基于机器视觉装甑布料自动化控制系统的监控设计

严陈　张轶　季惠

【摘 要】近2年来随着电子及自动化技术的发展，长期以人工操作为主的白酒酿制行业的装甑工序也逐步进入了自动化控制的时代，出现了各种针对装甑布料操作的自动化控制系统。然而毕竟时间不长，无论何种控制方式技术都仍然需要不断的完善。本文主要针对基于机器视觉装甑布料控制系统，在详细分析了其结构原理、控制程序及关键工艺要求的基础上，提取出装甑布料控制过程中的重要工艺参数，并将这些参数配合整个工序的控制过程利用西门子WINCC软件设计出了相应的监控程序。实践证明，该监控程序与原有的基于PLC的控制系统相配合能够进一步提高装甑工序的效率及减少对人工的现场依赖，具有一定的推广意义。

【关键词】白酒酿制；装甑工序；自动化控制；监控程序

1 装甑的自动化控制工序

装甑操作工序在白酒制造过程中起着关键的作用。装甑水平的高低，直接影响到白酒的产量和质量。如图1所示为清香型大曲酒生产工艺流程图，其中涉及到装甑操作的有三处之多，可见装甑操作的重要程度。制酒过程中进行装甑工序的目的是要为蒸馏创造一个理想的界面交换环境以及确定糟醅量。

由于作者所在的团队设计的基于机器视觉的装甑布料系统，是基于人工经验操作模型的。为了更好地理解自动化程序控制的内容，在这里首先介绍一下人工装甑的工序及要求。图2所示为装甑工艺设备。

1.1 人工装甑的工序

（1）首先在甑底撒一层稻壳。稻壳能提高酒醅的疏松度和含氧量以及增加界面作用，使蒸馏和发酵能顺利进行。此外，它还可以调节酒醅的淀粉密度，冲淡或提高酸度，吸收酒精，保持浆水，有利于酒醅正常升温；

（2）逐层向甑底撒酒醅。撒酒醅时要均匀，要及时将冒出的酒气盖住，以防止酒挥发。

（3）撒够足够的层数之后，把酒醅堆积成四周高中间低的样式。然后盖上盖子在盖子的边缘加水密封进一步防止酒的挥发。然后利用过热蒸汽进行蒸馏、出酒（掐酒头、去酒尾）。

（4）最后为使酒尾能充分利用，不浪费，可将上一甑的酒尾倒入下一甑的底部，让其中的酒精随蒸汽挥发出来。

1.2 自动化装甑的工序

1.装甑机器人 2.装甑执行机构 3.装甑视觉系统 4.甑桶

如图3所示为所设计的基于机器视觉装甑布料系统结构图，图4为其自动化控制工艺流程图，首先将通过PLC控制的装甑机器人的执行机构移动到到甑桶正上方，进行参数设定，之后按照设定好的参数在甑桶底部铺洒三层稻壳底料；铺好底料后，PLC控制打开蒸汽阀门通入蒸汽进行逐区（设计时将甑桶分为包括中间圆形区域1个，边部环形4个区以及最外圈环形6个区等共11个区域组成每层）逐层洒酒醅，每洒一层通过配备的红外热像仪对蒸汽压力、每一层每一区域的酒醅表面温度及高度数据、上甑时间等进行实时监控；每层铺料完成后，根据撒料区表面温度数据，“判断”出跑气区域的位置并据此得到需要补料区域的特征参数，控制执行机构进行补料操作，补料结束后，本层次铺料完成，继续下一层；最后，检查蒸汽压力以及铺设形状是否满足四周高中间低的形式，不满足，通过四周加料或者中心挖料的方式进行调整。调整完毕之后，迅速加盖进行蒸馏出酒操作。

图4 自动化控制工艺流程图

2 装甑的方法和工艺要求

结合人工经验，装甑方式可以采取“中心平撒，边部斜洒，局部跑气点撒”三种撒法相结合的方式。根据装甑过程“轻撒匀铺，见汽就撒，见潮就撒，探汽上甑”的工艺要求，装甑时应注意的事项如下所示：

（1）铺洒稻壳的时候要中心稍厚四周略薄，在不易来汽的部位多铺一些；

（2）第一层酒醅厚度控制在约为60～100cm，以便形成蒸汽分配层，待蒸汽压力达到0.02～0.03Mpa时开始装甑；

（3）上甑时要准、薄、轻、松、平，糟醅一定要拌和均匀，不能出现颗粒较大的酒醅；

（4）甑内上汽要齐、不压汽、不跑汽。底层注意边部的厚度稍高，中层注意厚度均匀，上层蒸汽压力需要达到0.03～0.04Mpa，最后保持甑边稍高于甑中间部分4-5cm；

（5）控制上甑的时间，一般装甑900kg，要求不少于30分钟，并合理控制蒸汽压力；

（6）完成最后一层，要快速封底，迅速合盖，避免跑气。因此需要控制封底的装甑速度；

（7）出酒温度需要控制，一般汾酒25～30度（根据冷却水的流量來调节），出酒一定时间之后，增大蒸汽压力，防止塌酒。

由以上装甑过程和装甑工艺要求可见：装甑过程中，要对蒸汽压力、酒醅层厚度、层厚均匀度、酒醅区域表面温度、出酒温度、铺料速度、上甑时间等进行实时控制。装甑蒸馏过程中，这些关键参数的好坏能够直接影响到出酒的品质，而一个甑桶中出酒的摘头去尾量也能够反馈出控制过程的好坏。因此，设计监控软件的主要目的就是对以上参数进行实时监测，以便能够及时调整。

3 装甑系统硬件结构及软件设计

基于机器视觉的装甑机器人系统的网络结构配置，人机界面监控计算机与其他控制部分通过工业以太网连接，从而便于数据传输，传输速度为100M/s。为了将来能够事先更好的控制效果，预留一台计算机作为将来利用数学模型进行过程控制系统备用接口。

在装甑机器人开始工作之前，由人工从人机界面计算机输入事先需要设定好的各种参数，包括装甑机器执行机构的移动方向、移动距离、移动速度等。输入完毕后，数据会通过通讯程序传递以及基础自动化程序，基础自动化会根据人机界面上的控制数据进行控制。

装甑过程中，基础自动化控制系统直接对各控制部件进行控制，并通过各种检测仪表进行数据检测及监控，在进行相关控制的同时，基础自动化可以通过相关通讯程序将检测数据反馈给人机界面系统。人机界面系统接收到反馈数据后，会将相关的数据进行保存备份，同时会根据相关实时数据进行控制参数修正及调整，并将修正数据通过通讯程序传递给基础自动化，由基础自动化执行相关操作。就这样，通过人机界面的终端机操作人员可以根据数据进行下一步动作判断，从而实现对实际生产的监督及实际控制。

实际操作过程中，人工可以通过该主界面进行参数设定，撒料方式选择，装料速度控制等操作，最主要的是可以通过该界面监控真个装甑过程中蒸汽压力、酒醅料层厚度、跑气区域采集、冷却水温度监控等一系列参数，并可以实时调整，已实现装甑工序最优化的目的。

4 结论

本研究设计并实现了基于西门子WINCC的针对具有机器视觉的装甑布料控制系统的监控作用，并成功应用于基于机器视觉装甑布料系统实验机上，该系统运行稳定、可靠，传输数据准确、可信。实践表明，该监控界面的设计程序与系统原有基于PLC的基础自动化控制程序能够很好地配合，不仅进一步提高了装甑效率以及减少现场对于人工的依赖，也大大的提高了出酒质量，具有一定的推广意义。

【参考文献】

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