運(yùn)用PLC進(jìn)行葡萄酒自然發(fā)酵溫度控制的分析研究

（北京化工大學(xué)，北京 100029）

PLC 也稱為可編程邏輯控制器，是一種建立在單片機(jī)基礎(chǔ)上的產(chǎn)品，其核心是單片機(jī)控制器的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。可在其內(nèi)部儲(chǔ)存器中執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，采用數(shù)字式或模擬式的輸入輸出以控制生產(chǎn)過程[1]。葡萄酒是利用微生物對(duì)葡萄原料自然發(fā)酵而成，不同的溫度條件下，在酒中會(huì)產(chǎn)生不同濃度的酚類物質(zhì)，進(jìn)而影響葡萄酒的品質(zhì)。發(fā)酵溫度控制是釀酒產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)之一，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步下，釀酒自然發(fā)酵的溫度控制取得了一定的研究進(jìn)展。國外針對(duì)葡萄酒發(fā)酵溫度控制研究起步較早，設(shè)計(jì)出了多種現(xiàn)代化的控制設(shè)備[2]。國內(nèi)對(duì)溫度控制研究起步較晚，現(xiàn)已研究出多項(xiàng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。但在實(shí)際的葡萄酒發(fā)酵過程中，受到發(fā)酵設(shè)備等因素的制約，原有的發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)在精度與控制速度上已無法滿足生產(chǎn)需求。為此，本課題組在葡萄酒實(shí)驗(yàn)室中通過安裝計(jì)算機(jī)PLC 程序來進(jìn)行生產(chǎn)過程的監(jiān)控，并以其中某一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析PLC運(yùn)用于葡萄酒自然發(fā)酵溫度控制的方法及可行性，為相關(guān)研究提供參考借鑒。

1 PLC溫度控制的特點(diǎn)

在PLC的控制下，葡萄酒自然發(fā)酵溫度控制研究呈現(xiàn)出了智能化的特點(diǎn)。在葡萄酒生產(chǎn)逐漸趨向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展后，在PLC下溫度控制系統(tǒng)表現(xiàn)出了較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，溫度控制能夠根據(jù)外部的自然發(fā)酵環(huán)境，自動(dòng)更新溫度控制的各項(xiàng)參數(shù)，結(jié)合PLC 內(nèi)部電子運(yùn)算系統(tǒng)得到最適合當(dāng)下外部環(huán)境的控制參數(shù)，并輸出相應(yīng)的溫度控制指令[3]。不同生產(chǎn)線能夠承載不同數(shù)量的發(fā)酵葡萄酒任務(wù)，根據(jù)不同重量的葡萄原料，PLC 參考葡萄原料的重量變化以及整體生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，作出相應(yīng)的自適應(yīng)調(diào)整，以應(yīng)對(duì)不同釀造生產(chǎn)的需求。考慮釀造環(huán)境以及不確定因素，基于PLC的溫度控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自動(dòng)協(xié)調(diào)功能，對(duì)于復(fù)雜的溫度控制任務(wù)，能夠自行組織協(xié)調(diào)溫度控制任務(wù)，讓PLC控制具有自主性以及靈活性。

PLC 連接局域網(wǎng)，通過調(diào)節(jié)硬件，能夠在線響應(yīng)自然發(fā)酵過程中的溫度控制指令，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。PLC 還有著較強(qiáng)的協(xié)作能力，能夠根據(jù)不同自然發(fā)酵條件，設(shè)定不同的人-機(jī)通信、人-機(jī)互助或是人-機(jī)協(xié)同工作模式。在PLC 控制下，溫度控制也表現(xiàn)出了非線性的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)自主控制，滿足多樣性溫度控制要求[4]。聯(lián)合自然發(fā)酵溫度外部的影響因素，在智能化、PLC 的自動(dòng)控制下，溫度控制呈現(xiàn)出了四元化的特點(diǎn)，四元化特點(diǎn)如圖1所示。

圖1 四元化特點(diǎn)

由圖1 可知，基于PLC 的溫度控制屬于上圖所示的IC 部分中，PLC 控制集合了四元化理論中的所有優(yōu)點(diǎn)。在探析得到基于PLC 溫度控制的特點(diǎn)后，分析不同溫度對(duì)葡萄酒自然發(fā)酵產(chǎn)生物質(zhì)的影響。

2 PLC溫度控制分析及展示

2.1 不同溫度對(duì)發(fā)酵物質(zhì)的影響

溫度作為葡萄酒發(fā)酵過程中一項(xiàng)重要參數(shù)，影響著葡萄酒中酵母菌的活性，還會(huì)影響到發(fā)酵罐內(nèi)的傳熱，所以在分析不同溫度對(duì)葡萄酒自然發(fā)酵產(chǎn)生物質(zhì)的影響時(shí)，首先分析葡萄在微生物發(fā)酵過程中產(chǎn)生的呼吸作用[5]。在呼吸作用下，發(fā)酵池中產(chǎn)生了大量的熱量，導(dǎo)致整個(gè)自然發(fā)酵過程溫度升高，從整體發(fā)酵的規(guī)律來看，發(fā)酵過程可分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為酵母菌酒精發(fā)酵，第二個(gè)階段為蘋果酸—乳酸發(fā)酵，在兩階段中氧氣含量不同的情況下，分為有氧呼吸以及無氧呼吸兩個(gè)過程。以實(shí)驗(yàn)室某一發(fā)酵試驗(yàn)為例，在兩階段熱量的控制下，不同發(fā)酵階段的溫度變化如圖2所示。

圖2 葡萄酒發(fā)酵階段

整體葡萄酒溫度變化階段可劃分為自然升溫階段（階段1）、酵母菌的有氧發(fā)酵（階段2）、酵母菌的無氧發(fā)酵（階段3）以及乳酸菌發(fā)酵（階段4）。根據(jù)圖中的數(shù)值變化可見，前三階段的發(fā)酵溫度處于溫度上升的階段，溫度上升的速度明顯大于發(fā)酵罐散熱的速度[6]。在25 h 之后，內(nèi)部發(fā)酵放出的熱量明顯小于外部發(fā)酵罐散熱的熱量，此時(shí)發(fā)酵罐內(nèi)部的溫度出現(xiàn)下降的趨勢。

分析上述溫度變化可知，當(dāng)溫度作為發(fā)酵過程中的控制指標(biāo)時(shí)，表現(xiàn)出了時(shí)滯性、時(shí)變性以及耦合性3 種性質(zhì)。針對(duì)時(shí)滯性來講，葡萄酒在自然發(fā)酵的過程中，呼吸作用不斷放出熱量，發(fā)酵罐內(nèi)的溫度升高，PLC 發(fā)出降溫指令，發(fā)酵裝置接收到冷卻指令，控制冷卻水開關(guān)閥門，冷水與發(fā)酵罐內(nèi)的液體進(jìn)行熱量交換。但熱量交換是一個(gè)持續(xù)過程，發(fā)酵罐內(nèi)的溫度無法立即改變，故表現(xiàn)出了一定的滯后性[7]。葡萄酒自然發(fā)酵過程受到多種微生物的影響，不同的微生物在不同溫度環(huán)境下有著不同活性，微生物產(chǎn)生的酶在不同的時(shí)間段也會(huì)對(duì)發(fā)酵物質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，所以溫度在發(fā)酵罐中有著一定的時(shí)變性。PLC 在實(shí)際進(jìn)行溫度控制時(shí)，不同的控制點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生多樣化的溫度數(shù)據(jù)，受到發(fā)酵罐液體的影響，誤差性的PLC控制參數(shù)可能會(huì)對(duì)溫度測定產(chǎn)生一定的連鎖反應(yīng)，所以溫度對(duì)發(fā)酵過程有著一定的耦合性。綜合上述的溫度控制性質(zhì)來講，基于PLC 溫度控制應(yīng)結(jié)合實(shí)際的發(fā)酵環(huán)境和葡萄酒的釀造工藝需求，監(jiān)測或是處理各個(gè)控制參量最終達(dá)到自然發(fā)酵的工藝要求。

分析葡萄酒實(shí)際發(fā)酵情況，發(fā)酵溫度主要影響酵母活性、酚類物質(zhì)的浸出含量以及揮發(fā)性香氣物質(zhì)的影響。首先針對(duì)酵母活性來講，在呼吸作用下，發(fā)酵罐內(nèi)釋放大量的熱量，在不考慮熱傳遞過程中產(chǎn)生的熱損耗下，每消耗100 g 的糖分，發(fā)酵罐內(nèi)的溫度就會(huì)增加9.8 ℃。如不對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)呼吸作用采取一定的措施，那么罐內(nèi)的熱量就會(huì)持續(xù)上升直至破壞自然發(fā)酵的熱平衡。特別是發(fā)酵過程中呼吸作用產(chǎn)生的酒精含量不斷升高，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)發(fā)酵罐中不含有酒精時(shí)，酵母的最大活性溫度為40 ℃，每當(dāng)酒精含量增大5%，酵母的最大活性溫度就降低4 ℃。一旦發(fā)酵罐內(nèi)的酒精含量過高導(dǎo)致酵母菌失去活性，那么此時(shí)其他微生物就會(huì)搶占營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而產(chǎn)生大量不需要的物質(zhì)，影響葡萄酒的品質(zhì)[8]。

自然發(fā)酵過程中能夠產(chǎn)生影響葡萄酒品質(zhì)的酚類是花色素苷和單寧，根據(jù)兩種物質(zhì)的性質(zhì)來看，花色素苷的溶解度不受外部溫度的影響，在葡萄酒的發(fā)酵1 階段就已達(dá)到飽和濃度[9]。但單寧的溶解度會(huì)根據(jù)外部溫度的變化而變化，當(dāng)發(fā)酵罐中的溫度升高與酒精含量不斷增加，單寧溶解度也會(huì)逐漸上升。但溫度過高時(shí)，會(huì)促使葡萄籽內(nèi)的單寧溶解出來，讓葡萄酒的味道變得苦澀，影響葡萄酒的質(zhì)量。

葡萄酒在發(fā)酵過程中會(huì)產(chǎn)生大量的揮發(fā)性香氣物質(zhì)，香氣的好壞決定了葡萄酒的品質(zhì)。在不同自然發(fā)酵的狀態(tài)下，不同溫度下會(huì)產(chǎn)生不同的香氣揮發(fā)性物質(zhì)，當(dāng)發(fā)酵罐中的溫度較高時(shí)，自然發(fā)酵產(chǎn)生高級(jí)醇類物質(zhì)；當(dāng)罐內(nèi)溫度較低時(shí)，自然發(fā)酵產(chǎn)生揮發(fā)性的酯類物質(zhì)。

綜合上述的影響指標(biāo)，假定實(shí)驗(yàn)室保持室溫24.5 ℃，在葡萄酒開始自然發(fā)酵的時(shí)刻記錄，在相同的溫度測點(diǎn)下，發(fā)酵溫度隨時(shí)間的變化如圖3所示。

圖3 發(fā)酵溫度隨時(shí)間的變化

由圖3 可知，當(dāng)罐內(nèi)的溫度大于外部室溫時(shí)，發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)生自然發(fā)酵過程，在發(fā)酵罐內(nèi)的溫度上升到28.3 ℃時(shí)，發(fā)酵罐內(nèi)的溫度不再升高，發(fā)酵速率逐漸減小，當(dāng)發(fā)酵時(shí)間在60 h 時(shí)，發(fā)酵速率逐漸趨于平穩(wěn)。分析不同溫度對(duì)發(fā)酵物質(zhì)的影響后，進(jìn)一步總結(jié)不同溫度對(duì)自然發(fā)酵階段性的影響特征。

2.2 總結(jié)不同溫度對(duì)自然發(fā)酵階段性影響特性

根據(jù)圖2 劃分的階段，在1 階段的發(fā)酵階段內(nèi)，以實(shí)際的葡萄酒釀造的物料量作為自變量，以該自變量為控制對(duì)象，得到物料量與發(fā)酵溫度之間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 物料輸入量與發(fā)酵溫度間的關(guān)系

在圖4 的相互關(guān)系下，控制發(fā)酵罐在不同溫度下，原始葡萄剩余的物料重量。根據(jù)原始葡萄重量分為3 組，組1 為原始葡萄重1 kg，組2 為原始葡萄重2 kg，組3 為原始葡萄重3 kg，每組設(shè)9 個(gè)實(shí)驗(yàn)組，設(shè)置從不同室溫條件下測量自然發(fā)酵后剩余物料量，結(jié)果見表1。

表1 不同溫度條件下自然發(fā)酵后剩余物料量

由表1 可知，隨著發(fā)酵罐中的葡萄量不斷增多，剩余物料含量也不斷增多，觀察在階段1 的PLC控制下，溫度的變化如圖5所示。

圖5 溫度對(duì)剩余物料含量的影響

由圖5 可知，在自然發(fā)酵的過程中，發(fā)酵罐內(nèi)的溫度由室溫?cái)?shù)值23 ℃逐漸升高，在PLC 控制的作用下，溫度數(shù)值在1500 s 時(shí)開始下降，剩余物料發(fā)生發(fā)酵作用在不斷增加。分析出不同溫度對(duì)自然發(fā)酵階段的影響后，分析PLC在溫度控制中的應(yīng)用，最終完成對(duì)溫度控制的研究。

3 結(jié)論

通過上述分析，在現(xiàn)代化技術(shù)的參與下，基于PLC 的溫度控制除了能夠采集日常的監(jiān)測參數(shù)外，還能夠監(jiān)測自然發(fā)酵過程的進(jìn)度，在PLC功能硬件不斷完善下，功能軟件的開發(fā)逐漸向?qū)＜蚁到y(tǒng)的方向發(fā)展，葡萄酒自然發(fā)酵的溫度控制也逐漸向可靠性、客觀性、智能化方向發(fā)展[10-11]。在現(xiàn)實(shí)的控制過程中，PLC 需要?dú)w納整理眾多的葡萄酒自然發(fā)酵的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)量巨大的溫度數(shù)據(jù)來講，PLC需要建立大量的推理過程，在PLC中聯(lián)合模糊控制能夠形成一種全新的控制理論，在模糊控制理論強(qiáng)邏輯性的推理下，轉(zhuǎn)化專家構(gòu)造的控制信息語言，減少了溫度控制過程中核心芯片的計(jì)算量。在模糊理論的參與下，基于PLC的溫度控制不光能夠排除自然發(fā)酵過程內(nèi)外部的影響因素，還可以智能化控制葡萄酒自然發(fā)酵過程中各項(xiàng)參數(shù)。

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展下，各個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)制造過程趨向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，并取得了非常好的效果。在聯(lián)網(wǎng)的方式下，葡萄酒的自然發(fā)酵過程能夠遠(yuǎn)程控制，不斷調(diào)整葡萄酒發(fā)酵過程中的溫度。在網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境下，逐漸形成自動(dòng)化的發(fā)酵過程，信息網(wǎng)絡(luò)化的溫度控制方法逐漸成為今后的研究方向[12]。在計(jì)算機(jī)編程的參與下，網(wǎng)絡(luò)化的基于PLC的溫度控制系統(tǒng)，可以控制計(jì)算機(jī)與發(fā)酵罐之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用一個(gè)簡單的數(shù)據(jù)指令直接控制發(fā)酵過程中的溫度控制過程，在多種功能代碼的支持下，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐內(nèi)各個(gè)自然發(fā)酵過程的監(jiān)測[13]。同時(shí)聯(lián)合通訊傳輸設(shè)備，與內(nèi)部的溫度控制進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)自然發(fā)酵過程的智能化，大大提高了葡萄酒自然發(fā)酵過程的效率。

葡萄酒的自然發(fā)酵過程是一個(gè)持續(xù)的過程，傳統(tǒng)式的溫度控制的基本模式主要通過人工完成，溫度控制管理人員按照一定的時(shí)間頻率測量發(fā)酵罐內(nèi)的溫度，根據(jù)罐內(nèi)的狀態(tài)，判斷自然發(fā)酵所處的發(fā)酵階段，從而采取相應(yīng)的溫度控制措施[14]。在PLC 技術(shù)的參與下，自然發(fā)酵的整個(gè)過程能夠向分布式控制的方向發(fā)展，以PLC的控制芯片為溫度控制的核心，設(shè)定一個(gè)服務(wù)器—PLC 處理芯片的聯(lián)合模式，將各個(gè)自然發(fā)酵過程轉(zhuǎn)化為不同的處理模塊，不同的模塊連接發(fā)酵罐上不同的位置。只需PLC 控制芯片處理各個(gè)模塊匯總的溫度以及發(fā)酵狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后向發(fā)酵罐反向輸出溫度控制指令數(shù)據(jù)，形成一個(gè)分布式的溫度控制系統(tǒng)[15]。葡萄酒自然發(fā)酵溫度控制處理的數(shù)據(jù)對(duì)象趨于多樣化，PLC形成的溫度控制方法也應(yīng)趨于綜合化，逐漸形成便于控制的一個(gè)過程。綜上，最終完成對(duì)基于PLC的葡萄酒自然發(fā)酵溫度控制的研究。

在葡萄酒產(chǎn)業(yè)產(chǎn)線化不斷地發(fā)展下，在葡萄酒自然發(fā)酵溫度控制中運(yùn)用PLC 逐漸成為了研究熱點(diǎn)，從PLC 的控制原理出發(fā)，分析PLC 在自然發(fā)酵中對(duì)溫度的控制產(chǎn)生的各項(xiàng)影響，能夠?yàn)榻窈笱芯繙囟瓤刂品绞教峁┮欢ǖ睦碚撘罁?jù)。