智能化環控曲房的設計和應用研究

何宏魁，李安軍*，王冕，曹潤潔，馬金同，余苗，秦黎明，劉洪濤

（1.安徽古井貢酒股份有限公司，安徽亳州 236800；2.安徽瑞思威爾科技有限公司，安徽亳州 236800；3.南京旗碩物聯有限公司，江蘇南京 210000）

智能化環控系統在諸多領域均有廣泛的應用，如農業方面基于環控系統建設的恒溫大棚、育雛間等。目前已有智能化環控系統相關研究在釀酒行業開展，楊月輪[1]在對十里香智能化釀酒設備研究中發現，智能車間在降低勞動強度、節省勞動成本以及參數控制等方面優于傳統的手工車間；李安軍等[2]的研究得到，智能化制曲能通過計算機、手機等電子終端遠程查看曲房的生產狀況，實時掌控曲房生產過程；張曼等[3]為完善全機械化制曲工藝，對單雙層大曲進行了質量對比分析。大曲對濃香型白酒發酵十分重要[4]。制曲生產也有環境控制方面的需求，制曲生產是自然環境中的微生物接種到曲醅發酵的過程。曲房溫度和濕度變化直接影響大曲曲塊內微生物群落演替過程[5]，優質大曲的生產需嚴格執行制曲生產工藝，精準把控曲房溫濕度。目前曲房溫濕度主要依靠人工調節門窗、圍蓋草柵、灑水等傳統方式調控，這種調控方式依賴于經驗，不具備統一標準，相關試驗表明在冬季環境溫度較低時，采取傳統的保溫措施大曲仍不能正常升溫發酵。因此具備自動調節環境功能的曲房具有很大應用價值，能代替人工調控曲房環境節省人力投入，克服氣候變化對制曲的影響使大曲的品質更加穩定。本研究基于曲房環控需要設計一套智能化環控曲房系統，通過智能化環控曲房系統的調控效果和制曲品質方面與傳統曲房對比，獲取智能化環控曲房在實際制曲生產中的各項參數，為后續釀酒智能化調控提供理論依據。

1 智能化曲房模型構建

圖1 展現了曲房智能化曲房系統組成，智能化曲房控制系統采用四臺超聲波加濕器實現曲房濕度調節。曲房環境溫度調控由空氣能熱泵對循環水加熱或制冷，循環水再通過散熱片對曲房內的溫度進行調節。曲房內有溫度、濕度、二氧化碳無線監測探頭，探頭采集的信息上傳至PLC系統實現環境參數的實時監測和自動化控制。

圖1 智能化曲房系統組成

圖2 智能化曲房培曲現場

1.1 數據采集傳感器的采樣位點

傳感器測量準確是本實驗的基礎與前提。曲房環境采集傳感器應滿足以下三點需求：①傳感器的耐候性，所用傳感器應滿足高溫、高濕、弱酸性的環境；②空間測量點的位置選取，大曲培養房內，不同位置對應的環境參數有較大差別，大曲品溫的測量點為曲堆立體對角線的3 個測溫點，包含了上部、中間和下部溫度，曲房環境的溫濕度測量點，選取距離曲塊上部1 m 的位置和墻壁距離地面1.5 m的位置，CO2測量點為距離地面0.5 m、1 m、1.5 m 的位置；③傳統工藝標準的溫度修正，受熱空氣上升、冷空氣下降的影響，上中下采集的溫度存在較大的差異，系統可根據上中下采集的溫度綜合評定曲房環境溫度。

1.2 環境調控執行器的選型設計

環境調節控制執行器主要用于實現曲房溫濕度的調節，執行器主要分為三部分。一是升降溫裝置。熱源采用空氣源熱泵取暖，節能環保。室內采用傳統經典暖氣片散熱。熱泵空調也可以起到制冷的作用。二是加濕裝置。基于超聲波產生的高頻振蕩，霧化顆粒＜5 μm，不會有水滴在曲塊上。主要用于大曲培養的前3 d，可以每天定時定量加濕。三是自動開關窗通風設計。針對中高溫大曲曲房的推拉窗結構，采用類似智能家居的推拉窗設計，實現實時開窗，開窗執行器具有過流、過載保護功能。與風機效果對比，由于風機的通風面積小于窗戶，同樣的換氣量，風速快，風機風道附近的曲塊水分散失過快，無法掛衣，并且可能產生二次升溫發酵現象。

1.3 軟件系統設計

軟件系統構架（圖3）先通過物聯網采集系統獲取大曲培養的溫度、濕度、二氧化碳濃度等數據，經過若干大曲培養周期，可以得到數條曲線。采用大數據分析的手段，獲取標準培曲環控曲線。步驟如下：一是采用數據標注，選取出房參數優良的批次數據；二是擬合成一條或多條曲線，每條對應一種大曲類型（如：桃花曲、伏曲等等），如圖4 所示；三是下發培曲環控溫濕度曲線到PLC控制系統當中，PLC 控制系統獲得標準培曲環控溫度、濕度曲線，利用它自動進行調溫調濕。

圖3 軟件系統架構

圖4 擬合形成的標準曲線

1.4 曲房環境控制策略設計

濃香、醬香大曲品溫控制調溫的需求：前緩、中挺、后緩落。在調控過程中，以溫度調控為主，以濕度調控為輔，同時兼顧門窗開關，調節CO2濃度。

調溫的控制策略：升溫是根據溫差大小和溫差變化率，減小門窗開度或者開啟熱泵空調取暖；降溫是根據溫差大小和溫差變化率，關閉熱泵空調取暖，增加門窗開度或者打開熱泵空調制冷。

調濕的控制策略：加濕是采用超聲波加濕器啟動加濕，通過開啟時長控制加濕量；除濕是采用開窗自然通風方式。

模糊智能控制策略：由于調溫、調濕和調二氧化碳存在耦合現象，會發生聯動變化。在設計控制算法的時候，參考生產經驗，建立先進模糊控制模型，實現各個參數的聯動控制。

調溫調濕新風控制規則庫，兼容了經典PID 控制與專家經驗控制策略，同時支持手動控制干預。

圖5 環境控制模糊控制原理框圖

2 材料與方法

2.1 材料、試劑及儀器

原料：小麥、高粱。

試劑及耗材：氫氧化鈉、碳酸鈉、葡萄糖、可溶性淀粉、硫酸銅、酒石酸鈉鉀等，國藥集團化學試劑(北京)有限公司。

儀器設備：智能化環控曲房，南京旗碩物聯科技有限公司；SPX-150B-Z 生化培養箱，上海博訊實業有限公司醫療設備廠；紫外可見分光光度計，上海元析儀器有限公司；ME204E 電子分析天平,梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；101 型電熱鼓風干燥箱，北京市永光明醫療儀器廠；SPX-150BZ 生化培養箱，上海博訊實業有限公司醫療設備廠；高壓滅菌鍋，上海申安醫療器械廠。

2.2 實驗方法

在12 月份開展制曲生產試驗，該時段氣溫低，能夠充分發揮智能化曲房環境調控性能。制曲試驗對比曲房溫度、大曲理化指標和感官，綜合評定智能化曲房的制曲效果。大曲理化指標測定有水分、發酵力、糖化力、酸性蛋白酶活力。

大曲感官評判，按照風格、外觀、斷面這幾個參數。大曲的風格，要曲香撲鼻，味濃純正，皮薄心熟，色正泡氣；外觀即大曲外表，色澤灰白色，上霉均勻，無裂口；斷面即大曲折斷面，有泡氣，香味正，色澤正，皮張薄。

大曲的理化指標，參照中國輕工行業標準QB/T 4257[7]，檢測大曲的水分、酸度、發酵力、糖化力，參照蛋白酶活性檢測方法GB/T 23527—2009 檢測酸性蛋白酶活力[8]。

3 結果與分析

3.1 大曲溫度對比分析

智能化曲房為試驗房，在培曲過程中開啟自動環控系統調節曲房溫濕度。選取一間傳統工藝曲房為對照房，通過圍蓋草柵和控制門窗調節溫濕度。記錄制曲試驗過程中培曲前20 天溫度，對比環控曲房與傳統曲房發酵過程大曲溫度之間的差異。

由圖6 可知，跟蹤中高溫大曲發酵過程，記錄關鍵控制點參數[6]，試驗房熱泵空調的加溫效果顯著，發酵過程大曲溫度與標準工藝曲線較為接近。試驗房大曲第3天即可達到40 ℃，對照房升溫緩慢在第6天達到40 ℃。在發酵中段，試驗房大曲的溫度高于對照房9 ℃左右。可以看出，傳統圍蓋草柵等方式存在一定的局限性，在冬季氣溫較低時有一定保溫效果但不能滿足培曲溫度要求。自動化控溫曲房采用輔助加熱的方式可以使大曲迅速達到發酵狀態，同時發酵頂溫更高、高溫階段更長。

圖6 試驗組與對照組大曲溫度對比

3.2 大曲理化指標對比分析

在出房時和貯存五個月時分別對試驗房和對照房所產大曲進行取樣。每個房間隨機取六塊大曲粉碎后混勻，取500 g 進行理化分析。由表1 可知，冬季智能化試驗房所產大曲能夠成熟，各項指標正常，在貯存五個月后發酵力和水分小幅下降，出房大曲指標在正產范圍內。對照房大曲水分偏高為15.30 %，發酵力為186.7 U，貯存五月后水分下降至10.44%、發酵力下降至98.4 U，說明對照房大曲未發酵成熟，在貯存階段劣變引起發酵力大幅下降，對后期釀酒發酵造成不利影響。大曲糖化力試驗房和對照房差別不大，儲存5 個月后糖化力指標有輕微下降，屬正常現象[9]。從理化結果可見，冬季制曲時智能化環控曲房的環境調控效果明顯好于傳統的圍蓋措施，一是可以解決傳統制曲工藝在冬季大曲發酵進度緩慢不能完全成熟的問題，二是解決大曲出房時含水量高在貯存期間劣變，導致發酵力指標大幅下降的問題。

表1 出房及貯存五月后大曲理化指標對比

3.3 出房大曲品質對比

圖7 中對出房大曲從香味和外觀方面進行品評，結合相關文獻得到[10]，智能化曲房大曲整體感覺較好，火圈清新均勻，曲心菌絲豐滿白亮、曲香純正豐滿。傳統工藝曲房生產大曲品質較差，火圈不完整、顏色較淺、曲心窩水、有明顯的生糧味和異雜味。在感官方面試驗組明顯優于對照組。

圖7 出房大曲外觀

4 結論

智能化環控曲房的設計方案的應用是傳統釀酒行業智能化升級轉型的典型案例，實現了制曲的智能化、自動化生產。相對傳統制曲生產方式，智能化環控曲房能代替人工圍蓋草柵和開關門窗等傳統調溫調試方式，節約了人力成本的投入。冬季制曲試驗結果表明，智能化環控曲房的環境調控效果好于傳統的工藝調控方式，在理化和感官香味方面明顯優于傳統曲房。解決了傳統制曲的冬季停產問題，提升了大曲的年產量。