基于機器視覺裝甑布料自動化控制系統(tǒng)的監(jiān)控設計

嚴陳　張軼　季惠

【摘 要】近2年來隨著電子及自動化技術的發(fā)展，長期以人工操作為主的白酒釀制行業(yè)的裝甑工序也逐步進入了自動化控制的時代，出現(xiàn)了各種針對裝甑布料操作的自動化控制系統(tǒng)。然而畢竟時間不長，無論何種控制方式技術都仍然需要不斷的完善。本文主要針對基于機器視覺裝甑布料控制系統(tǒng)，在詳細分析了其結構原理、控制程序及關鍵工藝要求的基礎上，提取出裝甑布料控制過程中的重要工藝參數(shù)，并將這些參數(shù)配合整個工序的控制過程利用西門子WINCC軟件設計出了相應的監(jiān)控程序。實踐證明，該監(jiān)控程序與原有的基于PLC的控制系統(tǒng)相配合能夠進一步提高裝甑工序的效率及減少對人工的現(xiàn)場依賴，具有一定的推廣意義。

【關鍵詞】白酒釀制；裝甑工序；自動化控制；監(jiān)控程序

1 裝甑的自動化控制工序

裝甑操作工序在白酒制造過程中起著關鍵的作用。裝甑水平的高低，直接影響到白酒的產量和質量。如圖1所示為清香型大曲酒生產工藝流程圖，其中涉及到裝甑操作的有三處之多，可見裝甑操作的重要程度。制酒過程中進行裝甑工序的目的是要為蒸餾創(chuàng)造一個理想的界面交換環(huán)境以及確定糟醅量。

由于作者所在的團隊設計的基于機器視覺的裝甑布料系統(tǒng)，是基于人工經驗操作模型的。為了更好地理解自動化程序控制的內容，在這里首先介紹一下人工裝甑的工序及要求。圖2所示為裝甑工藝設備。

1.1 人工裝甑的工序

（1）首先在甑底撒一層稻殼。稻殼能提高酒醅的疏松度和含氧量以及增加界面作用，使蒸餾和發(fā)酵能順利進行。此外，它還可以調節(jié)酒醅的淀粉密度，沖淡或提高酸度，吸收酒精，保持漿水，有利于酒醅正常升溫；

（2）逐層向甑底撒酒醅。撒酒醅時要均勻，要及時將冒出的酒氣蓋住，以防止酒揮發(fā)。

（3）撒夠足夠的層數(shù)之后，把酒醅堆積成四周高中間低的樣式。然后蓋上蓋子在蓋子的邊緣加水密封進一步防止酒的揮發(fā)。然后利用過熱蒸汽進行蒸餾、出酒（掐酒頭、去酒尾）。

（4）最后為使酒尾能充分利用，不浪費，可將上一甑的酒尾倒入下一甑的底部，讓其中的酒精隨蒸汽揮發(fā)出來。

1.2 自動化裝甑的工序

1.裝甑機器人 2.裝甑執(zhí)行機構 3.裝甑視覺系統(tǒng) 4.甑桶

如圖3所示為所設計的基于機器視覺裝甑布料系統(tǒng)結構圖，圖4為其自動化控制工藝流程圖，首先將通過PLC控制的裝甑機器人的執(zhí)行機構移動到到甑桶正上方，進行參數(shù)設定，之后按照設定好的參數(shù)在甑桶底部鋪灑三層稻殼底料；鋪好底料后，PLC控制打開蒸汽閥門通入蒸汽進行逐區(qū)（設計時將甑桶分為包括中間圓形區(qū)域1個，邊部環(huán)形4個區(qū)以及最外圈環(huán)形6個區(qū)等共11個區(qū)域組成每層）逐層灑酒醅，每灑一層通過配備的紅外熱像儀對蒸汽壓力、每一層每一區(qū)域的酒醅表面溫度及高度數(shù)據(jù)、上甑時間等進行實時監(jiān)控；每層鋪料完成后，根據(jù)撒料區(qū)表面溫度數(shù)據(jù)，“判斷”出跑氣區(qū)域的位置并據(jù)此得到需要補料區(qū)域的特征參數(shù)，控制執(zhí)行機構進行補料操作，補料結束后，本層次鋪料完成，繼續(xù)下一層；最后，檢查蒸汽壓力以及鋪設形狀是否滿足四周高中間低的形式，不滿足，通過四周加料或者中心挖料的方式進行調整。調整完畢之后，迅速加蓋進行蒸餾出酒操作。

圖4 自動化控制工藝流程圖

2 裝甑的方法和工藝要求

結合人工經驗，裝甑方式可以采取“中心平撒，邊部斜灑，局部跑氣點撒”三種撒法相結合的方式。根據(jù)裝甑過程“輕撒勻鋪，見汽就撒，見潮就撒，探汽上甑”的工藝要求，裝甑時應注意的事項如下所示：

（1）鋪灑稻殼的時候要中心稍厚四周略薄，在不易來汽的部位多鋪一些；

（2）第一層酒醅厚度控制在約為60～100cm，以便形成蒸汽分配層，待蒸汽壓力達到0.02～0.03Mpa時開始裝甑；

（3）上甑時要準、薄、輕、松、平，糟醅一定要拌和均勻，不能出現(xiàn)顆粒較大的酒醅；

（4）甑內上汽要齊、不壓汽、不跑汽。底層注意邊部的厚度稍高，中層注意厚度均勻，上層蒸汽壓力需要達到0.03～0.04Mpa，最后保持甑邊稍高于甑中間部分4-5cm；

（5）控制上甑的時間，一般裝甑900kg，要求不少于30分鐘，并合理控制蒸汽壓力；

（6）完成最后一層，要快速封底，迅速合蓋，避免跑氣。因此需要控制封底的裝甑速度；

（7）出酒溫度需要控制，一般汾酒25～30度（根據(jù)冷卻水的流量來調節(jié)），出酒一定時間之后，增大蒸汽壓力，防止塌酒。

由以上裝甑過程和裝甑工藝要求可見：裝甑過程中，要對蒸汽壓力、酒醅層厚度、層厚均勻度、酒醅區(qū)域表面溫度、出酒溫度、鋪料速度、上甑時間等進行實時控制。裝甑蒸餾過程中，這些關鍵參數(shù)的好壞能夠直接影響到出酒的品質，而一個甑桶中出酒的摘頭去尾量也能夠反饋出控制過程的好壞。因此，設計監(jiān)控軟件的主要目的就是對以上參數(shù)進行實時監(jiān)測，以便能夠及時調整。

3 裝甑系統(tǒng)硬件結構及軟件設計

基于機器視覺的裝甑機器人系統(tǒng)的網絡結構配置，人機界面監(jiān)控計算機與其他控制部分通過工業(yè)以太網連接，從而便于數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速度為100M/s。為了將來能夠事先更好的控制效果，預留一臺計算機作為將來利用數(shù)學模型進行過程控制系統(tǒng)備用接口。

在裝甑機器人開始工作之前，由人工從人機界面計算機輸入事先需要設定好的各種參數(shù)，包括裝甑機器執(zhí)行機構的移動方向、移動距離、移動速度等。輸入完畢后，數(shù)據(jù)會通過通訊程序傳遞以及基礎自動化程序，基礎自動化會根據(jù)人機界面上的控制數(shù)據(jù)進行控制。

裝甑過程中，基礎自動化控制系統(tǒng)直接對各控制部件進行控制，并通過各種檢測儀表進行數(shù)據(jù)檢測及監(jiān)控，在進行相關控制的同時，基礎自動化可以通過相關通訊程序將檢測數(shù)據(jù)反饋給人機界面系統(tǒng)。人機界面系統(tǒng)接收到反饋數(shù)據(jù)后，會將相關的數(shù)據(jù)進行保存?zhèn)浞?，同時會根據(jù)相關實時數(shù)據(jù)進行控制參數(shù)修正及調整，并將修正數(shù)據(jù)通過通訊程序傳遞給基礎自動化，由基礎自動化執(zhí)行相關操作。就這樣，通過人機界面的終端機操作人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)進行下一步動作判斷，從而實現(xiàn)對實際生產的監(jiān)督及實際控制。

實際操作過程中，人工可以通過該主界面進行參數(shù)設定，撒料方式選擇，裝料速度控制等操作，最主要的是可以通過該界面監(jiān)控真?zhèn)€裝甑過程中蒸汽壓力、酒醅料層厚度、跑氣區(qū)域采集、冷卻水溫度監(jiān)控等一系列參數(shù)，并可以實時調整，已實現(xiàn)裝甑工序最優(yōu)化的目的。

4 結論

本研究設計并實現(xiàn)了基于西門子WINCC的針對具有機器視覺的裝甑布料控制系統(tǒng)的監(jiān)控作用，并成功應用于基于機器視覺裝甑布料系統(tǒng)實驗機上，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，傳輸數(shù)據(jù)準確、可信。實踐表明，該監(jiān)控界面的設計程序與系統(tǒng)原有基于PLC的基礎自動化控制程序能夠很好地配合，不僅進一步提高了裝甑效率以及減少現(xiàn)場對于人工的依賴，也大大的提高了出酒質量，具有一定的推廣意義。

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