基于三菱PLC的智能化家用釀酒機

陳廷炫，劉偉峰，王濤（通訊作者）

（廣東石油化工學院自動化學院，廣東茂名，525000）

目前，酒文化成為我國越來越多的人所追求的文化，他們在日常的生活中總是以酒為伴，在許多的場合都要小酌幾杯，但是近年來發生的食品安全事件讓越來越多的人追求安全的產品，并且隨著科技的水平不斷提高，越來越多的人開始追求自釀酒，由此自釀酒設備應運而生。相比于批量化的流水線生產，家庭釀酒產量小，技術水平無法實現較高的自動化程度，并且由于知識水平的匱乏，在家庭釀酒過程中往往存在無法控制家庭釀酒的發酵時間，發酵溫度的控制，并且在發酵的過程中會產生許多的有害物質，導致家庭釀酒品質殘次不齊，無法實現健康的要求。因此本團隊利用目前的智能家居的趨勢，以及市場的需求，開發了一款智能化的家用釀酒機，可以實現自動化的釀酒生產，并能夠對發酵的時間，發酵的溫度進行很好的控制。真正做到解放雙手，智能化生活。

1 分析與對比

市面已有微型自動釀造設備種類較多，本文從市場需求出發，在諸多類型產品中選取了以下三款作為主要分析對象。

■1.1 天佑科技自動化釀酒機特點

（1）微電腦控制；

（2）具有預約定時功能 可以一次或多次蒸煮；

（3）產品為全不銹鋼制作；

（4）清潔方便，衛生無死角。

■1.2 九道坊釀酒機特點

（1）全密閉發酵設備，機器發酵全程密閉，隔絕雜菌污染，避免空氣中的雜菌參與發酵，導致有害物質產生，影響酒體口感與風味；

（2）純菌種厭氧發酵，確保酒水品質；

（3）全自動電腦芯片控制；

（4）原生態、純天然，健康食材自己選。

■1.3 BREWIE 釀酒機特點

（1）擁有一個完全自動化的過程，同時還預置了超過200 種的配方，方便用戶選擇；

（2）可以接入Wi-Fi 網絡，讓用戶通過智能手機隨時掌握時間、原料和過程，同時還可以通過APP 選擇不同的配料配比；

（3）控制釀造過程的溫度；

（4）產量高，品質好，可以選擇不同的原料，釀造過程成本低廉。

圖1 設備結構圖

■1.4 結論

通過對現有的產品的分析，現有產品的技術性能不夠完善，存在自動化程度低，智能化水平不夠高等關鍵的問題。現有的產品還存在沒有完全滿足市場的需求，用戶所需的功能并不能夠完全實現，存在技術性能上的滯后問題。并且現有產品釀造的酒的度數無法控制，且設備的功耗較大，在家庭中使用會存在較大的功耗問題，若作為工業用則會有較好的應用前景。對于現有的設備來說，我們的設備能夠基本解決以上存在的問題，自動化程度高，酒精度數通過溫度進行可控，并通過對溫度的檢測確定相應的酒精濃度，滿足市場以及用戶的需求。

2 技術創新點

■2.1 控制設備

目前市面上多數的智能家居產品多數采用的是單片機控制，以及通過嵌入式系統來進行相應的驅動以及不同功能的實現。對比于我們的產品我們采用的是PLC 控制，通過編寫相應的PLC 程序來驅動不同的繼電器來帶動電磁閥實現蒸煮，蒸餾，排氣，排水等相關的功能，實現了全自動化的釀造。

■2.2 釀造工藝

目前市面上現有的設備采用的傳統的釀造工藝，流程復雜，工序較多，釀造周期長，產量少，而我們的設備采用的是最新的釀造工藝，通過蒸煮，發酵蒸餾等工序實現了釀造工序簡單，周期短，產量可控，并能夠很好的對酒精度數進行控制。

■2.3 智能化的人機交互界面

目前市面上現有的產品多采用觸控開關的形式，開機及釀造，沒有形成交互的設計，而我們的產品是采用人及交互界面的觸控屏，精準控制每一步工序的人機交互，用戶通過人機界面實時監測釀造的過程，溫度的高低，還可以設置相應的參數，真正實現了智能化的設計。

■2.4 創新的酒精溫度控制模型

我們采用了自動控制原理的相關知識，通過實際的操作將酒精度數作為被控變量，溫度作為輸入變量，溫度傳感器作為執行器，溫度驅動模塊為控制器，進水排水電磁閥為檢測變送，將溫度為20℃時的酒精度數作為給定值，通過與給定值的比較計算出偏差，然后通過偏差來發送控制信號使得控制器工作，控制器傳遞操作信號給執行器，執行器進行調節來改變溫度，然后再通過反饋實現閉環控制。最終確定不同溫度下，酒精度數的大小。

由于溫度是該設備重要的實驗參數，以及實驗變量，因此我們在確定了溫度與酒精濃度之間的關系的情況下，通過這種關系建立數學模型以及相應的擬合曲線，來反映不同的溫度下酒精度數的變化。通過不斷的實驗測試，以及對溫度的改變，我們發現溫度會影響酒精的度數。因此對于酒精濃度的研究可以從溫度入手來判斷酒精濃度與溫度是否存在相應的關系。

一般來說，酒的度數就是酒中含有的乙醇的體積的百分比，通常是以20℃時候的體積比表示的，酒精度一般用容量來計算，故在酒精濃度后加上Vol。

建立酒精度數與溫度的模型，判斷度數與溫度之間的關系，然后通過使用PT100 溫度傳感器來實時控制溫度，并且通過PT100 的控制可以使得用戶可以自定義溫度，方便了用戶選擇出酒的度數。

PT100 是一款鉑電阻的熱電阻溫度變送器，通過電阻阻值隨溫度變化而變化的特性進行溫度的測量。PT100 也是一款將溫度變量轉化為可輸出的標準化輸出的溫度傳感器。主要用于工業過程的溫度參數的測量與控制。通過這個傳感器可以對溫度進行控制，由此建立酒精濃度與溫度的模型。

通過MATLAB 建立仿真并依據采樣數據進行擬合可得出酒精濃度與溫度的模型（用20℃時的酒精度數為71%和72%為例）如圖2-3 所示。

圖2 酒精—溫度模型擬合曲線

圖3 排除偶然性因素后的擬合曲線

3 科學先進性

■3.1 自動化程度高

目前市面上的產品自動化程度不高，例如前文提到的九道坊的釀酒機，在實際操作過程中某些環節需要人為的控制，在相應的環節需要人工的監督，例如監督溫度的變化，在合適的溫度加入酒曲等等，并不能夠完全的實現解放雙手的目的。而由于人工操作有較大的不確定性，因此在最終的產品生成過程中無法達到如介紹中所說的品質。而對比于我們的產品，在放入需要發酵的生料之后，開機便可以不再進行人工操縱，真正的實現了智能化，自動化的標準，真正的實現解放雙手。

■3.2 基于PLC 編程

我們的產品是自主化通過對三菱PLC 的梯形圖程序的編寫，繼而控制相應的繼電器，通過繼電器控制相應的電磁閥，并將PLC 主控與kinco 的人機交互界面進行互聯實現通過屏幕實時監測釀造的環節，釀造的溫度，實現釀造過程可視化，透明化。并且采用PLC 編程也是一種創新方式，目前市面上多數的智能家居產品多數采用的是嵌入式系統的設計，而PLC 多用于工業流水線過程。我們的設備首次將PLC 應用于智能家居的范疇，是對智能家居主控裝置的一種創新。

圖4 部分PLC 程序代碼圖

■3.3 模塊化的設計

我們的產品的結構緊湊，體積較小，相比于市面上的同類產品來說更適合家庭使用，并且我們的產品采用模塊化的設計理念，通過對不同模塊的編程，來實現對應的功能，比如說進料，抽風，排水等功能，就是通過不同的繼電器來控制電磁閥以實現電磁閥工作實現相應功能。并且模塊化的設計理念也便于功能的添加與修改，便于我們對于設備的升級，以及相應功能的更新。模塊化的設計理念也是許多的智能化的產品所采用的方式，為了更好的實現不同的功能，通過模塊化的設計，實現整體與部分的結合，最后使得產品功能全面，相互聯系又不相互制約，更好的服務與用戶。

■3.4 多學科知識的融合創新

采用了自動控制原理的相關知識，將酒精度數作為被控變量，通過改變相關的參數來進行酒精度數的控制；采用機械設計相關知識，對產品的外觀進行設計，運用較為合理的機械結構，使得設備結構緊湊，體積較小；采用生物食品工程的相關知識，將釀造工藝進行創新與研究，研發出了獨特的釀造工藝，并且通過設備釀造出來的酒的質量符合國家食品衛生安全標準。

4 結語

自釀酒市場的蓬勃發展，為我們的設備帶來了無限的前景，也對我們的設備后期的技術升級改造，帶來了直接需要。也通過釀酒機為契機，帶動自釀酒的風潮，使得互聯網與傳統行業進行了又一次的融合與創新。智能化釀酒機也給自釀酒愛好者帶來了全新的體驗。智能化釀酒機也滿足當前市場的需要，為人民的生產生活帶來方便。