口子大曲生产过程中数字化管控系统的应用

徐钦祥，孟卫东，陈 斌，黄明亮，宋卫民

（1.安徽口子酒业股份有限公司，安徽淮北023500； 2.河北诺亿物联网科技有限公司，衡水河北053000）

固态法大曲酒生产是我国传统的酿造技艺，近年来，随着生物技术、工业自动化和物联网技术等科学技术的快速发展，对大曲酒酿造的工艺技术、分析检测技术、粉碎自动化技术、勾兑技术、行车运输、机器人上甑以及质量控制体系等方面进行了多系统的研究和应用，使得大曲酒酿造生产水平得以长足的发展和进步。正如中国工程院院士孙宝国指出：“中国白酒讲究传承，但决不能故步自封，在现代化、智能化方面决不能落后，要通过传承创新来实现超越。”随着企业的快速发展，人工成本的不断增加，制曲工序由劳动密集型的人工操作向机械化、自动化的方向发展[1]，但不可否认的是，大曲酒生产毕竟是传统的酿造技艺，在长期的传承和发展历程中，大曲酒生产面临的问题依然很多：工人年龄结构老龄化，管理粗放，劳动效率低，用工成本高；特别是制曲工种，操作环境高温高湿、曲虫叮咬、体力劳动强度大，尤其是依然采取人工入房用温、湿度计测量的方式进行数据采集，凭经验确定排潮和翻曲的时机，存在着采集的数据单一、样本量较少、准确性和及时性有一定的偏差、用时较长、数据和记录不完整的诸多问题，直接造成对入房培养过程中的排潮和翻曲操作时机把握不准，质量控制精度低，无法均衡地为酿造所需有益微生物创造适宜的生长代谢环境和条件，不利于整体质量的提高，出现成品曲质量等级波动较大，成熟一致性不高，不利于标准化、大规模生产操作的需求。

我国酿酒行业发展纲要指出：“白酒产业要全面从以经验感性认识指导生产，向以科学理论为基础组织生产转变；用现代化技术改造白酒生产工艺过程中各生产单元的传统作坊模式。”[2]用现代化物联网自动控制技术在大曲生产管理过程中的应用正是谋求推动大曲生产操作过程摆脱传统经验式、作坊模式，向数字化、科学智能化转型升级的重要手段。

1 系统结构和功能

口子大曲数字化管控系统由终端收集设备、信号传输设备、数据处理设备、自动控制设备组成。终端收集设备包含曲心测温仪、环境温湿度检测仪、二氧化碳浓度检测仪，用于测量曲房内各项生产数据。信号传输设备包含数据集中主机、路由器、无线网关；数据处理设备为专用服务器，内置有数字化管控软件，以及配套的手机APP；自动控制设备包含电动开窗机及对应的控制器（图1）。

硬件设备运行：测温仪、环境温湿度检测仪、二氧化碳检测仪采集制曲生产数据，并发送至数据集中器，数据集中器汇总处理后通过路由器发送至数据库服务器，交由软件进行记录、分析、控制等工作。服务器向外扩展出移动终端，即手机APP，方便管理人员随时随地对生产进行管控。操作人员可通过服务器、移动终端两种途径对开窗机进行参数设置，以实现开关窗过程全自动运行。

图1 大曲数字化管控系统拓扑图

2 系统应用过程

传统口子大曲，多粮配比，曲室内培养周期长，工艺复杂，期间要经过头翻、抽格、拾罗、整罗、拉皮、上垛、拆垛、原翻、上末垛等多道工序。工人操作劳动强度大，翻曲操作次数多，高温转化期内原翻就达到4～6次。

数字化系统的应用中，改变了“以翻代管”的管理方式，在工序工艺规定的湿度、温度等指标参数区间范围内，科学地减少翻曲操作次数。

口子大曲的制作管理难度大、技术要求高。曲师要每天早晨、上午、下午、晚上入房4次测量采集温湿度、CO2数据，数字化管控系统的应用，解决了数据的自动采集、存储(见图2)。

图2 曲房数字化管控系统

生产数据的采集,并以列表形式永久保存在历史记录中，支持导出至excel表格，及按不同项目排序功能，可供技术人员随时回看分析(见表1)。

表1 生产数据的采集

上霉和拢火（上垛）是低温培菌期、排潮增香期关键的工艺控制点，传统操作中需要有经验的曲师现场值班蹲守，靠经验来把握时间节点。每一房的上霉时机、晾霉时间都要反复查看感知。数字化系统的应用，可以轻松、准确地实现自动启闭曲房窗户，控制湿度和CO2含量，达到工艺要求。拢火时间节点也会进行预警机制，以利于及时地进行操作。

为了调节合理的温湿度、CO2含量，靠着个人感知经验，每日数次开关门窗。随着大曲生产任务量逐年增大，年数千房的生产管理任务，机械、重复、繁琐，曲师工作强度高。大曲生产过程中数字化管控系统手机APP的开发应用，可实现门窗开关的远程操作和智能化自动操作。建立的数据处理与工艺数字控制模块，将采集到的曲房内各种数据（品温、环境温湿度、CO2含量）形成曲线图，更直观准确地反映出温度、湿度、二氧化碳浓度的走势(见图3、图4、图5)。

选取不同的曲房生产周期的数据进行对比，N个曲房或者不同制曲周期（见图6），数据对比自动生成平均曲线（近似标准曲线）。

图3 大曲中心温度曲线

图4 大曲CO2含量曲线

3 应用效果

初步建立异常预警、报警机制，规避管理失误，快速处理突发状况（大风降温等），科学合理规避大曲培养过程中的不确定因素。

消除数据采集频繁开启门窗给培养过程带来的不利影响。更方便、快捷准确反映工艺数据，最大限度消除人工数据采集主观误差。

降低生产过程中杂菌污染（人员、测量工具等），有利于制曲微环境的保护和营造。

图5 湿度曲线

图6 不同的曲房生产周期的数据记录界面

对制曲工艺和质量管理带来有利影响，在大曲质量稳定的基础上，成品曲质量一致性提高（见图7、图8，表2、表3），主要微生物种群数量也有相应增加（见表4）。

图7 曲房取样点示意图

海量高效的数据处理，有助于科学认知和利用微生物消长规律、发酵机理，建立了符合地域特征、工艺特色、不同季节的数据控制模块。

4 发展与展望

大曲生产过程中数字化管控系统的应用，必将改变传统管理模式，完成由经验管理、模糊管理到精准化、数字化管理的科技跨越。

表2 中温曲相应测试取样点综合理化数据对比分析表(应用前)

表4 微生物培养分析报告

（1）完成与智能设备、智能质量检测、理化检测体系的高度融合。

（2）完成数字化管控与智能操作（机械手、机器人）的高度融合，降低用工成本，降低工人劳动强度。

（3）完成与物料、仓储的智能化配送的融合，提升经济效率。

在大数据时代，数据分析的手段才是关键，只有通过数据分析才能带来价值[3]，因此，大曲生产过程中数字化管控系统前景光明广阔；它提供了管理、技术人员认识发酵机理的新手段、新思维，提升认知的新工具、新途径，把酿酒工程师的思想理念转化为软件工程师的语言，最终实现“人机对话”。口子酒业公司通过大曲生产过程中数字化管控系统的应用，不仅优化了工艺流程，提升了成品大曲质量的一致性，改善了工人的工作环境；同时也对传统大曲培养机理的深入研究具有深远的影响，为大曲酒行业的技术进步起到了承前启后的重要作用。