機(jī)械裝甄布料控制系統(tǒng)PLC設(shè)計(jì)

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(guó)家的酒蒸餾器，是根據(jù)中國(guó)獨(dú)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(dòng)甑底半自動(dòng)卸料等［1］，但其間隙式裝甑的操作要求未變。現(xiàn)有的酒醅上甑布料器、半自動(dòng)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(shí)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(shí)蒸汽壓力分布和酒醅料間隙不完全一致，難免會(huì)出現(xiàn)個(gè)別區(qū)域走氣快于其他區(qū)域，出現(xiàn)“跑氣”現(xiàn)象。對(duì)“跑氣”部位如不及時(shí)補(bǔ)料，將影響裝甑質(zhì)量，降低出酒率及酒的品質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)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(gè)等級(jí)［2］。筆者［3］前期設(shè)計(jì)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(yàn)建立模型，將熱成像儀檢測(cè)到的圖像數(shù)據(jù)，自動(dòng)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(shí)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(diǎn)［4］，設(shè)計(jì)機(jī)械手裝甑布料的PLC控制系統(tǒng)，以期實(shí)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(bǔ)料）區(qū)域，完成PLC現(xiàn)場(chǎng)控制軟硬件設(shè)計(jì)［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(tái)形蒸餾器；用多孔蓖子與下部加熱器相隔，上部分活動(dòng)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(shí)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(duì)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(jì)

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(duì)甑桶內(nèi)料面的溫度及高度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)酒醅料冒氣時(shí)，對(duì)冒氣位置進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確定位［8］，并反饋給裝甑機(jī)器人，使裝甑機(jī)器人實(shí)施見濕蓋料，有效控制冒氣點(diǎn)。同時(shí)紅外熱像儀還能實(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)時(shí)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(hào)，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(hào)，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(bǔ)料等規(guī)定動(dòng)作。

2.2 機(jī)械手裝甑布料控制流程設(shè)計(jì)

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(shí)，是將甑桶內(nèi)的料面劃分為11個(gè)面積基本相等的區(qū)域進(jìn)行的，見圖2。裝甑時(shí)先在酒甑底部撒上少許谷殼，為11個(gè)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(shí)觸發(fā)信號(hào)，紅外熱成像儀對(duì)撒料的11個(gè)區(qū)域表面溫場(chǎng)分布情況進(jìn)行檢測(cè)，通過對(duì)獲取的溫度分布場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波、映射變換和二值化處理，得到11個(gè)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(diǎn)之間的位置關(guān)系，得到“跑氣”區(qū)域即應(yīng)補(bǔ)料區(qū)域的編號(hào)，裝甑補(bǔ)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(bǔ)料區(qū)域的編號(hào)以及補(bǔ)償時(shí)間參數(shù)來計(jì)算放料時(shí)段，PLC根據(jù)放料時(shí)段控制機(jī)器人裝甑執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)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(shí)，再鋪上一層（11個(gè)區(qū)域）新的醅料（即探氣上甑），并進(jìn)行補(bǔ)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(shí)，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(bǔ)料，直至40層醅料裝滿甑后，裝甑控制機(jī)構(gòu)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)“跑氣”區(qū)域補(bǔ)料的次數(shù)，并對(duì)11個(gè)區(qū)域最后進(jìn)行補(bǔ)料找平。機(jī)械手裝甑的操作方式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種，手動(dòng)方式一般用于調(diào)試維修時(shí)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(jì)

根據(jù)裝甑布料機(jī)械手的工作要求及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，機(jī)械裝甑布料控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括確定PLC的I/O點(diǎn)個(gè)數(shù)，選擇PLC機(jī)型，I/O點(diǎn)地址分配等。

2.3.1 確定PLC的I/O點(diǎn)個(gè)數(shù) 控制裝甑布料機(jī)械手的PLC有以下輸入信號(hào)：?jiǎn)?dòng)、復(fù)位和停止按鈕，用于不同裝甑操作方式的1個(gè)手動(dòng)/單層連續(xù)/自動(dòng)連續(xù)旋動(dòng)開關(guān)，在機(jī)械手手動(dòng)運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)11個(gè)區(qū)域的11個(gè)補(bǔ)料按鈕。單層連續(xù)/自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)單層區(qū)域及11個(gè)補(bǔ)料與補(bǔ)料結(jié)束傳感器發(fā)出的12個(gè)信號(hào)。12個(gè)分別用來檢測(cè)機(jī)械手伸縮、轉(zhuǎn)動(dòng)及其極限，2個(gè)裝甑料斗高低料位信號(hào)，1個(gè)單層布撒料層高位信號(hào)，1個(gè)布撒料“跑氣”溫度限位信號(hào)，所有輸入端信號(hào)為45個(gè)。

PLC的輸出信號(hào)為：2個(gè)用來顯示裝甑工作狀態(tài)的開始、復(fù)位信號(hào)指示燈，1個(gè)手動(dòng)運(yùn)行指示燈、1個(gè)單層連續(xù)運(yùn)行指示燈、1個(gè)自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行指示燈與2個(gè)報(bào)警指示燈（裝甑“跑氣”、料倉缺料），1個(gè)用于單層區(qū)域布料及11個(gè)區(qū)域補(bǔ)料的接觸器，3個(gè)用來料斗補(bǔ)料及開關(guān)門的輸出信號(hào)，6個(gè)分別用于機(jī)械手伸縮、轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出信號(hào)，所有輸出端信號(hào)為17個(gè)。

2.3.2 確定PLC的型號(hào) 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(shí)際需求等綜合因素，同時(shí)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(diǎn)作為系統(tǒng)的預(yù)留，故選擇S7－200CPU226，并對(duì)PLC進(jìn)行擴(kuò)展。選擇一個(gè)EM223（16×I，8×O）和一個(gè)EM221（8×I）擴(kuò)展模塊，總共計(jì)有50個(gè)輸入和24個(gè)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(hào)對(duì)輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行分配，I/O分配結(jié)果見表1、2。

3 試驗(yàn)研究

對(duì)機(jī)械裝甑布料控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試運(yùn)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(yùn)行要求，按啟動(dòng)按鈕SB1，I0.0閉合，Q0.1得電自鎖，KM1得電，電動(dòng)機(jī)M正轉(zhuǎn)帶動(dòng)裝甑機(jī)械手運(yùn)行到甑桶的正上方回裝甑原點(diǎn)SQ1處，I0.1失電。旋動(dòng)開關(guān)SP1手動(dòng)運(yùn)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(dòng)開關(guān)SP1啟動(dòng)自動(dòng)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(cè)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(bǔ)料（11個(gè)區(qū)域漏氣只要有一個(gè)區(qū)域漏氣，I5.4都會(huì)得電），并自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)區(qū)域的補(bǔ)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(shí)，熱成像儀檢測(cè)到的圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)啟動(dòng)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(yàn)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(dòng)控制和自動(dòng)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(shí)，鋪料補(bǔ)料定位精度可達(dá)±3mm。裝甑操作簡(jiǎn)潔方便、安全可靠、故障率低，可大幅度減少人工勞動(dòng)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(guó)傳統(tǒng)、獨(dú)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(guó)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(jì)了裝甑布料機(jī)的PLC控制系統(tǒng)，完成了PLC現(xiàn)場(chǎng)控制軟硬件設(shè)計(jì)。較好地解決了現(xiàn)有裝甑裝置不能實(shí)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(shí)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(jià)值。

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

1 張志民，呂浩，張煜行.衡水老白干釀酒機(jī)械化自動(dòng)化的設(shè)想和初步試驗(yàn)［J］.釀酒，2011（1）：19～23.

2 楊平，涂榮坤，錢志偉，等.甑桶醅層高度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)蒸餾效率及酒質(zhì)的影響研究［J］.釀酒科技，2012（10）：94～98.

3 李宏，馬光喜.基于機(jī)器視覺的裝甑布料系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.釀酒科技，2014（12）：74～76

4 田淑珍.S7－200PLC原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

5 邵忠良.基于PLC的FFS包裝機(jī)移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］.食品與機(jī)械，2013，29（3）：157～160.

6 洪冠，趙茂程.基于PLC的肉碎骨圖像采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.食品與機(jī)械，2011，27（1）：74～77.

7 呂景泉，湯曉華.機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

8 周其顯.蘋果早期機(jī)械損傷的紅外熱成像檢測(cè)研究［D］.江西：華東交通大學(xué)，2011.

9 吳玉鵬.紅外熱像儀智能數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2014（16）：24～26.

10 嚴(yán)國(guó)莉，趙慶國(guó).淺析紅外熱成像技術(shù)在窯爐檢測(cè)中應(yīng)用［J］.分析儀器，2014（4）：43～45.