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1、啤酒生产工艺和控制功能分析,施耐德电气（中国）投资有限公司制造业自动化解决方案中心杨杰,啤酒行业自动化应用map,中国市场关键EU啤酒,中国市场关键EPC和全球OEM,中国市场关键SI-乳品/啤酒/软饮料,中国市场关键EPC/OEM-乳品/啤酒/软饮料,中国市场关键EPC/OEM-乳品/啤酒/软饮料,啤酒成功案例列表1,啤酒成功案例列表2,啤酒生产原料,水,酵母,麦芽(或大米等辅料),啤酒花,啤酒生产工艺流程,啤酒生产主要控制系统,啤酒生产：麦芽制备糖化发酵灌装,辅助过程：压缩空气冷冻站锅炉水处理,1.糖化,糖化目的：制备麦芽汁麦汁工艺制造过程：原料的粉碎，原料的糊化(大米等辅料，在糊化锅)、
2、糖化(麦芽，在糖化锅)，糖化醪的过滤，混合麦汁加酒花煮沸，麦汁处理澄清、冷却、通氧等一系列的加工过程。糖化自控过程包括：,粉碎过程Malt/Rice Milling,煮沸及酒花添加过程Boiling,Hops Adding,糖化过程Mash Tun/Mashing,麦汁过滤过程Lauter Tun/Mash Filter,就地清洗CIPCleaning In Place,公用设施Facility Management,麦汁处理过程Wort Clarification,Cooling,Aeration,1.1 原料麦芽、大米的粉碎,目的：目的：使整粒谷物经过粉碎后，有较大的比表面积，使物料中贮藏
3、物质增加和水、酶的接触面积，加速酶促反应及物料的溶解。,1.1 原料麦芽、大米的粉碎的上位机界面,1.1 原料麦芽、大米的粉碎的PLC控制,主要控制:麦芽、大米暂存仓高、低料位麦芽、大米计量浸麦水温度、流量调节麦芽投料水温度、流量调节大米投料水温度、流量调节设备电机的启停、状态插板阀状态、开、关,主要联锁:断流报警、联锁物料、水、CIP、排污阀状态、开、关、联锁人机倒包联系输送带堵料联锁报警设备顺序启停联锁控制,注：1.进入麦芽（大米）湿粉机的浸麦水的水温，由PLC自动调节三通调节伐，改变冷热水流量比，以维持浸麦水温的恒定。2.根据进料量自动调进水量，以保证浸麦水的适当配比量。系统设浸麦水断水
4、联锁保护。,1.2 糖化（糊化、并醪、糖化）,目的：将麦芽和辅料中高分子贮藏物质及其分解产物（淀粉、蛋白质、核酸等），通过麦芽中各种水解酶类作用，以及水和热力作用，使之分解并溶于水。注：不同酶在不同温度下起作用。糖化使长链分子分解成短链分子。淀粉转化为糖分，蛋白质溶解。,1.2 糖化（糊化、并醪、糖化）,影响糖化的因素：糖化过程中的温度糖化时间醪(lao)液PH值醪(lao)液浓度,1.2 糖化（糊化、并醪、糖化）温度曲线,主要温控点：蛋白质休止温度500C麦芽糖化休止温度62-650C糖化休止温度72-750C糖化终止并醪（麦汁、醪液）温度76-780C,1.2 糖化的上位机界面,1.2 糖
5、化（糊化、并醪、糖化）的PLC控制,主要控制:糊化锅、糖化锅温度智能串级控制,通过上段开关阀和下段比例阀调节进入夹套加热器的蒸流流量。蒸汽压力控制连续液位、空料位检测、控制搅拌控制（快慢转或变频控制）糊化锅溢锅检测、控制、报警倒醪控制阀门的开关和状态反馈电机的启停和状态反馈加水温度、流量调节,主要联锁:糊化锅、糖化锅温度、压力联锁空料位与出料泵联锁人孔盖状态、醪液下位与搅拌联锁CIP阀与排污阀与物料过程的联锁过程阀门和泵的开关顺序联锁,1.2 糊化锅（糖化锅）温度、压力串级控制,1.3 麦汁过滤,目的：在最短时间内将麦汁（溶于水的浸出物）和麦糟（残留的皮壳、高分 子蛋白质、纤维素、脂肪等）分离
6、。用洗糟水反复洗涤麦汁直至滤后麦汁浓度下降到一定程度后出糟，整个过滤过程结束。,影响过滤的因素：麦芽的质量麦芽的粉碎度糖化锅内淀粉分解是否彻底过滤速度(重要)洗糟水温度,1.3 麦汁过滤槽的上位机界面,1.3 麦汁过滤的工艺过程,糟层形成阶段：在此阶段时间内，糟层尚未形成或形成的厚度不够，滤出麦汁混浊。此时回流阀打开，出汁阀关闭，滤出液由滤液泵打回至过滤槽重新过滤。为了加速糟层形成，可保持一定流速的回流流量。自滤阶段：糟层基本形成，滤出的麦汁已达标准，此时，关闭回流阀和旁路阀，打开出汁阀，滤出液由滤液泵经平衡罐打至煮沸罐，同时，为了防止过滤槽内进氧，必须保证平衡罐内的一定液面高度。平衡罐的液面
7、的恒定是由PLC根据液面偏差值改变变频器的频率来调节抽出泵的转速来实现的。为了既能保证过滤速度，又能防止因流速太快而造成滤液混浊，流量调速系统继续保持流量的恒定调节，随着糟层逐渐变厚，过滤阻力变大，流量调节系统自动增大调节阀开放，以保证流量的恒定。抽滤阶段：当自滤后期，糟层不断加厚，阻力越来越大，调节阀全开，也无法维持流量的恒定，此时，关闭联通阀，同时打开平衡罐的旁路阀，用抽出泵进行抽滤。为了保证滤液的质量。此时，保证流量的恒定仍是必要的。耕槽阶段：经一定时间的抽滤以后，糟层开始结板、阻力加速上升，为了保证过滤能继续进行，必须暂停过滤，启动耕糟机，耕刀旋转将糟层耕松后，才能重新继续过滤。耕刀根
8、据液位升降。由于耕糟机的结构和耕糟方法的不同，再次过滤的滤液，清浊度也不同。如果滤液的浊度达不到要求。滤液只好再次打回流，直至合格后，方能再经自滤和抽滤后出液。出槽阶段：经几次反复过滤直至过滤液内淀粉浓度降低到一定值后，抽干糟内液体后出糟。打开排糟门，启动排糟电机。,1.3 麦汁过滤的PLC控制,主要控制内容:洗糟水温度、流量控制过滤槽/麦汁收集器液位控制过滤麦汁流量控制、计量过滤麦汁泵变频控制过滤槽洗糟控制过滤槽耕刀、刮板升降控制（液压系统）过滤槽耕刀位置检测过滤槽耕糟控制排糟控制（糟门电机、排糟电机）糟相空料位检测人孔状态检测物料阀、CIP阀、排污阀联锁控制及状态,主要联锁:进出料阀门与糟
9、门电机联锁CIP阀、排污阀与过滤过程的联锁进醪与糖化锅的出醪流程联锁出醪与煮沸锅的进醪联锁耕刀位置与液压系统的联锁排糟压缩空气压力联锁,1.3 麦汁过滤槽控制模型,变频器控制滤液泵速度，根据浊度仪或人孔看麦汁浊度，决定回流或排出。,耕刀旋转把糟耕松，耕刀根据液位升降。,1.4 麦汁煮沸和酒花添加,目的：蒸发水分、浓缩麦汁钝化全部酶和麦汁杀菌蛋白质变性和絮凝酒花有效组分的浸出排除麦汁中特异的异杂臭气,煮沸强度（重要）：,煮沸强度是指煮沸锅单位时间（h）蒸发麦汁水分的百分数。=（V1-V2）/（V1*t）*100%其中：V1煮沸前混合麦汁体积（m3）V2煮沸后热麦汁体积（m3）t煮沸时间（h）蒸发
10、强度（%/h）,1.4 麦汁煮沸部分的上位机界面,1.4 麦汁煮沸和酒花添加过程的PLC控制,影响煮沸强度的因素:加热方法蒸汽压力麦汁量传热面积,主要控制内容:煮沸锅温度、加热时间控制煮沸锅加热压力控制煮沸锅液位、低料位控制煮沸锅加水计量控制麦汁溢锅联锁控制热麦汁泵控制酒花添加控制（自动或人工添加）物料阀、CIP阀、排污阀状态、开、关、联锁,注：1.由调节加热蒸汽量来保证麦汁的蒸发速率。,1.5 麦汁处理（沉淀、冷却、充氧）,目的：分离出酒花糟和热凝固物，将热麦汁冷却到发酵温度，补充适量空气，供酵母前期呼吸。,麦汁处理流程：,煮沸锅,热麦汁暂存,泵30KW,回旋沉淀槽旋转放置一段时间沉淀上下三
11、段排上清液,薄板冷却到80.1左右,通风,发酵,酒花糟+热凝固物,压缩空气,1.5 麦汁处理的上位机界面,1.5 麦汁处理的PLC控制,主要控制内容:回旋沉淀槽液位控制回旋沉淀槽顺序出料控制薄板冷却器出口冷麦汁温度控制冷却麦汁流量控制冰水温度、压力检测、报警薄板回热水温度检测冷却前薄板热水杀菌控制冷却后顶水控制冷麦汁充氧流量控制,热麦汁泵、清汁泵的控制物料阀、CIP阀、排污阀联锁控制回旋槽人孔盖状态检测,1.6 公用设施(冷热水、蒸汽及冷凝水回收),目的：为粉碎、洗糟、各锅槽补水、CIP提供合格的冷热水。回收冷凝水送至锅炉房。,主要控制内容：热水罐温度控制热水罐液位联锁控制、报警酿造水罐液位联
12、锁控制、报警热水泵、冷水泵的恒压控制总蒸汽计量总蒸汽减压前后压力检测蒸汽分配器压力控制冷凝水回收控制,1.6 公用设施的上位机界面,1.7 就地清洗CIP系统,CIP(Cleaning In Place)说明：采用一系列的清洗剂和消毒剂，对生产设备、装置和管道，在无须拆卸和安装下就能进行周期清洗和消毒的系统。糖化车间CIP系统包括一个热水罐和二个碱罐，分别设有温度和液位测量显示。糖化车间CIP每次需水冲、隔段时间（1天）碱洗。目的：为各锅槽提供合格的CIP液。,主要控制内容：CIP加热器出口温度控制CIP罐液位检测CIP泵的控制CIP液浓度配置CIP清洗流程自动控制CIP换向板状态检测,1.7
13、 就地清洗CIP系统的上位机界面,2.啤酒发酵,啤酒发酵说明：依赖于纯种酵母，对麦汁某些组分(糖分)进行一系列的代谢过程，产生酒精等各种风味物质和CO2，构成有独特风味的饮料酒。,发酵车间各子系统：酵母培养、贮存、繁殖酵母添加发酵啤酒过滤清酒CIP系统废酵母回收CO2回收,影响啤酒质量的主要因素：麦芽的质量麦汁组成分析啤酒酵母的品种和菌株特性投入发酵的酵母数量和质量状况，以及在整个发酵中酵母细胞的生活状况发酵罐的几何形状、尺寸和材料发酵工艺条件PH、温度、溶氧水平、发酵时间,2.1 发酵工艺,发酵工艺阶段的划分：自然升温主发酵后发酵（老化，双乙酰还原）CO2的备压和回收酵母的排放和回收冷却、降
14、温低温贮酒,发酵温控曲线,2.1 发酵罐控制,间接冷却,直接冷却,2.1 发酵罐温度控制,测温元件的选择:防结露，滞后小的铠装铂热电阻测温点数量和测温元件长度的选择防温漂RTD四线制信号执行机构的选择:调节阀电磁阀气动开关阀,发酵温控要点:在降温的末端要考虑到系统惯性太大造成的 过冲，使用预估方法使温度平稳过度到保温状态；在保温段不可采用长时期、大开度的降温措施，防止局部结冰。低温保温一般要求温度控制在0.0-1.0,十分接近啤酒的冰点,此时的控制要求以中下部冷带为主,控制应平稳,以防局部冻罐。,2.1 发酵温控原理,温控模型:,执行机构的选择:自然升温阶段不对温度进行控制；主发酵期间控制温度
15、为上低、下高；双乙酰还原期控制三段温度均恒；酵母回收期（含降温段）控制三段温度均恒；冷贮期控制温度上高、下低（T1=T2T3）。,2.1 发酵罐压力、液位控制,压力控制:排空控制CO2回收保压控制备压控制,液位控制:压差方式流量计方式空满罐检测方式,2.1 发酵罐的上位机界面,2.1 发酵罐的上位机界面,2.1 发酵罐的上位机界面,2.2 酵母扩培、储存、投加,目的：对实验室培养好的酵母进行扩培繁殖、冷却储存，并根据发酵需要进行在线投料。,2.2 酵母扩培、储存、投加,工艺说明:酵母扩培一般包括一个5HL一级扩培罐、一个50HL二级扩培罐、6HL清洗罐等。扩培前，对扩大培养罐及相应的管路进行清
16、洗和蒸汽灭菌。麦汁按计量进入一级培养罐，在罐中进行二次灭菌，再冷却至接种温度。将实验室培养好的酵母接入。经过大约48小时的培养，当一级培养罐中的酵母数达到要求时，即可以转入下一级培养。麦汁按计量进入二级培养罐，在罐中进行二次灭菌，再冷却至接种温度，将一级培养罐培养好的酵母接入。经过大约48小时的培养，当二级培养罐中的酵母数达到要求时，即可将部分酵母压回一级培养罐低温保种。剩余压入储存罐，用于现场麦汁的接种。冷却储存罐以保持低温，防止酵母升温。在冷麦汁进发酵罐期间连续添加酵母，酵母流量由变频器控制。,2.2 酵母扩培、储存、投加的PLC控制,控制内容:自动清洗和蒸汽杀菌麦汁进扩培罐计量麦汁杀菌和
17、冷却 扩培罐的压力控制（弹簧恒化调节阀）扩培罐的液位控制培养液的恒温控制（氨冷却降温）定时通风供氧培养液压出和回压保种 储存罐的压力控制储存罐的氨冷却降温控制储存罐的液位控制储存罐的搅拌控制酵母投料流量控制,2.2 酵母扩培的上位机画面,2.2 酵母储存的上位机画面,3.清酒过滤系统,目的：利用硅藻土、滤膜等过滤介质,把酒液中的酵母、冷凝固物、大分子悬浮物等去除，保持啤酒的风味稳定性。清酒罐作为啤酒过滤机和灌装机之间的缓冲器，保持温度以防止酵母反应升温，从而使灌装稳定。,3.1 清酒过滤系统的PLC控制,工艺说明：一般包括烛式硅藻土过滤机和精滤机，高浓稀释机，纯生啤酒的膜过滤系统。硅藻土过滤机
18、是啤酒过滤的主体设备，主要由前、后缓冲缸、调浆桶、浊度仪、酒泵、预涂泵、添加泵、阀阵等构件组成。啤酒精滤机滤芯材质是聚丙稀薄膜，装在后缓冲缸和清酒罐之间。高浓稀释机安装在后缓冲缸和阀阵之间。主要由一、二级脱氧罐，真空泵，薄板换热器，过滤器，脱氧水储罐，混合器和一些检测仪器等组成。膜过滤系统是生产纯生啤酒的关键设备。采用双级滤芯系统，预过滤是去除啤酒中的所有酵母，减少啤酒中有害菌和微粒。终过滤是去除啤酒中所有胶体微粒和有害菌。,控制内容：过滤机的除土、清洗控制过滤机的加压杀菌控制过滤机的涂土、过滤控制过滤机过滤结束的降压杀菌控制高浓稀释机的瞬时混合比控制高浓稀释机的脱氧水量控制膜过滤的预过滤和终
19、过滤阀门和泵控制膜过滤的清洗控制等,3.1 清酒过滤系统的上位机画面,3.2 清酒罐的PLC控制,控制内容:温度控制（一个温度点，两段冷带）采用CO2进行压力控制，保证绝对无氧液位控制（与输酒泵联锁）酒泵恒压控制送罐装酒液计量CIP清洗,3.2 清酒罐的上位机画面,3.3 脱氧水系统,工艺说明:有冷法塔式脱氧、热法塔式脱氧等工艺方式。脱氧的过程是通过水与CO2在填料床中对流而实现的，水在塔内通过重力的作用自上而下流动，CO2则靠压力差自下而上与水呈逆流流动。冷法塔式脱氧水的残氧量小于0.02ppm。控制内容:进水恒流量控制（变频泵）脱氧塔进/出CO2和进/出水控制脱氧塔液位控制出水温度调节单元
20、控制脱氧水罐温度、压力、液位控制CIP清洗,3.3 脱氧水系统的上位机画面,4.灌装线,目的：对空瓶卸箱、清洗、检查，灌装压盖，啤酒杀菌，贴标输瓶，然后装箱码垛。PLC控制系统：卸箱系统：通过两台伺服驱动器和PLC控制水平、垂直运动。洗瓶系统：进瓶端有三级升温浸泡槽，清洗段采用碱液进行旋转高压喷射内壁和瓶底，除标装置通过大流量叶轮泵将商标带到圆筒过滤装置中。灌装压盖系统：采用变频器控制回转酒缸的旋转运动。灌装前打开预抽真空阀，对酒缸槽位上的空瓶进行抽真空，再打开气阀对瓶内充填CO2气体，然后二次抽真空并充CO2，当瓶内压力接近背压时打开液阀，使酒液沿瓶壁进入瓶内，灌装到需要液位后，电动控制压盖
21、机升降实现压盖。杀菌系统：采用隧道式巴氏杀菌对装瓶后的啤酒进行喷林杀菌，控制PU值（杀菌强度）。主传动电机带动上下两层输瓶链网将瓶装啤酒依次经过三个温区的逐级升温预热、两个温区的杀菌和三个温区的逐级降温冷却过程。贴标系统：通过主/背标标阀、刮刀、吹气电磁阀动作对整瓶贴主标和背标。装箱系统：通过两台伺服驱动器和PLC控制水平、垂直运动。CIP系统：对洗瓶机，灌装机等进行就地清洗。,4 灌装线的上位机画面,4.1 灌装线的卸箱、洗瓶,4.2 灌装线的验瓶、灌装、压盖,4.3 灌装线的巴式杀菌,工艺说明：啤酒在杀菌过程中，由热力引起的灭菌效应，一般用巴斯德灭菌单位（缩写PU，简称巴氏灭菌单位）来表示
22、。凡在60经历1分钟所引起的啤酒灭菌效应为1个PU值。巴氏灭菌单位是在一定灭菌时间下的温度对数函数值，其表示公式如下：PUZ*1.393(t-60)式中Z时间（min）t温度（）生产上杀菌一般控制在12-18个PU值左右。,4.4 灌装线的贴标、输瓶,4.5 灌装线的装箱、码垛,5.工厂公用设施,控制系统：纯水处理系统：多介质过滤、活性炭过滤、软化、反渗透等制冷系统：多级压缩机组、氨泵、蒸发冷凝器、氨罐、经济器、热交换器等空压气制备系统：空气压缩机组、调节导叶、空压气分配系统锅炉系统：蒸汽制备、温度控制、压力控制、蒸汽分配系统CO2回收系统：收集、纯化、过滤、压缩、液化、罐装储存等,5.1 纯水处理系统,5.2 制冷系统,5.3 空压气系统和锅炉系统,5.4 CO2回收系统,
