基于S7-400PLC的啤酒發(fā)酵溫控系統(tǒng)硬件平臺的構建

張松宇 楊文斌 邢偉華

摘要：啤酒生產過程中，發(fā)酵階段的溫度控制是影響啤酒口味、香味及色澤的重要因素。以S7-400 PLC控制器和BRAUMAT平臺為硬件基礎，開發(fā)啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)人機交互。該硬件平臺已投入生產，運行結果表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠實現(xiàn)對溫度的精準控制。

Abstract： In beer production， temperature control during fermentation is an important factor affecting beer taste， flavor and color. Based on S7-400 PLC controller and BRAUMAT platform， the temperature control system of beer fermentation was developed to realize man-machine interaction. The hardware system has been put into production， and the operation results show that the system is stable and reliable， and can achieve accurate control of temperature.

關鍵詞：啤酒發(fā)酵;溫控系統(tǒng);S7-400 PLC;BRAUMAT平臺

Key words： beer fermentation;temperature control system;S7-400 PLC;BRAUMAT platform

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）34-0194-02

0? 引言

在啤酒生產中，有兩大主要工藝階段——糖化和發(fā)酵。糖化階段要生產出合格的麥汁，發(fā)酵階段則是利用糖化的麥汁進行發(fā)酵，生產出啤酒原漿。啤酒發(fā)酵是一個非常復雜的生化反應過程，溫度是啤酒發(fā)酵過程中最重要的參數(shù)，如果溫度控制偏低，就會使得發(fā)酵過程緩慢，影響生產進度;如果溫度偏高，又會造成生化參數(shù)超出標準，影響啤酒的質量。由此可見，精確控制發(fā)酵液的反應溫度是生產出高品質啤酒的必要條件，而實現(xiàn)精準的溫度控制又必須保證具備可靠穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)支撐，據(jù)此，文章以國內某新建大型啤酒廠為例，介紹如何使用西門子S7-400 PLC 構建一個穩(wěn)定可靠的啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)的硬件平臺。

1? 啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)簡介

啤酒發(fā)酵是在啤酒酵母體內所含的一系列酶類的作用下，以麥汁所含的可發(fā)酵性營養(yǎng)物質為底物而進行的一系列生物化學反應。啤酒發(fā)酵分主發(fā)酵（旺盛發(fā)酵）和后熟兩個階段。

在主發(fā)酵階段，進行酵母的適當繁殖和大部分可發(fā)酵性糖的分解，同時形成主要的代謝產物乙醇和高級醇、醛類、雙乙酰及其前驅物質等代謝副產物。主發(fā)酵階段，發(fā)酵罐內溫度逐漸上升，為自然升溫，當達到上限時，主發(fā)酵結束。此后，發(fā)酵進入后熟階段，溫度逐漸下降。

首先是還原雙乙酰階段，當雙乙酰濃度下降到合格標準時，發(fā)酵就可以進入降溫階段，分兩個階段按不同的速率降溫，此時把所有冷媒閥打開，使發(fā)酵液全速降溫，降溫階段的溫度為-1～12℃。當溫度到達1℃以下時發(fā)酵進入低溫儲酒階段，在低溫儲酒階段溫度控制在0.5～10℃。這一階段主要是讓酵母和一些固態(tài)物進行充分沉淀并進行回收。低溫發(fā)酵使壓力增加能使二氧化碳在啤酒中的溶解量加大，并減少啤酒中其他生成物[1]?？梢?，在發(fā)酵過程中，對溫度、酒液密度、液位的把握相當重要。因此，在啤酒發(fā)酵過程中，要在發(fā)酵罐的不同位置標定測溫點，實時監(jiān)測罐內溫度并加以控制，使得溫度滿足各個階段的控制要求。

2? 硬件平臺構建

2.1 信號點統(tǒng)計

現(xiàn)代啤酒廠，發(fā)酵一般是在錐形罐中進行，錐形罐的體積一般在100m3-500m3。該廠發(fā)酵罐區(qū)共有72個發(fā)酵罐，分為3個區(qū)域，其中1#罐區(qū)前后酵共30個400m3錐形罐，2#罐區(qū)前后酵共30個400m3錐形罐，3#罐區(qū)前后酵共12個錐形罐。錐形罐如圖1所示。

為了使發(fā)酵罐內溫度均勻且穩(wěn)定，發(fā)酵罐設有上層、中層、底層4段冷卻夾套設備，同時對應安裝4個溫度智能變送器和4個冷媒調節(jié)閥，進行精細調節(jié)[2]。具體信號如下：

1個罐頂壓力檢測（4-20mA模擬量輸入信號（AI）），4個溫度檢測：（電阻信號（RTD）），1個CIP清洗旋轉檢測（數(shù)字量輸入信號（DI）），1個發(fā)酵罐空位檢測（1DI），1個罐底閥（1個罐底閥包括3個數(shù)字量輸出信號（DO），2個數(shù)字量輸入信號（DI）），1個備壓調節(jié)閥（1個模擬量輸出信號（AO），1DO），一個取樣閥（1DO），一個排酵母控制箱（1DO、1DI）、4個冷媒電磁閥（4DO）。

依據(jù)罐區(qū)排布及橋架走向，初步確定6個罐的信號進入一個分布式I/O子站。子站采用IM153-4接口模塊通過PROFINET總線與S7-400 CPU相連接。每個I/O子站柜配置1塊8AI（8通道數(shù)字量輸入模塊），3塊8RTD（8通道鉑電阻輸入模塊），1塊8AO（8通道模擬量輸出模塊），2塊32DO（32通道數(shù)字量輸出模塊），2塊32DI（32通道數(shù)字量輸出模塊）。

每個以太網(wǎng)接口模塊最多可以帶12個I/O模塊，根據(jù)以上統(tǒng)計，每個分布式I/O子站內I/O模塊總數(shù)為9塊，符合數(shù)量要求。

依據(jù)每個子站包含6個發(fā)酵罐信號，整個發(fā)酵罐罐區(qū)需要設置12個子站，具體模塊配置如表1所示。

2.2 網(wǎng)絡架構

為了保證信號的穩(wěn)定可靠傳輸，分布式I/O子站采用冗余的網(wǎng)絡設計。S7-400 PLC的CPU、接口模塊IM153-4都為雙以太網(wǎng)端口，支持環(huán)網(wǎng)冗余連接。傳輸速率100M/s，支持大規(guī)模數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡結構圖如圖2所示。

3? 上位機配置

上位機采用服務器—客戶端架構，采用該種結構，操作端負荷小，操作反應速度快，大量的數(shù)據(jù)計算交給配置強大的服務器進行。上位機軟件采用BRAUMAT平臺，BRAUMAT平臺為業(yè)界領先的自控系統(tǒng)平臺，基于BRAUMAT開發(fā)的溫控系統(tǒng)，具有控制高效、可靠、易于管理與維護的特點。系統(tǒng)具備工藝配方管理、歷史曲線記錄與查詢、批次跟蹤等功能。（圖3）

4? 結束語

基于西門子S7-400 PLC的啤酒發(fā)酵溫控系統(tǒng)的硬件平臺架構，采用冗余設計，保證可靠性，采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，保證數(shù)據(jù)的及時傳輸，采用先進的上位機工控平臺，使得該平臺結構配置在行業(yè)內處于領先地位。該硬件平臺已投入實際生產中，在整個發(fā)酵系統(tǒng)中運行穩(wěn)定可靠，為精確控制發(fā)酵溫度奠定堅實的硬件基礎，保證了企業(yè)的正常生產。

參考文獻：

[1]徐云鵬.關于PLC的智能化PID啤酒發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)設計研究[J].現(xiàn)代鹽化工，2017（1）：26：27.

[2]李鑫，張煜星，高博.基于S7-1200PLC的啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)研究[J].食品與機械，2018（4）：116-119.

[3]阮文韜.關于啤酒釀造過程PLC自動控制系統(tǒng)的研究[J].食品研究與開發(fā)，2016（20）：111-114.