第一章西门子PCS7啤酒厂生产控制系统
引言
包括具体介绍啤酒的工艺和项目中西门子PCS7控制系统大体结构
１ 啤酒生产工艺
啤酒酿造需要大麦水和酵母四种基本原料
常常还采用大米糖等辅料
发酵清酒其他辅助工序还有ＣＯ２回收
热水制备空气压缩等等
麦汁制备： 采用大麦水及辅料进行麦汁制备；
得到啤酒；
啤酒处理： 对发酵成熟的啤酒进行过滤高浓稀释等处理；
等待灌装；
这是啤酒生产的最后一道工序；
头酒尾等待灌装
图１－１ 啤酒厂生产过程图
1.1.1 糖化过程
整个糖化生产过程就是一个麦汁制备和处理过程
特别是可发酵性糖
啤酒糖化生产过程是啤酒生产的第一个关键性环节
质量糖化过程工艺指标控制的好坏口感
整个糖化过程主要包括原料粉碎糖化
煮沸冷却等生产工序
１
粉碎设备主要由料仓粉碎机等单元设备组成
湿法粉碎锤式粉碎四种
大米等千粉碎物直接进入粉碎机进行粉碎：湿法粉碎是将麦芽
麦芽等粉碎物在进入粉碎机之前的蒸气或水雾喷湿
对麦芽等粉碎物进行细粉碎 不同的粉碎方式其粉碎工艺各有不同
其操作流程可以简单归纳为：由储仓运来的麦芽
先进入分离筛
大米分别进入粉碎机进行粉碎形成麦芽浆大米浆分别送入糖化锅及糊化锅
除了实现料仓控制原料计量等一般测控要求以外温度以及ＰＨ值控制
２
它是由糖发酵而来的
糊化水分子大量进入淀粉分子中破裂在这一膨胀过程中没有发生物质的分解 通过淀粉酶的作用
在糖化过程中主要产生下列可被啤酒酵母发酵和不可发酵的淀粉分解产物：
（ａ）糊精：不可发酵；
（ｂ）麦芽三糖：能被所有高发酵度酵母发酵酵母才能分解它（在后酵储存时分解
称为主发酵性糖；
（ｄ）葡萄糖：最先被酵母发酵
为保证啤酒质量这个过程也是麦汁制备中最重要的过程
为了使该过程能够尽最大可能形成更多酶必须工作在最佳温度及ＰＨ值范围内
麦汁中的各种糖分和糊精共同影响着啤酒的质量
这些主要因素有：
（ａ）糖化过程中的温度：６２＾－６３可以得到最大量的麦芽糖和最高的最终发酵度各阶段的休止温度蛋白休止麦芽糖形成休止７８
浸出物溶液的浓度最终发
酵度也在不断的提高
５．６时形成较多的可发酵性糖；
（ｄ） 醪液浓度：在稀醪中但浓醪可以更好的保护酶
前者首先在糊化锅中把大米浆按温度曲线进行糊化
然后将混合醪液的一部分分到糊化锅加热到沸点再与其余醪液混合
和煮出法比较没有分醒煮沸的步骤
图１－２ 添加大米糖化工艺示范
为使生产出的啤酒达到期望值
促进酶反应完全
并避免高速搅拌；
（ｃ）醒液的ＰＨ值；
（ｄ）避免醛液吸氧；
（ｅ）糊化锅防溢锅控制等等
糊化与糖化的温度控制是关键这是一个生化反应过程
各种分解酶都需要在各自特定的温度下才能发挥其最佳作用；另一方面如何在自动运行过程中尽可能降低能耗
（３） 过滤
糖化过程结束后的醪液中含有水溶性物质和非水溶性物质
麦汁非水溶性物质叫叶芽和其他物质
啤酒生产仅把麦汁作为原料送到发酵环节进行生产发酵就必须尽最大可能完全使麦汁与麦糟分离过滤
麦汁过滤有过滤槽过滤及过滤机过滤两种方式：采用过滤槽方式过滤时
麦糟则不作为过滤介质我国的多数生产厂家采用过滤槽的过滤方式
泵入醪液混浊麦汁回流洗糟和洗糟麦汁过滤
煮沸
麦汁煮沸是一项复杂的物理化学过程麦汁煮沸主要作用有：
（ａ）酶的钝化使其失去作用
稳定麦汁中可发酵性糖和糊精的比例
（ｂ）麦汁灭菌消灭麦汁中存在的各种菌类
以保证最终产品的质量
煮沸过程中析出某些受热变性及絮凝沉淀的蛋白质
（ｄ）蒸发水分使麦汁浓缩到要求的浓度
在煮沸过程中添加酒花赋予啤酒独特的苦味和香味
包括：降低麦汁的ＰＨ值蒸出不良的挥发性成分等等
也就是温度的控制（滞后时间约为ｌｍｉｎ），煮沸的蒸发过程可以分为两个阶段：小蒸发阶段和大蒸发阶段
大蒸发阶段即从沸腾开始到煮沸结束关蒸汽的过程需要根据麦汁浓度控制蒸发强度以达到控制定型麦汁浓度的目的
（ｃ）煮沸锅防溢锅控制 （５）澄清
打出麦汁中总是含有冷冷
会损坏啤酒质量 麦汁冷却与凝固物的分离一般分两步进行：（ａ）麦汁预冷却与热凝固物的分离：降低麦汁温度
最后达到发酵要求的温度
并将其排除通常用冰水作为冷媒将热麦汁从９５－９８的接种温度
整个糖化环节基本结束
这个过程可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程例如：麦汁充氧发酵修饰以及酵母培养等等
麦汁中需要加入适量的酵母
Ｈ２０及其它产物的过程
首先需要进行繁殖为了酵母的繁殖因此必须给酵母提供足够的氧气
麦汁充氧是唯一一次给酵母提供氧气的机会
对麦汁质量无损害
使酵母和氧气均匀地加入和溶入麦汁之中这个过程我们需要在一定时间内对二者进行量的控制
这是啤酒生产过程中耗时最长的一个环节
的过程同时在发酵过程中还会产生种类繁多的中间代谢产物（发酵副产物）但它们同酒花成份一起对啤酒的质量和口味起着决定性的影响
也能对啤酒口味
通常发酵副产物可以分为两类：
（ａ）生青味物质醛这些物质赋予啤酒不纯正不协调的口味和气味
这是啤酒后酵的目的
例如：高级醇这些物质主要决定啤酒的香味
它们的存在是优质啤酒的前提条件
这个阶段又称为前酵
麦汁糖度下降反应热的释放使整个罐内的温度逐渐上升再过２＾－３天
糖度很低进行封罐发酵前酵基本结束普通啤酒在前酵时的工艺要求控制在１２从前酵进入后酵的降温过程
当罐内温度从前酵的１２左右时这一阶段最主要的目的是进行双乙酞还原后酵阶段还完成了残糖发酵
降低氧含量一旦双乙酸指标合格
约以０．１５０Ｃ／ｈ的速率把罐内发酵温度从５
左右进行贮酒经过一段时间的贮酒
图１－３ 主酵
发酵液温度要求控制在给定温度的１０． ３以期达到理想的发酵状况在不同的发酵阶段
以利于发酵液对流和酵母在罐内的均匀混合；在后酵阶段
便于酵母的沉淀和排出
各种物质的转化速度受一系列因素的影响
酵母特性运动情况其中发酵压力和发酵温度是可以通过外部控制的两个极其关键的因素
同时使发酵发酵温度的上升会使发酵速度明显加快低温发酵可以降低双乙酞
可以提高啤酒的色泽和口味；高温发酵则可以加快发酵速度
相比之下
因此控制好温度的升降速率是决定啤酒生产质量的核心内容之一
其典型控制曲线如图１－３所示不同工艺所要求的温度控制曲线会有所不同
图１－４ 啤酒发酵温度典型控制曲线
在发酵期间
以维持适宜的发酵温度单
从定性角度分析
由于发酵罐容积大（我国主要采用的发酵罐最大容积为１２０－５００ｍ３）
所以整个热交换过程十分缓慢正常
情况下的１８０ｍ３发酵罐的等效滞后时间到了后酵可
达１５￣３０分钟生产原料的质和量冷媒物性以及生产环境等
因素的变化也严重地影响
着实际的对象特性发酵深度和冷媒物性都是变
化的
这也使得对象模型还具有明显的时变性发酵温度成了整个控
制系统的控制难点
后酵结束以后
啤酒过滤是一种分离过程
否则这些物质会在以后的时间里从啤酒中析出
目前多采用硅藻土过滤方式
则微生物可以在啤酒中迅速繁殖
其排泄的代谢产物甚至使啤酒不能饮用
这个过程的工艺目的非常明确
过滤机系统的联动控制（联动过程极其复杂）
（４）醉母扩培
发酵所必须的酵母通过纯种培养获得
实验室扩培和车间扩培
充氧
1.1.3 其它
糖化此外还有一些为保证生产过程正常进行而必不可少的系统和装置脱氧水生产系统
压缩空气生产它们往往不附属于某一个生产工序
1.2 项目概述
２００４年２月ＳＩＡＳ
项目范畴包括工程服务
对Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａ＆Ｄ来说
哈尔滨啤酒厂创立于１９００年同时也是我国最早实现纯生啤酒生产线的企业之一
同时它对于Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａ＆Ｄ的另一个意义在于
包括酵母回收发酵馆二氧化碳站除氧水站等
４个控制站
实现的Ｉ／Ｏ点数达到４０００点ＳＩＡＳ根据工艺特征提供详细控制功能设计系统培训现场系统恢复开车生产以及优化整定等工程技术服务
包括发酵
过滤ＣＩＰ，酵母回收另外还包括酿二二期
总共八个自动化控制站（ＡＳ）
控制站ＰＬＣ之间和上位机之间用１００Ｍ光纤工业以太网连接将分散的ＰＬＣ功能连接起来
图1-5 啤酒厂控制系统结构图
上位机由两台DELL的台式PC组成分别作为工程师站和操作员站(OS)
通过工业以太网从PLC 读取和发送数据
也可以更改PLC自动程序而操作员站只能对控制参数进行更改和设置而不能更改程序和系统软硬件组态
总共达到４０００个Ｉ／Ｏ点数回旋沉淀槽酵母添加和麦汁充氧发酵罐过滤中包括滤前缓冲罐板式过滤机滤后缓冲罐和高浓稀释系统ＣＯ２ 添加精滤器还包括无菌空气冷脱氧水
热脱氧水清洗站酸添加站滤后清洗站
本人在该项目中主要负责酿二和酿三的ＣＩＰ站所有的流程ＰＬＣ程序实现以及下位机操作面板制作以及上位机ＷＩＮＣＣ界面的制作将在后面的章节中具体介绍ＣＩＰ设备清洗的流程及具体步骤。