滕福林

    隨著(zhù)人們生活水平的提高，對于高品質(zhì)啤酒的需求日益增加，消費熱點(diǎn)已從瓶裝啤酒轉向扎啤，繼而向品位高雅、純正、干凈、利索、新鮮的高檔純生鮮啤酒轉移。生產(chǎn)高檔純生鮮啤酒的微型啤酒成套設備在先進(jìn)的歐美國家已形成了一定的市場(chǎng)占有量，成為啤酒新品牌的重要補充。進(jìn)入90年代以來(lái)，為滿(mǎn)足外賓的需要，國內個(gè)別大城市相繼引進(jìn)了西德、奧地利和美國的啤酒生產(chǎn)設備，深受飲用者的喜愛(ài)。但由于設備價(jià)格昂貴，發(fā)展極為緩慢。為降低設備價(jià)格，結合前期開(kāi)發(fā)的環(huán)保型智能鍋爐，采用嵌入式系統開(kāi)發(fā)理論設計控制系統，開(kāi)發(fā)了“高檔啤酒微型成套生產(chǎn)系統”，最終可以成倍地節約用戶(hù)的一次投入成本。本文也為啤酒生產(chǎn)向小型化、營(yíng)養化、風(fēng)格化方向的發(fā)展提供了一個(gè)成功的解決方案。

1  生產(chǎn)線(xiàn)工藝介紹

    大型啤酒廠(chǎng)的生產(chǎn)工藝包括釀造和包裝。釀造生產(chǎn)線(xiàn)包括：糊化（大米）、糖化（大米和小麥）、發(fā)酵、過(guò)濾、稀釋等工藝過(guò)程。包裝生產(chǎn)線(xiàn)包括：卸箱、洗瓶、灌裝、初檢、殺菌、成檢、貼標、打包等工藝過(guò)程。對于純生啤酒生產(chǎn)線(xiàn)在包裝生產(chǎn)線(xiàn)上少了殺菌程序，在灌裝之前還需經(jīng)過(guò)一道過(guò)濾程序，但這里的過(guò)濾是指過(guò)濾有害細菌，而釀造中的過(guò)濾是過(guò)濾啤酒糟以及二次沉淀過(guò)濾。

    針對高檔啤酒生產(chǎn)，本系統精簡(jiǎn)了大型啤酒廠(chǎng)的一部分設備，系統如圖1所示。

圖1  高檔啤酒生產(chǎn)系統圖

    系統的設計年產(chǎn)量是100噸/年。其工藝流程為：麥芽粉碎→糖化過(guò)濾→煮沸→旋渦沉淀→麥芽冷卻→發(fā)酵→稀釋→灌裝。

    設計中將系統分為：麥芽粉碎系統、糖化系統、殘渣過(guò)濾系統、煮沸系統、發(fā)酵系統、冷卻系統、有害菌過(guò)濾系統、蒸汽供應系統、循環(huán)水處理系統、清洗系統及電氣控制系統。

    灌裝原先設計成品酒包裝用玻璃瓶和塑料瓶，但發(fā)現在灌裝中還要增加CO2備壓系統，提高了生產(chǎn)線(xiàn)的成本，最終選用了扎啤桶。

2  電氣控制系統

2.1  系統總線(xiàn)控制

    圖2顯示了整個(gè)控制系統是數據通訊過(guò)程，STD表示總線(xiàn)通訊控制器，每個(gè)設備下的數字表示給設備所使用的微處理器芯片型號簡(jiǎn)稱(chēng)。

圖2  系統總線(xiàn)控制圖

    電氣控制采用微機兩級集散控制系統，系統上位機組態(tài)控制和設備級微控制器處理，中間通過(guò)通訊控制器連接。溫度檢測采用AD590集成測溫元件，壓力檢測采用DBY-121壓力變送器。因為模擬量輸入信號較多，采用8選1多路開(kāi)關(guān)CD4051送到微處理器PIC16F877，微處理器掛到STD總線(xiàn)上（沒(méi)有用數據采集器）。877自身所帶的8位A/D轉換器可以實(shí)現檢測精度：溫度為±0.5℃，壓力為1%；控制精度分別為±1℃和1.5%。

    STD總線(xiàn)利用RS485通訊協(xié)議，給每道工序的控制器分發(fā)一個(gè)工序號，微處理器再為每個(gè)控制開(kāi)關(guān)量I/O和檢測輸入I/O分配一個(gè)I/O點(diǎn)號。所以在總線(xiàn)上通訊的數據是24bits，指工序號+I/O點(diǎn)號+數據量。唯一不同是給發(fā)酵罐分配的不僅有工序號，而且為了便于根據實(shí)際需要擴展更多的發(fā)酵罐（目前系統上采用5個(gè)），總線(xiàn)還為其分配了段號，指第幾個(gè)發(fā)酵罐，所以關(guān)于發(fā)酵罐和上位機之間通訊的應是32bits，指工序號+段號+I/O點(diǎn)號+數據量。如此分號雖然便于用戶(hù)擴展，但相對的也提高了上位機和微處理器的軟件量。通訊控制器對每道工序的微處理器采用廣播式查詢(xún)，每臺微處理器循環(huán)將廣播中的工序號和自己的身份比較，如果相同，則作出回應并占用總線(xiàn)，否則繼續等待。

    微處理器的工作方式包括兩種：主從工作方式和自治工作方式。在主從方式下，微處理器在上位機的監控下實(shí)現具體的工藝參數檢測和控制功能；在自治方式下，微處理器則獨立地完成工藝過(guò)程的檢測和控制。

    上位機采用組態(tài)王6.0組態(tài)控制，采用模塊式結構設計，一個(gè)包括所有工序設備窗口的畫(huà)面和為每道工序設計的單獨畫(huà)面，各單獨畫(huà)面顯示出該設備中各溫度、壓力、時(shí)間等檢測點(diǎn)參數和被控制點(diǎn)的狀態(tài)，而且每個(gè)畫(huà)面可以很容易的進(jìn)行相互切換。利用組態(tài)王的趨勢曲線(xiàn)、報警和報表功能，可以將各設備運行中的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)通過(guò)微打印機uP-16B打印，并且可以進(jìn)行聲光報警。

2.2  下位機控制原理

    (1)  發(fā)酵控制原理

    發(fā)酵工藝是啤酒生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵性工藝之一，工藝流程和工藝參數直接影響啤酒的成品質(zhì)量和生產(chǎn)率。發(fā)酵的控制系統也是個(gè)設備中相對比較復雜的，所以以發(fā)酵為例介紹微處理器的控制原理。

    啤酒發(fā)酵過(guò)程是一個(gè)復雜的生化反應過(guò)程，它通過(guò)酵母的多種酶作用，將可發(fā)酵性糖類(lèi)經(jīng)過(guò)生化反應轉化為酒精和CO2，同時(shí)釋放出熱量。影響這一過(guò)程的原因很多，如進(jìn)入罐內的麥汁質(zhì)量，酵母的強弱，以及溫度、壓力、水位、時(shí)間、流量和開(kāi)關(guān)量控制等，而除了前期因素外，溫度影響在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中起著(zhù)關(guān)鍵性的作用，罐體有很好的保溫層，可按工藝要求將冰水的輸入量和罐內的啤酒溫度的關(guān)系建立一套數學(xué)模型，通過(guò)軟件微處理器軟件控制，使啤酒的發(fā)酵過(guò)程的溫度符合工藝要求，降低了雙乙酰含量，也縮短了發(fā)酵時(shí)間。

    (2)  控制部分電氣原理圖

    原理圖如圖3所示。電路包括Power電源部分；INT輸入部分；CONT控制部分；OUT輸出部分。

圖3  控制部分電氣原理圖

    圖中PH、TH是壓力傳感器信號；TEMP是Pt100溫度傳感器信號；W3/W2/W1是電容式液位控制信號；顯示燈：RUN運行，PUMP-IN進(jìn)料泵，HOT蒸汽閥，COLD冰水泵，WAHI/MD/LOW三液位；繼電器驅動(dòng)：HOT蒸汽閥，COLD冰水泵，PUMP-IN進(jìn)料泵，Buzzer蜂鳴器。

    不僅每個(gè)工序上的設備甚至每個(gè)發(fā)酵罐，都有這樣一個(gè)微處理器為核心的主控制器，只是根據輸入量要求不同采用不同的芯片。每個(gè)主控制器電路基本原理是一樣的，不予贅述。

    每個(gè)微處理器的軟件部分包括：自治處理程序和總線(xiàn)處理程序，其都是進(jìn)行邏輯判斷后調用溫度控制、液位控制控制、壓力控制、時(shí)間控制等控制子函數。

    (3)  軟硬件設計中采取的措施

    ①  啤酒的發(fā)酵時(shí)間較長(cháng)，采樣周期選到10分鐘。為抑制AD590等采樣器的零漂，讓其采樣前通電，采樣后斷電。

    ②  所有模擬量輸入通道和開(kāi)關(guān)量輸出通道均采用光電隔離器PC817于主控電路隔離，增強了系統的抗干擾能力。

    ③  測溫、測壓元件均采用電流輸出形式，可以有效增加信號的傳輸距離。

    ④  由于系統中像鍋爐這些大慣性設備和加熱等大滯后現象，采用模糊控制算法，可以提高系統的控制性能。

3  設計結果

    高檔啤酒微型成套生產(chǎn)系統其產(chǎn)品為純生鮮啤酒，在生產(chǎn)過(guò)程中不加任何輔料和化學(xué)添加劑，無(wú)需高溫殺菌，以水、麥芽和酒花為原料經(jīng)酵母自然發(fā)酵釀造而成，具有品位高雅、口味純正、泡沫細膩、營(yíng)養豐富的特點(diǎn)。目前本套實(shí)驗設備已完成調試，進(jìn)入生產(chǎn)階段，運行正常。

4  后續研究

    根據目前的設計的工藝只能生產(chǎn)純生啤酒，遇到的問(wèn)題是一旦過(guò)濾出現問(wèn)題，即使重復過(guò)濾都不能解決問(wèn)題，那么成品酒如何處理，是否可以加上殺菌設備，生產(chǎn)熟啤，以避免成品酒浪費。另外工藝上的改進(jìn)，成品酒的品種的變化，使用原料的變化都將對系統提出更高的要求，很多問(wèn)題有待繼續研究。