基于三菱PLC的智能化家用酿酒机

陈廷炫，刘伟峰，王涛（通讯作者）

（广东石油化工学院自动化学院，广东茂名，525000）

目前，酒文化成为我国越来越多的人所追求的文化，他们在日常的生活中总是以酒为伴，在许多的场合都要小酌几杯，但是近年来发生的食品安全事件让越来越多的人追求安全的产品，并且随着科技的水平不断提高，越来越多的人开始追求自酿酒，由此自酿酒设备应运而生。相比于批量化的流水线生产，家庭酿酒产量小，技术水平无法实现较高的自动化程度，并且由于知识水平的匮乏，在家庭酿酒过程中往往存在无法控制家庭酿酒的发酵时间，发酵温度的控制，并且在发酵的过程中会产生许多的有害物质，导致家庭酿酒品质残次不齐，无法实现健康的要求。因此本团队利用目前的智能家居的趋势，以及市场的需求，开发了一款智能化的家用酿酒机，可以实现自动化的酿酒生产，并能够对发酵的时间，发酵的温度进行很好的控制。真正做到解放双手，智能化生活。

1 分析与对比

市面已有微型自动酿造设备种类较多，本文从市场需求出发，在诸多类型产品中选取了以下三款作为主要分析对象。

■1.1 天佑科技自动化酿酒机特点

（1）微电脑控制；

（2）具有预约定时功能 可以一次或多次蒸煮；

（3）产品为全不锈钢制作；

（4）清洁方便，卫生无死角。

■1.2 九道坊酿酒机特点

（1）全密闭发酵设备，机器发酵全程密闭，隔绝杂菌污染，避免空气中的杂菌参与发酵，导致有害物质产生，影响酒体口感与风味；

（2）纯菌种厌氧发酵，确保酒水品质；

（3）全自动电脑芯片控制；

（4）原生态、纯天然，健康食材自己选。

■1.3 BREWIE 酿酒机特点

（1）拥有一个完全自动化的过程，同时还预置了超过200 种的配方，方便用户选择；

（2）可以接入Wi-Fi 网络，让用户通过智能手机随时掌握时间、原料和过程，同时还可以通过APP 选择不同的配料配比；

（3）控制酿造过程的温度；

（4）产量高，品质好，可以选择不同的原料，酿造过程成本低廉。

图1 设备结构图

■1.4 结论

通过对现有的产品的分析，现有产品的技术性能不够完善，存在自动化程度低，智能化水平不够高等关键的问题。现有的产品还存在没有完全满足市场的需求，用户所需的功能并不能够完全实现，存在技术性能上的滞后问题。并且现有产品酿造的酒的度数无法控制，且设备的功耗较大，在家庭中使用会存在较大的功耗问题，若作为工业用则会有较好的应用前景。对于现有的设备来说，我们的设备能够基本解决以上存在的问题，自动化程度高，酒精度数通过温度进行可控，并通过对温度的检测确定相应的酒精浓度，满足市场以及用户的需求。

2 技术创新点

■2.1 控制设备

目前市面上多数的智能家居产品多数采用的是单片机控制，以及通过嵌入式系统来进行相应的驱动以及不同功能的实现。对比于我们的产品我们采用的是PLC 控制，通过编写相应的PLC 程序来驱动不同的继电器来带动电磁阀实现蒸煮，蒸馏，排气，排水等相关的功能，实现了全自动化的酿造。

■2.2 酿造工艺

目前市面上现有的设备采用的传统的酿造工艺，流程复杂，工序较多，酿造周期长，产量少，而我们的设备采用的是最新的酿造工艺，通过蒸煮，发酵蒸馏等工序实现了酿造工序简单，周期短，产量可控，并能够很好的对酒精度数进行控制。

■2.3 智能化的人机交互界面

目前市面上现有的产品多采用触控开关的形式，开机及酿造，没有形成交互的设计，而我们的产品是采用人及交互界面的触控屏，精准控制每一步工序的人机交互，用户通过人机界面实时监测酿造的过程，温度的高低，还可以设置相应的参数，真正实现了智能化的设计。

■2.4 创新的酒精温度控制模型

我们采用了自动控制原理的相关知识，通过实际的操作将酒精度数作为被控变量，温度作为输入变量，温度传感器作为执行器，温度驱动模块为控制器，进水排水电磁阀为检测变送，将温度为20℃时的酒精度数作为给定值，通过与给定值的比较计算出偏差，然后通过偏差来发送控制信号使得控制器工作，控制器传递操作信号给执行器，执行器进行调节来改变温度，然后再通过反馈实现闭环控制。最终确定不同温度下，酒精度数的大小。

由于温度是该设备重要的实验参数，以及实验变量，因此我们在确定了温度与酒精浓度之间的关系的情况下，通过这种关系建立数学模型以及相应的拟合曲线，来反映不同的温度下酒精度数的变化。通过不断的实验测试，以及对温度的改变，我们发现温度会影响酒精的度数。因此对于酒精浓度的研究可以从温度入手来判断酒精浓度与温度是否存在相应的关系。

一般来说，酒的度数就是酒中含有的乙醇的体积的百分比，通常是以20℃时候的体积比表示的，酒精度一般用容量来计算，故在酒精浓度后加上Vol。

建立酒精度数与温度的模型，判断度数与温度之间的关系，然后通过使用PT100 温度传感器来实时控制温度，并且通过PT100 的控制可以使得用户可以自定义温度，方便了用户选择出酒的度数。

PT100 是一款铂电阻的热电阻温度变送器，通过电阻阻值随温度变化而变化的特性进行温度的测量。PT100 也是一款将温度变量转化为可输出的标准化输出的温度传感器。主要用于工业过程的温度参数的测量与控制。通过这个传感器可以对温度进行控制，由此建立酒精浓度与温度的模型。

通过MATLAB 建立仿真并依据采样数据进行拟合可得出酒精浓度与温度的模型（用20℃时的酒精度数为71%和72%为例）如图2-3 所示。

图2 酒精—温度模型拟合曲线

图3 排除偶然性因素后的拟合曲线

3 科学先进性

■3.1 自动化程度高

目前市面上的产品自动化程度不高，例如前文提到的九道坊的酿酒机，在实际操作过程中某些环节需要人为的控制，在相应的环节需要人工的监督，例如监督温度的变化，在合适的温度加入酒曲等等，并不能够完全的实现解放双手的目的。而由于人工操作有较大的不确定性，因此在最终的产品生成过程中无法达到如介绍中所说的品质。而对比于我们的产品，在放入需要发酵的生料之后，开机便可以不再进行人工操纵，真正的实现了智能化，自动化的标准，真正的实现解放双手。

■3.2 基于PLC 编程

我们的产品是自主化通过对三菱PLC 的梯形图程序的编写，继而控制相应的继电器，通过继电器控制相应的电磁阀，并将PLC 主控与kinco 的人机交互界面进行互联实现通过屏幕实时监测酿造的环节，酿造的温度，实现酿造过程可视化，透明化。并且采用PLC 编程也是一种创新方式，目前市面上多数的智能家居产品多数采用的是嵌入式系统的设计，而PLC 多用于工业流水线过程。我们的设备首次将PLC 应用于智能家居的范畴，是对智能家居主控装置的一种创新。

图4 部分PLC 程序代码图

■3.3 模块化的设计

我们的产品的结构紧凑，体积较小，相比于市面上的同类产品来说更适合家庭使用，并且我们的产品采用模块化的设计理念，通过对不同模块的编程，来实现对应的功能，比如说进料，抽风，排水等功能，就是通过不同的继电器来控制电磁阀以实现电磁阀工作实现相应功能。并且模块化的设计理念也便于功能的添加与修改，便于我们对于设备的升级，以及相应功能的更新。模块化的设计理念也是许多的智能化的产品所采用的方式，为了更好的实现不同的功能，通过模块化的设计，实现整体与部分的结合，最后使得产品功能全面，相互联系又不相互制约，更好的服务与用户。

■3.4 多学科知识的融合创新

采用了自动控制原理的相关知识，将酒精度数作为被控变量，通过改变相关的参数来进行酒精度数的控制；采用机械设计相关知识，对产品的外观进行设计，运用较为合理的机械结构，使得设备结构紧凑，体积较小；采用生物食品工程的相关知识，将酿造工艺进行创新与研究，研发出了独特的酿造工艺，并且通过设备酿造出来的酒的质量符合国家食品卫生安全标准。

4 结语

自酿酒市场的蓬勃发展，为我们的设备带来了无限的前景，也对我们的设备后期的技术升级改造，带来了直接需要。也通过酿酒机为契机，带动自酿酒的风潮，使得互联网与传统行业进行了又一次的融合与创新。智能化酿酒机也给自酿酒爱好者带来了全新的体验。智能化酿酒机也满足当前市场的需要，为人民的生产生活带来方便。