运用PLC进行葡萄酒自然发酵温度控制的分析研究

（北京化工大学，北京 100029）

PLC 也称为可编程逻辑控制器，是一种建立在单片机基础上的产品，其核心是单片机控制器的数字运算操作电子系统。可在其内部储存器中执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，采用数字式或模拟式的输入输出以控制生产过程[1]。葡萄酒是利用微生物对葡萄原料自然发酵而成，不同的温度条件下，在酒中会产生不同浓度的酚类物质，进而影响葡萄酒的品质。发酵温度控制是酿酒产业的核心技术之一，在现代科学技术的不断进步下，酿酒自然发酵的温度控制取得了一定的研究进展。国外针对葡萄酒发酵温度控制研究起步较早，设计出了多种现代化的控制设备[2]。国内对温度控制研究起步较晚，现已研究出多项自动控制系统。但在实际的葡萄酒发酵过程中，受到发酵设备等因素的制约，原有的发酵温度控制系统在精度与控制速度上已无法满足生产需求。为此，本课题组在葡萄酒实验室中通过安装计算机PLC 程序来进行生产过程的监控，并以其中某一次实验数据为依据，分析PLC运用于葡萄酒自然发酵温度控制的方法及可行性，为相关研究提供参考借鉴。

1 PLC温度控制的特点

在PLC的控制下，葡萄酒自然发酵温度控制研究呈现出了智能化的特点。在葡萄酒生产逐渐趋向产业化发展后，在PLC下温度控制系统表现出了较强的自适应能力，温度控制能够根据外部的自然发酵环境，自动更新温度控制的各项参数，结合PLC 内部电子运算系统得到最适合当下外部环境的控制参数，并输出相应的温度控制指令[3]。不同生产线能够承载不同数量的发酵葡萄酒任务，根据不同重量的葡萄原料，PLC 参考葡萄原料的重量变化以及整体生产线的运行状态，作出相应的自适应调整，以应对不同酿造生产的需求。考虑酿造环境以及不确定因素，基于PLC的温度控制系统具有较强的自动协调功能，对于复杂的温度控制任务，能够自行组织协调温度控制任务，让PLC控制具有自主性以及灵活性。

PLC 连接局域网，通过调节硬件，能够在线响应自然发酵过程中的温度控制指令，具有较强的实时性。PLC 还有着较强的协作能力，能够根据不同自然发酵条件，设定不同的人-机通信、人-机互助或是人-机协同工作模式。在PLC 控制下，温度控制也表现出了非线性的特点，能够实现自主控制，满足多样性温度控制要求[4]。联合自然发酵温度外部的影响因素，在智能化、PLC 的自动控制下，温度控制呈现出了四元化的特点，四元化特点如图1所示。

图1 四元化特点

由图1 可知，基于PLC 的温度控制属于上图所示的IC 部分中，PLC 控制集合了四元化理论中的所有优点。在探析得到基于PLC 温度控制的特点后，分析不同温度对葡萄酒自然发酵产生物质的影响。

2 PLC温度控制分析及展示

2.1 不同温度对发酵物质的影响

温度作为葡萄酒发酵过程中一项重要参数，影响着葡萄酒中酵母菌的活性，还会影响到发酵罐内的传热，所以在分析不同温度对葡萄酒自然发酵产生物质的影响时，首先分析葡萄在微生物发酵过程中产生的呼吸作用[5]。在呼吸作用下，发酵池中产生了大量的热量，导致整个自然发酵过程温度升高，从整体发酵的规律来看，发酵过程可分为两个阶段，第一个阶段为酵母菌酒精发酵，第二个阶段为苹果酸—乳酸发酵，在两阶段中氧气含量不同的情况下，分为有氧呼吸以及无氧呼吸两个过程。以实验室某一发酵试验为例，在两阶段热量的控制下，不同发酵阶段的温度变化如图2所示。

图2 葡萄酒发酵阶段

整体葡萄酒温度变化阶段可划分为自然升温阶段（阶段1）、酵母菌的有氧发酵（阶段2）、酵母菌的无氧发酵（阶段3）以及乳酸菌发酵（阶段4）。根据图中的数值变化可见，前三阶段的发酵温度处于温度上升的阶段，温度上升的速度明显大于发酵罐散热的速度[6]。在25 h 之后，内部发酵放出的热量明显小于外部发酵罐散热的热量，此时发酵罐内部的温度出现下降的趋势。

分析上述温度变化可知，当温度作为发酵过程中的控制指标时，表现出了时滞性、时变性以及耦合性3 种性质。针对时滞性来讲，葡萄酒在自然发酵的过程中，呼吸作用不断放出热量，发酵罐内的温度升高，PLC 发出降温指令，发酵装置接收到冷却指令，控制冷却水开关阀门，冷水与发酵罐内的液体进行热量交换。但热量交换是一个持续过程，发酵罐内的温度无法立即改变，故表现出了一定的滞后性[7]。葡萄酒自然发酵过程受到多种微生物的影响，不同的微生物在不同温度环境下有着不同活性，微生物产生的酶在不同的时间段也会对发酵物质产生一定的影响，所以温度在发酵罐中有着一定的时变性。PLC 在实际进行温度控制时，不同的控制点会产生多样化的温度数据，受到发酵罐液体的影响，误差性的PLC控制参数可能会对温度测定产生一定的连锁反应，所以温度对发酵过程有着一定的耦合性。综合上述的温度控制性质来讲，基于PLC 温度控制应结合实际的发酵环境和葡萄酒的酿造工艺需求，监测或是处理各个控制参量最终达到自然发酵的工艺要求。

分析葡萄酒实际发酵情况，发酵温度主要影响酵母活性、酚类物质的浸出含量以及挥发性香气物质的影响。首先针对酵母活性来讲，在呼吸作用下，发酵罐内释放大量的热量，在不考虑热传递过程中产生的热损耗下，每消耗100 g 的糖分，发酵罐内的温度就会增加9.8 ℃。如不对发酵罐内呼吸作用采取一定的措施，那么罐内的热量就会持续上升直至破坏自然发酵的热平衡。特别是发酵过程中呼吸作用产生的酒精含量不断升高，根据经验可知，当发酵罐中不含有酒精时，酵母的最大活性温度为40 ℃，每当酒精含量增大5%，酵母的最大活性温度就降低4 ℃。一旦发酵罐内的酒精含量过高导致酵母菌失去活性，那么此时其他微生物就会抢占营养物质，进而产生大量不需要的物质，影响葡萄酒的品质[8]。

自然发酵过程中能够产生影响葡萄酒品质的酚类是花色素苷和单宁，根据两种物质的性质来看，花色素苷的溶解度不受外部温度的影响，在葡萄酒的发酵1 阶段就已达到饱和浓度[9]。但单宁的溶解度会根据外部温度的变化而变化，当发酵罐中的温度升高与酒精含量不断增加，单宁溶解度也会逐渐上升。但温度过高时，会促使葡萄籽内的单宁溶解出来，让葡萄酒的味道变得苦涩，影响葡萄酒的质量。

葡萄酒在发酵过程中会产生大量的挥发性香气物质，香气的好坏决定了葡萄酒的品质。在不同自然发酵的状态下，不同温度下会产生不同的香气挥发性物质，当发酵罐中的温度较高时，自然发酵产生高级醇类物质；当罐内温度较低时，自然发酵产生挥发性的酯类物质。

综合上述的影响指标，假定实验室保持室温24.5 ℃，在葡萄酒开始自然发酵的时刻记录，在相同的温度测点下，发酵温度随时间的变化如图3所示。

图3 发酵温度随时间的变化

由图3 可知，当罐内的温度大于外部室温时，发酵罐内发生自然发酵过程，在发酵罐内的温度上升到28.3 ℃时，发酵罐内的温度不再升高，发酵速率逐渐减小，当发酵时间在60 h 时，发酵速率逐渐趋于平稳。分析不同温度对发酵物质的影响后，进一步总结不同温度对自然发酵阶段性的影响特征。

2.2 总结不同温度对自然发酵阶段性影响特性

根据图2 划分的阶段，在1 阶段的发酵阶段内，以实际的葡萄酒酿造的物料量作为自变量，以该自变量为控制对象，得到物料量与发酵温度之间的关系，如图4所示。

图4 物料输入量与发酵温度间的关系

在图4 的相互关系下，控制发酵罐在不同温度下，原始葡萄剩余的物料重量。根据原始葡萄重量分为3 组，组1 为原始葡萄重1 kg，组2 为原始葡萄重2 kg，组3 为原始葡萄重3 kg，每组设9 个实验组，设置从不同室温条件下测量自然发酵后剩余物料量，结果见表1。

表1 不同温度条件下自然发酵后剩余物料量

由表1 可知，随着发酵罐中的葡萄量不断增多，剩余物料含量也不断增多，观察在阶段1 的PLC控制下，温度的变化如图5所示。

图5 温度对剩余物料含量的影响

由图5 可知，在自然发酵的过程中，发酵罐内的温度由室温数值23 ℃逐渐升高，在PLC 控制的作用下，温度数值在1500 s 时开始下降，剩余物料发生发酵作用在不断增加。分析出不同温度对自然发酵阶段的影响后，分析PLC在温度控制中的应用，最终完成对温度控制的研究。

3 结论

通过上述分析，在现代化技术的参与下，基于PLC 的温度控制除了能够采集日常的监测参数外，还能够监测自然发酵过程的进度，在PLC功能硬件不断完善下，功能软件的开发逐渐向专家系统的方向发展，葡萄酒自然发酵的温度控制也逐渐向可靠性、客观性、智能化方向发展[10-11]。在现实的控制过程中，PLC 需要归纳整理众多的葡萄酒自然发酵的各项数据，对于数据量巨大的温度数据来讲，PLC需要建立大量的推理过程，在PLC中联合模糊控制能够形成一种全新的控制理论，在模糊控制理论强逻辑性的推理下，转化专家构造的控制信息语言，减少了温度控制过程中核心芯片的计算量。在模糊理论的参与下，基于PLC的温度控制不光能够排除自然发酵过程内外部的影响因素，还可以智能化控制葡萄酒自然发酵过程中各项参数。

在网络技术不断发展下，各个行业的生产制造过程趋向网络化发展，并取得了非常好的效果。在联网的方式下，葡萄酒的自然发酵过程能够远程控制，不断调整葡萄酒发酵过程中的温度。在网络化的环境下，逐渐形成自动化的发酵过程，信息网络化的温度控制方法逐渐成为今后的研究方向[12]。在计算机编程的参与下，网络化的基于PLC的温度控制系统，可以控制计算机与发酵罐之间的数据传输，采用一个简单的数据指令直接控制发酵过程中的温度控制过程，在多种功能代码的支持下，实现发酵罐内各个自然发酵过程的监测[13]。同时联合通讯传输设备，与内部的温度控制进行实时交互，实现自然发酵过程的智能化，大大提高了葡萄酒自然发酵过程的效率。

葡萄酒的自然发酵过程是一个持续的过程，传统式的温度控制的基本模式主要通过人工完成，温度控制管理人员按照一定的时间频率测量发酵罐内的温度，根据罐内的状态，判断自然发酵所处的发酵阶段，从而采取相应的温度控制措施[14]。在PLC 技术的参与下，自然发酵的整个过程能够向分布式控制的方向发展，以PLC的控制芯片为温度控制的核心，设定一个服务器—PLC 处理芯片的联合模式，将各个自然发酵过程转化为不同的处理模块，不同的模块连接发酵罐上不同的位置。只需PLC 控制芯片处理各个模块汇总的温度以及发酵状态数据，然后向发酵罐反向输出温度控制指令数据，形成一个分布式的温度控制系统[15]。葡萄酒自然发酵温度控制处理的数据对象趋于多样化，PLC形成的温度控制方法也应趋于综合化，逐渐形成便于控制的一个过程。综上，最终完成对基于PLC的葡萄酒自然发酵温度控制的研究。

在葡萄酒产业产线化不断地发展下，在葡萄酒自然发酵温度控制中运用PLC 逐渐成为了研究热点，从PLC 的控制原理出发，分析PLC 在自然发酵中对温度的控制产生的各项影响，能够为今后研究温度控制方式提供一定的理论依据。