機(jī)械裝甄布料控制系統(tǒng)PLC設(shè)計

李 宏 花 勇

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇 淮安 223005）

在固態(tài)發(fā)酵釀酒的生產(chǎn)過程中，從古至今一直沿用甑桶這一蒸餾設(shè)備。甑桶不同于世界上其他國家的酒蒸餾器，是根據(jù)中國獨特的固態(tài)發(fā)酵釀酒工藝發(fā)明的。隨著技術(shù)進(jìn)步甑桶由小變大，從天鍋演變到今天的不銹鋼甑桶，蒸汽供熱、列管式冷凝接酒，活動甑底半自動卸料等［1］，但其間隙式裝甑的操作要求未變?，F(xiàn)有的酒醅上甑布料器、半自動裝甑機(jī)均為連續(xù)裝甑，不能摸擬人工操作的技法，保證蒸餾、糊化、出入池參數(shù)的要求，原酒質(zhì)量難以保證，出酒率也不高。

在裝甑過程中，甑底通有蒸汽，雖然要求上甑時一層層均勻疏松地鋪撒酒醅，鋪撒過程中做到既不跑氣又不壓氣。但由于鋪撒時蒸汽壓力分布和酒醅料間隙不完全一致，難免會出現(xiàn)個別區(qū)域走氣快于其他區(qū)域，出現(xiàn)“跑氣”現(xiàn)象。對“跑氣”部位如不及時補料，將影響裝甑質(zhì)量，降低出酒率及酒的品質(zhì)，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)大量蒸汽集中在某處穿透酒醅料層的“穿甑”事故。上甑好，則出酒率高、酒尾率低、產(chǎn)品質(zhì)量好。如果裝甑布料控制得不好，同樣的酒醅蒸餾出的原酒產(chǎn)量可相差10%，質(zhì)量可相差一個等級［2］。筆者［3］前期設(shè)計開發(fā)了一種基于機(jī)器視覺的裝甑布料系統(tǒng)，用紅外熱成像技術(shù)引導(dǎo)裝甑機(jī)器人。裝甑執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定在川崎機(jī)器人手臂的末端，并安裝接近感應(yīng)開關(guān)，由上料機(jī)構(gòu)進(jìn)行供料。通過在甑桶上方安裝熱成像儀，用人工裝甑經(jīng)驗建立模型，將熱成像儀檢測到的圖像數(shù)據(jù)，自動轉(zhuǎn)化為裝甑機(jī)器人的控制參數(shù)，達(dá)到“輕撒勻鋪、探氣上甑”的上甑效果，實現(xiàn)智能裝甑布料［3］。

本研究擬基于機(jī)器視覺的裝甑布料系統(tǒng)，利用PLC功能全面、編程方便，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，易于安裝調(diào)試與維修等特點［4］，設(shè)計機(jī)械手裝甑布料的PLC控制系統(tǒng)，以期實現(xiàn)裝甑執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬人工裝甑見濕（氣）蓋料，在甑桶內(nèi)自主選擇撒料（補料）區(qū)域，完成PLC現(xiàn)場控制軟硬件設(shè)計［5，6］。

1 機(jī)械裝甑布料工藝要求

甑桶是上口直徑約2m，底口直徑約1.8m，高1m左右的圓錐臺形蒸餾器；用多孔蓖子與下部加熱器相隔，上部分活動蓋與冷卻器相連。根據(jù)裝甑工藝要求，上甑前放干底鍋水，檢查甑底，使甑底穿孔率達(dá)到100%。在酒甑底部撒上少許谷殼，鋪上2層酒醅（約5cm厚），打開蒸汽閥門，檢查氣壓值，待蒸汽冒出醅面，邊通蒸汽邊鋪料。裝甑時按照“輕、松、薄、勻、平、準(zhǔn)”進(jìn)行上甑操作，按40層布料，每層鋪料厚度控制在2～3cm，輕撒勻鋪、見氣上甑、上平上勻、鋪滿甑桶。上甑結(jié)束后，檢查上氣是否正常，蓋好甑蓋對接蒸餾導(dǎo)管，向甑邊水槽注水開氣蒸餾。

2 機(jī)械裝甑布料控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 基于機(jī)器視覺的裝甑布料系統(tǒng)

基于機(jī)器視覺的裝甑布料機(jī)由裝甑機(jī)器人、機(jī)器視覺系統(tǒng)、上料機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)幾部分組成，見圖1。裝甑機(jī)器人包括多關(guān)節(jié)機(jī)器人［7］及裝甑執(zhí)行機(jī)構(gòu)，裝甑執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定在多關(guān)節(jié)機(jī)器人手臂的末端，并安裝接近感應(yīng)開關(guān)，由上料機(jī)構(gòu)進(jìn)行供料。

圖1 基于機(jī)器視覺的裝甑布料系統(tǒng)Figure 1 Steaming bucket feeding system based on machine vision barrel

裝甑機(jī)器視覺系統(tǒng)包括紅外熱像儀、旋轉(zhuǎn)裝置、升降架和底座。升降架安裝在底座上，旋轉(zhuǎn)裝置的一端安裝在升降架頂部，另一端安裝紅外熱像儀。利用紅外熱像儀對甑桶內(nèi)料面的溫度及高度進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)酒醅料冒氣時，對冒氣位置進(jìn)行及時、準(zhǔn)確定位［8］，并反饋給裝甑機(jī)器人，使裝甑機(jī)器人實施見濕蓋料，有效控制冒氣點。同時紅外熱像儀還能實時監(jiān)控甑桶內(nèi)料面的高度，裝甑機(jī)器人每鋪完一層料，升降架帶動紅外熱像儀上升，使紅外熱像儀與甑桶內(nèi)料面始終保持恒定的距離，保證紅外熱像儀能夠?qū)θ康牧厦孢M(jìn)行實時監(jiān)控［9，10］。

裝甑執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的接近感應(yīng)開關(guān)將紅外熱像儀采集的輸出信號，輸入到控制機(jī)構(gòu)的工控機(jī)；控制單元又將收到的工控機(jī)輸出指令，轉(zhuǎn)換為控制信號，輸出至多關(guān)節(jié)機(jī)器人和裝甑執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及為裝甑執(zhí)行機(jī)構(gòu)供料的上料機(jī)構(gòu)，執(zhí)行上料、鋪料、補料等規(guī)定動作。

2.2 機(jī)械手裝甑布料控制流程設(shè)計

將機(jī)器人手臂末端的裝甑執(zhí)行機(jī)構(gòu)移到甑桶正上方，按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行按層鋪料。機(jī)械手裝甑布料時，是將甑桶內(nèi)的料面劃分為11個面積基本相等的區(qū)域進(jìn)行的，見圖2。裝甑時先在酒甑底部撒上少許谷殼，為11個區(qū)域鋪上2層酒醅后（約5cm厚），打開蒸汽閥門，邊通蒸汽邊撒料。同時觸發(fā)信號，紅外熱成像儀對撒料的11個區(qū)域表面溫場分布情況進(jìn)行檢測，通過對獲取的溫度分布場進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波、映射變換和二值化處理，得到11個局部區(qū)域的特征參數(shù)灰度值，將特征參數(shù)的灰度值與常態(tài)閾值的像素比較，根據(jù)像素點之間的位置關(guān)系，得到“跑氣”區(qū)域即應(yīng)補料區(qū)域的編號，裝甑補料處理流程見圖3。通過機(jī)器人裝甑執(zhí)行機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)速度，補料區(qū)域的編號以及補償時間參數(shù)來計算放料時段，PLC根據(jù)放料時段控制機(jī)器人裝甑執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行補料操作，來有效控制“跑氣”現(xiàn)象。

圖2 機(jī)械裝甑布料區(qū)域劃分Figure 2 Region division of steaming bucket feeding

圖3 裝甑補料處理流程Figure 3 Processing flow of steaming bucket feeding

當(dāng)下層的醅料要開始汽化時，再鋪上一層（11個區(qū)域）新的醅料（即探氣上甑），并進(jìn)行補料處理。使上層新的醅料與下層醅料汽化后的酒氣進(jìn)行冷熱交換，當(dāng)上一層新的醅料要進(jìn)行部分汽化、冷凝時，又被新的一層醅料所覆蓋。如此反復(fù)每次鋪一層料，酒醅厚度控制在2～3cm，再進(jìn)行補料，直至40層醅料裝滿甑后，裝甑控制機(jī)構(gòu)自動統(tǒng)計“跑氣”區(qū)域補料的次數(shù)，并對11個區(qū)域最后進(jìn)行補料找平。機(jī)械手裝甑的操作方式分為手動和自動兩種，手動方式一般用于調(diào)試維修時使用，見圖4。

圖4 裝甑布料控制流程圖Figure 4 Control flow of steaming bucket feeding

2.3 機(jī)械裝甑布料控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)裝甑布料機(jī)械手的工作要求及運動規(guī)律，機(jī)械裝甑布料控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括確定PLC的I/O點個數(shù)，選擇PLC機(jī)型，I/O點地址分配等。

2.3.1 確定PLC的I/O點個數(shù) 控制裝甑布料機(jī)械手的PLC有以下輸入信號：啟動、復(fù)位和停止按鈕，用于不同裝甑操作方式的1個手動/單層連續(xù)/自動連續(xù)旋動開關(guān)，在機(jī)械手手動運行時對應(yīng)11個區(qū)域的11個補料按鈕。單層連續(xù)/自動連續(xù)運行時，對應(yīng)單層區(qū)域及11個補料與補料結(jié)束傳感器發(fā)出的12個信號。12個分別用來檢測機(jī)械手伸縮、轉(zhuǎn)動及其極限，2個裝甑料斗高低料位信號，1個單層布撒料層高位信號，1個布撒料“跑氣”溫度限位信號，所有輸入端信號為45個。

PLC的輸出信號為：2個用來顯示裝甑工作狀態(tài)的開始、復(fù)位信號指示燈，1個手動運行指示燈、1個單層連續(xù)運行指示燈、1個自動連續(xù)運行指示燈與2個報警指示燈（裝甑“跑氣”、料倉缺料），1個用于單層區(qū)域布料及11個區(qū)域補料的接觸器，3個用來料斗補料及開關(guān)門的輸出信號，6個分別用于機(jī)械手伸縮、轉(zhuǎn)動的輸出信號，所有輸出端信號為17個。

2.3.2 確定PLC的型號 考慮到機(jī)械裝甑布料控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、復(fù)雜性、可靠性及實際需求等綜合因素，同時機(jī)械裝甑布料控制要求所需的端子數(shù)較多，還需留一定的I/O節(jié)點作為系統(tǒng)的預(yù)留，故選擇S7－200CPU226，并對PLC進(jìn)行擴(kuò)展。選擇一個EM223（16×I，8×O）和一個EM221（8×I）擴(kuò)展模塊，總共計有50個輸入和24個輸出，可滿足裝甑布料控制系統(tǒng)要求。

2.3.3 I/O分配表 根據(jù)PLC型號對輸入輸出點進(jìn)行分配，I/O分配結(jié)果見表1、2。

3 試驗研究

對機(jī)械裝甑布料控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計與調(diào)試運行，根據(jù)I/O地址分配表，編寫機(jī)械手PLC控制程序，見圖5。

根據(jù)機(jī)械裝甑布料運行要求，按啟動按鈕SB1，I0.0閉合，Q0.1得電自鎖，KM1得電，電動機(jī)M正轉(zhuǎn)帶動裝甑機(jī)械手運行到甑桶的正上方回裝甑原點SQ1處，I0.1失電。旋動開關(guān)SP1手動運行，M0.0和Q0.2得電完成單層連續(xù)裝甑。裝甑機(jī)械手鋪撒第n層酒醅（從1～11＃區(qū)域，圖2），通入蒸汽，旋動開關(guān)SP1啟動自動連續(xù)裝甑程序，鋪撒第n＋1層酒醅（從1～11＃區(qū)域），由熱成像儀檢測到的圖像數(shù)據(jù)，判斷第n＋1層酒醅后是否有“跑氣”，是1～11＃區(qū)域中第幾＃區(qū)域“跑氣”需要補料（11個區(qū)域漏氣只要有一個區(qū)域漏氣，I5.4都會得電），并自動啟動相關(guān)區(qū)域的補料接觸器。如沒有“跑氣”現(xiàn)象，當(dāng)?shù)趎＋1層醅料要進(jìn)行部分汽化、冷凝時，熱成像儀檢測到的圖像數(shù)據(jù)自動啟動第n＋2層酒醅（從1～11＃區(qū)域）鋪撒程序。如此反復(fù)直至布料結(jié)束。

表1 輸入單元分配表Table 1 Allocation table of the input unit

表2 輸出單元分配表Table 2 Allocation table of the output unit

試驗結(jié)果證明，選用川崎機(jī)器人ZXl30LFD42，用PLC控制裝甑布料系統(tǒng)，設(shè)置手動控制和自動控制兩種裝甑方式，按40層布料鋪滿甑桶，在2.5m范圍內(nèi)裝甑時，鋪料補料定位精度可達(dá)±3mm。裝甑操作簡潔方便、安全可靠、故障率低，可大幅度減少人工勞動量，滿足裝甑生產(chǎn)工藝要求。

4 結(jié)論

大曲釀酒工藝為中國傳統(tǒng)、獨特的固態(tài)發(fā)酵釀酒工藝，由于酒醅粘濕度很大，上甑要求又高，目前中國酒廠尚無成功使用連續(xù)上料、間隙式裝甑的上甑設(shè)備。本研究基于機(jī)器視覺的裝甑布料系統(tǒng)，設(shè)計了裝甑布料機(jī)的PLC控制系統(tǒng)，完成了PLC現(xiàn)場控制軟硬件設(shè)計。較好地解決了現(xiàn)有裝甑裝置不能實現(xiàn)定量出料、均勻布料、間隙裝甑、見濕（氣）蓋料，容易出現(xiàn)氣道堵塞、壓氣不能滿足裝甑工藝要求中的控制系統(tǒng)問題，實現(xiàn)了裝甑執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬人工裝甑見濕蓋料，在甑桶內(nèi)自主選擇撒料區(qū)域的上甑效果，具有一定的應(yīng)用價值。

圖5 裝甑布料控制程序Figure 5 Control program of steaming bucket feeding

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