智能化环控曲房的设计和应用研究

何宏魁，李安军*，王冕，曹润洁，马金同，余苗，秦黎明，刘洪涛

（1.安徽古井贡酒股份有限公司，安徽亳州 236800；2.安徽瑞思威尔科技有限公司，安徽亳州 236800；3.南京旗硕物联有限公司，江苏南京 210000）

智能化环控系统在诸多领域均有广泛的应用，如农业方面基于环控系统建设的恒温大棚、育雏间等。目前已有智能化环控系统相关研究在酿酒行业开展，杨月轮[1]在对十里香智能化酿酒设备研究中发现，智能车间在降低劳动强度、节省劳动成本以及参数控制等方面优于传统的手工车间；李安军等[2]的研究得到，智能化制曲能通过计算机、手机等电子终端远程查看曲房的生产状况，实时掌控曲房生产过程；张曼等[3]为完善全机械化制曲工艺，对单双层大曲进行了质量对比分析。大曲对浓香型白酒发酵十分重要[4]。制曲生产也有环境控制方面的需求，制曲生产是自然环境中的微生物接种到曲醅发酵的过程。曲房温度和湿度变化直接影响大曲曲块内微生物群落演替过程[5]，优质大曲的生产需严格执行制曲生产工艺，精准把控曲房温湿度。目前曲房温湿度主要依靠人工调节门窗、围盖草栅、洒水等传统方式调控，这种调控方式依赖于经验，不具备统一标准，相关试验表明在冬季环境温度较低时，采取传统的保温措施大曲仍不能正常升温发酵。因此具备自动调节环境功能的曲房具有很大应用价值，能代替人工调控曲房环境节省人力投入，克服气候变化对制曲的影响使大曲的品质更加稳定。本研究基于曲房环控需要设计一套智能化环控曲房系统，通过智能化环控曲房系统的调控效果和制曲品质方面与传统曲房对比，获取智能化环控曲房在实际制曲生产中的各项参数，为后续酿酒智能化调控提供理论依据。

1 智能化曲房模型构建

图1 展现了曲房智能化曲房系统组成，智能化曲房控制系统采用四台超声波加湿器实现曲房湿度调节。曲房环境温度调控由空气能热泵对循环水加热或制冷，循环水再通过散热片对曲房内的温度进行调节。曲房内有温度、湿度、二氧化碳无线监测探头，探头采集的信息上传至PLC系统实现环境参数的实时监测和自动化控制。

图1 智能化曲房系统组成

图2 智能化曲房培曲现场

1.1 数据采集传感器的采样位点

传感器测量准确是本实验的基础与前提。曲房环境采集传感器应满足以下三点需求：①传感器的耐候性，所用传感器应满足高温、高湿、弱酸性的环境；②空间测量点的位置选取，大曲培养房内，不同位置对应的环境参数有较大差别，大曲品温的测量点为曲堆立体对角线的3 个测温点，包含了上部、中间和下部温度，曲房环境的温湿度测量点，选取距离曲块上部1 m 的位置和墙壁距离地面1.5 m的位置，CO2测量点为距离地面0.5 m、1 m、1.5 m 的位置；③传统工艺标准的温度修正，受热空气上升、冷空气下降的影响，上中下采集的温度存在较大的差异，系统可根据上中下采集的温度综合评定曲房环境温度。

1.2 环境调控执行器的选型设计

环境调节控制执行器主要用于实现曲房温湿度的调节，执行器主要分为三部分。一是升降温装置。热源采用空气源热泵取暖，节能环保。室内采用传统经典暖气片散热。热泵空调也可以起到制冷的作用。二是加湿装置。基于超声波产生的高频振荡，雾化颗粒＜5 μm，不会有水滴在曲块上。主要用于大曲培养的前3 d，可以每天定时定量加湿。三是自动开关窗通风设计。针对中高温大曲曲房的推拉窗结构，采用类似智能家居的推拉窗设计，实现实时开窗，开窗执行器具有过流、过载保护功能。与风机效果对比，由于风机的通风面积小于窗户，同样的换气量，风速快，风机风道附近的曲块水分散失过快，无法挂衣，并且可能产生二次升温发酵现象。

1.3 软件系统设计

软件系统构架（图3）先通过物联网采集系统获取大曲培养的温度、湿度、二氧化碳浓度等数据，经过若干大曲培养周期，可以得到数条曲线。采用大数据分析的手段，获取标准培曲环控曲线。步骤如下：一是采用数据标注，选取出房参数优良的批次数据；二是拟合成一条或多条曲线，每条对应一种大曲类型（如：桃花曲、伏曲等等），如图4 所示；三是下发培曲环控温湿度曲线到PLC控制系统当中，PLC 控制系统获得标准培曲环控温度、湿度曲线，利用它自动进行调温调湿。

图3 软件系统架构

图4 拟合形成的标准曲线

1.4 曲房环境控制策略设计

浓香、酱香大曲品温控制调温的需求：前缓、中挺、后缓落。在调控过程中，以温度调控为主，以湿度调控为辅，同时兼顾门窗开关，调节CO2浓度。

调温的控制策略：升温是根据温差大小和温差变化率，减小门窗开度或者开启热泵空调取暖；降温是根据温差大小和温差变化率，关闭热泵空调取暖，增加门窗开度或者打开热泵空调制冷。

调湿的控制策略：加湿是采用超声波加湿器启动加湿，通过开启时长控制加湿量；除湿是采用开窗自然通风方式。

模糊智能控制策略：由于调温、调湿和调二氧化碳存在耦合现象，会发生联动变化。在设计控制算法的时候，参考生产经验，建立先进模糊控制模型，实现各个参数的联动控制。

调温调湿新风控制规则库，兼容了经典PID 控制与专家经验控制策略，同时支持手动控制干预。

图5 环境控制模糊控制原理框图

2 材料与方法

2.1 材料、试剂及仪器

原料：小麦、高粱。

试剂及耗材：氢氧化钠、碳酸钠、葡萄糖、可溶性淀粉、硫酸铜、酒石酸钠钾等，国药集团化学试剂(北京)有限公司。

仪器设备：智能化环控曲房，南京旗硕物联科技有限公司；SPX-150B-Z 生化培养箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；紫外可见分光光度计，上海元析仪器有限公司；ME204E 电子分析天平,梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；101 型电热鼓风干燥箱，北京市永光明医疗仪器厂；SPX-150BZ 生化培养箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；高压灭菌锅，上海申安医疗器械厂。

2.2 实验方法

在12 月份开展制曲生产试验，该时段气温低，能够充分发挥智能化曲房环境调控性能。制曲试验对比曲房温度、大曲理化指标和感官，综合评定智能化曲房的制曲效果。大曲理化指标测定有水分、发酵力、糖化力、酸性蛋白酶活力。

大曲感官评判，按照风格、外观、断面这几个参数。大曲的风格，要曲香扑鼻，味浓纯正，皮薄心熟，色正泡气；外观即大曲外表，色泽灰白色，上霉均匀，无裂口；断面即大曲折断面，有泡气，香味正，色泽正，皮张薄。

大曲的理化指标，参照中国轻工行业标准QB/T 4257[7]，检测大曲的水分、酸度、发酵力、糖化力，参照蛋白酶活性检测方法GB/T 23527—2009 检测酸性蛋白酶活力[8]。

3 结果与分析

3.1 大曲温度对比分析

智能化曲房为试验房，在培曲过程中开启自动环控系统调节曲房温湿度。选取一间传统工艺曲房为对照房，通过围盖草栅和控制门窗调节温湿度。记录制曲试验过程中培曲前20 天温度，对比环控曲房与传统曲房发酵过程大曲温度之间的差异。

由图6 可知，跟踪中高温大曲发酵过程，记录关键控制点参数[6]，试验房热泵空调的加温效果显著，发酵过程大曲温度与标准工艺曲线较为接近。试验房大曲第3天即可达到40 ℃，对照房升温缓慢在第6天达到40 ℃。在发酵中段，试验房大曲的温度高于对照房9 ℃左右。可以看出，传统围盖草栅等方式存在一定的局限性，在冬季气温较低时有一定保温效果但不能满足培曲温度要求。自动化控温曲房采用辅助加热的方式可以使大曲迅速达到发酵状态，同时发酵顶温更高、高温阶段更长。

图6 试验组与对照组大曲温度对比

3.2 大曲理化指标对比分析

在出房时和贮存五个月时分别对试验房和对照房所产大曲进行取样。每个房间随机取六块大曲粉碎后混匀，取500 g 进行理化分析。由表1 可知，冬季智能化试验房所产大曲能够成熟，各项指标正常，在贮存五个月后发酵力和水分小幅下降，出房大曲指标在正产范围内。对照房大曲水分偏高为15.30 %，发酵力为186.7 U，贮存五月后水分下降至10.44%、发酵力下降至98.4 U，说明对照房大曲未发酵成熟，在贮存阶段劣变引起发酵力大幅下降，对后期酿酒发酵造成不利影响。大曲糖化力试验房和对照房差别不大，储存5 个月后糖化力指标有轻微下降，属正常现象[9]。从理化结果可见，冬季制曲时智能化环控曲房的环境调控效果明显好于传统的围盖措施，一是可以解决传统制曲工艺在冬季大曲发酵进度缓慢不能完全成熟的问题，二是解决大曲出房时含水量高在贮存期间劣变，导致发酵力指标大幅下降的问题。

表1 出房及贮存五月后大曲理化指标对比

3.3 出房大曲品质对比

图7 中对出房大曲从香味和外观方面进行品评，结合相关文献得到[10]，智能化曲房大曲整体感觉较好，火圈清新均匀，曲心菌丝丰满白亮、曲香纯正丰满。传统工艺曲房生产大曲品质较差，火圈不完整、颜色较浅、曲心窝水、有明显的生粮味和异杂味。在感官方面试验组明显优于对照组。

图7 出房大曲外观

4 结论

智能化环控曲房的设计方案的应用是传统酿酒行业智能化升级转型的典型案例，实现了制曲的智能化、自动化生产。相对传统制曲生产方式，智能化环控曲房能代替人工围盖草栅和开关门窗等传统调温调试方式，节约了人力成本的投入。冬季制曲试验结果表明，智能化环控曲房的环境调控效果好于传统的工艺调控方式，在理化和感官香味方面明显优于传统曲房。解决了传统制曲的冬季停产问题，提升了大曲的年产量。