如何实现小型啤酒厂自动化
众所周知，酿酒是一件非常有趣的事情，但同时也是一个繁琐的劳动过程，由于人力有限，需要控制的参数和范围又非常多，大型啤酒厂都选择了自动化的设计模式。
小型啤酒厂需要引入自动化技术吗？答案是肯定的。因为合理引入自动化，在保证酿酒师酿酒乐趣的同时，将解放酿酒师大量的时间和精力去学习和提升，研究新口味岂不是更好？
据统计，尚未全面导入自动化的微型啤酒厂设备产能一般为3HL-15HL，占比83%，很多业主认为导入自动化将是一笔不小的投资。
其实微型啤酒厂的自动化与大型啤酒厂的自动化有很大不同。它不需要大量的投资，因为只设计必要的自动化流程，而不是全部自动化。例如，泵是自动控制来转移麦汁的，这样酿酒师就充当了过程控制的领导者，而不是过程的执行者。对于啤酒厂的自动化，它依赖于PLC（可编程逻辑控制器）和HMI（人机界面）。
优龙专注于小型啤酒厂的设计与优化15年，与全球上千家啤酒厂进行了交流，相互学习，总结设计了适合小型啤酒厂的控制模式和方法，如下。我们一般选择的模型有-
模型一
西门子—PLC（SIMATIC S7-1200或ET200SP）+触摸屏机型（根据客户需求选择Simatic Basic Panel或Simatic Comfort Panel）
模型二
ALLEN-BRADLEY-----PLC（ControlLogix系列）+触摸屏，根据控制点数及客户后期扩展要求配置系列及选配HMI。
自动化控制共分八个部分。
1、水拌站自动控制
水混合站自动控制用于控制糖化前的冷水与热水混合。
可实现定时、定量、恒温控制。
例如我们想在550月65日上午9点35分向糖化锅内注入20L XNUMX℃的水，就可以通过本控制系统实现。
其原理是在热水管道上安装Burkert PID调节阀，在混水室出水管上安装温度传感器和E+H流量计，其执行器为气动蝶阀。
水拌站自动控制工艺流程图如右图所示，工作原理如下图所示。
2。 自动 温度控制
温度自动控制比较容易实现，通过IFM温度传感器检测温度，将温度信号转换成4~20mA模拟信号送给PLC，当PLC分析并达到设定温度时，给出I/O的开关信号给执行元件的继电器，控制执行元件（阀门或加热管）的开关。
目前常用的温度传感器有两种，
- 一种是带变送器，变送器的作用是将调节电阻的变化转化成电流或者电压信号输出给PLC，常用的信号有0-10V、0-20mA、4-20mA)
- 另一类是不带变送器的，传感器的电阻值随温度的变化而变化，PLC采集电阻值，经过换算后，对应显示不同的温度值
2.1 啤酒厂的温度控制
大部分酿酒商都希望实现分段浸出酿造，但对于小型设备，糖化和浸出多为一体式，且耙刀的存在无法安装电加热管，因此若实现分段酿造，蒸汽加热是最常见的方式。
我们通常的选择是温度传感器与蒸汽电磁阀相结合来达到控制的目的。
温度传感器将信号反馈给PLC后，再由PLC控制蒸汽电磁阀的开启与关闭，直接实现对加热的控制，从而间接地自动控制温度参数。
温度传感器和蒸汽电磁阀通常按如下方式选择：
温度传感器
- IFM_TD2841（带变送器，输出4-20mA信号）
- IFM_TM4361 (不带发射器)
蒸汽电磁阀
- 伯克特_0355
有关 Burkert 的更多信息，请点击以下链接
https://www.burkert.com.cn/cn/products/dian-ci-fa
煮沸的温度控制比较简单，可以设置煮沸时间。这里我们配置了无人看管的防溢保护（详见第六项-安全位置）。
下图为酿造过程控制面板的参数显示状态。
2.2发酵过程中的温度控制
分段发酵可以适应更多种类的啤酒，酿酒师可以根据自己的想法设定每个发酵期的长短以及相应的温度。
自动控制系统可以实现对各个阶段温度的精确控制，控制原理类似酿酒阶段，利用温度传感器将信号反馈给PLC，PLC控制冰水电磁阀的开启与关闭，从而实现对发酵罐内温度的控制。
密封发酵罐使用后，酿酒师无需再到现场看管，温度控制全部由控制系统完成，同时酿酒师有更多的时间去研究酿酒工艺和配方。
温度传感器及冰水电磁阀通常选择如下：
温度感应器：
- IFM-8004
冰水电磁阀：
- Burkert-5281
有关 Burkert 的更多信息，请点击以下链接
https://www.burkert.com.cn/cn/products/dian-ci-fa
下图为分段发酵工艺控制面板的参数显示状态。
3. 物料转移
对于小型啤酒厂来说，流体的转移可以实现一键转移，无需手动打开阀门，也避免了因手动打开操作失误造成的啤酒损失。
此部分主要由PLC通过编制的程序直接控制执行机构实现控制动作（启动蝶阀）
对于气动蝶阀我们一般选择的型号：
- LYSF–IDQX-7
- 阿法拉伐-LKB ISO CL
触摸屏显示面板的图片如下所示-
启动蝶阀也可为紧急手动开关，触摸屏有二次开阀提示，手动开阀后有手动指示，操作提示如下图所示。
4. 液位控制
在相应的罐体上安装液位传感器，与PLC通讯，实现液位自控。一般装置在热水罐上。（糖化锅的水量可通过水混合站的流量计自动控制。）
可以实现的功能有：
- 液位显示（HMI面板或手机上显示）
- 液位自动控制：自动供水至设定的上、下水位所需体积的液体。
- 防溢（当液位达到规定位置时，自动控制执行器关闭进液口，防止溢流。）
- 防低液位（防止泵空转，保护泵）
液位传感器，分雷达式和压力式，不建议用雷达式液位传感器，对液体状态要求比较高，经过测试，一般选择IFM压力传感器。
对于液位传感器我们一般选择以下型号：
显示液位（罐内）
- 2270-P-1N-4 (+GF+)
防溢
- LMT 105
防低电平
- LMT 121
5.时间控制
PLC的另一个优点是可以精确控制时间，通过在某个时间执行某项操作可以轻松实现。例如，在酿造啤酒之前，将热水箱中的水储存在设定的温度下，并控制分阶段发酵的过程。
6.安全防护
在设计设备和流程时，应考虑酿酒师的安全、设备的安全和啤酒的质量控制。
我们经常做的事情是：
- 泵的空转保护，通过在泵进水管上安装IFM流量监控器SI6800实现。
- 煮锅防溢，采用电子液位传感器LMT121实现。
- 紧急停止，在出现紧急情况时，或者酿酒师认为必须尽快停止时，通过一个非常醒目的按钮实现快速一键停止。
7. 监控
通过在手机上安装现场管理器，我们可以实现发酵过程中无需到现场监控，而是用手机进行远程监控，实时了解发酵的进展情况。
这样一来，酿酒师的时间就大大解放了，出门在外，打开手机就能查看酿酒罐的实时情况。
8.历史数据查询
我们可以查询过去的历史记录以进行数据保存和分析。
酿酒师可以分析之前的酿造数据，这对于提高酿造水平和啤酒风味的发展非常有帮助。
常见问题
- 问题 1：哪些自动化步骤可以为小型啤酒厂带来最快的投资回报？
A1：首先要实现冷热水自动混合、麦芽捣碎/煮沸温度控制、窖藏温度控制，以及通过PLC控制阀门实现的一键式液体输送。这些功能可以立即减少人工时间、错误率和批次差异。 - 问题 2：我可以为现有的小型酿酒厂 (3-15 hL) 改造 PLC/HMI 自动化系统吗？
A2：是的。大多数 3–15 hL 系统均可使用紧凑型 PLC（例如西门子 S7-1200 或 AB CompactLogix）、面板安装式 HMI、温度/流量/液位传感器和气动阀岛进行改装，无需更换储罐。 - 问题 3：如何在不冒网络风险的情况下远程监控小型啤酒厂？
A3：使用 VPN 访问或具有基于角色的权限、MFA 和审计日志的安全云网关。将 OT（酿造控制）与 IT/Wi-Fi 网络隔离，并禁用开放端口转发。 - Q4：自动化之后我应该跟踪哪些KPI？
A4：酿酒厂效率、用水量（百升水/百升啤酒）、能量强度（千瓦时/百升）、罐体周转率、转移时的溶解氧、TPO（如果包装）、CIP 循环时间/化学品以及计划外停机时间。 - 问题 5：部分自动化是否会消除“工艺”感？
A5：不会。小型啤酒厂自动化将酿酒师从重复性工作转移到配方设计、感官评测和质量保证。您仍然可以设置糖化步骤、酒花时间和发酵曲线——自动化系统会始终如一地执行这些步骤。
2025年小型啤酒厂自动化行业趋势
- 人工智能辅助控制：模型预测温度和沸腾强度控制采用紧凑型 PLC 附加组件，可调整能量而不会出现过冲。
- 低氧酿造 (LODO)：脱气水混合的标准化、自动化 CO2/N2 覆盖以及即使在 5-10 hL 规模下也采用在线 DO 探头。
- 公用设施优化：从分离器到 HLT 的热回收以及基于电导率的 CIP 端点成为新安装的基准。
- 网络安全设计：保险公司和大型零售商越来越要求供应商进行基本的 OT 强化（MFA、网络分段、补丁节奏）。
- 数据互操作性：小型系统的 OPC UA 和 MQTT 连接器将酒窖、酿酒厂和包装数据统一到云仪表板中。
2025年小型啤酒厂自动化基准
| 米制 | 2022 典型值 (3-15 hL) | 2025 年最佳 | 注释/来源 |
|---|---|---|---|
| 用水量（百升水/百升啤酒） | 5.0-7.0 | 3.0-4.0 | 酿酒商协会可持续性基准测试：https://www.brewersassociation.org |
| 酿酒厂能源（kWh/hL） | 10-14 | 6-9 | MBAA 案例研究；热回收和优化蒸发 |
| 二氧化碳使用量（kg/hL 包装） | 1.2-2.0 | 0.6-1.0 | BA 包装指南；清除优化 |
| 在线 DO 后转移 (ppb) | 80-150 | 20-50 | ASBC DO 方法；LODO SOP |
| CIP 化学还原与手动还原 | 0-10％ | 15-30％ | 电导率/温度控制的 CIP 终点 |
| 非计划停机时间（%） | 6-10 | <3 | 预测性维护+远程诊断 |
精选来源：
- 酿酒商协会可持续性和质量资源： https://www.brewersassociation.org
- 美洲酿酒大师协会 (MBAA) 技术季刊： https://www.mbaa.com
- 美国酿造化学家协会 (ASBC) 方法 (DO/TPO)： https://www.asbcnet.org
- OPC 基金会（OPC UA 互操作性）： https://opcfoundation.org
最新研究案例
案例研究 1：部分 PLC 改造减少水和能源消耗 (2025)
背景：一家 10 hL 小型啤酒厂依靠手动阀门和独立控制器，面临着高水/能源消耗和多变的麦芽汁温度。
解决方案：安装带有 HMI 的西门子 S7-1200 PLC、自动水混合站（PID 阀 + 流量/温度传感器）、用于麦芽汁静置的蒸汽电磁阀控制以及基于电导率的 CIP 端点。
结果：用水强度从5.8 hL/hL降至3.9 hL；酿酒厂能耗降低21%；麦芽浆温度变化从±1.8°C降至±0.4°C；每周节省人工约7小时。已在MBAA地区会议上发表（2025年）。
案例研究2：以LODO为中心的酒窖自动化延长IPA保质期（2024年）
背景：在常温发酵链中，酒花啤酒的香气会逐渐消退 60-75 天。
解决方案：在漩涡到 FV 上添加在线 DO 探头，在转移过程中自动进行 CO2 覆盖，并通过 HMI 进行基于配方的清除序列；拧紧软管/密封 SOP。
结果：转移后溶解氧 (DO) 从约 120 ppb 降至 30-45 ppb；感官保质期延长至约 120 天；“陈旧”酒味的退货率降低 50% 以上。已在 BA 包装工作组网络研讨会 (2024) 上分享。
专家意见
- Tom Shellhammer 博士，俄勒冈州立大学教授
观点：“稳定氧气暴露和热分布的自动化技术，显著提高了啤酒花香气的保留率和啤酒的整体稳定性。” 资料来源：俄勒冈州立大学啤酒花与酿造研究讲座/出版物。 - Mary Pellettieri，酿酒质量顾问；《酿酒厂质量管理》作者
观点：“小型啤酒厂通过将质量保证（QA）嵌入自动化系统获益最大——关键点的统计过程控制（SPC）、频繁校准以及经过验证的现场检验（CIP）能够确保一致性，同时又不失工艺特色。” 资料来源：行业研讨会和质量保证文献。 - 约翰·马利特 (John Mallet)，贝尔啤酒厂运营副总裁（《麦芽》作者）
观点：“规模适中的自动化让酿酒师能够专注于工艺控制和原料。可靠、可重复的步骤胜过酿造当天的“英雄主义”。 资料来源：会议小组/访谈。
实用工具/资源
- 酿酒商协会：可持续性基准测试、质量保证/质量控制模板 — https://www.brewersassociation.org
- ASBC 分析方法：DO/TPO、pH、苦味、微生物学 — https://www.asbcnet.org
- MBAA 技术季刊和网络研讨会：小规模自动化案例研究 — https://www.mbaa.com
- OPC 基金会：用于将 PLC 连接到仪表板的 OPC UA 规范 — https://opcfoundation.org
- NIST 网络安全框架（OT 改编）： https://www.nist.gov/网络框架
- Brewer's Friend 和 BeerSmith：批次规划和酿酒厂效率工具 — https://www.brewersfriend.com | https://beersmith.com
最后更新： 2025-09-01
更新日志： 增加了 5 个有针对性的常见问题解答、2025 年自动化趋势（含基准表和来源）、两个最新案例研究、专家观点以及与小型啤酒厂自动化相关的实用工具/资源
下次审核日期和触发条件： 2026-03-01 或更早（如果 BA/MBAA 发布新的小型啤酒厂基准、ASBC 更新 DO/TPO 方法，或主要 PLC/HMI 供应商发布添加预测控制功能）