机械装甄布料控制系统PLC设计

2015-12-31李宏花勇

食品与机械 2015年4期

李宏花勇

（江苏食品药品职业技术学院机电工程系，江苏淮安 223005）

在固态发酵酿酒的生产过程中，从古至今一直沿用甑桶这一蒸馏设备。甑桶不同于世界上其他国家的酒蒸馏器，是根据中国独特的固态发酵酿酒工艺发明的。随着技术进步甑桶由小变大，从天锅演变到今天的不锈钢甑桶，蒸汽供热、列管式冷凝接酒，活动甑底半自动卸料等［1］，但其间隙式装甑的操作要求未变。现有的酒醅上甑布料器、半自动装甑机均为连续装甑，不能摸拟人工操作的技法，保证蒸馏、糊化、出入池参数的要求，原酒质量难以保证，出酒率也不高。

在装甑过程中，甑底通有蒸汽，虽然要求上甑时一层层均匀疏松地铺撒酒醅，铺撒过程中做到既不跑气又不压气。但由于铺撒时蒸汽压力分布和酒醅料间隙不完全一致，难免会出现个别区域走气快于其他区域，出现“跑气”现象。对“跑气”部位如不及时补料，将影响装甑质量，降低出酒率及酒的品质，严重时还会出现大量蒸汽集中在某处穿透酒醅料层的“穿甑”事故。上甑好，则出酒率高、酒尾率低、产品质量好。如果装甑布料控制得不好，同样的酒醅蒸馏出的原酒产量可相差10%，质量可相差一个等级［2］。笔者［3］前期设计开发了一种基于机器视觉的装甑布料系统，用红外热成像技术引导装甑机器人。装甑执行机构固定在川崎机器人手臂的末端，并安装接近感应开关，由上料机构进行供料。通过在甑桶上方安装热成像仪，用人工装甑经验建立模型，将热成像仪检测到的图像数据，自动转化为装甑机器人的控制参数，达到“轻撒匀铺、探气上甑”的上甑效果，实现智能装甑布料［3］。

本研究拟基于机器视觉的装甑布料系统，利用PLC功能全面、编程方便，可靠性高、抗干扰能力强，易于安装调试与维修等特点［4］，设计机械手装甑布料的PLC控制系统，以期实现装甑执行机构模拟人工装甑见湿（气）盖料，在甑桶内自主选择撒料（补料）区域，完成PLC现场控制软硬件设计［5，6］。

1 机械装甑布料工艺要求

甑桶是上口直径约2m，底口直径约1.8m，高1m左右的圆锥台形蒸馏器；用多孔蓖子与下部加热器相隔，上部分活动盖与冷却器相连。根据装甑工艺要求，上甑前放干底锅水，检查甑底，使甑底穿孔率达到100%。在酒甑底部撒上少许谷壳，铺上2层酒醅（约5cm厚），打开蒸汽阀门，检查气压值，待蒸汽冒出醅面，边通蒸汽边铺料。装甑时按照“轻、松、薄、匀、平、准”进行上甑操作，按40层布料，每层铺料厚度控制在2～3cm，轻撒匀铺、见气上甑、上平上匀、铺满甑桶。上甑结束后，检查上气是否正常，盖好甑盖对接蒸馏导管，向甑边水槽注水开气蒸馏。

2 机械装甑布料控制系统的硬件设计

2.1 基于机器视觉的装甑布料系统

基于机器视觉的装甑布料机由装甑机器人、机器视觉系统、上料机构、控制机构几部分组成，见图1。装甑机器人包括多关节机器人［7］及装甑执行机构，装甑执行机构固定在多关节机器人手臂的末端，并安装接近感应开关，由上料机构进行供料。

图1 基于机器视觉的装甑布料系统Figure 1 Steaming bucket feeding system based on machine vision barrel

装甑机器视觉系统包括红外热像仪、旋转装置、升降架和底座。升降架安装在底座上，旋转装置的一端安装在升降架顶部，另一端安装红外热像仪。利用红外热像仪对甑桶内料面的温度及高度进行实时监控，当酒醅料冒气时，对冒气位置进行及时、准确定位［8］，并反馈给装甑机器人，使装甑机器人实施见湿盖料，有效控制冒气点。同时红外热像仪还能实时监控甑桶内料面的高度，装甑机器人每铺完一层料，升降架带动红外热像仪上升，使红外热像仪与甑桶内料面始终保持恒定的距离，保证红外热像仪能够对全部的料面进行实时监控［9，10］。

装甑执行机构上的接近感应开关将红外热像仪采集的输出信号，输入到控制机构的工控机；控制单元又将收到的工控机输出指令，转换为控制信号，输出至多关节机器人和装甑执行机构，以及为装甑执行机构供料的上料机构，执行上料、铺料、补料等规定动作。

2.2 机械手装甑布料控制流程设计

将机器人手臂末端的装甑执行机构移到甑桶正上方，按照设定的参数进行按层铺料。机械手装甑布料时，是将甑桶内的料面划分为11个面积基本相等的区域进行的，见图2。装甑时先在酒甑底部撒上少许谷壳，为11个区域铺上2层酒醅后（约5cm厚），打开蒸汽阀门，边通蒸汽边撒料。同时触发信号，红外热成像仪对撒料的11个区域表面温场分布情况进行检测，通过对获取的温度分布场进行数据滤波、映射变换和二值化处理，得到11个局部区域的特征参数灰度值，将特征参数的灰度值与常态阈值的像素比较，根据像素点之间的位置关系，得到“跑气”区域即应补料区域的编号，装甑补料处理流程见图3。通过机器人装甑执行机构的回转速度，补料区域的编号以及补偿时间参数来计算放料时段，PLC根据放料时段控制机器人装甑执行机构进行补料操作，来有效控制“跑气”现象。

图2 机械装甑布料区域划分Figure 2 Region division of steaming bucket feeding

图3 装甑补料处理流程Figure 3 Processing flow of steaming bucket feeding

当下层的醅料要开始汽化时，再铺上一层（11个区域）新的醅料（即探气上甑），并进行补料处理。使上层新的醅料与下层醅料汽化后的酒气进行冷热交换，当上一层新的醅料要进行部分汽化、冷凝时，又被新的一层醅料所覆盖。如此反复每次铺一层料，酒醅厚度控制在2～3cm，再进行补料，直至40层醅料装满甑后，装甑控制机构自动统计“跑气”区域补料的次数，并对11个区域最后进行补料找平。机械手装甑的操作方式分为手动和自动两种，手动方式一般用于调试维修时使用，见图4。

图4 装甑布料控制流程图Figure 4 Control flow of steaming bucket feeding

2.3 机械装甑布料控制系统的硬件设计

根据装甑布料机械手的工作要求及运动规律，机械装甑布料控制系统的硬件设计主要包括确定PLC的I/O点个数，选择PLC机型，I/O点地址分配等。

2.3.1 确定PLC的I/O点个数控制装甑布料机械手的PLC有以下输入信号：启动、复位和停止按钮，用于不同装甑操作方式的1个手动/单层连续/自动连续旋动开关，在机械手手动运行时对应11个区域的11个补料按钮。单层连续/自动连续运行时，对应单层区域及11个补料与补料结束传感器发出的12个信号。12个分别用来检测机械手伸缩、转动及其极限，2个装甑料斗高低料位信号，1个单层布撒料层高位信号，1个布撒料“跑气”温度限位信号，所有输入端信号为45个。

PLC的输出信号为：2个用来显示装甑工作状态的开始、复位信号指示灯，1个手动运行指示灯、1个单层连续运行指示灯、1个自动连续运行指示灯与2个报警指示灯（装甑“跑气”、料仓缺料），1个用于单层区域布料及11个区域补料的接触器，3个用来料斗补料及开关门的输出信号，6个分别用于机械手伸缩、转动的输出信号，所有输出端信号为17个。

2.3.2 确定PLC的型号考虑到机械装甑布料控制系统的经济性、复杂性、可靠性及实际需求等综合因素，同时机械装甑布料控制要求所需的端子数较多，还需留一定的I/O节点作为系统的预留，故选择S7－200CPU226，并对PLC进行扩展。选择一个EM223（16×I，8×O）和一个EM221（8×I）扩展模块，总共计有50个输入和24个输出，可满足装甑布料控制系统要求。

2.3.3 I/O分配表根据PLC型号对输入输出点进行分配，I/O分配结果见表1、2。

3 试验研究

对机械装甑布料控制系统进行软件设计与调试运行，根据I/O地址分配表，编写机械手PLC控制程序，见图5。

根据机械装甑布料运行要求，按启动按钮SB1，I0.0闭合，Q0.1得电自锁，KM1得电，电动机M正转带动装甑机械手运行到甑桶的正上方回装甑原点SQ1处，I0.1失电。旋动开关SP1手动运行，M0.0和Q0.2得电完成单层连续装甑。装甑机械手铺撒第n层酒醅（从1～11＃区域，图2），通入蒸汽，旋动开关SP1启动自动连续装甑程序，铺撒第n＋1层酒醅（从1～11＃区域），由热成像仪检测到的图像数据，判断第n＋1层酒醅后是否有“跑气”，是1～11＃区域中第几＃区域“跑气”需要补料（11个区域漏气只要有一个区域漏气，I5.4都会得电），并自动启动相关区域的补料接触器。如没有“跑气”现象，当第n＋1层醅料要进行部分汽化、冷凝时，热成像仪检测到的图像数据自动启动第n＋2层酒醅（从1～11＃区域）铺撒程序。如此反复直至布料结束。

表1 输入单元分配表Table 1 Allocation table of the input unit

表2 输出单元分配表Table 2 Allocation table of the output unit

试验结果证明，选用川崎机器人ZXl30LFD42，用PLC控制装甑布料系统，设置手动控制和自动控制两种装甑方式，按40层布料铺满甑桶，在2.5m范围内装甑时，铺料补料定位精度可达±3mm。装甑操作简洁方便、安全可靠、故障率低，可大幅度减少人工劳动量，满足装甑生产工艺要求。

4 结论

大曲酿酒工艺为中国传统、独特的固态发酵酿酒工艺，由于酒醅粘湿度很大，上甑要求又高，目前中国酒厂尚无成功使用连续上料、间隙式装甑的上甑设备。本研究基于机器视觉的装甑布料系统，设计了装甑布料机的PLC控制系统，完成了PLC现场控制软硬件设计。较好地解决了现有装甑装置不能实现定量出料、均匀布料、间隙装甑、见湿（气）盖料，容易出现气道堵塞、压气不能满足装甑工艺要求中的控制系统问题，实现了装甑执行机构模拟人工装甑见湿盖料，在甑桶内自主选择撒料区域的上甑效果，具有一定的应用价值。