啤酒糖化生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的研究

吳　崢

摘要：本文詳細(xì)介紹了啤酒廠啤酒糖化過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說(shuō)明、硬件配置、軟件結(jié)構(gòu)，以及施工中所要注意的問(wèn)題，用小型集散系統(tǒng)代替常規(guī)的儀表系統(tǒng)是我國(guó)啤酒廠糖化生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)的重要方面，通過(guò)小型集散系統(tǒng)的應(yīng)用，我們可以對(duì)啤酒糖化過(guò)程實(shí)施先進(jìn)控制技術(shù)，這對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度都有很好的效果。

關(guān)鍵詞：啤酒糖化生產(chǎn)自動(dòng)化

1啤酒糖化生產(chǎn)原理

啤酒生產(chǎn)工藝主要是由麥汁制備、啤酒發(fā)酵、啤酒罐裝等工藝流程組成，而其中麥汁制備過(guò)程俗稱(chēng)糖化。糖化的目的，是通過(guò)物理和生化的措施，使麥芽(包括輔料)的內(nèi)容物大部分溶解出來(lái)，也就是說(shuō)通過(guò)煮沸(醒液和麥汁)以及控制溫度和PH等，以及發(fā)揮酶的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，且保持最大的收得率和最少的損失率。糖化的任務(wù)是在經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)上，保證麥汁的組成分能適合酵母的繁殖并順利地進(jìn)行發(fā)酵。

2工藝流程簡(jiǎn)介

根據(jù)工藝要求，定量大米和定量麥芽分別粉碎并且與適量的水混合形成米粉醒液和麥芽醒液，并分別送入糊化鍋和糖化鍋按一定溫度曲線進(jìn)行煮醒反應(yīng)。兩種醒液在糖化鍋內(nèi)混合，并繼續(xù)按一定溫度曲線進(jìn)行反應(yīng)，其間可能加入適量的磷酸以調(diào)整醒液的PH值。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為并醒反應(yīng)?；旌闲岩悍磻?yīng)完成后被送入過(guò)濾槽進(jìn)行過(guò)濾。過(guò)濾后麥汁液經(jīng)過(guò)預(yù)熱送入煮沸鍋，并加入洗糟水稀釋到指定的原麥汁濃度后開(kāi)始進(jìn)行蒸發(fā)。蒸發(fā)過(guò)程可分為兩個(gè)階段，其一為沸騰前期為小蒸發(fā)：將麥汁從80℃左右快速升溫至沸騰溫度，并可加入酒花、白糖及微量物質(zhì)用于調(diào)節(jié)啤酒風(fēng)味以及加入適量的磷酸以調(diào)節(jié)PH值，其二為麥汁沸騰期，常稱(chēng)為大蒸發(fā)，麥汁充分翻騰以加大水分蒸發(fā)面積，在規(guī)定的時(shí)間和煮沸強(qiáng)度下，使麥汁的濃度和PH值達(dá)到要求。煮好的熱麥汁送入沉清槽進(jìn)一步沉清后，在泵入薄板冷卻器冷卻至規(guī)定溫度，麥汁制備即為完成。

物質(zhì)變化。不同的啤酒品牌，不同的啤酒工藝最大的生產(chǎn)區(qū)別主要在第二步麥芽粉碎后糖化制成麥芽汁，因?yàn)橹饕奈镔|(zhì)變化都集中在這里。糖化過(guò)程的物質(zhì)分解主要有：淀粉分解、蛋白質(zhì)分解。大麥約含淀粉584-60％，輔料大米含淀粉75％-82％，輔料玉米含淀粉69％-72％，淀粉是由直鏈淀粉及支鏈淀粉組成的，淀粉分解主要在。淀粉酶和p淀粉酶的作用下最終生成低聚糊精和以麥芽糖為主的糖類(lèi)，在發(fā)酵過(guò)程中，麥汁中的可發(fā)酵性糖類(lèi)是酵母的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，供酵母繁殖和代謝，從而形成酒精和具有各種風(fēng)味的代謝產(chǎn)物：而低聚糊精則形成啤酒殘余浸出物的主體，給啤酒帶來(lái)粘度和口味的濃醇性。麥芽粒中的蛋白質(zhì)是由多種含氮物質(zhì)的混合物組成的，蛋白質(zhì)的分解是在蛋白酶的作用下進(jìn)行的，最終分解成氨基酸，氨基酸是酵母合成含氨的直接來(lái)源，如果麥汁缺乏氨基酸，酵母增殖會(huì)困難。糖化過(guò)程淀粉、蛋白質(zhì)都要求分解的比較徹底，以使發(fā)酵時(shí)酵母有足夠的營(yíng)養(yǎng)和保證糖化過(guò)程足夠的原料收得率。

3糖化方法

不同原料不同糖化法，做好的啤酒，因該有好的麥芽，但是由于大麥來(lái)源的不同和大麥品種、質(zhì)量的變化，以及制麥操作不穩(wěn)定、不正確等原因，一個(gè)啤酒廠要經(jīng)常使用質(zhì)量很不一樣的麥芽，一個(gè)啤酒廠要生產(chǎn)同樣的啤酒，質(zhì)量差的麥芽要進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救。不管啤酒的類(lèi)型、濃色、淡色，不管原麥汁濃度的高低，不管原質(zhì)量的優(yōu)劣，均用一種糖化方法，雖方便了工人操作，卻不能得出合乎要求的麥汁成分，也就釀造不出好的啤酒。糖化方法有：煮出糖化法、浸出糖化法、雙醛煮出糖化法。國(guó)內(nèi)大多用雙醛輔料、麥芽分別投入糊化鍋、糖化鍋，液化和煮沸后并入糖化鍋，達(dá)到所需要的糖化溫度。輔料在糊化鍋內(nèi)糊化、根據(jù)糖化鍋并醒的次數(shù)，分為一次、二次、三次糖化法。

糖化工藝要求。①原料中有用成分得到最大限度的萃取。主要是原料中的淀粉轉(zhuǎn)變成可溶性無(wú)色糊精和可發(fā)酵性糖的轉(zhuǎn)化程度。②原料中無(wú)用的或有害的成分溶解少。主要指麥芽的皮殼物質(zhì)、原料的脂肪、高分子蛋白質(zhì)等。他們會(huì)影響啤酒的風(fēng)味和啤酒的穩(wěn)定性，在麥汁的制備過(guò)程中減少溶解或通過(guò)麥汁處理，使他們減少是提高啤酒質(zhì)量的關(guān)鍵之一。③制成的麥汁的有機(jī)或無(wú)機(jī)組分的數(shù)量和配比符合啤酒品種、類(lèi)型和酵母生長(zhǎng)繁殖的要求，在原料質(zhì)量不穩(wěn)定的情況下，依據(jù)工藝原理進(jìn)行調(diào)節(jié)，盡量得到質(zhì)量均一的麥汁組成；在相似原料的情況下，通過(guò)不同工藝控制，制成不同組分的麥汁，來(lái)釀制不同風(fēng)格的啤酒。④保證上述三原則的前提下，縮短生產(chǎn)時(shí)間，節(jié)省工時(shí)，節(jié)省能耗也是實(shí)際的需要。

4啤酒糖化控制系統(tǒng)總體構(gòu)成

啤酒糖化控制系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖所示。

控制系統(tǒng)由模擬屏手動(dòng)操作和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制兩部分組成。模擬屏功能：①手自動(dòng)切換，當(dāng)模擬屏手自動(dòng)按鈕打到手動(dòng)時(shí)，當(dāng)前操作以模擬屏輸出為有效信號(hào)，計(jì)算機(jī)輸出被屏蔽{②實(shí)現(xiàn)各種模擬量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，主要通過(guò)各種量程的數(shù)顯表、光柱來(lái)完成，信號(hào)直接取自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的變送器；③能實(shí)現(xiàn)對(duì)各種調(diào)節(jié)閥、變頻泵的手動(dòng)遙控操作，主要借助于手操器完成；④顯示各種閥門(mén)開(kāi)／關(guān)狀態(tài)，電機(jī)、泵的運(yùn)行／停止?fàn)顟B(tài)，由接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)出狀態(tài)反饋到控制室通過(guò)各種指示燈完成：⑤手動(dòng)遙控閥門(mén)、電機(jī)，主要由按鈕[帶自鎖)加繼電器電平轉(zhuǎn)換完成：⑥實(shí)現(xiàn)一定功能的安全聯(lián)鎖功能，主要由不帶自鎖的按鈕加上一定數(shù)量的繼電器完成。

計(jì)算機(jī)控制部分又分為控制站和操作站兩部分。在該系統(tǒng)中選用了兩套SIEMENS的S7-300可編程控制器為控制站，配有電源模塊，CPU模塊[帶有MPI接口、DP接口)，模擬量輸入模塊，模擬量輸出模塊，開(kāi)關(guān)量輸入模塊，開(kāi)關(guān)量輸出模塊，機(jī)架接口模塊等，控制站完成現(xiàn)場(chǎng)的各種閥、電機(jī)、泵的實(shí)時(shí)控制，保證糖化的正常生產(chǎn)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)程序自動(dòng)調(diào)用故障處理子程序。操作站由兩套研華lPC610工控機(jī)組成，這兩套工控機(jī)通過(guò)MP工網(wǎng)同時(shí)與控制站實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，可以通過(guò)任意一臺(tái)操作站完成各種功能。每臺(tái)操作站均可以以多種方式顯示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)；同時(shí)生成各種生產(chǎn)管理報(bào)表，由打印機(jī)將報(bào)表打印輸出，另外兩臺(tái)操作站又通過(guò)NE200。網(wǎng)卡通過(guò)HUB與另外一套發(fā)酵集散控制系統(tǒng)相連接，完成某些數(shù)據(jù)的共享。

5實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的上位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)和生產(chǎn)管理中得到了迅速的發(fā)展。在工控機(jī)插上一塊網(wǎng)卡加上一些必要電纜線及接頭，就可以把原有的相互獨(dú)立的各車(chē)間級(jí)DCS集散控制系統(tǒng)組成局域以太網(wǎng)，形成更高級(jí)的管理層的DCS監(jiān)控系統(tǒng)。利用該網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)車(chē)間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等重要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)直接送到廠部領(lǐng)導(dǎo)和生產(chǎn)管理部門(mén)，將會(huì)為生產(chǎn)指揮和管理工作的進(jìn)行提供極大的方便，具有很高的性能價(jià)格比。

既能有效的正確的傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而又絕對(duì)不影響原有的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，是工業(yè)生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的關(guān)鍵，也是與一般商業(yè)局域網(wǎng)的最大區(qū)別，在最壞的情況下，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中不論發(fā)生何種情況的阻塞或斷線，我們必須保證各車(chē)間的計(jì)算機(jī)能正常運(yùn)行，從而不

影響各車(chē)間的正常生產(chǎn)，因而要求我們提供一套可靠的網(wǎng)絡(luò)編程方法。Sockets最初是UNlx系統(tǒng)中最流行的網(wǎng)絡(luò)通信接口，經(jīng)過(guò)移植和擴(kuò)展，擴(kuò)充了一些異步函數(shù)，并增加了符合Windows消息驅(qū)動(dòng)特性的網(wǎng)絡(luò)事件異步選擇機(jī)制，成為Winsock(是Windows Sockets的簡(jiǎn)稱(chēng))，Winsock是在Windows下的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)接口。

Winsock通信機(jī)制。Winsock是一個(gè)基于Socket(套接字)模型的APT，它規(guī)范定義了一個(gè)TCP／lP網(wǎng)絡(luò)上開(kāi)發(fā)windows程序的接口標(biāo)準(zhǔn)，它以D比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)底層硬件(網(wǎng)卡或串行口)的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。在使用Winsock編程時(shí)，首先需要考慮使用什么樣的協(xié)議。經(jīng)過(guò)擴(kuò)展的Windows Sockets 2可以支持很多協(xié)議，而在VB中Winsock控件只支持TCP和UDP。兩種協(xié)議之間的重要區(qū)別在于它們的連接狀態(tài)：TCPl#42，是基于連接的協(xié)議，可以將它同電話系統(tǒng)相比，在開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸之前，用戶必須先建立連接；UDP協(xié)議是一種無(wú)連接協(xié)議，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的傳輸類(lèi)似于傳遞郵件i消息從一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，但是兩者之間沒(méi)有明確的連接。另外，單次傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量取決于具體的網(wǎng)絡(luò)。到底選擇哪一種協(xié)議通常是由需要?jiǎng)?chuàng)建的應(yīng)用程序決定的。在收發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候，應(yīng)用程序如果需要得到客戶端或者服務(wù)器的確認(rèn)信息，則使用TCP協(xié)議，在收發(fā)數(shù)據(jù)之前先建立明確的連接。又如果數(shù)據(jù)量特別大(例如圖象與聲音文件)，在連接建立之后，丁CP協(xié)議將維護(hù)連接并確保數(shù)據(jù)的完整性。不過(guò)，這種連接需要更多的計(jì)算資源，因而是比較“昂貴”的。但數(shù)據(jù)發(fā)送是間歇的，例如，如果應(yīng)用程序在某個(gè)任務(wù)完成的時(shí)候需要通知某個(gè)計(jì)算機(jī)，UDP協(xié)議是更適宜的，UDP協(xié)議適合發(fā)送少量的數(shù)據(jù)，在過(guò)程控制系統(tǒng)的組網(wǎng)中就是這種情況，屬于控制站的各臺(tái)計(jì)算機(jī)把每個(gè)控制周期的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)送到廠部領(lǐng)導(dǎo)和生產(chǎn)管理部門(mén)的上層計(jì)算機(jī)集中顯示，每個(gè)周期傳送的數(shù)據(jù)量不會(huì)很多，而且希望通信時(shí)少占用計(jì)算機(jī)的資源，以讓各控制站的計(jì)算機(jī)有更多的資源用于生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制。

啤酒糖化生產(chǎn)控制系統(tǒng)總體框圖中已經(jīng)包含了兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)與PLC通訊的下位網(wǎng)絡(luò)，和計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)通訊的上位網(wǎng)絡(luò)，其中下位網(wǎng)絡(luò)為PLC自帶的MPI網(wǎng)絡(luò)，波特率為187，5K，通訊速率較低。兩套獨(dú)立的集散控制系統(tǒng)分別獨(dú)立運(yùn)行于各生產(chǎn)車(chē)間，而對(duì)于廠部領(lǐng)導(dǎo)來(lái)講，車(chē)間的實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況卻不能即時(shí)了解，基于這個(gè)原因，我們準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)一套把這兩個(gè)獨(dú)立的集散控制系統(tǒng)連成網(wǎng)絡(luò)的更高級(jí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)通信是現(xiàn)代控制系統(tǒng)很重要的一個(gè)方面，用上述簡(jiǎn)易網(wǎng)絡(luò)將處于現(xiàn)場(chǎng)的各車(chē)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等重要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)直接送到廠部領(lǐng)導(dǎo)和生產(chǎn)管理部門(mén)，將會(huì)為生產(chǎn)指揮和管理工作的進(jìn)行提供極大的方便；不過(guò)，如果生產(chǎn)各車(chē)間比較分散，連網(wǎng)的各臺(tái)計(jì)算機(jī)相距比較遠(yuǎn)，通過(guò)增加幾個(gè)中繼器可以增加一定的距離。