糊控制器的基础上,结合模糊逻辑控制理论,设计了一个模糊积分控制器,并结合热负荷系统的串级模糊控制进行了仿真研究,同时在送风回路采用模糊自寻优控制.仿真结果证实了该方案的可行性和模糊积分控制器的有效性.

2.学位论文于浩洋链条锅炉燃烧系统模糊控制的研究 2003

该文通过对常规的模糊控制器、双模糊控制器、模糊PID控制器、模糊+PID控制器及自调整因子模糊控制器等多种类型的模糊控制器进行了大量的仿真研究,提出了带误差累加的模糊积分控制器.同时在参数的调整上,结合仿真结果分别对模糊控制器的量化因子、比例因子的调整进行了论证,并详细阐明量化因子和比例因子值的选取和调整对系统控制性能的影响.另外,在送风回路中采用了模糊动态自寻优控制方案,为锅炉运行于最佳燃烧状态,提供了必要的保证.该控制系统在哈尔滨飞机制造公司35T/H电站锅炉投入运行,获得了良好的控制效果.

3.期刊论文王耀南.徐泽华电压无功控制系统中模糊积分控制器的设计 -电工技术学报2002,17(1)

分析了电压无功控制系统中现有控制方法的优缺点,设计了一种适合于电力系统电压无功控制的模糊控制器,并提出运用积分的方法来限制电压无功控制系统的调节次数.

4.期刊论文屈颖.孙建平.王业萍.王小宝一种模糊控制器在非最小相位系统中的应用 -仪器仪表用户2004,11(3)

针对非最小相位系统具有右半平面零点,系统阶跃响应存在负调,以及常规方法控制不理想等问题,在分析常规模糊控制器的基础上设计了一种模糊积分控制器,改善了模糊控制器的动态和稳态性能.仿真结果证实了模糊积分控制器的可行性.

5.期刊论文张明光.王鹏.王兆刚.Zhang Mingguang.Wang Peng.Wang Zhaogang Smith模糊积分控制在焦炉系统中的应用 -计算机测量与控制2008,16(4)

针对常规PID控制器在控制具有时变、大滞后等特性的焦炉温度系统时,控制效果不太理想的情况,提出了Smith模糊积分控制器;该控制器利用Smith预估控制克服大滞后因素对系统的影响;利用模糊控制解决被控对象参数时变的问题;利用积分控制来消除系统的稳态误差;仿真结果表明,采用Smith模糊积分控制器,系统的调节时间缩短,响应速度加快,抗干扰能力和适应参数变化的能力都比较强,并且具有更好的动态特性和稳态特性,有效地减少了炉温的波动.

6.期刊论文秦建中新型复合模糊积分控制器在串级系统中的应用 -电子工艺技术2002,23(3)

介绍了一个与PID复合可调整控制规则的模糊积分控制器,对它的工作原理和设计方法给予了介绍,通过仿真可以看出该控制器在串级控制系统中的应用效果显著.

7.期刊论文吴炜.WU Wei 基于模糊控制的并联机器人系统研究 -南通职业大学学报2008,22(3)

针对一般模糊控制器无法消除稳态误差、易产生极限环振荡的问题,设计了并联机器人变参数调节模糊积分控制器,并进行了轨迹跟踪仿真试验,且利用VC++设计了并联机器人的计算机控制软件.实验结果表明,该模糊控制算法的实际控制效果较好,并联机器人能在其工作空间内顺利完成给定的轨迹运动,且具有一定的控制精度.

8.学位论文曹有为温度检测与模糊控制技术的研究 2007

温度作为一项热工参数，在工业现场和过程控制中起着举足轻重的作用。在复杂的工业控制中，被控对象通常具有严重的纯滞后、时变性、非线性以及存在种类繁多的干扰，采用常规的PID控制方法，难以获得满意的静、动态性能。模糊控制的本质是非线性控制和自适应控制，对于纯滞后的参数时变或模型不太精确的复杂控制系统，具有较强的鲁棒性。本文选用K型热电偶为感温元件，用PT100铂电阻测量环境温度，并作为热电偶的参比端补偿。采用多项式拟合算法和连续式非线性A/D转换实现非线性校正。硬件电路设计中以89C51单片机为核心充分利用了单片机的I/O资源，采用按位传送方式实现ADC接口电路，采用SPI接口实现DAC和显示器接口电路，有效地减少了硬件连线数量。软件设计时紧密结合硬件资源，充分运用定时时钟，完成了数据采集、数据处理、显示、键盘操作、串口通信和输出控制等功能。根据被控对象的大惯性，纯滞后且结构参数时变的特点，应用模糊控制技术设计一种适用于单片机系统的分段模糊积分控制算法，设计了分段模糊积分控制器，定义了模糊控制规则，编制了控制应用程序，给出了浸焊炉温度控制的应用曲线。模糊温度控制器具有适用范围广，自适应性强，可有效地解决PID控制器现场参数整定的困难，特别适用于大滞后、大惯性和时变的对象中。该控制器研制成功对于提高温度控制应用范围具有重要意义。

9.学位论文汪锋模糊自适应PID控制器在火电厂主蒸汽温度控制中的应用 2007

火电厂主蒸汽温度控制系统中的控制对象具有大滞后和大惯性等特点，并且影响主蒸汽温度变化的因素很多。目前电网要求大、中型火电机组都要求投入自动发电控制(AGC)运行中，而自动发电控制运行需要使机组负荷有较大变化时，锅炉主蒸汽温度等被调量则很容易较大幅度地偏离设定值。这就导致在机组负荷有较大变化的情况下，用传统的PID控制方式则很难将被调量控制在目前国家规程规定的允许偏差范围内。本文首先分析了一种基于PID参数的模糊控制器的新型方法，然后用常规模糊控制器、模糊积分控制器、模糊-PID双模控制器、模糊自适应PID控制器对一个大滞后的和大惯性的系统的控制效果进行研究，分别在定值输入和扰动输入的条件下，对不同控制器控制效果进行分析比较，由仿真结果得出用模糊自适应PID控制器在系统的定值输入和扰动输入的条件下，都具有良好的控制效果。并将该控制算法应用于火电厂主蒸汽温度控制系统中。在不同机组负荷下，通过仿真的方法将该结果与传统的串级PID控制结果进行比较，结果表明模糊自适应PID控制在火电厂主汽温控制系统中有良好的控制效果，其控制效果优于常规的串级PID控制。第一个方面的改进是提高了系统的稳态控制精度和系统的动态品质。第二个方面的改进是进一步提高模糊控制器的适应能力，具有更强的负荷适应性和鲁棒性，提高模糊控制器的智能水平以更好的适应对象的变化，特别适用于机组负荷变化时主蒸汽温度的控制。最后在模糊自适应PID控制的基础上，在系统中加入对调节器输出的变比例因子，提出了变比例因子模糊自适应PID控制，取得了比模糊自适应PID控制更好的控制效果。并且该控制器的算法简单，比较容易在火电厂集散控制系统中实现。

10.会议论文储文明.许伟明.左小五.张曼莉基于DeviceNet现场总线的网络控制系统设计 2008

设计了基于ARM7开发的智能模糊积分控制器和DeviceNet网络设备连接组成的网络控制系统。系统采用的是分级式系统监督和控制相分离的控制结构，在监督端采用当前比较流行的图形化开发软件LabVIEW设计监督机程序。这种模式的控制系统的好处是：在工业现场中一般控制器被前移至现场环境中，而监控设备被后移到远离现场的环境中，提高了控制的安全性。通过仿真与实时炉温控制均获得了良好控制效果,满足了实际控制的需要，具有较强的可行性和实用性。

引证文献(1条)

1.张涛.冯丽辉.董乃飞啤酒发酵过程模糊控制的研究[期刊论文]-云南民族大学学报（自然科学版） 2009(2)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dqcd200712014.aspx

下载时间：2010年1月10日

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