淺談家用全自動(dòng)釀酒設(shè)備設(shè)計(jì)

林乃勁，鐘文聰，郭力鋒，王濤＊

（廣東石油化工學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，廣東 茂名 525000）

隨著人們生活水平的提高，很多家庭熱衷于自己釀造一些特色酒品。通過(guò)調(diào)查市場(chǎng)上在售的各類(lèi)家用小型釀酒設(shè)備，目前還停留在手動(dòng)或部分工序自動(dòng)化階段,受人工操作及釀造環(huán)境等諸多因素的影響，品質(zhì)波動(dòng)大。如能將釀酒工序全自動(dòng)化控制生產(chǎn)，可大幅提高釀酒效率,同時(shí)保證酒品質(zhì)量；如能使釀酒設(shè)備的出酒度數(shù)可以實(shí)時(shí)調(diào)控，將對(duì)釀酒產(chǎn)業(yè)及附屬行業(yè)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，使家用釀酒設(shè)備具有更大的市場(chǎng)潛力和發(fā)展空間。

本項(xiàng)目研發(fā)面向中小用戶群體，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、控制過(guò)程智能化、酒精度數(shù)全新測(cè)算法、操作界面人性化、安全生產(chǎn)全程化。

1 總體研發(fā)方案設(shè)計(jì)

經(jīng)對(duì)釀酒企業(yè)實(shí)地考察及資料搜集總結(jié)，將釀酒工藝總結(jié)為六道工序，即：釀料清洗浸泡→蒸煮糊化處理→冷卻加酒曲→密封定時(shí)發(fā)酵→蒸餾出酒→酒糟殘?jiān)幚怼?/p>

設(shè)備研發(fā)分為機(jī)械模型、電氣系統(tǒng)、控制模型、GOT 設(shè)計(jì)共四大模塊，設(shè)備總控見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)備總控圖

在四大模塊基礎(chǔ)上分別對(duì)六道工序進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工序設(shè)計(jì)步驟見(jiàn)圖2。

針對(duì)六道工序的任務(wù)簡(jiǎn)介如下：

（1）進(jìn)料清洗浸泡環(huán)節(jié)。完成對(duì)釀料的進(jìn)取、清洗、浸泡及初步軟化功能，使釀料在蒸煮糊化處理時(shí)更好的操作。

（2）蒸煮糊化處理環(huán)節(jié)。完成對(duì)釀料的蒸煮軟化功能，根據(jù)釀料蒸煮時(shí)反饋回的溫度、壓力、液位等參數(shù)控制伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)速度及相應(yīng)電磁閥通斷，防止溫度過(guò)熱使釀料糊底。

（3）強(qiáng)制風(fēng)冷加酒曲環(huán)節(jié)。完成對(duì)蒸煮后的釀料進(jìn)行冷卻及添加酒曲攪拌均勻的功能，使蒸煮后的釀料能迅速冷卻并可添加酒曲進(jìn)行下一工序。

（4）定時(shí)密封發(fā)酵環(huán)節(jié)。完成釀料的定時(shí)密封發(fā)酵功能，采集溫度、壓力參數(shù)，反饋回PLC，維持最適發(fā)酵溫度及氣壓，以使發(fā)酵時(shí)間達(dá)到最優(yōu)。

（5）蒸餾出酒環(huán)節(jié)。完成對(duì)發(fā)酵后的酒糟進(jìn)行蒸餾出酒的功能，根據(jù)用戶預(yù)設(shè)出酒度數(shù)要求，使用多環(huán)節(jié)液位、溫度、壓力多參數(shù)智能控制模型進(jìn)行蒸餾出酒提取。

（6）殘?jiān)幚憝h(huán)節(jié)。完成對(duì)蒸餾出酒后的剩余殘?jiān)幚恚乖O(shè)備可以恢復(fù)至初始狀態(tài)，方便下次使用。

圖2 工序設(shè)計(jì)步驟圖

2 機(jī)械模型設(shè)計(jì)

設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)研發(fā)，主要有操作機(jī)體、頂部封蓋、攪拌軸、攪拌桿、星形聯(lián)軸器、型材支架等部件。

使用SOLID WORKS 軟件進(jìn)行操作機(jī)體及相關(guān)傳動(dòng)部件三維設(shè)計(jì)，使用SOLID WORKS 轉(zhuǎn)換組件將三維制圖轉(zhuǎn)換成CAD制圖，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定及機(jī)械體焊接。

2.1 操作機(jī)體

作為釀酒工序操作室，為柱形鋼體結(jié)構(gòu)，鋼體柱面有兩組共四個(gè)圓孔，四個(gè)圓孔可外接電磁閥完成孔的密封與聯(lián)通。操作機(jī)體三維圖見(jiàn)圖3。

2.2 頂部封蓋

頂部封蓋用于封蓋操作機(jī)體的頂部，整體呈臺(tái)體結(jié)構(gòu)，臺(tái)體上表面用于與機(jī)械軸封焊接；臺(tái)體斜面開(kāi)通5 個(gè)孔，作為進(jìn)水口、蒸餾口等；翻蓋下部也向外彎，可與操作機(jī)體上部吻合。頂部封蓋三維圖見(jiàn)圖4。

圖3 操作機(jī)體三維圖

圖4 頂部封蓋三維圖

2.3 星形聯(lián)軸器

用于將攪拌軸和伺服電機(jī)連接，使伺服電機(jī)攪拌動(dòng)作和攪拌軸動(dòng)作同步。

2.4 攪拌桿及型材支架

攪拌桿由攪拌軸與攪拌刀頭構(gòu)成，攪拌桿三維圖見(jiàn)圖5。

型材支架分為總支撐架和元器件放置架。支架采用角鋼結(jié)構(gòu)，提高穩(wěn)定性的同時(shí)，減少了支架的重量。角鋼結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖5 攪拌桿三維圖

圖6 角鋼結(jié)構(gòu)圖

支架設(shè)計(jì)共分為三層，不同層級(jí)完成不同固定任務(wù)。總體支架三維效果圖見(jiàn)圖7。

圖7 總體支架三維效果圖

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分為電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。

3.1 電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣一次系統(tǒng)包括操作機(jī)體加熱單元、伺服電機(jī)供電單元、抽風(fēng)機(jī)及電磁閥工作單元。部分工作單元（放大器與伺服電機(jī)）接線圖見(jiàn)圖8。

圖8 放大器與伺服電機(jī)接線圖

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 釀酒流程的控制

手動(dòng)控制：根據(jù)GOT 手動(dòng)控制畫(huà)面相應(yīng)操作，控制電磁閥動(dòng)作、攪拌電機(jī)正反轉(zhuǎn)及物料體積給定，用于機(jī)械聯(lián)動(dòng)部分及攪拌電機(jī)的調(diào)試。

自動(dòng)控制：在自動(dòng)控制模式下，按下自動(dòng)操作開(kāi)關(guān)，通過(guò)GOT 輸入物料體積后。按下啟動(dòng)按鈕，設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行，通過(guò)GOT 顯示當(dāng)前所處環(huán)節(jié)及各參數(shù)（液位、溫度等），PLC通過(guò)相應(yīng)參數(shù)指標(biāo)控制攪拌電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率及方向。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，PLC 根據(jù)液位傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器反饋回來(lái)的信息進(jìn)行控制電磁閥、加熱盤(pán)、抽風(fēng)機(jī)、伺服電機(jī)等電氣元件的通斷。

工序連鎖：在環(huán)節(jié)過(guò)程控制中，反饋回來(lái)的信號(hào)處理成開(kāi)關(guān)信號(hào)，攪拌電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度與伺服放大器輸出信號(hào)有比例關(guān)系，而伺服放大器輸出信號(hào)是受環(huán)節(jié)操作要求限制的，不同環(huán)節(jié)所需攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速不同。

3.2.2 控制設(shè)備選型

PLC 選用三菱Q 系列PLC，PLC 可直接連接到電腦進(jìn)行通訊，GOT 也可以直接連接到電腦通訊，可通過(guò)一根USB 電纜線連接到GOT，可經(jīng)由GOT 進(jìn)行工控設(shè)備的編程與安裝、調(diào)試，無(wú)須打開(kāi)控制柜、更換電纜等麻煩的工作。

GOT 選用三菱GT1050-QBBD-C，通過(guò)專(zhuān)用電纜和PLC 連接。此人機(jī)界面可完成自動(dòng)模式與手動(dòng)操作的指令輸入及監(jiān)視。

伺服放大器型號(hào)采用MR-J3-10A，MR-J3 系列伺服放大器配有USB 通用接口可方便和PC 機(jī)的通訊,通訊速度快，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的能力非常強(qiáng)。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中伺服放大器與PLC 定位模塊（QD75P2N模塊）用專(zhuān)用電纜連接。兩伺服放大器分別于定位模塊的A軸和B 軸。

伺服電機(jī)有兩根外置電纜線，一根是電源線，將電源線連接到伺服放大器的U、V、W 端，另外一根是連接伺服放大器的編碼線CN3；編碼線連接到伺服放大器的CN2 接口。

電磁閥共8 個(gè)，分別為進(jìn)水閥、蒸餾閥等。所有電磁閥可耐100 ～150℃高溫；可直接接觸食品，耐受微腐蝕環(huán)境。

液位傳感器選用耐高溫液位傳感器，溫度傳感器選用傳感范圍為0 ～250℃的傳感器，壓力傳感器選用耐高溫壓力傳感器。

3.2.3 控制程序設(shè)計(jì)

針對(duì)六大工序總設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)工序控制流程圖，根據(jù)工序控制流程編寫(xiě)控制程序，工序控制流程圖見(jiàn)圖9。

3.3 模型建立與仿真

在整個(gè)釀酒流程中需要實(shí)時(shí)控制溫度，提高發(fā)酵效率和質(zhì)量，及實(shí)時(shí)檢測(cè)酒精度，因此，需要建立發(fā)酵過(guò)程模型和蒸酒過(guò)程模型，根據(jù)模型實(shí)施智能控制方案。

智能控制模型根據(jù)釀酒物料的種類(lèi)、體積、發(fā)酵溫度等多參數(shù)進(jìn)行參數(shù)收集及構(gòu)建，對(duì)各實(shí)驗(yàn)參數(shù)運(yùn)用MATLAB進(jìn)行多元參數(shù)擬合線性方程，建立智能控制模型，并依據(jù)該智能控制模型與電氣原理結(jié)合進(jìn)行PLC 編程及人機(jī)界面調(diào)試。

酒精度測(cè)算模型建立，先通過(guò)控制變量法對(duì)蒸餾溫度及蒸餾時(shí)間對(duì)出酒度數(shù)的影響參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，控制蒸餾溫度及蒸餾時(shí)間的比例，將相應(yīng)（溫度/時(shí)間）出酒的酒精度數(shù)用酒精計(jì)測(cè)量，所測(cè)得酒精度數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，最后對(duì)所收集的酒精度數(shù)據(jù)用MATLAB 進(jìn)行線性擬合，將擬合后的多條酒精度數(shù)曲線與相應(yīng)的（溫度/時(shí)間）參數(shù)進(jìn)行多元參數(shù)擬合，最后所得擬合的函數(shù)進(jìn)行PLC 編程。MATLAB 擬合的部分參數(shù)曲線見(jiàn)圖10。

圖9 工序控制流程圖

圖10 參數(shù)擬合曲線圖

3.4 故障預(yù)警設(shè)計(jì)

對(duì)電氣元件及相關(guān)流程參數(shù)的故障進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)不同類(lèi)別的故障報(bào)警使用不同的報(bào)警信號(hào)。使用液位傳感器，溫度傳感器等進(jìn)行參數(shù)約束，當(dāng)特定環(huán)節(jié)相關(guān)參數(shù)范圍未達(dá)預(yù)設(shè)要求時(shí)（如液位過(guò)高或過(guò)低時(shí)，相應(yīng)調(diào)節(jié)電氣元件未能及時(shí)動(dòng)作調(diào)節(jié)等），通過(guò)相關(guān)傳感器反饋信息回PLC，PLC 通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行環(huán)節(jié)報(bào)警。

4 設(shè)備調(diào)試與GOT 設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件連接及參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行實(shí)際設(shè)備組裝，該設(shè)備能夠安全、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地完成釀酒工藝所有流程并執(zhí)行預(yù)定的各項(xiàng)功能，設(shè)備成品見(jiàn)圖11。

圖11 設(shè)備成品圖

GOT 設(shè)計(jì)分為自動(dòng)操作、手動(dòng)操作、故障預(yù)警共三部分設(shè)計(jì)。自動(dòng)操作設(shè)計(jì)可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前進(jìn)行的工序及相關(guān)動(dòng)態(tài)參數(shù)；手動(dòng)操作設(shè)計(jì)可用于用戶自行選擇釀酒工序，自行設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)（如電機(jī)轉(zhuǎn)速、定時(shí)時(shí)間等），使用戶更加清楚釀酒工藝流程；故障預(yù)警設(shè)計(jì)完成釀酒流程中各工序的相關(guān)參數(shù)約束，當(dāng)特定環(huán)節(jié)相關(guān)參數(shù)范圍未達(dá)預(yù)設(shè)要求時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警及顯示故障類(lèi)型的功能。GOT 設(shè)計(jì)部分操作界面見(jiàn)圖12。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了自行研發(fā)設(shè)計(jì)的家用全自動(dòng)釀酒設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)液位、溫度、壓力等多元參數(shù)閉環(huán)控制，釀酒流程實(shí)時(shí)顯示，以及故障診斷及報(bào)警等功能，填補(bǔ)了現(xiàn)有家用釀酒設(shè)備全自動(dòng)化生產(chǎn)的空白。通過(guò)設(shè)備樣品的實(shí)物運(yùn)行測(cè)試，生產(chǎn)效率高，運(yùn)行安全、穩(wěn)定，準(zhǔn)確地完成釀酒工藝所有流程，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的各項(xiàng)功能，效果較好。

圖12 GOT 部分操作界面