淺談家用全自動釀酒設備設計

林乃勁，鐘文聰，郭力鋒，王濤＊

（廣東石油化工學院自動化學院，廣東 茂名 525000）

隨著人們生活水平的提高，很多家庭熱衷于自己釀造一些特色酒品。通過調查市場上在售的各類家用小型釀酒設備，目前還停留在手動或部分工序自動化階段,受人工操作及釀造環(huán)境等諸多因素的影響，品質波動大。如能將釀酒工序全自動化控制生產，可大幅提高釀酒效率,同時保證酒品質量；如能使釀酒設備的出酒度數可以實時調控，將對釀酒產業(yè)及附屬行業(yè)產生巨大的經濟效應，使家用釀酒設備具有更大的市場潛力和發(fā)展空間。

本項目研發(fā)面向中小用戶群體，主要創(chuàng)新點有：生產過程自動化、控制過程智能化、酒精度數全新測算法、操作界面人性化、安全生產全程化。

1 總體研發(fā)方案設計

經對釀酒企業(yè)實地考察及資料搜集總結，將釀酒工藝總結為六道工序，即：釀料清洗浸泡→蒸煮糊化處理→冷卻加酒曲→密封定時發(fā)酵→蒸餾出酒→酒糟殘渣處理。

設備研發(fā)分為機械模型、電氣系統(tǒng)、控制模型、GOT 設計共四大模塊，設備總控見圖1。

圖1 設備總控圖

在四大模塊基礎上分別對六道工序進行系統(tǒng)設計，工序設計步驟見圖2。

針對六道工序的任務簡介如下：

（1）進料清洗浸泡環(huán)節(jié)。完成對釀料的進取、清洗、浸泡及初步軟化功能，使釀料在蒸煮糊化處理時更好的操作。

（2）蒸煮糊化處理環(huán)節(jié)。完成對釀料的蒸煮軟化功能，根據釀料蒸煮時反饋回的溫度、壓力、液位等參數控制伺服電機正反轉速度及相應電磁閥通斷，防止溫度過熱使釀料糊底。

（3）強制風冷加酒曲環(huán)節(jié)。完成對蒸煮后的釀料進行冷卻及添加酒曲攪拌均勻的功能，使蒸煮后的釀料能迅速冷卻并可添加酒曲進行下一工序。

（4）定時密封發(fā)酵環(huán)節(jié)。完成釀料的定時密封發(fā)酵功能，采集溫度、壓力參數，反饋回PLC，維持最適發(fā)酵溫度及氣壓，以使發(fā)酵時間達到最優(yōu)。

（5）蒸餾出酒環(huán)節(jié)。完成對發(fā)酵后的酒糟進行蒸餾出酒的功能，根據用戶預設出酒度數要求，使用多環(huán)節(jié)液位、溫度、壓力多參數智能控制模型進行蒸餾出酒提取。

（6）殘渣處理環(huán)節(jié)。完成對蒸餾出酒后的剩余殘渣處理，使設備可以恢復至初始狀態(tài)，方便下次使用。

圖2 工序設計步驟圖

2 機械模型設計

設備的機械結構研發(fā)，主要有操作機體、頂部封蓋、攪拌軸、攪拌桿、星形聯(lián)軸器、型材支架等部件。

使用SOLID WORKS 軟件進行操作機體及相關傳動部件三維設計，使用SOLID WORKS 轉換組件將三維制圖轉換成CAD制圖，對各參數進行標定及機械體焊接。

2.1 操作機體

作為釀酒工序操作室，為柱形鋼體結構，鋼體柱面有兩組共四個圓孔，四個圓孔可外接電磁閥完成孔的密封與聯(lián)通。操作機體三維圖見圖3。

2.2 頂部封蓋

頂部封蓋用于封蓋操作機體的頂部，整體呈臺體結構，臺體上表面用于與機械軸封焊接；臺體斜面開通5 個孔，作為進水口、蒸餾口等；翻蓋下部也向外彎，可與操作機體上部吻合。頂部封蓋三維圖見圖4。

圖3 操作機體三維圖

圖4 頂部封蓋三維圖

2.3 星形聯(lián)軸器

用于將攪拌軸和伺服電機連接，使伺服電機攪拌動作和攪拌軸動作同步。

2.4 攪拌桿及型材支架

攪拌桿由攪拌軸與攪拌刀頭構成，攪拌桿三維圖見圖5。

型材支架分為總支撐架和元器件放置架。支架采用角鋼結構，提高穩(wěn)定性的同時，減少了支架的重量。角鋼結構見圖6。

圖5 攪拌桿三維圖

圖6 角鋼結構圖

支架設計共分為三層，不同層級完成不同固定任務。總體支架三維效果圖見圖7。

圖7 總體支架三維效果圖

3 電氣系統(tǒng)設計

分為電氣一次系統(tǒng)設計和控制系統(tǒng)設計兩部分。

3.1 電氣一次系統(tǒng)設計

電氣一次系統(tǒng)包括操作機體加熱單元、伺服電機供電單元、抽風機及電磁閥工作單元。部分工作單元（放大器與伺服電機）接線圖見圖8。

圖8 放大器與伺服電機接線圖

3.2 控制系統(tǒng)設計

3.2.1 釀酒流程的控制

手動控制：根據GOT 手動控制畫面相應操作，控制電磁閥動作、攪拌電機正反轉及物料體積給定，用于機械聯(lián)動部分及攪拌電機的調試。

自動控制：在自動控制模式下，按下自動操作開關，通過GOT 輸入物料體積后。按下啟動按鈕，設備開始運行，通過GOT 顯示當前所處環(huán)節(jié)及各參數（液位、溫度等），PLC通過相應參數指標控制攪拌電機的運轉頻率及方向。在電機運轉的同時，PLC 根據液位傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器反饋回來的信息進行控制電磁閥、加熱盤、抽風機、伺服電機等電氣元件的通斷。

工序連鎖：在環(huán)節(jié)過程控制中，反饋回來的信號處理成開關信號，攪拌電機的運轉速度與伺服放大器輸出信號有比例關系，而伺服放大器輸出信號是受環(huán)節(jié)操作要求限制的，不同環(huán)節(jié)所需攪拌電機轉速不同。

3.2.2 控制設備選型

PLC 選用三菱Q 系列PLC，PLC 可直接連接到電腦進行通訊，GOT 也可以直接連接到電腦通訊，可通過一根USB 電纜線連接到GOT，可經由GOT 進行工控設備的編程與安裝、調試，無須打開控制柜、更換電纜等麻煩的工作。

GOT 選用三菱GT1050-QBBD-C，通過專用電纜和PLC 連接。此人機界面可完成自動模式與手動操作的指令輸入及監(jiān)視。

伺服放大器型號采用MR-J3-10A，MR-J3 系列伺服放大器配有USB 通用接口可方便和PC 機的通訊,通訊速度快，實時采集數據的能力非常強。

運動控制系統(tǒng)中伺服放大器與PLC 定位模塊（QD75P2N模塊）用專用電纜連接。兩伺服放大器分別于定位模塊的A軸和B 軸。

伺服電機有兩根外置電纜線，一根是電源線，將電源線連接到伺服放大器的U、V、W 端，另外一根是連接伺服放大器的編碼線CN3；編碼線連接到伺服放大器的CN2 接口。

電磁閥共8 個，分別為進水閥、蒸餾閥等。所有電磁閥可耐100 ～150℃高溫；可直接接觸食品，耐受微腐蝕環(huán)境。

液位傳感器選用耐高溫液位傳感器，溫度傳感器選用傳感范圍為0 ～250℃的傳感器，壓力傳感器選用耐高溫壓力傳感器。

3.2.3 控制程序設計

針對六大工序總設計方案，設計工序控制流程圖，根據工序控制流程編寫控制程序，工序控制流程圖見圖9。

3.3 模型建立與仿真

在整個釀酒流程中需要實時控制溫度，提高發(fā)酵效率和質量，及實時檢測酒精度，因此，需要建立發(fā)酵過程模型和蒸酒過程模型，根據模型實施智能控制方案。

智能控制模型根據釀酒物料的種類、體積、發(fā)酵溫度等多參數進行參數收集及構建，對各實驗參數運用MATLAB進行多元參數擬合線性方程，建立智能控制模型，并依據該智能控制模型與電氣原理結合進行PLC 編程及人機界面調試。

酒精度測算模型建立，先通過控制變量法對蒸餾溫度及蒸餾時間對出酒度數的影響參數進行數據收集，控制蒸餾溫度及蒸餾時間的比例，將相應（溫度/時間）出酒的酒精度數用酒精計測量，所測得酒精度數進行數據統(tǒng)計，最后對所收集的酒精度數據用MATLAB 進行線性擬合，將擬合后的多條酒精度數曲線與相應的（溫度/時間）參數進行多元參數擬合，最后所得擬合的函數進行PLC 編程。MATLAB 擬合的部分參數曲線見圖10。

圖9 工序控制流程圖

圖10 參數擬合曲線圖

3.4 故障預警設計

對電氣元件及相關流程參數的故障進行分類，對不同類別的故障報警使用不同的報警信號。使用液位傳感器，溫度傳感器等進行參數約束，當特定環(huán)節(jié)相關參數范圍未達預設要求時（如液位過高或過低時，相應調節(jié)電氣元件未能及時動作調節(jié)等），通過相關傳感器反饋信息回PLC，PLC 通過人機界面進行環(huán)節(jié)報警。

4 設備調試與GOT 設計

系統(tǒng)硬件連接及參數設計完成后，進行實際設備組裝，該設備能夠安全、穩(wěn)定、準確地完成釀酒工藝所有流程并執(zhí)行預定的各項功能，設備成品見圖11。

圖11 設備成品圖

GOT 設計分為自動操作、手動操作、故障預警共三部分設計。自動操作設計可實時顯示當前進行的工序及相關動態(tài)參數；手動操作設計可用于用戶自行選擇釀酒工序，自行設計相關參數（如電機轉速、定時時間等），使用戶更加清楚釀酒工藝流程；故障預警設計完成釀酒流程中各工序的相關參數約束，當特定環(huán)節(jié)相關參數范圍未達預設要求時實現(xiàn)報警及顯示故障類型的功能。GOT 設計部分操作界面見圖12。

5 結語

本文介紹了自行研發(fā)設計的家用全自動釀酒設備，可以實現(xiàn)液位、溫度、壓力等多元參數閉環(huán)控制，釀酒流程實時顯示，以及故障診斷及報警等功能，填補了現(xiàn)有家用釀酒設備全自動化生產的空白。通過設備樣品的實物運行測試，生產效率高，運行安全、穩(wěn)定，準確地完成釀酒工藝所有流程，實現(xiàn)了預定的各項功能，效果較好。

圖12 GOT 部分操作界面