基于S7-400 PLC的啤酒發酵靶向溫度控制系統

張松宇 徐 彬 楊文斌

(1. 內蒙古機電職業技術學院，內蒙古 呼和浩特 010070； 2. 內蒙古計算機應用研究院，內蒙古 呼和浩特 010010； 3. 內蒙古煤礦設計研究院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010020)

發酵是啤酒生產原料釀制成啤酒的關鍵工藝，而發酵溫度是影響啤酒轉化及發酵成敗的關鍵因素，因此精準控制發酵溫度是啤酒發酵工藝的首要任務。實際發酵過程中，發酵溫度受生化反應進程、發酵罐容積、冷媒量、發酵時間等多重因素影響，致使啤酒發酵溫控系統具有大時滯和非線性的特性[1]。

目前，較多學者將模糊控制[2-3]、神經網絡控制[4]、Smith預估補償[5-7]等控制方法應用于啤酒發酵系統中，提高了啤酒發酵溫度的控制精度。但是，幾乎所有的控溫方法都是將啤酒發酵液的發酵過程視為一個靜態過程，忽略了發酵液在發酵過程中的動態循環規律。目前啤酒廠廣泛使用大型發酵罐(≥400 m3)，如果發酵過程中不考慮發酵液的動態循環規律，控溫過程中，靠近罐壁的發酵液早已達到目標溫度，但罐內中心發酵液溫度離目標溫度偏差較大，此時繼續供給冷媒會導致控溫效果差，甚至出現罐壁結冰現象。因此，要實現精確的溫度控制，需充分利用發酵過程中由于溫度不同造成的發酵液自循環規律，促進罐內發酵液的良性循環和熱交換，以此提高控溫效果。試驗針對啤酒發酵各階段內發酵液的動態特性，擬將發酵液循環規律與模糊PID算法相結合實現發酵溫度控制，并在某啤酒廠的發酵罐群進行測試與應用，為有效提高啤酒發酵溫控系統的控制精度提供理論依據。

1 啤酒發酵溫度控制原理

目前，中國啤酒廠廣泛使用圓柱露天錐形發酵罐進行發酵。如圖1所示，發酵罐容積400 m3，罐高21 m，直徑6.8 m，為大型發酵罐，罐體設置4段冷帶[8]，每段冷帶為纏繞數周在罐壁上的夾套。為了使溫度測量更加精確，在4段冷帶上分別設置上溫、中溫、下溫、錐溫4個測溫點[9]。

1. 發酵罐 2. 手動截止閥 3. 過濾器 4. 冷媒閥EV01 5. 冷媒閥EV02 6. 冷媒閥EV03 7. 冷媒閥EV04 8～12. 手動截止閥 13. 單向閥 14. PT100溫度傳感器TIC01 15. PT100溫度傳感器TIC02 16. PT100溫度傳感器TIC03 17. PT100溫度傳感器TIC04 18. 罐頂壓力變送器PIC圖1 啤酒發酵罐溫度控制示意圖Figure 1 Temperature control diagram of beer fermentation tank

啤酒發酵溫度控制原理[1]：將PT100溫度傳感器插入發酵罐中，并通過三線制接法接入RTD模塊，RTD模塊經過A/D轉換將電阻信號轉換成數字量信號傳輸給PLC。PLC依據發酵工藝設定溫度值與溫度傳感器檢測值進行比較得出偏差，再利用相應溫控算法對偏差進行邏輯運算并輸出相應控制量。冷媒調節閥依據PLC的控制信號自動調節閥門開度，改變冷媒流量，實現溫度控制。

2 靶向控溫思想

2.1 發酵液循環特性

啤酒發酵是麥汁在啤酒酵母的作用下進行的復雜的生化反應過程。啤酒發酵液最大密度時的溫度可按式(1)計算[10]。

T=4-(0.65ωP-0.24ω)，

(1)

式中：

T——啤酒發酵液最大密度時的溫度，℃；

ωP——啤酒濃度，°P；

ω——酒精濃度，g/100 g。

啤酒發酵液最大密度時的溫度為3 ℃左右，啤酒溫度、密度與發酵液運動的關系如圖2所示。

由圖2可知，當啤酒溫度>3 ℃時，發酵液密度隨溫度的升高而減??；當啤酒溫度<3 ℃時，發酵液密度隨溫度的降低而減??；當啤酒溫度為3 ℃時，發酵液密度最大。發酵初期，由于酵母的劇烈代謝作用，發酵液出現沸騰現象。當糖分減少，酵母作用結束時，冷媒成為影響發酵液循環特性的主要因素，靠近罐壁的溫度偏低，而中間區域的溫度較高，因此形成內外溫度差。與發酵初期不同，此時的內外溫差成為促使發酵液運動的主要因素，使得溫度低、密度高的靠近罐壁的發酵液向下運動，而溫度高、密度小的中間區域的發酵液則向上運動。

圖2 啤酒溫度、密度與發酵液運動關系示意圖Figure 2 Diagram of the relationship between temperature, density and liquor movement when beer is cooled

2.2 靶向控溫點

啤酒發酵溫度工藝包括自然升溫階段(8～10 ℃)、主酵階段(10 ℃)、升溫階段(10～12 ℃)、雙乙酰還原階段(12 ℃)、高溫降溫階段(12～3 ℃)、低溫降溫階段(3～0 ℃ 或-1 ℃)和貯酒階段(0 ℃或-1 ℃)[11]。發酵的各個階段對溫度的控制要求各不相同，與此對應的發酵液的動態循環狀態也不相同，將能夠促進發酵液動態循環的控溫點稱為靶向控溫點。發酵過程中，若能夠針對每一階段的靶向控溫點進行控溫，會極大地縮短發酵過程，節約能源、提高生產效率。

(1) 自然升溫到主發酵和雙乙酰還原階段(圖3)：該階段酵母活性最強，糖化后的醪液中含有足夠的糖分，發酵液在罐壁內外溫差和二氧化碳氣體的雙重作用下形成動態循環。此時，二氧化碳成為推動發酵液運動的主要因素，為了抑制其溫度上升，促進循環，此階段的靶向控溫點應為上溫和中溫。

(2) 高溫降溫段(圖4)：發酵基本結束，CO2形成的上升力消失，罐內發酵液整體向下運動。此時冷媒導致的內外溫差成為推動發酵液循環的主要因素，為了促進其向下運動，此階段的靶向控溫點也是上溫和中溫。

(3) 低溫降溫段(圖5)：發酵液溫度由3 ℃降到0 ℃或-1 ℃。此時靠近罐壁的發酵液向上運動，中間發酵液向下運動。糖分已全部被消耗，罐壁的內外溫差成為發酵液循環[12]的主動力，為了增加罐壁附近的發酵液向上運動的動力，促進循環，因此靶向控溫點為錐溫和中溫。

(4) 貯酒段：此階段的任務是保持溫度不變，以利于澄清酒液，保證啤酒品質，發酵液循環方向與圖5相同，靶向控溫點依然是錐溫和中溫。

圖3 主發酵和雙乙酰還原階段循環示意圖Figure 3 Cycle diagram of main fermentation and diacetyl reduction stages

圖4 高溫降溫階段循環示意圖Figure 4 Cycle diagram of high temperature cooling stage

圖5 低溫降溫段與貯酒段循環示意圖Figure 5 Circulation schematic diagram of low temperature cooling section and liquor storage section

3 模糊PID溫控算法

3.1 模糊PID溫控原理

由于影響發酵溫度的因素較多，導致運用傳統的采用固定參數值的PID控制器難以滿足溫度控制要求。依據啤酒發酵工藝，設計了基于靶向控溫點實現溫度控制的模糊PID控制器來調節啤酒發酵溫度，原理圖[13]如圖6 所示。

圖6 模糊PID溫控原理圖Figure 6 Principle diagram of fuzzy PID temperature control

由圖6可知，模糊PID[14]溫控過程可分為3步：① PT100溫度傳感器檢測啤酒發酵罐相應靶向控溫點的實際溫度y(t)，PLC將y(t)與設定溫度r(t)進行邏輯運算后得出e(t)和ec(t)并作為模糊控制器的輸入變量，經量化因子Ke和Kec后進行模糊化處理。② 模糊控制器根據當前溫度e(t)、ec(t)和預先制定的PID控制器修正參數ΔKP，ΔKI，ΔKD與發酵溫度e(t)，ec(t)之間的模糊關系進行模糊推理獲得模糊控制量，經反模糊化獲得ΔKP，ΔKI，ΔKD的精確值，再與PID控制器初始參數KP0，KI0，KD0求和運算后獲得PID控制器的實時參數KP，KI，KD并傳給PID控制器[13]。③ PID控制器根據當前參數值輸出控制量，冷媒調節閥接收控制量自動調節閥門開度，改變冷媒流量，實現溫度的精確調整。

3.2 模糊PID控制器設計

3.2.1 控制器參數的確定 將溫度偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，將PID參數的修正值ΔKP、ΔKI、ΔKD作為模糊控制器的輸出變量[15]。模糊PID控制器各參數見表1。

3.2.2 選擇隸屬函數 典型的隸屬函數有高斯型、三角形、Z型[16]等，為提高啤酒發酵溫度控制系統的控制精度且方便計算，選擇三角形隸屬函數作為系統輸入輸出變量的隸屬函數。

3.2.3 建立模糊規則 建立模糊規則是設計模糊控制器的關鍵步驟，將直接影響系統的輸出結果。系統采用If A and B then C[17]的結構并依據現場工程師多年累積的參數調整經驗，總結得到以下模糊控制規則表[18](表2)。

在Matlab模糊邏輯工具箱圖形界面窗口中，運行View→Rules命令，調出模糊規則觀測器窗口，輸入不同的模糊輸入變量值e和ec，計算出與之對應的模糊輸出變量值ΔKP、ΔKI、ΔKD，從而得到模糊控制查詢表(表3)。

表1 模糊PID控制器相關參數?Table 1 Parameters of fuzzy controller

? NB表示負大，NM表示負中，NS表示負小，Z0表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。

表2 模糊規則表?Table 2 Fuzzy rules

? NB表示負大，NM表示負中，NS表示負小，Z0表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。

表3 模糊控制查詢表Table 3 Fuzzy control rules query table

4 啤酒發酵控制系統設計

4.1 硬件配置

以中國某大型啤酒集團武漢工廠搬遷項目為例，依據現場控制需求和控制點數量進行合理設計與選型。該廠發酵罐區共有36個發酵罐，通過對系統控制點數進行統計可得：4-20 mA型 AI點數36、電阻信號(RTD)型AI點數144，AO點數180、DI點數180、DO點數216。選用西門子S7-400 PLC 為控制器，利用Step 7軟件實現啤酒發酵控制系統的硬件選型、組態等，系統硬件配置見表4。

4.2 軟件設計

利用Step 7軟件設計模糊PID控制器控制程序，流程圖見圖7。軟件設計主要完成以下工作：① 根據啤酒發酵工藝流程，在上位機軟件中設置啤酒發酵配方工藝，確保系統在發酵的各個階段能嚴格按照溫度工藝要求進行自動調節；② S7-400PLC讀取溫度傳感器檢測的相應靶向控溫點的溫度值并與設定溫度值進行比較；③ 若二者相等，則進行下一個掃描周期的溫度實測值與設定值的比較；④ 若二者不相等，S7-400PLC將二者邏輯運算結果送入模糊控制器，模糊控制器推理出最優的 PID參數；⑤ PID控制器依據當前參數輸出控制量調節當前靶向控溫點冷媒閥開度，冷媒流量發生變化，從而改變發酵罐內的溫度。

表4 硬件配置表Table 4 Moduleconfiguration table of fermentation tank area

圖7 啤酒發酵溫度控制程序流程圖Figure 7 Flow chart of beer fermentation temperature control program

4.3 Braumat平臺設計

啤酒發酵系統上位機軟件采用Braumat平臺，其具有完善的訂單/配方管理、趨勢曲線記錄等功能[19]。將Braumat平臺應用于啤酒釀造系統中，不僅可以提高啤酒品質，同時還可以與工廠的信息管理系統相連接，實現訂單下達及生產信息上傳等功能，提高啤酒生產智能化水平。配方編輯器畫面(圖8)能清晰地顯示工藝流程，同時也讓工藝更改變得更加方便高效。發酵監控畫面(圖9)能直觀地顯示生產過程參數，如發酵罐罐頂壓力、各層溫度、冷媒閥開度等參數信息。

圖8 配方編輯器畫面Figure 8 Formulaeditor screen

圖9 發酵過程監測畫面Figure 9 Fermentation process monitoring screen

5 測試與應用

課題所述的啤酒發酵溫度控制系統已應用于中國某大型啤酒集團武漢工廠搬遷項目，發酵罐采用4段冷媒控溫，4段PT100鉑電阻溫度測溫。在該廠搬遷前，發酵溫度控制誤差為±0.6 ℃，且溫度波動頻繁，偶爾會出現發酵罐結冰等現象。此次搬遷新建工廠采用了發酵靶向控溫思想并結合模糊PID控溫算法，獲得采樣中溫曲線(圖10)。由圖10可知，中溫曲線與給定溫度曲線基本重合，溫度誤差達±0.3 ℃，且控溫過程中發酵罐無結冰現象，表明靶向控溫思想有效地促進了發酵液的循環，提高了控溫精度，解決了發酵液制冷時受冷不均勻的問題，實際應用效果良好。

圖10 發酵罐溫度歷史趨勢曲線Figure 10 Fermentation process monitoring screen

6 結論

以S7-400PLC為控制器完成了系統的硬件配置、軟件設計和Braumat平臺設計。針對發酵液的動態循環特性，提出靶向控溫思想并結合模糊PID溫控算法對發酵溫度進行控制。與現有的研究成果對比，試驗發酵系統有效地提高了控溫精度，解決了大型發酵罐發酵液制冷時受冷不均勻的問題，適合工廠應用。試驗采用的溫控算法較為簡單，并且通過現場測試應用，解決了罐壁結冰，熱交換過程緩慢的問題。但啤酒發酵過程本身是一個極其復雜的生化過程，繼續跟蹤生產，優化算法參數仍是下一步研究重點。