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滕福林

    隨著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(fèi)熱點(diǎn)已從瓶裝啤酒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移。生產(chǎn)高檔純生鮮啤酒的微型啤酒成套設(shè)備在先進(jìn)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(bǔ)充。進(jìn)入90年代以來，為滿足外賓的需要，國內(nèi)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(shè)備，深受飲用者的喜愛。但由于設(shè)備價(jià)格昂貴，發(fā)展極為緩慢。為降低設(shè)備價(jià)格，結(jié)合前期開發(fā)的環(huán)保型智能鍋爐，采用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)理論設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，開發(fā)了“高檔啤酒微型成套生產(chǎn)系統(tǒng)”，最終可以成倍地節(jié)約用戶的一次投入成本。本文也為啤酒生產(chǎn)向小型化、營養(yǎng)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)線工藝介紹

    大型啤酒廠的生產(chǎn)工藝包括釀造和包裝。釀造生產(chǎn)線包括：糊化（大米）、糖化（大米和小麥）、發(fā)酵、過濾、稀釋等工藝過程。包裝生產(chǎn)線包括：卸箱、洗瓶、灌裝、初檢、殺菌、成檢、貼標(biāo)、打包等工藝過程。對于純生啤酒生產(chǎn)線在包裝生產(chǎn)線上少了殺菌程序，在灌裝之前還需經(jīng)過一道過濾程序，但這里的過濾是指過濾有害細(xì)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(chǎn)，本系統(tǒng)精簡了大型啤酒廠的一部分設(shè)備，系統(tǒng)如圖1所示。

圖1  高檔啤酒生產(chǎn)系統(tǒng)圖

    系統(tǒng)的設(shè)計(jì)年產(chǎn)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(fā)酵→稀釋→灌裝。

    設(shè)計(jì)中將系統(tǒng)分為：麥芽粉碎系統(tǒng)、糖化系統(tǒng)、殘?jiān)^濾系統(tǒng)、煮沸系統(tǒng)、發(fā)酵系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、有害菌過濾系統(tǒng)、蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、循環(huán)水處理系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)。

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

2  電氣控制系統(tǒng)

2.1  系統(tǒng)總線控制

    圖2顯示了整個(gè)控制系統(tǒng)是數(shù)據(jù)通訊過程，STD表示總線通訊控制器，每個(gè)設(shè)備下的數(shù)字表示給設(shè)備所使用的微處理器芯片型號簡稱。

圖2  系統(tǒng)總線控制圖

    電氣控制采用微機(jī)兩級集散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)控制和設(shè)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?yàn)槟M量輸入信號較多，采用8選1多路開關(guān)CD4051送到微處理器PIC16F877，微處理器掛到STD總線上（沒有用數(shù)據(jù)采集器）。877自身所帶的8位A/D轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)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(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。所以在總線上通訊的數(shù)據(jù)是24bits，指工序號+I/O點(diǎn)號+數(shù)據(jù)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(jù)實(shí)際需要擴(kuò)展更多的發(fā)酵罐（目前系統(tǒng)上采用5個(gè)），總線還為其分配了段號，指第幾個(gè)發(fā)酵罐，所以關(guān)于發(fā)酵罐和上位機(jī)之間通訊的應(yīng)是32bits，指工序號+段號+I/O點(diǎn)號+數(shù)據(jù)量。如此分號雖然便于用戶擴(kuò)展，但相對的也提高了上位機(jī)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(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(yīng)并占用總線，否則繼續(xù)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(jī)的監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)具體的工藝參數(shù)檢測和控制功能；在自治方式下，微處理器則獨(dú)立地完成工藝過程的檢測和控制。

    上位機(jī)采用組態(tài)王6.0組態(tài)控制，采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一個(gè)包括所有工序設(shè)備窗口的畫面和為每道工序設(shè)計(jì)的單獨(dú)畫面，各單獨(dú)畫面顯示出該設(shè)備中各溫度、壓力、時(shí)間等檢測點(diǎn)參數(shù)和被控制點(diǎn)的狀態(tài)，而且每個(gè)畫面可以很容易的進(jìn)行相互切換。利用組態(tài)王的趨勢曲線、報(bào)警和報(bào)表功能，可以將各設(shè)備運(yùn)行中的實(shí)時(shí)曲線通過微打印機(jī)uP-16B打印，并且可以進(jìn)行聲光報(bào)警。

2.2  下位機(jī)控制原理

    (1)  發(fā)酵控制原理

    發(fā)酵工藝是啤酒生產(chǎn)過程的關(guān)鍵性工藝之一，工藝流程和工藝參數(shù)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(tǒng)也是個(gè)設(shè)備中相對比較復(fù)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)酵過程是一個(gè)復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，它通過酵母的多種酶作用，將可發(fā)酵性糖類經(jīng)過生化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為酒精和CO2，同時(shí)釋放出熱量。影響這一過程的原因很多，如進(jìn)入罐內(nèi)的麥汁質(zhì)量，酵母的強(qiáng)弱，以及溫度、壓力、水位、時(shí)間、流量和開關(guān)量控制等，而除了前期因素外，溫度影響在整個(gè)發(fā)酵過程中起著關(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(nèi)的啤酒溫度的關(guān)系建立一套數(shù)學(xué)模型，通過軟件微處理器軟件控制，使啤酒的發(fā)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(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(yùn)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(qū)動：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(shè)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(jù)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處理程序，其都是進(jìn)行邏輯判斷后調(diào)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(shù)。

    (3)  軟硬件設(shè)計(jì)中采取的措施

    ①  啤酒的發(fā)酵時(shí)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(guān)量輸出通道均采用光電隔離器PC817于主控電路隔離，增強(qiáng)了系統(tǒng)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(tǒng)中像鍋爐這些大慣性設(shè)備和加熱等大滯后現(xiàn)象，采用模糊控制算法，可以提高系統(tǒng)的控制性能。

3  設(shè)計(jì)結(jié)果

    高檔啤酒微型成套生產(chǎn)系統(tǒng)其產(chǎn)品為純生鮮啤酒，在生產(chǎn)過程中不加任何輔料和化學(xué)添加劑，無需高溫殺菌，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(xì)膩、營養(yǎng)豐富的特點(diǎn)。目前本套實(shí)驗(yàn)設(shè)備已完成調(diào)試，進(jìn)入生產(chǎn)階段，運(yùn)行正常。

4  后續(xù)研究

    根據(jù)目前的設(shè)計(jì)的工藝只能生產(chǎn)純生啤酒，遇到的問題是一旦過濾出現(xiàn)問題，即使重復(fù)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(shè)備，生產(chǎn)熟啤，以避免成品酒浪費(fèi)。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(tǒng)提出更高的要求，很多問題有待繼續(xù)研究。