基于三菱PLC的智能化家用釀酒機(jī)

陳廷炫，劉偉峰，王濤（通訊作者）

（廣東石油化工學(xué)院自動化學(xué)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(fā)生的食品安全事件讓越來越多的人追求安全的產(chǎn)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(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。相比于批量化的流水線生產(chǎn)，家庭釀酒產(chǎn)量小，技術(shù)水平無法實(shí)現(xiàn)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(fā)酵時間，發(fā)酵溫度的控制，并且在發(fā)酵的過程中會產(chǎn)生許多的有害物質(zhì)，導(dǎo)致家庭釀酒品質(zhì)殘次不齊，無法實(shí)現(xiàn)健康的要求。因此本團(tuán)隊(duì)利用目前的智能家居的趨勢，以及市場的需求，開發(fā)了一款智能化的家用釀酒機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)自動化的釀酒生產(chǎn)，并能夠?qū)Πl(fā)酵的時間，發(fā)酵的溫度進(jìn)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(shè)備種類較多，本文從市場需求出發(fā)，在諸多類型產(chǎn)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(jī)特點(diǎn)

（1）微電腦控制；

（2）具有預(yù)約定時功能 可以一次或多次蒸煮；

（3）產(chǎn)品為全不銹鋼制作；

（4）清潔方便，衛(wèi)生無死角。

■1.2 九道坊釀酒機(jī)特點(diǎn)

（1）全密閉發(fā)酵設(shè)備，機(jī)器發(fā)酵全程密閉，隔絕雜菌污染，避免空氣中的雜菌參與發(fā)酵，導(dǎo)致有害物質(zhì)產(chǎn)生，影響酒體口感與風(fēng)味；

（2）純菌種厭氧發(fā)酵，確保酒水品質(zhì)；

（3）全自動電腦芯片控制；

（4）原生態(tài)、純天然，健康食材自己選。

■1.3 BREWIE 釀酒機(jī)特點(diǎn)

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

（2）可以接入Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，讓用戶通過智能手機(jī)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(chǎn)量高，品質(zhì)好，可以選擇不同的原料，釀造過程成本低廉。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

■1.4 結(jié)論

通過對現(xiàn)有的產(chǎn)品的分析，現(xiàn)有產(chǎn)品的技術(shù)性能不夠完善，存在自動化程度低，智能化水平不夠高等關(guān)鍵的問題。現(xiàn)有的產(chǎn)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(shí)現(xiàn)，存在技術(shù)性能上的滯后問題。并且現(xiàn)有產(chǎn)品釀造的酒的度數(shù)無法控制，且設(shè)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(yè)用則會有較好的應(yīng)用前景。對于現(xiàn)有的設(shè)備來說，我們的設(shè)備能夠基本解決以上存在的問題，自動化程度高，酒精度數(shù)通過溫度進(jìn)行可控，并通過對溫度的檢測確定相應(yīng)的酒精濃度，滿足市場以及用戶的需求。

2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

■2.1 控制設(shè)備

目前市面上多數(shù)的智能家居產(chǎn)品多數(shù)采用的是單片機(jī)控制，以及通過嵌入式系統(tǒng)來進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動以及不同功能的實(shí)現(xiàn)。對比于我們的產(chǎn)品我們采用的是PLC 控制，通過編寫相應(yīng)的PLC 程序來驅(qū)動不同的繼電器來帶動電磁閥實(shí)現(xiàn)蒸煮，蒸餾，排氣，排水等相關(guān)的功能，實(shí)現(xiàn)了全自動化的釀造。

■2.2 釀造工藝

目前市面上現(xiàn)有的設(shè)備采用的傳統(tǒng)的釀造工藝，流程復(fù)雜，工序較多，釀造周期長，產(chǎn)量少，而我們的設(shè)備采用的是最新的釀造工藝，通過蒸煮，發(fā)酵蒸餾等工序?qū)崿F(xiàn)了釀造工序簡單，周期短，產(chǎn)量可控，并能夠很好的對酒精度數(shù)進(jìn)行控制。

■2.3 智能化的人機(jī)交互界面

目前市面上現(xiàn)有的產(chǎn)品多采用觸控開關(guān)的形式，開機(jī)及釀造，沒有形成交互的設(shè)計(jì)，而我們的產(chǎn)品是采用人及交互界面的觸控屏，精準(zhǔn)控制每一步工序的人機(jī)交互，用戶通過人機(jī)界面實(shí)時監(jiān)測釀造的過程，溫度的高低，還可以設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了智能化的設(shè)計(jì)。

■2.4 創(chuàng)新的酒精溫度控制模型

我們采用了自動控制原理的相關(guān)知識，通過實(shí)際的操作將酒精度數(shù)作為被控變量，溫度作為輸入變量，溫度傳感器作為執(zhí)行器，溫度驅(qū)動模塊為控制器，進(jìn)水排水電磁閥為檢測變送，將溫度為20℃時的酒精度數(shù)作為給定值，通過與給定值的比較計(jì)算出偏差，然后通過偏差來發(fā)送控制信號使得控制器工作，控制器傳遞操作信號給執(zhí)行器，執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)來改變溫度，然后再通過反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。最終確定不同溫度下，酒精度數(shù)的大小。

由于溫度是該設(shè)備重要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，以及實(shí)驗(yàn)變量，因此我們在確定了溫度與酒精濃度之間的關(guān)系的情況下，通過這種關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型以及相應(yīng)的擬合曲線，來反映不同的溫度下酒精度數(shù)的變化。通過不斷的實(shí)驗(yàn)測試，以及對溫度的改變，我們發(fā)現(xiàn)溫度會影響酒精的度數(shù)。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(yīng)的關(guān)系。

一般來說，酒的度數(shù)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(jì)算，故在酒精濃度后加上Vol。

建立酒精度數(shù)與溫度的模型，判斷度數(shù)與溫度之間的關(guān)系，然后通過使用PT100 溫度傳感器來實(shí)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(shù)。

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(jìn)行溫度的測量。PT100 也是一款將溫度變量轉(zhuǎn)化為可輸出的標(biāo)準(zhǔn)化輸出的溫度傳感器。主要用于工業(yè)過程的溫度參數(shù)的測量與控制。通過這個傳感器可以對溫度進(jìn)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(jù)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得出酒精濃度與溫度的模型（用20℃時的酒精度數(shù)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(xué)先進(jìn)性

■3.1 自動化程度高

目前市面上的產(chǎn)品自動化程度不高，例如前文提到的九道坊的釀酒機(jī)，在實(shí)際操作過程中某些環(huán)節(jié)需要人為的控制，在相應(yīng)的環(huán)節(jié)需要人工的監(jiān)督，例如監(jiān)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(shí)現(xiàn)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(chǎn)品生成過程中無法達(dá)到如介紹中所說的品質(zhì)。而對比于我們的產(chǎn)品，在放入需要發(fā)酵的生料之后，開機(jī)便可以不再進(jìn)行人工操縱，真正的實(shí)現(xiàn)了智能化，自動化的標(biāo)準(zhǔn)，真正的實(shí)現(xiàn)解放雙手。

■3.2 基于PLC 編程

我們的產(chǎn)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(yīng)的繼電器，通過繼電器控制相應(yīng)的電磁閥，并將PLC 主控與kinco 的人機(jī)交互界面進(jìn)行互聯(lián)實(shí)現(xiàn)通過屏幕實(shí)時監(jiān)測釀造的環(huán)節(jié)，釀造的溫度，實(shí)現(xiàn)釀造過程可視化，透明化。并且采用PLC 編程也是一種創(chuàng)新方式，目前市面上多數(shù)的智能家居產(chǎn)品多數(shù)采用的是嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而PLC 多用于工業(yè)流水線過程。我們的設(shè)備首次將PLC 應(yīng)用于智能家居的范疇，是對智能家居主控裝置的一種創(chuàng)新。

圖4 部分PLC 程序代碼圖

■3.3 模塊化的設(shè)計(jì)

我們的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小，相比于市面上的同類產(chǎn)品來說更適合家庭使用，并且我們的產(chǎn)品采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，通過對不同模塊的編程，來實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能，比如說進(jìn)料，抽風(fēng)，排水等功能，就是通過不同的繼電器來控制電磁閥以實(shí)現(xiàn)電磁閥工作實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。并且模塊化的設(shè)計(jì)理念也便于功能的添加與修改，便于我們對于設(shè)備的升級，以及相應(yīng)功能的更新。模塊化的設(shè)計(jì)理念也是許多的智能化的產(chǎn)品所采用的方式，為了更好的實(shí)現(xiàn)不同的功能，通過模塊化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整體與部分的結(jié)合，最后使得產(chǎn)品功能全面，相互聯(lián)系又不相互制約，更好的服務(wù)與用戶。

■3.4 多學(xué)科知識的融合創(chuàng)新

采用了自動控制原理的相關(guān)知識，將酒精度數(shù)作為被控變量，通過改變相關(guān)的參數(shù)來進(jìn)行酒精度數(shù)的控制；采用機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)知識，對產(chǎn)品的外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用較為合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小；采用生物食品工程的相關(guān)知識，將釀造工藝進(jìn)行創(chuàng)新與研究，研發(fā)出了獨(dú)特的釀造工藝，并且通過設(shè)備釀造出來的酒的質(zhì)量符合國家食品衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

自釀酒市場的蓬勃發(fā)展，為我們的設(shè)備帶來了無限的前景，也對我們的設(shè)備后期的技術(shù)升級改造，帶來了直接需要。也通過釀酒機(jī)為契機(jī)，帶動自釀酒的風(fēng)潮，使得互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行了又一次的融合與創(chuàng)新。智能化釀酒機(jī)也給自釀酒愛好者帶來了全新的體驗(yàn)。智能化釀酒機(jī)也滿足當(dāng)前市場的需要，為人民的生產(chǎn)生活帶來方便。