機械裝甄布料控制系統PLC設計

李 宏 花 勇

（江蘇食品藥品職業技術學院機電工程系，江蘇 淮安 223005）

在固態發酵釀酒的生產過程中，從古至今一直沿用甑桶這一蒸餾設備。甑桶不同于世界上其他國家的酒蒸餾器，是根據中國獨特的固態發酵釀酒工藝發明的。隨著技術進步甑桶由小變大，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有的酒醅上甑布料器、半自動裝甑機均為連續裝甑，不能摸擬人工操作的技法，保證蒸餾、糊化、出入池參數的要求，原酒質量難以保證，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，難免會出現個別區域走氣快于其他區域，出現“跑氣”現象。對“跑氣”部位如不及時補料，將影響裝甑質量，降低出酒率及酒的品質，嚴重時還會出現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、產品質量好。如果裝甑布料控制得不好，同樣的酒醅蒸餾出的原酒產量可相差10%，質量可相差一個等級［2］。筆者［3］前期設計開發了一種基于機器視覺的裝甑布料系統，用紅外熱成像技術引導裝甑機器人。裝甑執行機構固定在川崎機器人手臂的末端，并安裝接近感應開關，由上料機構進行供料。通過在甑桶上方安裝熱成像儀，用人工裝甑經驗建立模型，將熱成像儀檢測到的圖像數據，自動轉化為裝甑機器人的控制參數，達到“輕撒勻鋪、探氣上甑”的上甑效果，實現智能裝甑布料［3］。

本研究擬基于機器視覺的裝甑布料系統，利用PLC功能全面、編程方便，可靠性高、抗干擾能力強，易于安裝調試與維修等特點［4］，設計機械手裝甑布料的PLC控制系統，以期實現裝甑執行機構模擬人工裝甑見濕（氣）蓋料，在甑桶內自主選擇撒料（補料）區域，完成PLC現場控制軟硬件設計［5，6］。

1 機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”進行上甑操作，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。上甑結束后，檢查上氣是否正常，蓋好甑蓋對接蒸餾導管，向甑邊水槽注水開氣蒸餾。

2 機械裝甑布料控制系統的硬件設計

2.1 基于機器視覺的裝甑布料系統

基于機器視覺的裝甑布料機由裝甑機器人、機器視覺系統、上料機構、控制機構幾部分組成，見圖1。裝甑機器人包括多關節機器人［7］及裝甑執行機構，裝甑執行機構固定在多關節機器人手臂的末端，并安裝接近感應開關，由上料機構進行供料。

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

裝甑機器視覺系統包括紅外熱像儀、旋轉裝置、升降架和底座。升降架安裝在底座上，旋轉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料面的溫度及高度進行實時監控，當酒醅料冒氣時，對冒氣位置進行及時、準確定位［8］，并反饋給裝甑機器人，使裝甑機器人實施見濕蓋料，有效控制冒氣點。同時紅外熱像儀還能實時監控甑桶內料面的高度，裝甑機器人每鋪完一層料，升降架帶動紅外熱像儀上升，使紅外熱像儀與甑桶內料面始終保持恒定的距離，保證紅外熱像儀能夠對全部的料面進行實時監控［9，10］。

裝甑執行機構上的接近感應開關將紅外熱像儀采集的輸出信號，輸入到控制機構的工控機；控制單元又將收到的工控機輸出指令，轉換為控制信號，輸出至多關節機器人和裝甑執行機構，以及為裝甑執行機構供料的上料機構，執行上料、鋪料、補料等規定動作。

2.2 機械手裝甑布料控制流程設計

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

圖2 機械裝甑布料區域劃分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

當下層的醅料要開始汽化時，再鋪上一層（11個區域）新的醅料（即探氣上甑），并進行補料處理。使上層新的醅料與下層醅料汽化后的酒氣進行冷熱交換，當上一層新的醅料要進行部分汽化、冷凝時，又被新的一層醅料所覆蓋。如此反復每次鋪一層料，酒醅厚度控制在2～3cm，再進行補料，直至40層醅料裝滿甑后，裝甑控制機構自動統計“跑氣”區域補料的次數，并對11個區域最后進行補料找平。機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 機械裝甑布料控制系統的硬件設計

根據裝甑布料機械手的工作要求及運動規律，機械裝甑布料控制系統的硬件設計主要包括確定PLC的I/O點個數，選擇PLC機型，I/O點地址分配等。

2.3.1 確定PLC的I/O點個數 控制裝甑布料機械手的PLC有以下輸入信號：啟動、復位和停止按鈕，用于不同裝甑操作方式的1個手動/單層連續/自動連續旋動開關，在機械手手動運行時對應11個區域的11個補料按鈕。單層連續/自動連續運行時，對應單層區域及11個補料與補料結束傳感器發出的12個信號。12個分別用來檢測機械手伸縮、轉動及其極限，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的開始、復位信號指示燈，1個手動運行指示燈、1個單層連續運行指示燈、1個自動連續運行指示燈與2個報警指示燈（裝甑“跑氣”、料倉缺料），1個用于單層區域布料及11個區域補料的接觸器，3個用來料斗補料及開關門的輸出信號，6個分別用于機械手伸縮、轉動的輸出信號，所有輸出端信號為17個。

2.3.2 確定PLC的型號 考慮到機械裝甑布料控制系統的經濟性、復雜性、可靠性及實際需求等綜合因素，同時機械裝甑布料控制要求所需的端子數較多，還需留一定的I/O節點作為系統的預留，故選擇S7－200CPU226，并對PLC進行擴展。選擇一個EM223（16×I，8×O）和一個EM221（8×I）擴展模塊，總共計有50個輸入和24個輸出，可滿足裝甑布料控制系統要求。

2.3.3 I/O分配表 根據PLC型號對輸入輸出點進行分配，I/O分配結果見表1、2。

3 試驗研究

對機械裝甑布料控制系統進行軟件設計與調試運行，根據I/O地址分配表，編寫機械手PLC控制程序，見圖5。

根據機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M正轉帶動裝甑機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SP1手動運行，M0.0和Q0.2得電完成單層連續裝甑。裝甑機械手鋪撒第n層酒醅（從1～11＃區域，圖2），通入蒸汽，旋動開關SP1啟動自動連續裝甑程序，鋪撒第n＋1層酒醅（從1～11＃區域），由熱成像儀檢測到的圖像數據，判斷第n＋1層酒醅后是否有“跑氣”，是1～11＃區域中第幾＃區域“跑氣”需要補料（11個區域漏氣只要有一個區域漏氣，I5.4都會得電），并自動啟動相關區域的補料接觸器。如沒有“跑氣”現象，當第n＋1層醅料要進行部分汽化、冷凝時，熱成像儀檢測到的圖像數據自動啟動第n＋2層酒醅（從1～11＃區域）鋪撒程序。如此反復直至布料結束。

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

試驗結果證明，選用川崎機器人ZXl30LFD42，用PLC控制裝甑布料系統，設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范圍內裝甑時，鋪料補料定位精度可達±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，滿足裝甑生產工藝要求。

4 結論

大曲釀酒工藝為中國傳統、獨特的固態發酵釀酒工藝，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上料、間隙式裝甑的上甑設備。本研究基于機器視覺的裝甑布料系統，設計了裝甑布料機的PLC控制系統，完成了PLC現場控制軟硬件設計。較好地解決了現有裝甑裝置不能實現定量出料、均勻布料、間隙裝甑、見濕（氣）蓋料，容易出現氣道堵塞、壓氣不能滿足裝甑工藝要求中的控制系統問題，實現了裝甑執行機構模擬人工裝甑見濕蓋料，在甑桶內自主選擇撒料區域的上甑效果，具有一定的應用價值。

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

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