智能物料搬運起重機在釀酒行業中的應用

方線偉 袁秀峰 王曉光 周志遠

法蘭泰克重工股份有限公司 蘇州 215211

0 引言

隨著國民生活水平的不斷提高，白酒消費市場呈現出逐年擴大的現象，醬香型白酒更是受到大眾的喜愛，2021年中國白酒行業規模以上企業產量完成716萬kL，在釀酒產業中，白酒以13.2%市場份額占據整個飲料酒銷售收入69.5%。從古至今，釀酒的工藝在不斷進步，可以釀造出不同口味的白酒，然而釀酒工藝中還是有很多人工的參與，人工參與釀酒的程度不同，釀出酒的口味就會千差萬別。隨著自動化技術不斷發展，越來越多的行業在推廣自動化產線更新換代。釀酒企業為提高釀酒效率和產量的同時降低產品差異性，在制曲、提取、勾兌等環節中選用自動化技術。在酒糟的窖池區和堆積發酵區采用搬運起重機可實現全自動操作功能，以達到減少人工工作強度、提高設備安全性、實現物料的信息化和預防性維護、提升設備的綜合運行效率的目的。

本文以某醬香型白酒技改項目為例，介紹智能物料搬運起重機在釀酒行業的應用。傳統的釀酒工藝中窖池區和堆積發酵區布置在廠房的同一層，屬于平鋪式的布局，酒糟從窖池取出后直接放到旁邊進行蒸煮、晾曬和堆積發酵，然后再下窖。醬酒核心地帶土地資源緊缺，窖池的數量直接影響到酒廠的產酒量。為了有效利用稀缺的土地資源、提高空間利用率，把窖池區和堆積發酵區進行分層管理，建立多層釀酒車間，一層設備主要用于窖池，二層以上用于酒糟的蒸煮、晾曬和堆積發酵，為了減少人工參與和提高物料的搬運效率，上下多層分別布置一臺智能搬運起重機，完成釀酒過程中的起窖、起堆、移堆、下窖等過程，實現2層物料之間無縫對接，助力客戶實現智能釀造。

智能物料搬運起重機可實現手動控制、本地全自動、遠程全自動3種操作模式的切換。在自動化模式下，運用3D數據掃描，結合智能搬運起重機三維坐標，通過正態分布（高斯分布）處理選取物料最高點，機器人按照最高位置抓取物料，位置選取采用遺傳算法和激光掃描相結合，地面PLC實時更新酒糟料堆模型的高度信息，每次抓取首選最高點原則，運行距離和運行速度相結合來規劃運行路徑，直到本次執行任務清單全部結束停止抓取。智能物料搬運起重機項目投產以后幫助釀酒客戶實現了從傳統釀造向智能釀造的全面轉型，降低了60%的場地需求，節省了67%的人力需求，節約了54%的耗水量，實現單位面積產能的翻倍提升。

1 硬件設計

智能物料搬運起重機采用PLC、變頻器、伺服控制器組成本地控制系統。外部采用條碼掃描儀、激光測距儀、絕對值編碼器作為位置檢測元件，2臺設備之間采用漏波電纜無線通訊，在地面增加PLC控制系統和HMI（觸摸屏）完成2臺設備之間控制和操作流程的選擇。

1.1 機械結構組成

整個控制系統內有上下2臺設備組成，一層設備主要負責窖池內酒糟的下窖和起窖工作，機械結構有大車橋架、抓斗起升機構、小車運行機構、料斗轉運機構，每個機構的控制電動機采用異步變頻電動機，抓斗開閉采用伺服電動機控制；二層設備主要負責酒糟的起堆、移堆、通過地面伸縮投料口向一層設備投料下窖工作，主要機械結構與一層設備相似。表1為各個機構的運行速度和定位精度要求。

表1 各個機構的基本運行參數

1.2 整體系統的控制框圖

控制系統由地面系統、設備本體電控系統、電動機驅動控制系統組成的三級網絡段，可避免設備單機通訊和地面系統網絡數據通訊干擾的問題。地面控制包含上位機監控系統、HMI、PLC控制器（整個系統的運行算法和數據監控收集）；設備本體控制主要有PLC控制器、HMI、3D掃描系統、電動機驅動控制系統、三維位置檢測系統，整體系統的控制框圖如圖1所示。

圖1 智能物料搬運起重機控制系統框圖

1.3 地面控制系統方案設計

地面控制系統的PLC和設備PLC之間的通訊、上位機與設備激光掃描儀之間的通訊共同采用高可靠性能的漏波電纜方式，通過PLC心跳信號判斷網絡通訊的質量，內部采用PN協議進行內部故障診斷保護功能，地面HMI可實現本地窖池和料堆選擇、地面和設備本體的數據監控功能。

1.4 設備本體控制系統方案設計

設備本體采用PLC集中控制，由三維坐標系統、變頻驅動、速度編碼器、定位控制程序組成基本控制系統，其中三維坐標系統采用位置和速度雙閉環冗余定位，PLC通過三維坐標測距傳感器檢測各個機構當前位置，結合執行清單的目標位置和任務，進行運動控制算法，然后直接控制相對應的機構變頻驅動完成系統分配的任務。

1）大車機構 大車定位采用條碼測距的方式實現精確定位，采用激光測距作為位置冗余保護，同時電動機的增量型編碼器和變頻器形成速度環，實現高精度的快速定位功能。

2）抓斗小車機構 抓斗小車定位采用激光測距進行小車雙側測距，測量精度高，可實現速度及位置雙重保護，并起到冗余保護作用，同時電動機的增量型編碼器和變頻器形成速度環，實現高精度的快速定位功能。

3）起升機構 起升定位采用絕對值編碼器計算卷筒圈數轉換成起升高度。同時采用設置在起升電動機軸增量型編碼器計算起升位置作為位置冗余保護和速度檢測。

4）轉運小車機構 轉運小車定位采用條碼測距的方式實現精確定位，采用絕對值編碼器作為位置冗余保護，同時電動機的增量型編碼器和變頻器形成速度環，實現高精度的快速定位功能。

5）防搖控制 機械上采用剛性伸縮套筒防搖和伸縮剪叉式防搖，電氣控制上大小車運行采用加速度S曲線和防搖控制軟件相結合，強化其防搖和防振效果，同時提高智能起重機的定位效率，實現滿足節拍要求的精確定位。

6）窖池和料堆3D掃描 2D激光掃描料堆高度，并依靠小車的移動合成料堆和窖池表面的3D輪廓（見圖2），將所得到的距離數據轉換成X、Y、Z三維坐標，并實時返回3個數據以及所在料堆的編號進入設備本體PLC，在設備本體PLC中進行數據比對找出設備抓斗要在此料堆抓取的位置，地面PLC實時更新所建模型的高度信息，給設備提供最高點的坐標值，實現自動抓取高點和計算料堆的體積。

圖2 智能物料搬運起重機3D掃描圖

7）無線通訊系統 上下兩層搬運起重機采用高實時性和高穩定性的漏波電纜無線進行通訊。漏波電纜沿智能機器人大車軌跡鋪設，與軌道等長。鋪設的直線度良好，保證漏波電纜所有點位和智能機器人通訊系統之間有實時穩定的無線信號以及良好的抗干擾能力。地面控制系統對漏波電纜通訊的連接具有雙重檢測功能以保證通訊可靠。漏波電纜與地面控制系統采用光纖進行信號傳輸（見圖3）。

圖3 無線漏波系統連接圖

2 智能物料搬運起重機控制系統

整體系統設備分為窖池區和堆積發酵區2個部分，每個部分有1臺搬運起重機完成工作，具體的分工和操作流程不同，操作完成分為手動模式、本地全自動模式、遠程全自動模式。手動模式采用遙控器進行人工操作，全自動操作模式的流程主要包括堆積發酵區設備控制流程和窖池區設備控制流程。

2.1 堆積發酵區設備控制流程

2.1.1 堆積發酵區流程

二層設備主要負責酒糟的起堆有氧發酵的過程，起堆效果是把酒糟堆積成如圖2所示的形狀，嚴格控制料堆的形狀和高度才能使酒糟發酵更充分。起堆過程更多是依據核心的控制算法來實現，起堆高度由系統設定，每次放料過后由3D掃描系統進行檢測復測，確定下一斗料放置的位置和高度。

2.1.2 移堆過程

把起好堆的酒糟移動到指定空位進行再起堆，相當于人工進行翻料的過程，堆積發酵區的下窖過程主要是把發酵好的酒糟通過投料口再下放到一層窖池內，進行下一個輪次的無氧發酵過程。移堆和下窖過程對酒糟的抓取采用多種控制方式相結合，可先把料堆虛擬的進行矩陣分塊，按照每次一個矩陣塊進行單排逐個抓取或按照順時針的方向進行旋轉式抓取。該項目里主要利用3D掃描系統采集取料堆的最高點進行抓取，由于激光掃描出的數據存在一些偏差，通過正態分布（高斯分布）處理以提高精度，即對同一點進行5次以上的掃描，去掉最大值和最小值再將其他數據值求平均，計算得到料堆的最高點并對其進行抓取，下一輪抓取繼續迭代尋找最高點抓取。

2.1.3 二層下窖過程

主要根據堆積發酵區的條件滿足后，把二層的酒糟通過投料口下放給一層下窖機器人，通過需求投入相應的窖池內。二層設備下窖過程也是一個對散料的抓取過程，同樣結合3D數據對料堆進行取料的控制過程，主要采用高點模式、單排模式、區域模式進行抓取物料。

1）高點模式 依靠安裝在抓斗小車上的激光，通過激光的掃描對料堆的高度進行計算，得到最高點的位置并對其進行抓取。

2)單排模式 依靠安裝在抓斗小車上的激光，根據激光掃描的結果對料堆從一側開始單排抓取。

3)區域抓取 考慮到激光出現故障掃描數據不準確的情況下采用的抓取策略。先對料堆設置區域，再對該區域逐個抓取。當該區域抓取完畢重新標定一個新的區域繼續抓取。

2.1.4 自動運行的路徑規劃

結合不同料堆的高度和抓斗的運行距離、運行加速度、運行速度計算抓斗的最佳抓取路線，料堆高度為第1優先級、抓斗運行距離為第2優先級、抓斗運行加速度為第3優先級、抓斗運行速度為第4優先級，為不同的優先級分配權重系數，所述權重系數的總和為1。

2.2 窖池區設備控制流程

一層窖池區物料搬運起重機主要負責酒糟的下窖和起窖2個流程的工作。

2.2.1 酒糟下窖過程

一層下窖過程相比起窖過程和起堆過程簡單一些，只需要把二層對應的料堆的酒糟均勻地全部倒入一層窖池內，保障整個酒糟不溢出不灑落到窖池外側即可滿足，流程的編輯和操作規則相對簡單。

2.2.2 酒糟的起窖過程

起窖過程是一層窖池區搬運起重機工作的核心過程，也是整個項目自動化程度和效率高低的體現。常規的窖池抓斗設備的運行流程主要采用矩陣分塊式選擇抓取點，本文采用3D激光掃描儀配合矩陣分塊式抓取原則，首先把整個窖池進行依次編號，其次是把每個窖池劃分成2列，1～9單數一列，2～10偶數一列，3D掃描可得到當前窖池內的酒糟高度，并指導當前抓斗需要下降的高度和深度以滿足最大抓取量，窖池內的矩陣式分塊區域如圖4所示。窖池內搬運起重機自動只需在HMI上選取需要起窖的窖池編號和使用的抓斗的數量，系統自動判斷空余RGV小車的位置，自動抓取RGV空料箱和放置裝滿酒糟的滿料箱。一層窖池區物料搬運起重機自動操作流程如圖5觸摸屏界面所示。

圖4 窖池矩陣式分塊示意圖

圖5 智能物料搬運起重機控制系統框圖

2.3 搬運起重機3D掃描效果

整個系統內上下兩層搬運起重機都配備有3D掃描系統（見圖6），根據3D掃描的數據對系統進行模擬仿真，建立數字仿真模型，可直觀有效地觀察到車間每個窖池和料堆的實際情況并幫助車間管理人員及時了解到車間內的運維情況。

圖6 搬運起重機3D運維效果圖

3 展望與總結

智能物料搬運起重機在釀酒車間中的成功應用，幫助客戶降低了生產成本和管理成本，提高了生產效率和對生產過程的控制能力，有利于提升產品品質，大大縮短客戶的投資回報周期，但距離客戶的理想需求還有一定的差距，特別是在保障安全條件下的效率再提高是下一步需要研究的方向。隨著傳感器技術、無線通訊技術、互聯網技術和智能控制技術的不斷發展和提高，越來越多的智能技術將應用到傳統制造業，幫助和提高傳統制造業的生產效率和安全性。