啤酒糖化生产过程自动化的研究

吴　峥

摘要：本文详细介绍了啤酒厂啤酒糖化过程控制系统的设计说明、硬件配置、软件结构，以及施工中所要注意的问题，用小型集散系统代替常规的仪表系统是我国啤酒厂糖化生产技术改进的重要方面，通过小型集散系统的应用，我们可以对啤酒糖化过程实施先进控制技术，这对提高产品质量，降低产品成本，减轻工人劳动强度都有很好的效果。

关键词：啤酒糖化生产自动化

1啤酒糖化生产原理

啤酒生产工艺主要是由麦汁制备、啤酒发酵、啤酒罐装等工艺流程组成，而其中麦汁制备过程俗称糖化。糖化的目的，是通过物理和生化的措施，使麦芽(包括辅料)的内容物大部分溶解出来，也就是说通过煮沸(醒液和麦汁)以及控制温度和PH等，以及发挥酶的作用来实现，且保持最大的收得率和最少的损失率。糖化的任务是在经济合理的基础上，保证麦汁的组成分能适合酵母的繁殖并顺利地进行发酵。

2工艺流程简介

根据工艺要求，定量大米和定量麦芽分别粉碎并且与适量的水混合形成米粉醒液和麦芽醒液，并分别送入糊化锅和糖化锅按一定温度曲线进行煮醒反应。两种醒液在糖化锅内混合，并继续按一定温度曲线进行反应，其间可能加入适量的磷酸以调整醒液的PH值。这个过程称为并醒反应。混合醒液反应完成后被送入过滤槽进行过滤。过滤后麦汁液经过预热送入煮沸锅，并加入洗糟水稀释到指定的原麦汁浓度后开始进行蒸发。蒸发过程可分为两个阶段，其一为沸腾前期为小蒸发：将麦汁从80℃左右快速升温至沸腾温度，并可加入酒花、白糖及微量物质用于调节啤酒风味以及加入适量的磷酸以调节PH值，其二为麦汁沸腾期，常称为大蒸发，麦汁充分翻腾以加大水分蒸发面积，在规定的时间和煮沸强度下，使麦汁的浓度和PH值达到要求。煮好的热麦汁送入沉清槽进一步沉清后，在泵入薄板冷却器冷却至规定温度，麦汁制备即为完成。

物质变化。不同的啤酒品牌，不同的啤酒工艺最大的生产区别主要在第二步麦芽粉碎后糖化制成麦芽汁，因为主要的物质变化都集中在这里。糖化过程的物质分解主要有：淀粉分解、蛋白质分解。大麦约含淀粉584-60％，辅料大米含淀粉75％-82％，辅料玉米含淀粉69％-72％，淀粉是由直链淀粉及支链淀粉组成的，淀粉分解主要在。淀粉酶和p淀粉酶的作用下最终生成低聚糊精和以麦芽糖为主的糖类，在发酵过程中，麦汁中的可发酵性糖类是酵母的营养物质，供酵母繁殖和代谢，从而形成酒精和具有各种风味的代谢产物：而低聚糊精则形成啤酒残余浸出物的主体，给啤酒带来粘度和口味的浓醇性。麦芽粒中的蛋白质是由多种含氮物质的混合物组成的，蛋白质的分解是在蛋白酶的作用下进行的，最终分解成氨基酸，氨基酸是酵母合成含氨的直接来源，如果麦汁缺乏氨基酸，酵母增殖会困难。糖化过程淀粉、蛋白质都要求分解的比较彻底，以使发酵时酵母有足够的营养和保证糖化过程足够的原料收得率。

3糖化方法

不同原料不同糖化法，做好的啤酒，因该有好的麦芽，但是由于大麦来源的不同和大麦品种、质量的变化，以及制麦操作不稳定、不正确等原因，一个啤酒厂要经常使用质量很不一样的麦芽，一个啤酒厂要生产同样的啤酒，质量差的麦芽要进行适当的补救。不管啤酒的类型、浓色、淡色，不管原麦汁浓度的高低，不管原质量的优劣，均用一种糖化方法，虽方便了工人操作，却不能得出合乎要求的麦汁成分，也就酿造不出好的啤酒。糖化方法有：煮出糖化法、浸出糖化法、双醛煮出糖化法。国内大多用双醛辅料、麦芽分别投入糊化锅、糖化锅，液化和煮沸后并入糖化锅，达到所需要的糖化温度。辅料在糊化锅内糊化、根据糖化锅并醒的次数，分为一次、二次、三次糖化法。

糖化工艺要求。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转变成可溶性无色糊精和可发酵性糖的转化程度。②原料中无用的或有害的成分溶解少。主要指麦芽的皮壳物质、原料的脂肪、高分子蛋白质等。他们会影响啤酒的风味和啤酒的稳定性，在麦汁的制备过程中减少溶解或通过麦汁处理，使他们减少是提高啤酒质量的关键之一。③制成的麦汁的有机或无机组分的数量和配比符合啤酒品种、类型和酵母生长繁殖的要求，在原料质量不稳定的情况下，依据工艺原理进行调节，尽量得到质量均一的麦汁组成；在相似原料的情况下，通过不同工艺控制，制成不同组分的麦汁，来酿制不同风格的啤酒。④保证上述三原则的前提下，缩短生产时间，节省工时，节省能耗也是实际的需要。

4啤酒糖化控制系统总体构成

啤酒糖化控制系统的总体构成如图所示。

控制系统由模拟屏手动操作和计算机自动控制两部分组成。模拟屏功能：①手自动切换，当模拟屏手自动按钮打到手动时，当前操作以模拟屏输出为有效信号，计算机输出被屏蔽{②实现各种模拟量数据的实时显示，主要通过各种量程的数显表、光柱来完成，信号直接取自生产现场的变送器；③能实现对各种调节阀、变频泵的手动遥控操作，主要借助于手操器完成；④显示各种阀门开／关状态，电机、泵的运行／停止状态，由接近开关检测出状态反馈到控制室通过各种指示灯完成：⑤手动遥控阀门、电机，主要由按钮[带自锁)加继电器电平转换完成：⑥实现一定功能的安全联锁功能，主要由不带自锁的按钮加上一定数量的继电器完成。

计算机控制部分又分为控制站和操作站两部分。在该系统中选用了两套SIEMENS的S7-300可编程控制器为控制站，配有电源模块，CPU模块[带有MPI接口、DP接口)，模拟量输入模块，模拟量输出模块，开关量输入模块，开关量输出模块，机架接口模块等，控制站完成现场的各种阀、电机、泵的实时控制，保证糖化的正常生产，当发生故障时程序自动调用故障处理子程序。操作站由两套研华lPC610工控机组成，这两套工控机通过MP工网同时与控制站实现实时通信，可以通过任意一台操作站完成各种功能。每台操作站均可以以多种方式显示现场数据及设备状态；同时生成各种生产管理报表，由打印机将报表打印输出，另外两台操作站又通过NE200。网卡通过HUB与另外一套发酵集散控制系统相连接，完成某些数据的共享。

5实时控制系统的上位网络结构

计算机机网络技术也在工业自动化生产和生产管理中得到了迅速的发展。在工控机插上一块网卡加上一些必要电缆线及接头，就可以把原有的相互独立的各车间级DCS集散控制系统组成局域以太网，形成更高级的管理层的DCS监控系统。利用该网络将现场车间实时数据、报警信息等重要实时数据直接送到厂部领导和生产管理部门，将会为生产指挥和管理工作的进行提供极大的方便，具有很高的性能价格比。

既能有效的正确的传输实时数据，而又绝对不影响原有的实时控制系统的实时控制，是工业生产管理网络组网的关键，也是与一般商业局域网的最大区别，在最坏的情况下，网络系统各环节中不论发生何种情况的阻塞或断线，我们必须保证各车间的计算机能正常运行，从而不

影响各车间的正常生产，因而要求我们提供一套可靠的网络编程方法。Sockets最初是UNlx系统中最流行的网络通信接口，经过移植和扩展，扩充了一些异步函数，并增加了符合Windows消息驱动特性的网络事件异步选择机制，成为Winsock(是Windows Sockets的简称)，Winsock是在Windows下的标准网络程序设计接口。

Winsock通信机制。Winsock是一个基于Socket(套接字)模型的APT，它规范定义了一个TCP／lP网络上开发windows程序的接口标准，它以D比来实现对底层硬件(网卡或串行口)的控制，来实现网络通信。在使用Winsock编程时，首先需要考虑使用什么样的协议。经过扩展的Windows Sockets 2可以支持很多协议，而在VB中Winsock控件只支持TCP和UDP。两种协议之间的重要区别在于它们的连接状态：TCPl#42，是基于连接的协议，可以将它同电话系统相比，在开始数据传输之前，用户必须先建立连接；UDP协议是一种无连接协议，两台计算机之间的传输类似于传递邮件i消息从一台计算机发送到另一台计算机，但是两者之间没有明确的连接。另外，单次传输的最大数据量取决于具体的网络。到底选择哪一种协议通常是由需要创建的应用程序决定的。在收发数据的时候，应用程序如果需要得到客户端或者服务器的确认信息，则使用TCP协议，在收发数据之前先建立明确的连接。又如果数据量特别大(例如图象与声音文件)，在连接建立之后，丁CP协议将维护连接并确保数据的完整性。不过，这种连接需要更多的计算资源，因而是比较“昂贵”的。但数据发送是间歇的，例如，如果应用程序在某个任务完成的时候需要通知某个计算机，UDP协议是更适宜的，UDP协议适合发送少量的数据，在过程控制系统的组网中就是这种情况，属于控制站的各台计算机把每个控制周期的实时数据送到厂部领导和生产管理部门的上层计算机集中显示，每个周期传送的数据量不会很多，而且希望通信时少占用计算机的资源，以让各控制站的计算机有更多的资源用于生产过程的实时控制。

啤酒糖化生产控制系统总体框图中已经包含了两层网络结构，计算机与PLC通讯的下位网络，和计算机与计算机通讯的上位网络，其中下位网络为PLC自带的MPI网络，波特率为187，5K，通讯速率较低。两套独立的集散控制系统分别独立运行于各生产车间，而对于厂部领导来讲，车间的实时生产情况却不能即时了解，基于这个原因，我们准备开发一套把这两个独立的集散控制系统连成网络的更高级的实时数据管理系统。

网络通信是现代控制系统很重要的一个方面，用上述简易网络将处于现场的各车间的实时数据、报警信息等重要实时数据直接送到厂部领导和生产管理部门，将会为生产指挥和管理工作的进行提供极大的方便；不过，如果生产各车间比较分散，连网的各台计算机相距比较远，通过增加几个中继器可以增加一定的距离。