Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Počítačové řízení minipivovaru VŠCHT Praha

Ústav biotechnologie je nejstarší a velmi prestižní vysokoškolské pracoviště vychovávající odborníky z oboru pivovarské technologie. Velmi důležitou součástí výuky jsou laboratorní cvičení zaměřená na technologickou praxi. Jedním z nich je i vaření piva ve dvounádobové varně minipivovaru, která umožňuje aplikovat všechny běžně používané technologické postupy. Aby se výuka co nejvíce přiblížila skutečnému stavu v průmyslových pivovarech, byl minipivovar vybaven počítačovým řídicím systémem analogickým těm, které se v praxi běžně používají. Projekt byl financován z prostředků projektu Fondu rozvoje vysokých škol (FRVŠ č. 496/2012) a zúčastnili se ho pracovníci ústavu biotechnologie a ústavu počítačové a řídicí techniky VŠCHT. Generálním dodavatelem řídicího systému a instalačních prací byla firma ProjectSoft HK a. s., subdodavateli byly firmy Pivo Praha s. r. o. a 3+K Kraus. Tento článek je doplněn videoreportáží, kterou lze spustit v elektronické verzi časopisu Automa. 

1. Stručně o technologii vaření piva

Zkrácené blokové schéma výroby piva je na obr. 1. Je to pouze ta část výrobního řetězce, která probíhá v minipivovaru, nezahrnuje předchozí přípravu sladu a následnou expedici piva. Z technologických požadavků se odvíjejí algoritmy řízení a bez pochopení základních principů technologických postupů by nebyly srozumitelné.

Základní surovinou pro výrobu piva je (většinou) ječný slad a voda. Slad se našrotuje a odváží se příslušné množství (tzv. sypání) odpovídající druhu vařeného piva.  

1.1 Vystírání a zapařování

Do vystírací pánve se napustí potřebné množství vody, která je zahřáta na požadovanou teplotu vystírání, a za stálého míchání je do ní vsypán sladový šrot. Směs se míchá po určitou dobu, aby byla dobře homogenizována. Nakonec se přidá horká voda až do celkového objemu várky (tzv. zapařování). Vystírání a zapařování trvá 10 až 30 min. 

1.2 Rmutování

Účelem rmutování je působením enzymů ze sladu rozštěpit polysacharidy (škrob) a převést je na rozpustné zkvasitelné cukry. Rmutování probíhá v tzv. rmutovací pánvi opatřené ohřevem a mícháním. Princip rmutování spočívá v ohřívání směsi (tzv. díla) na tři až čtyři postupně se zvyšující teploty. Rychlost ohřevu je stanovena a po dosažení každé teploty je zařazena určitá časová prodleva, během níž se teplota udržuje konstantní. Při každé teplotě jsou aktivní jiné enzymy štěpící určité složky směsi. Na závěr postupu se teplota zvýší až k varu, čímž se enzymy inaktivují. Technologické postupy rmutování jsou v zásadě dva: infuzní a dekokční. Při infuzním postupu proběhne výše popsaný proces rmutování v celém objemu várky najednou. Dekokční postup je složitější – dílo je rozděleno do několika částí, které se rmutují, spojují a opět rmutují. Hovoří se o jednormutovém, dvourmutovém a třírmutovém postupu. Na konci rmutování musí být všechny polysacharidy rozloženy, což se kontroluje jednoduchou jodovou zkouškou. Rmutování trvá poměrně dlouho, např. dvourmutový postup tři až čtyři hodiny, výsledkem je tzv. sladina.

Poznámka: Piva vyráběná dekokčním postupem jsou plnější a mají mnohem lepší chuť a vůni než piva vyráběná infuzí. V českých pivovarech se nejčastěji používá dekokční dvourmutový postup.  

1.3 Scezování a vyslazování

Účelem těchto operací je oddělit roztok obsahující extrakt (tzv. předek) od zbytků sladového šrotu (tzv. mláta). Scezování a vyslazování probíhá ve scezovací kádi. Ta má jemně perforované dno a mláto na něm usazené funguje jako filtrační vrstva. Káď je vybavena pomaloběžným kypřidlem (tzv. kopačkou), které umožňuje ovlivňovat filtrační proces. Čirost filtrátu se průběžně kontroluje, a dokud je filtrát zakalený, vrací se zpět do scezovací kádě. Důležité je sledování tlakového spádu na filtrační vrstvě, protože indikuje její možné zhutňování, které zpomaluje až znemožňuje filtraci. Po odfiltrování předku se na povrch mláta rozstříkne horká voda, která z mláta vylouží zbytky extraktu. Tento roztok (tzv. výstřelky) se spojí s předkem. Scezování je časově náročné a může trvat např. tři hodiny. 

1.4 Chmelovar

V této fázi se vaří scezená sladina s chmelem (chmelovým extraktem nebo peletami), ze kterého se do budoucího piva dostávají hořké látky. Zároveň se varem inaktivují enzymy, odpařuje přebytečná voda, odstraňují těkavé látky, koagulují nežádoucí dusíkaté látky a celý obsah se steriluje. Chmelovar probíhá ve varné pánvi opatřené ohřevem a mícháním. Trvá obvykle 1,5 h, výsledkem je tzv. mladina. 

1.5 Chlazení

Uvařenou mladinu je třeba ochladit na zákvasnou teplotu 5 až 6 °C. Ještě dříve se však zbavuje kalů (nerozpustných částic z chmele, vysrážených bílkovin apod.), což se dělá v tzv. vířivé kádi využitím odstředivé síly. Čirá mladina se pak chladí ve dvoustupňovém deskovém chladiči, provzdušní a čerpá do cylindro-kónických tanků (CKT). Zároveň se do ní v určeném poměru přidají pivovarské kvasnice. 

1.6 Kvašení a dokvašování

Kvašením se přeměňují zkvasitelné cukry na etanol. Uvolňuje se oxid uhličitý, kterým se vznikající pivo nasycuje. Dále vznikají látky ovlivňující chuť piva. Nejdříve probíhá tzv. hlavní kvašení, při němž vzniká teplo a obsah CKT se chladí, aby se teplota udržela na asi 10 °C. Hlavní kvašení trvá podle původní koncentrace mladiny (stupňovitosti piva) šest až deset dnů. Na konci hlavního kvašení kvasnice sedimentují do kónické části CKT a odstraní se (tzv. odstřelí). Obsah CKT se pak ochladí na teplotu dokvašování, přibližně 2 °C. Při této teplotě začíná zrání piva. Pivo může zrát celou dobu v CKT, nebo se může přečerpat do jiných nádob, teplota se však musí stále udržovat na uvedených 2 °C. Doba dokvašování a zrání záleží na druhu piva a trvá šest až deset týdnů nebo i více. 

2. Popis minipivovaru

Technologické zařízení minipivovaru se skládá za dvou základních částí. První částí je dvounádobová varna s potrubním systémem umožňujícím přečerpávání médií mezi nádobami podle požadavků technologického postupu. Technologické schéma varny je patrné z obr. 2. Oproti průmyslovým (obvykle čtyřnádobovým) varnám se v minipivovaru používají nádoby k více účelům. Pánev označená v technologickém schématu RMVP se používá k vystírání, rmutování, chmelovaru a také jako vířivá káď. Káď označená SK se používá ke scezování sladiny a k odkládání části díla při rmutování. Dílo je mícháno cyklickým čerpáním. Ve schématu (obr. 2) jsou vyznačeny nově instalované okruhy měření, regulace a ovládání, kterých je celkem 33. Všechny jsou napojeny na počítačový řídicí systém. Skutečný pohled na varnu je na obr. 3.

Druhou část technologického zařízení tvoří cylindro-kónické tanky pro kvašení mladiny a pomocná zařízení – zásobník horké vody, výrobník ledové vody a dvoustupňový chladič mladiny. Technologické schéma této části, kde je výše popsaná varna znázorněna jako blok, je na obr. 4. Jsou zde rovněž vyznačeny nově instalované okruhy měření, regulace a ovládání, kterých je celkem devatenáct, a také tyto jsou napojeny na počítačový řídicí systém. Skutečný pohled na cylindro-kónické tanky je na obr. 5

3. Řídicí systém

Z blokového schématu řídicího a informačního systému minipivovaru (obr. 6) je patrná jeho struktura. K technologickému zařízení je připojen rozváděč (obr. 3obr.7), ve kterém je umístěna vlastní řídicí jednotka (dále jen PLC) Siemens Simatic ET 200S IM 151-8 v sestavě odpovídající potřebám technologie (22 AI, 10 AO, 32 DI, 24 DO) a s dostatečnou rezervou pro případné rozšiřování. PLC zpracovává údaje ze snímačů a měřicích zařízení a za použití akčních členů (ventilů, klapek, pohonů, čerpadel atp.) podle řídicího algoritmu vykonává zásahy do technologického procesu.

Operátorský počítač (obr. 8), vybavený vizualizačním programem realizovaným na platformě TomPack 2.11, komunikuje s PLC a znázorňuje technologický proces. Podává informace o jeho stavu, provádí operátorské zásahy a odesílá provozní data do on-line databáze. K operátorskému počítači je připojen druhý, externí monitor na stěně varny (obr. 3), který je určen k rychlé orientaci obsluhy, provádí-li např. ruční zásah na varně (dávkování sladu, vyhazování mláta apod.), a také pro pedagogické a prezentační účely.

Řídicí systém je vybaven ještě dalším počítačem, který je umístěn na galerii nad varnou. Je na něm nainstalován databázový MS SQL Server 2005, který komunikuje s vizualizačním programem operátorského počítače a který do databáze (se strukturou tabulek běžně používanou v pivovarech) ukládá jak provozní data varny, CKT tanků a pomocných zařízení s přednastavenou periodou, tak vybraná provozní a technologická data charakteristická pro jednotlivé řídicí kroky, která jsou potřebná pro vyhotovení varných listů (tj. zpráv, jež charakterizují průběhy jednotlivých várek). Na témže počítači je rovněž nainstalována vývojová verze platformy TomPack, pomocí které mohou studenti v rámci řešení laboratorních úloh vytvářet vlastní obrazovky vizua­lizačního programu zpracovávající data z PLC.

Oba počítače jsou s PLC propojeny průmyslovou komunikační sběrnicí Profinet. Aby byl operátorský počítač chráněn před vnějšími vlivy, není připojen ke školnímu intranetu a běží pouze tehdy, je-li minipivovar v provozu. Naproti tomu databázový server běží nepřetržitě a díky připojení k intranetu VŠCHT zpřístupňuje ukládaná provozní a technologická data, která mohou studenti zpracovávat pomocí databázových klientů a následně dalších programů, jako např. MATLAB, MS Access, MS Excel apod. 

4. Algoritmy řízení

Řídicí program je celý implementován v PLC. Na základní úrovni řízení je konfigurováno celkem devět regulačních obvodů:

  • pět obvodů je ve varně (TIC 101, TIC 102, FICQ 107, FICQ 110, PIC 113),
  • jeden na přípravu horké vody (TIC 115),
  • jeden pro chladič mladiny (TIC 116),
  • dva pro chlazení CKT (TIC 117, TIC 120).

Toto jsou pomocné obvody pro hlavní algoritmus řízení. Výjimku tvoří chlazení CKT, které musí běžet po celou dobu kvašení a dokvašování.

Proces vaření piva (viz kap. 2) je diskontinuální a je řízen sekvenčním algoritmem. V algoritmu bylo třeba řešit hlavně to, že vzhledem k relativně malým objemům nádob ve varně nebylo možné zanedbávat objemy potrubních cest. V aktuální verzi proto řídicí algoritmus obsahuje 131 kroků a v každém z těchto kroků lze nastavovat až patnáct provozních parametrů (průtoky, objemy, teploty, gradienty teploty, tlaky, výkony čerpadel, výkon topení atd.), a přizpůsobovat tím řídicí algoritmus požadavkům technologického postupu. Parametry jsou uspořádány v tabulkách dostupných prostřednictvím jedné z obrazovek vizualizačního programu, tabulek může být až osm. V prvních čtyřech tabulkách (01 až 04) jsou uloženy parametry základních výrobních postupů (1RM – jedno­rmutový postup, 2RM – dvourmutový postup, 3RM – třírmutový postup, INF – infuzní postup), které byly odladěny a doporučeny dodavateli projektu. Do zbývajících čtyř tabulek (05 až 08) lze ukládat postupy „vlastní“, používané např. v rámci řešení laboratorních úloh anebo určené pro speciální technologické procesy. Řízení vždy probíhá podle parametrů aktuální tabulky AKT, do které lze libovolnou z osmi tabulek překopírovat, a tím zvolit požadovaný technologický postup. Zkoušky potvrdily, že řídicí algoritmus je dostatečně flexibilní a je možné ho přizpůsobit aktuální kvalitě surovin či specifickým technologickým požadavkům. 

5. Vizualizace

Kromě obrazovky s tabulkami technologických parametrů všechny ostatní hlavní obrazovky vizualizačního programu vycházejí z technologických schémat a zobrazují aktuální stav procesu. Ukázka hlavní obrazovky pro varnu je na obr. 9. Během řízení mohou na vyžádání operátora zobrazovat také informace o právě probíhajícím kroku sekvenčního řízení, popř., je-li to nutné, umožňují vykonávat ruční zásahy nebo některé kroky výrobního postupu předčasně ukončit a přejít na krok následující. Pomocné obrazovky pak slouží k přihlášení operátora a vytváření provozních protokolů (varních listů). Jednotlivé akce se aktivují kliknutím myši, hodnoty parametrů se zapisují z klávesnice. Z pedagogického hlediska je podstatné, že styl práce s vizualizačním programem minipivovaru je totožný se stylem práce používaným v průmyslových pivovarech. 

6. Využití zařízení

Automatizovaný minipivovar bude využíván především při laboratorní výuce jak v bakalářském, tak v magisterském studiu na fakultě potravinářské a biochemické technologie a na fakultě chemicko-inženýrské. Má zásadní přínos zejména pro magisterské stu­dium – studenti oborů biotechnologie a senzorika a kybernetika mohou jít při laboratorních úlohách z chemie do větší hloubky, a získat tak cenné praktické zkušenosti. Zařízení bude rovněž využíváno k výzkumným účelům, zejména v doktorském studiu.

Autoři děkují Fondu rozvoje vysokých škol, bez jehož finanční podpory by nebylo reálné tak náročný projekt uskutečnit. 

Miloš Kmínek, Iva Nachtigalová, Pavel Dostálek, VŠCHT v Praze

Obr. 1. Zkrácené blokové schéma výroby piva

Obr. 2. Technologické schéma varny s vyznačením okruhů měření a regulace (RMVP – rmutovystírací pánev, SK – scezovací káď); reportáž ke zhlédnutí na http://bit.ly/rizeni_pivovaru

Obr. 3. Varna minipivovaru

Obr. 4. Celkové technologické schéma minipivovaru s vyznačením okruhů měření a regulace

Obr. 5. Cylindro-kónické tanky

Obr. 6. Blokové schéma řídicího a informačního systému

Obr. 7. Rozváděč měření a regulace

Obr. 8. Pracoviště s operátorským počítačem

Obr. 9. Hlavní obrazovka pro varnu