智能化環(huán)控曲房的設(shè)計和應(yīng)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(lián)有限公司，江蘇南京 210000）

智能化環(huán)控系統(tǒng)在諸多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，如農(nóng)業(yè)方面基于環(huán)控系統(tǒng)建設(shè)的恒溫大棚、育雛間等。目前已有智能化環(huán)控系統(tǒng)相關(guān)研究在釀酒行業(yè)開展，楊月輪[1]在對十里香智能化釀酒設(shè)備研究中發(fā)現(xiàn)，智能車間在降低勞動強度、節(jié)省勞動成本以及參數(shù)控制等方面優(yōu)于傳統(tǒng)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(chǎn)狀況，實時掌控曲房生產(chǎn)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(zhì)量對比分析。大曲對濃香型白酒發(fā)酵十分重要[4]。制曲生產(chǎn)也有環(huán)境控制方面的需求，制曲生產(chǎn)是自然環(huán)境中的微生物接種到曲醅發(fā)酵的過程。曲房溫度和濕度變化直接影響大曲曲塊內(nèi)微生物群落演替過程[5]，優(yōu)質(zhì)大曲的生產(chǎn)需嚴(yán)格執(zhí)行制曲生產(chǎn)工藝，精準(zhǔn)把控曲房溫濕度。目前曲房溫濕度主要依靠人工調(diào)節(jié)門窗、圍蓋草柵、灑水等傳統(tǒng)方式調(diào)控，這種調(diào)控方式依賴于經(jīng)驗，不具備統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)試驗表明在冬季環(huán)境溫度較低時，采取傳統(tǒng)的保溫措施大曲仍不能正常升溫發(fā)酵。因此具備自動調(diào)節(jié)環(huán)境功能的曲房具有很大應(yīng)用價值，能代替人工調(diào)控曲房環(huán)境節(jié)省人力投入，克服氣候變化對制曲的影響使大曲的品質(zhì)更加穩(wěn)定。本研究基于曲房環(huán)控需要設(shè)計一套智能化環(huán)控曲房系統(tǒng)，通過智能化環(huán)控曲房系統(tǒng)的調(diào)控效果和制曲品質(zhì)方面與傳統(tǒng)曲房對比，獲取智能化環(huán)控曲房在實際制曲生產(chǎn)中的各項參數(shù)，為后續(xù)釀酒智能化調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 智能化曲房模型構(gòu)建

圖1 展現(xiàn)了曲房智能化曲房系統(tǒng)組成，智能化曲房控制系統(tǒng)采用四臺超聲波加濕器實現(xiàn)曲房濕度調(diào)節(jié)。曲房環(huán)境溫度調(diào)控由空氣能熱泵對循環(huán)水加熱或制冷，循環(huán)水再通過散熱片對曲房內(nèi)的溫度進行調(diào)節(jié)。曲房內(nèi)有溫度、濕度、二氧化碳無線監(jiān)測探頭，探頭采集的信息上傳至PLC系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和自動化控制。

圖1 智能化曲房系統(tǒng)組成

圖2 智能化曲房培曲現(xiàn)場

1.1 數(shù)據(jù)采集傳感器的采樣位點

傳感器測量準(zhǔn)確是本實驗的基礎(chǔ)與前提。曲房環(huán)境采集傳感器應(yīng)滿足以下三點需求：①傳感器的耐候性，所用傳感器應(yīng)滿足高溫、高濕、弱酸性的環(huán)境；②空間測量點的位置選取，大曲培養(yǎng)房內(nèi)，不同位置對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)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(huán)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(tǒng)工藝標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)可根據(jù)上中下采集的溫度綜合評定曲房環(huán)境溫度。

1.2 環(huán)境調(diào)控執(zhí)行器的選型設(shè)計

環(huán)境調(diào)節(jié)控制執(zhí)行器主要用于實現(xiàn)曲房溫濕度的調(diào)節(jié)，執(zhí)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(jié)能環(huán)保。室內(nèi)采用傳統(tǒng)經(jīng)典暖氣片散熱。熱泵空調(diào)也可以起到制冷的作用。二是加濕裝置?；诔暡óa(chǎn)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(yǎng)的前3 d，可以每天定時定量加濕。三是自動開關(guān)窗通風(fēng)設(shè)計。針對中高溫大曲曲房的推拉窗結(jié)構(gòu)，采用類似智能家居的推拉窗設(shè)計，實現(xiàn)實時開窗，開窗執(zhí)行器具有過流、過載保護功能。與風(fēng)機效果對比，由于風(fēng)機的通風(fēng)面積小于窗戶，同樣的換氣量，風(fēng)速快，風(fēng)機風(fēng)道附近的曲塊水分散失過快，無法掛衣，并且可能產(chǎn)生二次升溫發(fā)酵現(xiàn)象。

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)構(gòu)架（圖3）先通過物聯(lián)網(wǎng)采集系統(tǒng)獲取大曲培養(yǎng)的溫度、濕度、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)，經(jīng)過若干大曲培養(yǎng)周期，可以得到數(shù)條曲線。采用大數(shù)據(jù)分析的手段，獲取標(biāo)準(zhǔn)培曲環(huán)控曲線。步驟如下：一是采用數(shù)據(jù)標(biāo)注，選取出房參數(shù)優(yōu)良的批次數(shù)據(jù)；二是擬合成一條或多條曲線，每條對應(yīng)一種大曲類型（如：桃花曲、伏曲等等），如圖4 所示；三是下發(fā)培曲環(huán)控溫濕度曲線到PLC控制系統(tǒng)當(dāng)中，PLC 控制系統(tǒng)獲得標(biāo)準(zhǔn)培曲環(huán)控溫度、濕度曲線，利用它自動進行調(diào)溫調(diào)濕。

圖3 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 擬合形成的標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.4 曲房環(huán)境控制策略設(shè)計

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

調(diào)溫的控制策略：升溫是根據(jù)溫差大小和溫差變化率，減小門窗開度或者開啟熱泵空調(diào)取暖；降溫是根據(jù)溫差大小和溫差變化率，關(guān)閉熱泵空調(diào)取暖，增加門窗開度或者打開熱泵空調(diào)制冷。

調(diào)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(fēng)方式。

模糊智能控制策略：由于調(diào)溫、調(diào)濕和調(diào)二氧化碳存在耦合現(xiàn)象，會發(fā)生聯(lián)動變化。在設(shè)計控制算法的時候，參考生產(chǎn)經(jīng)驗，建立先進模糊控制模型，實現(xiàn)各個參數(shù)的聯(lián)動控制。

調(diào)溫調(diào)濕新風(fēng)控制規(guī)則庫，兼容了經(jīng)典PID 控制與專家經(jīng)驗控制策略，同時支持手動控制干預(yù)。

圖5 環(huán)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(xué)試劑(北京)有限公司。

儀器設(shè)備：智能化環(huán)控曲房，南京旗碩物聯(lián)科技有限公司；SPX-150B-Z 生化培養(yǎng)箱，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)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(fēng)干燥箱，北京市永光明醫(yī)療儀器廠；SPX-150BZ 生化培養(yǎng)箱，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；高壓滅菌鍋，上海申安醫(yī)療器械廠。

2.2 實驗方法

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

大曲感官評判，按照風(fēng)格、外觀、斷面這幾個參數(shù)。大曲的風(fēng)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(biāo)，參照中國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 4257[7]，檢測大曲的水分、酸度、發(fā)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(jié)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(huán)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)曲房溫濕度。選取一間傳統(tǒng)工藝曲房為對照房，通過圍蓋草柵和控制門窗調(diào)節(jié)溫濕度。記錄制曲試驗過程中培曲前20 天溫度，對比環(huán)控曲房與傳統(tǒng)曲房發(fā)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(fā)酵過程，記錄關(guān)鍵控制點參數(shù)[6]，試驗房熱泵空調(diào)的加溫效果顯著，發(fā)酵過程大曲溫度與標(biāo)準(zhǔn)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(fā)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(tǒng)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(fā)酵狀態(tài)，同時發(fā)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(biāo)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(chǎn)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(chǎn)大曲能夠成熟，各項指標(biāo)正常，在貯存五個月后發(fā)酵力和水分小幅下降，出房大曲指標(biāo)在正產(chǎn)范圍內(nèi)。對照房大曲水分偏高為15.30 %，發(fā)酵力為186.7 U，貯存五月后水分下降至10.44%、發(fā)酵力下降至98.4 U，說明對照房大曲未發(fā)酵成熟，在貯存階段劣變引起發(fā)酵力大幅下降，對后期釀酒發(fā)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(biāo)有輕微下降，屬正?，F(xiàn)象[9]。從理化結(jié)果可見，冬季制曲時智能化環(huán)控曲房的環(huán)境調(diào)控效果明顯好于傳統(tǒng)的圍蓋措施，一是可以解決傳統(tǒng)制曲工藝在冬季大曲發(fā)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(dǎo)致發(fā)酵力指標(biāo)大幅下降的問題。

表1 出房及貯存五月后大曲理化指標(biāo)對比

3.3 出房大曲品質(zhì)對比

圖7 中對出房大曲從香味和外觀方面進行品評，結(jié)合相關(guān)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(tǒng)工藝曲房生產(chǎn)大曲品質(zhì)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(yōu)于對照組。

圖7 出房大曲外觀

4 結(jié)論

智能化環(huán)控曲房的設(shè)計方案的應(yīng)用是傳統(tǒng)釀酒行業(yè)智能化升級轉(zhuǎn)型的典型案例，實現(xiàn)了制曲的智能化、自動化生產(chǎn)。相對傳統(tǒng)制曲生產(chǎn)方式，智能化環(huán)控曲房能代替人工圍蓋草柵和開關(guān)門窗等傳統(tǒng)調(diào)溫調(diào)試方式，節(jié)約了人力成本的投入。冬季制曲試驗結(jié)果表明，智能化環(huán)控曲房的環(huán)境調(diào)控效果好于傳統(tǒng)的工藝調(diào)控方式，在理化和感官香味方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)曲房。解決了傳統(tǒng)制曲的冬季停產(chǎn)問題，提升了大曲的年產(chǎn)量。