CN110144280A - 一种基于近红外光谱在线检测的白酒摘酒方法及其在线模拟摘酒装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于近红外光谱在线检测的白酒摘酒方法，步骤如下：光谱采集；数据处理及建模；建模验证；设置摘酒酒精浓度含量范围参数；清洗管道以及料桶；近红外光谱仪检测酒精；光谱数据进行处理、分析、判别，摘酒；酒液取出；试验后清洗；在线模拟白酒摘酒装置包括：检测模块、检测模块处理器、原料罐、清洗罐、至少五个料桶、主管道、至少五个分管道、PLC控制器、扩展模块、PLC控制器电源以及阀门电源。采用了近红外光谱仪进行无损检测的方式，有效地解决了机械化摘酒系统复杂、应用场景要求严格的问题，并且能达到人工摘酒的变通性和灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及白酒制备领域，特别是一种基于近红外光谱在线检测的白酒摘酒装置及其摘酒方法。
背景技术
白酒是我国特有的酒种，具有广泛的消费人群，在我国国民经济组成中占有重要地位，因此确保白酒的质量就显得尤为重要。传统的摘酒方法主要是是看花摘酒，量质摘酒和分段摘酒，生产周期长，效率低，对摘酒工个人依赖性较强，机械化摘酒的出现虽然弥补了部分缺点，但是难以达到人工操作时的灵活度。
我国国家标准明确规定，在白酒生产中，有固态生产、液态生产和固液结合生产等3种酿造和生产方法，而白酒酿造工艺主要分为糖化、发酵、蒸馏3大流程。在白酒酿造过程中，摘酒工艺是浓香型白酒生产中的核心工艺之一，是将基酒进行质量分级和储存的基本要求，也是进行白酒勾兑的重要方法，能否高质量地进行摘酒对基酒的品质有着决定性的影响，进一步影响企业的经济效益。我国白酒摘酒工艺多采用传统方法，主要靠看花摘酒、量质摘酒和分段摘酒这3种方法确定摘酒的起止点。看花摘酒是量质摘酒和分段摘酒的基础，摘酒工需要熟知不同酒花的特点和其对应的酒精度范围，看花摘酒完全依赖摘酒工的个人经验，整个摘酒环节中劳动强度大、出酒效率低，无法实现标准化生产，且容易出现人为误差，导致不准确摘酒，造成产品质量不稳定。
因此，当代化学分析和传感器测量很难对摘酒工艺进行控制并获得反馈，现在急需要研发出一种能够同步快速检测，实现在线控制摘酒的新工艺。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种基于近红外光谱在线检测的白酒摘酒装置及其摘酒方法，其具体技术方案如下：
一种基于近红外光谱在线检测的白酒摘酒方法，其特征在于，步骤如下：
(1)光谱采集，选取若干组不同浓度的酒精液体，使用在线模拟白酒装置对多组酒精液体进行近红外光谱检测，得到多组近红外光谱样本；
(2)数据处理及建模，将步骤(1)中得到的多组近红外光谱样本导入化学计量软件进行数据分析，将对应光谱样本与对应浓度相匹配，并进行数学建模，得到模型；
(3)建模验证，先将步骤(2)得到的模型软件导入检测模块处理器，并准备若干组未知浓度的酒精液体，使用在线模拟白酒装置对各组酒精液体进行浓度检测，得到第一组对应浓度数据；并采用折射式酒精浓度测试仪对多组酒精液体进行浓度检测，得到第二组对应浓度数据，对比两组浓度数据，误差在5％V/V之内则建模成功；如误差较大，则重复步骤(1)(2)；
(4)检测模块处理器设置摘酒酒精浓度含量范围参数；设置一级酒浓度参数、二级酒浓度参数、三级酒浓度参数；
(5)清洗管道以及料桶；打开清洗阀以及各个料桶上的电磁阀，清洗液进入料桶，清洗5min，关闭清洗阀，打开排空阀，待清洗液完全排除后，关闭所有阀门，完成管道及料桶清洗；
(6)通过水泵将一定量的酒精泵入原料桶，然后水泵持续将纯净水泵入原料桶；
(7)PLC控制器控制原料罐上的电磁阀；原料罐内的酒精进入主管道，近红外光谱仪检测主管道内流过酒精的光谱，并将光谱数据传送给检测模块处理器；
(8)检测模块处理器根据建模数据将近红外光谱仪检测到的光谱数据进行处理、分析，并与摘酒酒精浓度含量范围参数进行对比，生成判别信号给PLC控制器，
(9)所述PLC控制器根据判别信号，对电磁阀进行开关控制，达到一级酒浓度参数时，开启第一个料桶上的电磁阀；达到二级酒浓度参数，关闭第一料桶的电磁阀，开启第二料桶的电磁阀；达到三级酒浓度参数，关闭第二料桶的电磁阀，开启第三料桶的电磁阀；酒精浓度低于三级酒浓度，关闭原料罐电磁阀以及第三料桶电磁阀，并停止原料罐水泵泵入纯净水；完成摘酒工作；
(10)酒液取出；将第一料桶、第二料桶、第三料桶取走；
(11)试验后清洗；打开清洗罐上的电磁阀以及三个料桶分管道上的电磁阀，三个料桶分管道底部放置接液容器，清洗液清洗主管道与分管道；清洗一定时间，关闭清洗罐上的电磁阀以及三个料桶分管道上的电磁阀，排出清洗液即可。
进一步的，所述步骤(9)过程中，可开启取样阀进行实时取样。
进一步的，所述清洗液为去离子水。
一种基于近红外光谱在线模拟白酒摘酒装置，其特征在于，包括：检测模块、检测模块处理器、原料罐、清洗罐、至少五个料桶、主管道、至少五个分管道、PLC控制器、扩展模块、PLC控制器电源以及阀门电源；
所述原料罐、清洗罐与所述主管道连接，所述原料罐出口处上设置有一个电磁阀，所述清洗罐出口处设置一个电磁阀；所述主管道末端连接分管道，每个分管道上连接一个料桶；每个所述料桶入口上设置有一个电磁阀；所述主管道上设置有一个取样阀和一个排空阀；
所述检测模块安装在所述主管道上，所述检测模块为近红外光谱仪；所述近红外光谱仪通过USB数据线与所述检测模块处理器连接，实现近红外光谱仪与检测模块处理器之间信号传递；所述检检测模块处理器通过线缆与所述PLC控制器连接；
所述取样阀、所述排空阀和每个所述电磁阀均通过线缆与所述PLC控制器连接，所述PLC控制器控制取样阀、排空阀、和电磁阀的开启与关闭；所述取样阀、所述排空阀和每个所述电磁阀均通过电线与阀门电源连接，阀门电源通过电线给取样阀、排空阀和电磁阀供电；所述PLC控制器通过线缆与所述扩展模块连接，PLC控制器电源通过电线连接所述PLC控制器和扩展模块。
进一步的，所述清洗罐与所述原料罐上均连接有水泵，用于输送液体。
进一步的，所述料桶上的电磁阀直接连接在分管道上，分管道一端直接插入料桶内。
进一步的，所述检测模块处理器为计算机，所述检检测模块处理器通过USB线转RS485与所述PLC控制器连接。
进一步的，所述电磁阀、取样阀以及排空阀均为型号为JINCI-DC12-06的电磁阀。
进一步的，所述PLC控制器为台达集团下属的中达电通股份有限公司生产，产品型号为DVP-14SS2，电源为乐清市明纬电气科技有限公司生产，电源型号为MDR-60-24。
进一步的，所述扩展模块为台达集团下属的中达电通股份有限公司生产，产品型号为DVP-16SP。
进一步的，所述阀门电源为乐清市明纬电气科技有限公司生产，电源型号为4EDR-75-12。
本发明的有益效果如下：
采用了近红外光谱仪进行无损检测的方式，有效地解决了机械化摘酒系统复杂、应用场景要求严格的问题，并且能达到人工摘酒的变通性和灵活性。这种方式更简单、可靠、高质量、高效果。近红外光谱技术解决了复杂的摘酒工艺的质量评控问题。利用近红外光谱分析技术建立快速、准确的摘酒方法，近红外光谱分析技术具有快速高效和多通道的优点，能够实现多指标的同步快速无损检测，对基酒无损坏，对环境无污染，既能帮助企业有效摘酒，进行产品质量控制，又能为产品质量的一致性监管提供线索，是白酒质量保障有力的助手，实现不依赖人工感官的数字式精确控制的摘酒新方法。
附图说明
图1是本发明的装置示意图。
图2是本发明摘酒流程图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本发明进行进一步描述，任何对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明保护范围。本实施例中所提及的固定连接，固定设置、固定结构均为胶粘、焊接、螺钉连接、螺栓螺母连接、铆接等本领域技术人员所知晓的公知技术。
附图标记说明：
检测模块处理器1、检测模块2、原料罐3、原料罐电磁阀31、清洗罐4、清洗罐电磁阀41、第一料桶5、第一料桶电磁阀51、第二料桶6、第二料桶电磁阀61、第三料桶7、第三料桶电磁阀71、第四料桶8、第四料桶电磁阀81、第五料桶9、第五料桶电磁阀91、主管道10、分管道11、PLC控制器12、扩展模块121、PLC控制器电源13、阀门电源14、水泵15、水罐16、酒精罐17、取样阀18、排空阀19。
本实施例中所采用的软件包含有LinkSpec采集软件、NIRSA4.6化学计量软件、LinkSpec控制模块软件。
LinkSpec采集软件应用于近红外光谱仪，在此基础上只要更改与不同近红外光谱仪器配套的通讯协议，应该对目前市场上几乎所有的近红外光谱仪的数据进行读取；
NIRSA4.6化学计量软件为实施例所提及的化学计量软件，是由江苏大学食品与生物工程学院的近红外光谱技术研究团队与南京林业大学共同研发。该软件是化学计量学的应用，囊括了各种最常用的成熟算法。在近红外光谱数据的定性和定量分析方面有着广泛的应用，同时也可应用于中红外光谱、数据分析、某些多元统计分析和模式识别等工作的要求。化学计量学软件是建立定量和定性校正模型的专业软件。
NIRSA4.6化学计量软件主要作用
①光谱预处理，包含微分、平滑、均值化、标准化、OSC、SNV和小波变换等；
②波长筛选，包含相关系数法、方差分析法、iPLS、GA等；
③多元定量校正，包含PCR、PLS、LWR和ANN等；
④模式识别定性，包含线性学习机、K-最近邻法和SIMCA法等有监督模式识别法，以及聚类分析等无监督模式识别法；
LinkSpec控制模块软件数据采集，数据分析外，还能调用NIRSA4.6化学计量学软件进行建模，LinkSpec模块针对的目标就是对摘酒全过程的生产管理，主要包含：采集，数据分析和判别及命令下达，具体包含：
①近红外光谱的采集与参数设置，包含分辨率、测量次数、积分时间等；
②仪器的自检以及故障诊断，包含能量衰减、波长准确性以及恒温控制等；
③近红外光谱显示，包含光谱谱图放大、缩小和叠加等；
④近红外光谱变换，包含基线校正、平滑、吸光度和透光率之间的转换、波长和波数之间的转换等；
⑤近红外光谱格式的转换，包含将光谱文件转换成国际通用文本文件等；
⑥其他功能，包含光谱峰谷标定、积分计算等。
以上软件均为现有技术，不属于本专利保护客体，在此不做赘述。
本实施例中所采用的检测模块处理器为计算机，所述检检测模块处理器通过USB线转RS485与所述PLC控制器连接。
本实施例中所采用的电磁阀、取样阀以及排空阀均为型号为JINCI-DC12-06的电磁阀，尺寸：长90mm*宽76mm*高131mm；材质：黄铜；线圈功率：14W；接管孔径：8mm；使用电压12VDC；压力范围：0～1.0Mpa；流体温度：-5～80℃；最高动作频率：5次/秒。
本实施例中所采用的PLC控制器为台达集团下属的中达电通股份有限公司生产，产品型号为DVP-14SS2，PLC控制器电源为乐清市明纬电气科技有限公司生产，电源型号为MDR-60-24。阀门电源为乐清市明纬电气科技有限公司生产，电源型号为4EDR-75-12。
本实施例中所采用的扩展模块为台达集团下属的中达电通股份有限公司生产，产品型号为DVP-16SP。
结合附图可见，一种基于近红外光谱在线模拟白酒摘酒装置，包括：检测模块、检测模块处理器、原料罐、清洗罐、至少五个料桶、主管道、至少五个分管道、PLC控制器、扩展模块、PLC控制器电源以及阀门电源；
所述原料罐、清洗罐与所述主管道连接，所述原料罐出口处上设置有一个电磁阀，所述清洗罐出口处设置一个电磁阀；所述主管道末端连接分管道，每个分管道上连接一个料桶；每个所述料桶入口上设置有一个电磁阀；所述主管道上设置有一个取样阀和一个排空阀；
所述检测模块安装在所述主管道上，所述检测模块为近红外光谱仪；所述近红外光谱仪通过USB数据线与所述检测模块处理器连接，实现近红外光谱仪与检测模块处理器之间信号传递；所述检检测模块处理器通过线缆与所述PLC控制器连接；
所述取样阀、所述排空阀和每个所述电磁阀均通过线缆与所述PLC控制器连接，所述PLC控制器控制取样阀、排空阀、和电磁阀的开启与关闭；所述取样阀、所述排空阀和每个所述电磁阀均通过电线与阀门电源连接，阀门电源通过电线给取样阀、排空阀和电磁阀供电；所述PLC控制器通过线缆与所述扩展模块连接，PLC控制器电源通过电线连接所述PLC控制器和扩展模块。
一种基于近红外光谱在线检测的白酒摘酒方法，步骤如下：
(1)光谱采集，选取24组不同浓度的酒精液体，具体的浓度分别为30％、35％、40％、44％、48％、50％、52％、54％、55％、56％、57％、58％、59％、60％、61％、62％、63％、64％、65％、67％、69％、71％、73％、75％共24份。分别将24组放入原料桶，使用检测模块对24组酒精液体进行近红外光谱检测，得到24组近红外光谱样本；
(2)数据处理及建模，将步骤(1)中得到的24组近红外光谱样本导入化学计量软件进行数据分析，将对应光谱样本与对应浓度相匹配，并进行数学建模，得到模型；
(3)建模验证，先将步骤(2)得到的模型软件导入检测模块处理器，并准备5组未知浓度的酒精液体，使用在线模拟白酒装置对各组酒精液体进行浓度检测，得到第一组对应浓度数据，5组对应浓度数据浓度68％、63％、55％、45％、40％；并采用折射式酒精浓度测试仪对多组酒精液体进行浓度检测，得到第二组对应浓度数据，对比两组浓度数据，误差小于5％V/V；建模成功；
(4)检测模块处理器设置摘酒酒精浓度含量范围参数；设置一级酒浓度参数66％～80％、二级酒浓度参数47％～66％、三级酒浓度参数30％～47％；
(5)清洗管道以及料桶；打开清洗阀以及各个料桶上的电磁阀，清洗液进入料桶，清洗5min，关闭清洗阀，打开排空阀，待清洗液完全排除后，关闭所有阀门，完成管道及料桶清洗；
(6)通过水泵将一定量的酒精泵入原料桶，然后水泵持续将纯净水泵入原料桶；
(7)PLC控制器控制原料罐上的电磁阀；原料罐内的酒精进入主管道，近红外光谱仪检测主管道内流过酒精的光谱，并将光谱数据传送给检测模块处理器；
(8)检测模块处理器根据建模数据将近红外光谱仪检测到的光谱数据进行处理、分析，并与摘酒酒精浓度含量范围参数进行对比，生成判别信号给PLC控制器，
(9)所述PLC控制器根据判别信号，对电磁阀进行开关控制，达到一级酒浓度参数时，开启第一个料桶上的电磁阀；达到二级酒浓度参数，关闭第一料桶的电磁阀，开启第二料桶的电磁阀；达到三级酒浓度参数，关闭第二料桶的电磁阀，开启第三料桶的电磁阀；酒精浓度低于三级酒浓度，关闭原料罐电磁阀以及第三料桶电磁阀，并停止原料罐水泵泵入纯净水；完成摘酒工作；
(10)酒液取出；将第一料桶、第二料桶、第三料桶取走；
(11)试验后清洗；打开清洗罐上的电磁阀以及三个料桶分管道上的电磁阀，三个料桶分管道底部放置接液容器，清洗液清洗主管道与分管道；清洗一定时间，关闭清洗罐上的电磁阀以及三个料桶分管道上的电磁阀，排出清洗液即可。
(12)模拟摘酒试验结束后，用酒精浓度测试仪对试验台所摘得的3种等级的模拟原酒进行酒精浓度的实测，实测结果是一等原酒的酒精浓度69.5％，二等原酒的酒精浓度58.6％，三等原酒的酒精浓度41.8％所测试的结果均符合预先设定的等级阈值范围内，虽然产生一定的误差，但基本能满足实际摘酒过程的对酒精浓度控制的要求。
进一步的，所述步骤(9)过程中，可开启取样阀进行实时取样。
进一步的，第四料桶和第五料桶为试验备用料桶，用于第一料桶、第二料桶以及第三料桶发生故障或者特殊酒种需要四级、五级酒参数时使用。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于近红外光谱在线检测的白酒摘酒方法，其特征在于，步骤如下：
(1)光谱采集，选取若干组不同浓度的酒精液体，使用在线模拟白酒装置对多组酒精液体进行近红外光谱检测，得到多组近红外光谱样本；
(2)数据处理及建模，将步骤(1)中得到的多组近红外光谱样本导入化学计量软件进行数据分析，将对应光谱样本与对应浓度相匹配，并进行数学建模，得到模型；
(3)建模验证，先将步骤(2)得到的模型软件导入检测模块处理器，并准备若干组未知浓度的酒精液体，使用在线模拟白酒装置对各组酒精液体进行浓度检测，得到第一组对应浓度数据；并采用折射式酒精浓度测试仪对多组酒精液体进行浓度检测，得到第二组对应浓度数据，对比两组浓度数据，误差在5％V/V之内则建模成功；如误差较大，则重复步骤(1)(2)；
(4)检测模块处理器设置摘酒酒精浓度含量范围参数；设置一级酒浓度参数、二级酒浓度参数、三级酒浓度参数；
(5)清洗管道以及料桶；打开清洗阀以及各个料桶上的电磁阀，清洗液进入料桶，清洗5min，关闭清洗阀，打开排空阀，待清洗液完全排除后，关闭所有阀门，完成管道及料桶清洗；
(6)通过水泵将一定量的酒精泵入原料桶，然后水泵持续将纯净水泵入原料桶；
(7)PLC控制器控制原料罐上的电磁阀；原料罐内的酒精进入主管道，近红外光谱仪检测主管道内流过酒精的光谱，并将光谱数据传送给检测模块处理器；
(8)检测模块处理器根据建模数据将近红外光谱仪检测到的光谱数据进行处理、分析，并与摘酒酒精浓度含量范围参数进行对比，生成判别信号给PLC控制器，
(9)所述PLC控制器根据判别信号，对电磁阀进行开关控制，达到一级酒浓度参数时，开启第一个料桶上的电磁阀；达到二级酒浓度参数，关闭第一料桶的电磁阀，开启第二料桶的电磁阀；达到三级酒浓度参数，关闭第二料桶的电磁阀，开启第三料桶的电磁阀；酒精浓度低于三级酒浓度，关闭原料罐电磁阀以及第三料桶电磁阀，并停止原料罐水泵泵入纯净水；完成摘酒工作；
(10)酒液取出；将第一料桶、第二料桶、第三料桶取走；
(11)试验后清洗；打开清洗罐上的电磁阀以及三个料桶分管道上的电磁阀，三个料桶分管道底部放置接液容器，清洗液清洗主管道与分管道；清洗一定时间，关闭清洗罐上的电磁阀以及三个料桶分管道上的电磁阀，排出清洗液即可。
2.如权利要求1所述的一种基于近红外光谱在线检测的白酒摘酒方法，其特征在于，所述步骤(9)过程中，可开启取样阀进行实时取样。
3.如权利要求1所述的一种基于近红外光谱在线检测的白酒摘酒方法，其特征在于，所述清洗液为去离子水。
4.一种基于近红外光谱在线模拟白酒摘酒装置，其特征在于，包括：检测模块、检测模块处理器、原料罐、清洗罐、至少五个料桶、主管道、至少五个分管道、PLC控制器、扩展模块、PLC控制器电源以及阀门电源；
所述原料罐、清洗罐与所述主管道连接，所述原料罐出口处上设置有一个电磁阀，所述清洗罐出口处设置一个电磁阀；所述主管道末端连接分管道，每个分管道上连接一个料桶；每个所述料桶入口上设置有一个电磁阀；所述主管道上设置有一个取样阀和一个排空阀；
所述检测模块安装在所述主管道上，所述检测模块为近红外光谱仪；所述近红外光谱仪通过USB数据线与所述检测模块处理器连接，实现近红外光谱仪与检测模块处理器之间信号传递；所述检检测模块处理器通过线缆与所述PLC控制器连接；
所述取样阀、所述排空阀和每个所述电磁阀均通过线缆与所述PLC控制器连接，所述PLC控制器控制取样阀、排空阀、和电磁阀的开启与关闭；所述取样阀、所述排空阀和每个所述电磁阀均通过电线与阀门电源连接，阀门电源通过电线给取样阀、排空阀和电磁阀供电；所述PLC控制器通过线缆与所述扩展模块连接，PLC控制器电源通过电线连接所述PLC控制器和扩展模块。
5.如权利要求4所述的一种基于近红外光谱在线检测的白酒摘酒方法，其特征在于，所述清洗罐与所述原料罐上均连接有水泵，用于输送液体。
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