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滕福林

    隨著人們生活水平的提高，對于高品質啤酒的需求日益增加，消費熱點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。生產高檔純生鮮啤酒的微型啤酒成套設備在先進的歐美國家已形成了一定的市場占有量，成為啤酒新品牌的重要補充。進入90年代以來，為滿足外賓的需要，國內個別大城市相繼引進了西德、奧地利和美國的啤酒生產設備，深受飲用者的喜愛。但由于設備價格昂貴，發展極為緩慢。為降低設備價格，結合前期開發的環保型智能鍋爐，采用嵌入式系統開發理論設計控制系統，開發了“高檔啤酒微型成套生產系統”，最終可以成倍地節約用戶的一次投入成本。本文也為啤酒生產向小型化、營養化、風格化方向的發展提供了一個成功的解決方案。

1  生產線工藝介紹

    大型啤酒廠的生產工藝包括釀造和包裝。釀造生產線包括：糊化（大米）、糖化（大米和小麥）、發酵、過濾、稀釋等工藝過程。包裝生產線包括：卸箱、洗瓶、灌裝、初檢、殺菌、成檢、貼標、打包等工藝過程。對于純生啤酒生產線在包裝生產線上少了殺菌程序，在灌裝之前還需經過一道過濾程序，但這里的過濾是指過濾有害細菌，而釀造中的過濾是過濾啤酒糟以及二次沉淀過濾。

    針對高檔啤酒生產，本系統精簡了大型啤酒廠的一部分設備，系統如圖1所示。

圖1  高檔啤酒生產系統圖

    系統的設計年產量是100噸/年。其工藝流程為：麥芽粉碎→糖化過濾→煮沸→旋渦沉淀→麥芽冷卻→發酵→稀釋→灌裝。

    設計中將系統分為：麥芽粉碎系統、糖化系統、殘渣過濾系統、煮沸系統、發酵系統、冷卻系統、有害菌過濾系統、蒸汽供應系統、循環水處理系統、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，但發現在灌裝中還要增加CO2備壓系統，提高了生產線的成本，最終選用了扎啤桶。

2  電氣控制系統

2.1  系統總線控制

    圖2顯示了整個控制系統是數據通訊過程，STD表示總線通訊控制器，每個設備下的數字表示給設備所使用的微處理器芯片型號簡稱。

圖2  系統總線控制圖

    電氣控制采用微機兩級集散控制系統，系統上位機組態控制和設備級微控制器處理，中間通過通訊控制器連接。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多路開關CD4051送到微處理器PIC16F877，微處理器掛到STD總線上（沒有用數據采集器）。877自身所帶的8位A/D轉換器可以實現檢測精度：溫度為±0.5℃，壓力為1%；控制精度分別為±1℃和1.5%。

    STD總線利用RS485通訊協議，給每道工序的控制器分發一個工序號，微處理器再為每個控制開關量I/O和檢測輸入I/O分配一個I/O點號。所以在總線上通訊的數據是24bits，指工序號+I/O點號+數據量。唯一不同是給發酵罐分配的不僅有工序號，而且為了便于根據實際需要擴展更多的發酵罐（目前系統上采用5個），總線還為其分配了段號，指第幾個發酵罐，所以關于發酵罐和上位機之間通訊的應是32bits，指工序號+段號+I/O點號+數據量。如此分號雖然便于用戶擴展，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，每臺微處理器循環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，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程的檢測和控制。

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

2.2  下位機控制原理

    (1)  發酵控制原理

    發酵工藝是啤酒生產過程的關鍵性工藝之一，工藝流程和工藝參數直接影響啤酒的成品質量和生產率。發酵的控制系統也是個設備中相對比較復雜的，所以以發酵為例介紹微處理器的控制原理。

    啤酒發酵過程是一個復雜的生化反應過程，它通過酵母的多種酶作用，將可發酵性糖類經過生化反應轉化為酒精和CO2，同時釋放出熱量。影響這一過程的原因很多，如進入罐內的麥汁質量，酵母的強弱，以及溫度、壓力、水位、時間、流量和開關量控制等，而除了前期因素外，溫度影響在整個發酵過程中起著關鍵性的作用，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系建立一套數學模型，通過軟件微處理器軟件控制，使啤酒的發酵過程的溫度符合工藝要求，降低了雙乙酰含量，也縮短了發酵時間。

    (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進料泵，HOT蒸汽閥，COLD冰水泵，WAHI/MD/LOW三液位；繼電器驅動：HOT蒸汽閥，COLD冰水泵，PUMP-IN進料泵，Buzzer蜂鳴器。

    不僅每個工序上的設備甚至每個發酵罐，都有這樣一個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。每個主控制器電路基本原理是一樣的，不予贅述。

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

    (3)  軟硬件設計中采取的措施

    ①  啤酒的發酵時間較長，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關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系統其產品為純生鮮啤酒，在生產過程中不加任何輔料和化學添加劑，無需高溫殺菌，以水、麥芽和酒花為原料經酵母自然發酵釀造而成，具有品位高雅、口味純正、泡沫細膩、營養豐富的特點。目前本套實驗設備已完成調試，進入生產階段，運行正常。

4  后續研究

    根據目前的設計的工藝只能生產純生啤酒，遇到的問題是一旦過濾出現問題，即使重復過濾都不能解決問題，那么成品酒如何處理，是否可以加上殺菌設備，生產熟啤，以避免成品酒浪費。另外工藝上的改進，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，很多問題有待繼續研究。