基于S7-400PLC的啤酒发酵温控系统硬件平台的构建

张松宇 杨文斌 邢伟华

摘要：啤酒生产过程中，发酵阶段的温度控制是影响啤酒口味、香味及色泽的重要因素。以S7-400 PLC控制器和BRAUMAT平台为硬件基础，开发啤酒发酵温度控制系统，实现人机交互。该硬件平台已投入生产，运行结果表明系统稳定可靠，能够实现对温度的精准控制。

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.

关键词：啤酒发酵;温控系统;S7-400 PLC;BRAUMAT平台

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

中图分类号：TP273                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2018）34-0194-02

0  引言

在啤酒生产中，有两大主要工艺阶段——糖化和发酵。糖化阶段要生产出合格的麦汁，发酵阶段则是利用糖化的麦汁进行发酵，生产出啤酒原浆。啤酒发酵是一个非常复杂的生化反应过程，温度是啤酒发酵过程中最重要的参数，如果温度控制偏低，就会使得发酵过程缓慢，影响生产进度;如果温度偏高，又会造成生化参数超出标准，影响啤酒的质量。由此可见，精确控制发酵液的反应温度是生产出高品质啤酒的必要条件，而实现精准的温度控制又必须保证具备可靠稳定的硬件系统支撑，据此，文章以国内某新建大型啤酒厂为例，介绍如何使用西门子S7-400 PLC 构建一个稳定可靠的啤酒发酵温度控制系统的硬件平台。

1  啤酒发酵温度控制系统简介

啤酒发酵是在啤酒酵母体内所含的一系列酶类的作用下，以麦汁所含的可发酵性营养物质为底物而进行的一系列生物化学反应。啤酒发酵分主发酵（旺盛发酵）和后熟两个阶段。

在主发酵阶段，进行酵母的适当繁殖和大部分可发酵性糖的分解，同时形成主要的代谢产物乙醇和高级醇、醛类、双乙酰及其前驱物质等代谢副产物。主发酵阶段，发酵罐内温度逐渐上升，为自然升温，当达到上限时，主发酵结束。此后，发酵进入后熟阶段，温度逐渐下降。

首先是还原双乙酰阶段，当双乙酰浓度下降到合格标准时，发酵就可以进入降温阶段，分两个阶段按不同的速率降温，此时把所有冷媒阀打开，使发酵液全速降温，降温阶段的温度为-1～12℃。当温度到达1℃以下时发酵进入低温储酒阶段，在低温储酒阶段温度控制在0.5～10℃。这一阶段主要是让酵母和一些固态物进行充分沉淀并进行回收。低温发酵使压力增加能使二氧化碳在啤酒中的溶解量加大，并减少啤酒中其他生成物[1]。可见，在发酵过程中，对温度、酒液密度、液位的把握相当重要。因此，在啤酒发酵过程中，要在发酵罐的不同位置标定测温点，实时监测罐内温度并加以控制，使得温度满足各个阶段的控制要求。

2  硬件平台构建

2.1 信号点统计

现代啤酒厂，发酵一般是在锥形罐中进行，锥形罐的体积一般在100m3-500m3。该厂发酵罐区共有72个发酵罐，分为3个区域，其中1#罐区前后酵共30个400m3锥形罐，2#罐区前后酵共30个400m3锥形罐，3#罐区前后酵共12个锥形罐。锥形罐如图1所示。

为了使发酵罐内温度均匀且稳定，发酵罐设有上层、中层、底层4段冷却夹套设备，同时对应安装4个温度智能变送器和4个冷媒调节阀，进行精细调节[2]。具体信号如下：

1个罐顶压力检测（4-20mA模拟量输入信号（AI）），4个温度检测：（电阻信号（RTD）），1个CIP清洗旋转检测（数字量输入信号（DI）），1个发酵罐空位检测（1DI），1个罐底阀（1个罐底阀包括3个数字量输出信号（DO），2个数字量输入信号（DI）），1个备压调节阀（1个模拟量输出信号（AO），1DO），一个取样阀（1DO），一个排酵母控制箱（1DO、1DI）、4个冷媒电磁阀（4DO）。

依据罐区排布及桥架走向，初步确定6个罐的信号进入一个分布式I/O子站。子站采用IM153-4接口模块通过PROFINET总线与S7-400 CPU相连接。每个I/O子站柜配置1块8AI（8通道数字量输入模块），3块8RTD（8通道铂电阻输入模块），1块8AO（8通道模拟量输出模块），2块32DO（32通道数字量输出模块），2块32DI（32通道数字量输出模块）。

每个以太网接口模块最多可以带12个I/O模块，根据以上统计，每个分布式I/O子站内I/O模块总数为9块，符合数量要求。

依据每个子站包含6个发酵罐信号，整个发酵罐罐区需要设置12个子站，具体模块配置如表1所示。

2.2 网络架构

为了保证信号的稳定可靠传输，分布式I/O子站采用冗余的网络设计。S7-400 PLC的CPU、接口模块IM153-4都为双以太网端口，支持环网冗余连接。传输速率100M/s，支持大规模数据交换。网络结构图如图2所示。

3  上位机配置

上位机采用服务器—客户端架构，采用该种结构，操作端负荷小，操作反应速度快，大量的数据计算交给配置强大的服务器进行。上位机软件采用BRAUMAT平台，BRAUMAT平台为业界领先的自控系统平台，基于BRAUMAT开发的温控系统，具有控制高效、可靠、易于管理与维护的特点。系统具备工艺配方管理、历史曲线记录与查询、批次跟踪等功能。（图3）

4  结束语

基于西门子S7-400 PLC的啤酒发酵温控系统的硬件平台架构，采用冗余设计，保证可靠性，采用工业以太网通讯，保证数据的及时传输，采用先进的上位机工控平台，使得该平台结构配置在行业内处于领先地位。该硬件平台已投入实际生产中，在整个发酵系统中运行稳定可靠，为精确控制发酵温度奠定坚实的硬件基础，保证了企业的正常生产。

参考文献：

[1]徐云鹏.关于PLC的智能化PID啤酒发酵罐温度控制系统设计研究[J].现代盐化工，2017（1）：26：27.

[2]李鑫，张煜星，高博.基于S7-1200PLC的啤酒发酵温度控制系统研究[J].食品与机械，2018（4）：116-119.

[3]阮文韜.关于啤酒酿造过程PLC自动控制系统的研究[J].食品研究与开发，2016（20）：111-114.