（北京化工大學，北京 100029）

PLC 也稱為可編程邏輯控制器，是一種建立在單片機基礎上的產品，其核心是單片機控制器的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。可在其內部儲存器中執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作指令，采用數(shù)字式或模擬式的輸入輸出以控制生產過程[1]。葡萄酒是利用微生物對葡萄原料自然發(fā)酵而成，不同的溫度條件下，在酒中會產生不同濃度的酚類物質，進而影響葡萄酒的品質。發(fā)酵溫度控制是釀酒產業(yè)的核心技術之一，在現(xiàn)代科學技術的不斷進步下，釀酒自然發(fā)酵的溫度控制取得了一定的研究進展。國外針對葡萄酒發(fā)酵溫度控制研究起步較早，設計出了多種現(xiàn)代化的控制設備[2]。國內對溫度控制研究起步較晚，現(xiàn)已研究出多項自動控制系統(tǒng)。但在實際的葡萄酒發(fā)酵過程中，受到發(fā)酵設備等因素的制約，原有的發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)在精度與控制速度上已無法滿足生產需求。為此，本課題組在葡萄酒實驗室中通過安裝計算機PLC 程序來進行生產過程的監(jiān)控，并以其中某一次實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析PLC運用于葡萄酒自然發(fā)酵溫度控制的方法及可行性，為相關研究提供參考借鑒。

1 PLC溫度控制的特點

在PLC的控制下，葡萄酒自然發(fā)酵溫度控制研究呈現(xiàn)出了智能化的特點。在葡萄酒生產逐漸趨向產業(yè)化發(fā)展后，在PLC下溫度控制系統(tǒng)表現(xiàn)出了較強的自適應能力，溫度控制能夠根據(jù)外部的自然發(fā)酵環(huán)境，自動更新溫度控制的各項參數(shù)，結合PLC 內部電子運算系統(tǒng)得到最適合當下外部環(huán)境的控制參數(shù)，并輸出相應的溫度控制指令[3]。不同生產線能夠承載不同數(shù)量的發(fā)酵葡萄酒任務，根據(jù)不同重量的葡萄原料，PLC 參考葡萄原料的重量變化以及整體生產線的運行狀態(tài)，作出相應的自適應調整，以應對不同釀造生產的需求?？紤]釀造環(huán)境以及不確定因素，基于PLC的溫度控制系統(tǒng)具有較強的自動協(xié)調功能，對于復雜的溫度控制任務，能夠自行組織協(xié)調溫度控制任務，讓PLC控制具有自主性以及靈活性。

PLC 連接局域網(wǎng)，通過調節(jié)硬件，能夠在線響應自然發(fā)酵過程中的溫度控制指令，具有較強的實時性。PLC 還有著較強的協(xié)作能力，能夠根據(jù)不同自然發(fā)酵條件，設定不同的人-機通信、人-機互助或是人-機協(xié)同工作模式。在PLC 控制下，溫度控制也表現(xiàn)出了非線性的特點，能夠實現(xiàn)自主控制，滿足多樣性溫度控制要求[4]。聯(lián)合自然發(fā)酵溫度外部的影響因素，在智能化、PLC 的自動控制下，溫度控制呈現(xiàn)出了四元化的特點，四元化特點如圖1所示。

圖1 四元化特點

由圖1 可知，基于PLC 的溫度控制屬于上圖所示的IC 部分中，PLC 控制集合了四元化理論中的所有優(yōu)點。在探析得到基于PLC 溫度控制的特點后，分析不同溫度對葡萄酒自然發(fā)酵產生物質的影響。

2 PLC溫度控制分析及展示

2.1 不同溫度對發(fā)酵物質的影響

溫度作為葡萄酒發(fā)酵過程中一項重要參數(shù)，影響著葡萄酒中酵母菌的活性，還會影響到發(fā)酵罐內的傳熱，所以在分析不同溫度對葡萄酒自然發(fā)酵產生物質的影響時，首先分析葡萄在微生物發(fā)酵過程中產生的呼吸作用[5]。在呼吸作用下，發(fā)酵池中產生了大量的熱量，導致整個自然發(fā)酵過程溫度升高，從整體發(fā)酵的規(guī)律來看，發(fā)酵過程可分為兩個階段，第一個階段為酵母菌酒精發(fā)酵，第二個階段為蘋果酸—乳酸發(fā)酵，在兩階段中氧氣含量不同的情況下，分為有氧呼吸以及無氧呼吸兩個過程。以實驗室某一發(fā)酵試驗為例，在兩階段熱量的控制下，不同發(fā)酵階段的溫度變化如圖2所示。

圖2 葡萄酒發(fā)酵階段

整體葡萄酒溫度變化階段可劃分為自然升溫階段（階段1）、酵母菌的有氧發(fā)酵（階段2）、酵母菌的無氧發(fā)酵（階段3）以及乳酸菌發(fā)酵（階段4）。根據(jù)圖中的數(shù)值變化可見，前三階段的發(fā)酵溫度處于溫度上升的階段，溫度上升的速度明顯大于發(fā)酵罐散熱的速度[6]。在25 h 之后，內部發(fā)酵放出的熱量明顯小于外部發(fā)酵罐散熱的熱量，此時發(fā)酵罐內部的溫度出現(xiàn)下降的趨勢。

分析上述溫度變化可知，當溫度作為發(fā)酵過程中的控制指標時，表現(xiàn)出了時滯性、時變性以及耦合性3 種性質。針對時滯性來講，葡萄酒在自然發(fā)酵的過程中，呼吸作用不斷放出熱量，發(fā)酵罐內的溫度升高，PLC 發(fā)出降溫指令，發(fā)酵裝置接收到冷卻指令，控制冷卻水開關閥門，冷水與發(fā)酵罐內的液體進行熱量交換。但熱量交換是一個持續(xù)過程，發(fā)酵罐內的溫度無法立即改變，故表現(xiàn)出了一定的滯后性[7]。葡萄酒自然發(fā)酵過程受到多種微生物的影響，不同的微生物在不同溫度環(huán)境下有著不同活性，微生物產生的酶在不同的時間段也會對發(fā)酵物質產生一定的影響，所以溫度在發(fā)酵罐中有著一定的時變性。PLC 在實際進行溫度控制時，不同的控制點會產生多樣化的溫度數(shù)據(jù)，受到發(fā)酵罐液體的影響，誤差性的PLC控制參數(shù)可能會對溫度測定產生一定的連鎖反應，所以溫度對發(fā)酵過程有著一定的耦合性。綜合上述的溫度控制性質來講，基于PLC 溫度控制應結合實際的發(fā)酵環(huán)境和葡萄酒的釀造工藝需求，監(jiān)測或是處理各個控制參量最終達到自然發(fā)酵的工藝要求。

分析葡萄酒實際發(fā)酵情況，發(fā)酵溫度主要影響酵母活性、酚類物質的浸出含量以及揮發(fā)性香氣物質的影響。首先針對酵母活性來講，在呼吸作用下，發(fā)酵罐內釋放大量的熱量，在不考慮熱傳遞過程中產生的熱損耗下，每消耗100 g 的糖分，發(fā)酵罐內的溫度就會增加9.8 ℃。如不對發(fā)酵罐內呼吸作用采取一定的措施，那么罐內的熱量就會持續(xù)上升直至破壞自然發(fā)酵的熱平衡。特別是發(fā)酵過程中呼吸作用產生的酒精含量不斷升高，根據(jù)經驗可知，當發(fā)酵罐中不含有酒精時，酵母的最大活性溫度為40 ℃，每當酒精含量增大5%，酵母的最大活性溫度就降低4 ℃。一旦發(fā)酵罐內的酒精含量過高導致酵母菌失去活性，那么此時其他微生物就會搶占營養(yǎng)物質，進而產生大量不需要的物質，影響葡萄酒的品質[8]。

自然發(fā)酵過程中能夠產生影響葡萄酒品質的酚類是花色素苷和單寧，根據(jù)兩種物質的性質來看，花色素苷的溶解度不受外部溫度的影響，在葡萄酒的發(fā)酵1 階段就已達到飽和濃度[9]。但單寧的溶解度會根據(jù)外部溫度的變化而變化，當發(fā)酵罐中的溫度升高與酒精含量不斷增加，單寧溶解度也會逐漸上升。但溫度過高時，會促使葡萄籽內的單寧溶解出來，讓葡萄酒的味道變得苦澀，影響葡萄酒的質量。

葡萄酒在發(fā)酵過程中會產生大量的揮發(fā)性香氣物質，香氣的好壞決定了葡萄酒的品質。在不同自然發(fā)酵的狀態(tài)下，不同溫度下會產生不同的香氣揮發(fā)性物質，當發(fā)酵罐中的溫度較高時，自然發(fā)酵產生高級醇類物質；當罐內溫度較低時，自然發(fā)酵產生揮發(fā)性的酯類物質。

綜合上述的影響指標，假定實驗室保持室溫24.5 ℃，在葡萄酒開始自然發(fā)酵的時刻記錄，在相同的溫度測點下，發(fā)酵溫度隨時間的變化如圖3所示。

圖3 發(fā)酵溫度隨時間的變化

由圖3 可知，當罐內的溫度大于外部室溫時，發(fā)酵罐內發(fā)生自然發(fā)酵過程，在發(fā)酵罐內的溫度上升到28.3 ℃時，發(fā)酵罐內的溫度不再升高，發(fā)酵速率逐漸減小，當發(fā)酵時間在60 h 時，發(fā)酵速率逐漸趨于平穩(wěn)。分析不同溫度對發(fā)酵物質的影響后，進一步總結不同溫度對自然發(fā)酵階段性的影響特征。

2.2 總結不同溫度對自然發(fā)酵階段性影響特性

根據(jù)圖2 劃分的階段，在1 階段的發(fā)酵階段內，以實際的葡萄酒釀造的物料量作為自變量，以該自變量為控制對象，得到物料量與發(fā)酵溫度之間的關系，如圖4所示。

圖4 物料輸入量與發(fā)酵溫度間的關系

在圖4 的相互關系下，控制發(fā)酵罐在不同溫度下，原始葡萄剩余的物料重量。根據(jù)原始葡萄重量分為3 組，組1 為原始葡萄重1 kg，組2 為原始葡萄重2 kg，組3 為原始葡萄重3 kg，每組設9 個實驗組，設置從不同室溫條件下測量自然發(fā)酵后剩余物料量，結果見表1。

表1 不同溫度條件下自然發(fā)酵后剩余物料量

由表1 可知，隨著發(fā)酵罐中的葡萄量不斷增多，剩余物料含量也不斷增多，觀察在階段1 的PLC控制下，溫度的變化如圖5所示。

圖5 溫度對剩余物料含量的影響

由圖5 可知，在自然發(fā)酵的過程中，發(fā)酵罐內的溫度由室溫數(shù)值23 ℃逐漸升高，在PLC 控制的作用下，溫度數(shù)值在1500 s 時開始下降，剩余物料發(fā)生發(fā)酵作用在不斷增加。分析出不同溫度對自然發(fā)酵階段的影響后，分析PLC在溫度控制中的應用，最終完成對溫度控制的研究。

3 結論

通過上述分析，在現(xiàn)代化技術的參與下，基于PLC 的溫度控制除了能夠采集日常的監(jiān)測參數(shù)外，還能夠監(jiān)測自然發(fā)酵過程的進度，在PLC功能硬件不斷完善下，功能軟件的開發(fā)逐漸向專家系統(tǒng)的方向發(fā)展，葡萄酒自然發(fā)酵的溫度控制也逐漸向可靠性、客觀性、智能化方向發(fā)展[10-11]。在現(xiàn)實的控制過程中，PLC 需要歸納整理眾多的葡萄酒自然發(fā)酵的各項數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)量巨大的溫度數(shù)據(jù)來講，PLC需要建立大量的推理過程，在PLC中聯(lián)合模糊控制能夠形成一種全新的控制理論，在模糊控制理論強邏輯性的推理下，轉化專家構造的控制信息語言，減少了溫度控制過程中核心芯片的計算量。在模糊理論的參與下，基于PLC的溫度控制不光能夠排除自然發(fā)酵過程內外部的影響因素，還可以智能化控制葡萄酒自然發(fā)酵過程中各項參數(shù)。

在網(wǎng)絡技術不斷發(fā)展下，各個行業(yè)的生產制造過程趨向網(wǎng)絡化發(fā)展，并取得了非常好的效果。在聯(lián)網(wǎng)的方式下，葡萄酒的自然發(fā)酵過程能夠遠程控制，不斷調整葡萄酒發(fā)酵過程中的溫度。在網(wǎng)絡化的環(huán)境下，逐漸形成自動化的發(fā)酵過程，信息網(wǎng)絡化的溫度控制方法逐漸成為今后的研究方向[12]。在計算機編程的參與下，網(wǎng)絡化的基于PLC的溫度控制系統(tǒng)，可以控制計算機與發(fā)酵罐之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用一個簡單的數(shù)據(jù)指令直接控制發(fā)酵過程中的溫度控制過程，在多種功能代碼的支持下，實現(xiàn)發(fā)酵罐內各個自然發(fā)酵過程的監(jiān)測[13]。同時聯(lián)合通訊傳輸設備，與內部的溫度控制進行實時交互，實現(xiàn)自然發(fā)酵過程的智能化，大大提高了葡萄酒自然發(fā)酵過程的效率。

葡萄酒的自然發(fā)酵過程是一個持續(xù)的過程，傳統(tǒng)式的溫度控制的基本模式主要通過人工完成，溫度控制管理人員按照一定的時間頻率測量發(fā)酵罐內的溫度，根據(jù)罐內的狀態(tài)，判斷自然發(fā)酵所處的發(fā)酵階段，從而采取相應的溫度控制措施[14]。在PLC 技術的參與下，自然發(fā)酵的整個過程能夠向分布式控制的方向發(fā)展，以PLC的控制芯片為溫度控制的核心，設定一個服務器—PLC 處理芯片的聯(lián)合模式，將各個自然發(fā)酵過程轉化為不同的處理模塊，不同的模塊連接發(fā)酵罐上不同的位置。只需PLC 控制芯片處理各個模塊匯總的溫度以及發(fā)酵狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后向發(fā)酵罐反向輸出溫度控制指令數(shù)據(jù)，形成一個分布式的溫度控制系統(tǒng)[15]。葡萄酒自然發(fā)酵溫度控制處理的數(shù)據(jù)對象趨于多樣化，PLC形成的溫度控制方法也應趨于綜合化，逐漸形成便于控制的一個過程。綜上，最終完成對基于PLC的葡萄酒自然發(fā)酵溫度控制的研究。

在葡萄酒產業(yè)產線化不斷地發(fā)展下，在葡萄酒自然發(fā)酵溫度控制中運用PLC 逐漸成為了研究熱點，從PLC 的控制原理出發(fā)，分析PLC 在自然發(fā)酵中對溫度的控制產生的各項影響，能夠為今后研究溫度控制方式提供一定的理論依據(jù)。