李 遙,陳興杰,程 偉,李 娜,楊金玉,王法利,夏元金
(安徽金種子酒業(yè)股份有限公司,安徽阜陽 236023)
上甑作為白酒釀造的核心工序,往往要靠老師傅憑經(jīng)驗(yàn)操作,要求做到“輕、松、勻、薄、散、準(zhǔn)”,才能有效保證產(chǎn)酒的質(zhì)量和產(chǎn)量;然而,釀酒車間上甑作業(yè)區(qū)的溫度通常超過50 ℃,其工作環(huán)境濕熱、勞動(dòng)強(qiáng)度大,人工操作時(shí)常會(huì)因失誤等導(dǎo)致出酒率不穩(wěn)定。當(dāng)前,釀酒上甑操作之前大多采用人工布料形式,酒醅人工上甑的勞動(dòng)強(qiáng)度較大,生產(chǎn)效率、質(zhì)量和出酒率等受人為因素影響大。因此,酒醅上甑機(jī)器人在釀酒行業(yè)逐漸引起大家重視,并得到不斷的研發(fā)和應(yīng)用,有效保證了蒸餾工藝的效率,降低了釀酒操作的勞動(dòng)強(qiáng)度[1-3]。清香型白酒釀造過程中,經(jīng)槽車發(fā)酵后的酒醅再由翻轉(zhuǎn)機(jī)、螺旋輸送機(jī)等輸送設(shè)備進(jìn)入蒸餾上甑工序。酒醅上甑機(jī)器人將紅外探熱技術(shù)與機(jī)器人相結(jié)合,把復(fù)雜的白酒上甑工藝,編程寫入控制系統(tǒng)的機(jī)器人。由于安裝了紅外成像設(shè)備,當(dāng)感知到酒甑溫度開始變化,酒醅下已有蒸汽但還未冒出時(shí),機(jī)器人的布料機(jī)構(gòu)裝置迅速而均勻地將酒醅鋪撒在酒甑內(nèi),再蓋上甑蓋進(jìn)行蒸餾[4-5]。目前,市場已有的上甑機(jī)器人多采用標(biāo)準(zhǔn)多關(guān)節(jié)機(jī)器人,配置末端執(zhí)行布料機(jī)構(gòu)的形式來實(shí)現(xiàn)布料,每次布料時(shí)均需要預(yù)先接滿酒醅料,僅能實(shí)現(xiàn)單臺(tái)機(jī)器人對(duì)一個(gè)酒甑的布料操作,效率較低、設(shè)備利用率不高;操作過程中,未能對(duì)甑內(nèi)溫度實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控,布料效果欠佳,出酒率與人工布料相比不具明顯優(yōu)勢(shì)。
本研究從某型號(hào)上甑機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和自動(dòng)控制、在清香型白酒釀造生產(chǎn)中的應(yīng)用等方面,進(jìn)行分析和探討。該型號(hào)上甑機(jī)器人配備的柔性送料端承載平臺(tái),其承載平臺(tái)高度可控制,有效保證酒醅平緩的灑落在甄桶內(nèi),從而使鋪撒的酒醅保持疏松,提升后期蒸餾的加工效果;而且,承載平臺(tái)可以自轉(zhuǎn),在甄桶內(nèi)無死角灑料運(yùn)行??刂葡到y(tǒng)的蒸汽控制根據(jù)上甑工藝分為多階段實(shí)行,上甑階段調(diào)節(jié)方式為根據(jù)熱源檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)探測(cè)酒甑中蒸汽狀況,自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽壓力大小。通過該型號(hào)上甑機(jī)器人上甑與人工上甑的對(duì)比表明,機(jī)器人上甑時(shí)間符合工藝規(guī)定,同時(shí),機(jī)器人上甑出酒率與斷尾濃度均優(yōu)于人工上甑。
如圖1 所示的某型號(hào)上甑機(jī)器人,其主要包括:底座部、回轉(zhuǎn)部、大臂部、小臂部、布料皮帶機(jī)、熱源識(shí)別系統(tǒng)、工作面形態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分。其結(jié)構(gòu)具有的顯著特點(diǎn)主要有如下幾個(gè)方面:①模仿人轉(zhuǎn)身,機(jī)器人回轉(zhuǎn)部可帶動(dòng)大臂部以左右旋轉(zhuǎn),能夠在2 個(gè)酒甑間切換;②模仿人起身和俯身,大臂部可以俯仰運(yùn)動(dòng),能隨著酒醅布料層面增高而上升;③模仿人工手動(dòng)鋪料,小臂部有兩個(gè)動(dòng)作:360°無限旋轉(zhuǎn),-20°到-40°的擺動(dòng),可以模仿人工在酒甑上實(shí)現(xiàn)布料動(dòng)作,布料出口安裝布料皮帶機(jī),模仿人工水平鋪灑。
圖1 上甑機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)部件及控制系統(tǒng)
上甑機(jī)器人的基座設(shè)置于立柱的下方,立柱的上方通過大臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與大臂的一端連接,大臂的另一端固定連接小臂連接座,小臂連接座通過小臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與小臂連接。小臂主軸為空心軸,其下端通過小臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連接落料斗。螺旋輸送機(jī)構(gòu)設(shè)置于大臂支座的上部,其進(jìn)料端設(shè)有進(jìn)料斗,其出料端通過小臂主軸連通落料斗。大臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括位于大臂支座內(nèi)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和RV 減速機(jī),旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)過渡法蘭與RV減速機(jī)的輸入端連接,RV 減速機(jī)外圓與大臂支座相連,RV 減速機(jī)內(nèi)圓端面與動(dòng)臂相連。小臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置于小臂連接座上,其包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)減速機(jī)組、皮帶輪組,旋轉(zhuǎn)電機(jī)減速機(jī)組通過皮帶輪組驅(qū)動(dòng)小臂主軸旋轉(zhuǎn)。小臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括相互連接的擺動(dòng)電機(jī)減速機(jī)組和減速機(jī)吊耳,減速機(jī)吊耳固定于小臂主軸上,擺動(dòng)電機(jī)減速機(jī)組與落料斗直接連接。
上甑機(jī)器人在上甑工藝執(zhí)行方面的特點(diǎn)主要包括如下幾個(gè)方面:①模仿人工作業(yè):上甑設(shè)備要求做到自動(dòng)上甑,一臺(tái)上甑機(jī)器人負(fù)責(zé)兩個(gè)(或三個(gè))酒甑,無需人工輔助;布料頭可以實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng),能隨著酒醅布料層面增高而上升,出料口自動(dòng)跟隨貼近料面布料,保證不砸料,不堆積,不起團(tuán);酒醅輸送通過輸送機(jī)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)供料,將酒醅送到甑口;上甑時(shí)間可根據(jù)工藝要求在30~40 min/甑范圍內(nèi)調(diào)節(jié);布料頭可以實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)和90°擺動(dòng),模仿人工在酒甑上實(shí)現(xiàn)布料動(dòng)作。②遵循傳統(tǒng)工藝:采用熱源識(shí)別系統(tǒng)來檢測(cè)蒸汽分布情況,并引導(dǎo)布料頭將酒醅準(zhǔn)確布撒到將要穿汽的地方,實(shí)現(xiàn)連續(xù)“探氣上甑”;采用工作面形態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來檢測(cè)酒醅鋪撒的厚度或均勻性;上甑機(jī)器人既能自動(dòng)控制相關(guān)外圍設(shè)備的啟停,也能單獨(dú)手動(dòng)控制;上甑機(jī)器人可自動(dòng)控制酒甑、甑蓋、蒸汽大小等,也能單獨(dú)手動(dòng)控制,可實(shí)現(xiàn)蒸汽控制與機(jī)器人布料動(dòng)作聯(lián)動(dòng)。
應(yīng)用過程中,上甑機(jī)器人還具有其他方面的顯著特點(diǎn):①安全:上甑機(jī)器人布料時(shí)運(yùn)動(dòng)部分只能在酒甑直徑范圍內(nèi)移動(dòng),不得超出甑體范圍;設(shè)備與原料接觸部分必須采用食品級(jí)材質(zhì)設(shè)計(jì)制作;設(shè)備設(shè)計(jì)制造必須具備防酸、防腐、防潮等特性;所有設(shè)備活動(dòng)范圍有警示標(biāo)志,上甑機(jī)器人要有機(jī)械安全防護(hù)和電氣安全防護(hù);②設(shè)備清洗方便:上甑機(jī)器人具有自動(dòng)清潔功能,能完成80%的清潔工作,省時(shí)省力;上甑機(jī)器人具有自動(dòng)清洗模式按鈕。
上甑過程中,通過立柱升降機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)立柱的高度,以使機(jī)器人能適應(yīng)相應(yīng)蒸餾甑的作業(yè)要求。小臂上的熱源感知系統(tǒng)和激光測(cè)距系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)甑內(nèi)溫度,并迅速確定最高溫度坐標(biāo)位置。大臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)大臂旋轉(zhuǎn)到落料區(qū),小臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小臂旋轉(zhuǎn),對(duì)落料方向進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。最后小臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)落料斗擺動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)均勻、高效地布料,如此循環(huán)作業(yè)。皮帶輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)將酒醅送到甑口(模仿工人運(yùn)送酒醅),布抖動(dòng)機(jī)構(gòu)、布抖頭等可以實(shí)現(xiàn)將酒醅均勻鋪撒在酒甑里。工作面形態(tài)探測(cè)系統(tǒng),可以檢測(cè)酒醅鋪撒的厚度或均勻性,熱源檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)主要用于檢測(cè)蒸汽分布情況,并引導(dǎo)布料頭將酒醅準(zhǔn)確布撒到將要穿汽的地方(相當(dāng)于上甑技師的眼睛),實(shí)現(xiàn)“見汽壓醅”,圖2 所示的上甑機(jī)器人酒醅熱源探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)成像,溫差布料法避免了酒精蒸汽散失,提高了出酒率。
圖2 上甑機(jī)器人酒醅熱源探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)成像
上甑機(jī)器人的軟件配置主要包括:機(jī)器人控制器、控制軟件、熱源檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)、工作形態(tài)探測(cè)系統(tǒng)等,上甑機(jī)器人的布料自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)包括紅外傳感器、激光測(cè)距傳感器、內(nèi)嵌運(yùn)算軟件的控制器,紅外傳感器用于識(shí)別熱源位置并向控制器發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。激光測(cè)距傳感器用于感知距離并向控制器發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),控制器通過其內(nèi)嵌的軟件結(jié)合紅外傳感器和激光測(cè)距傳感器傳來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算出熱源的絕對(duì)坐標(biāo),同時(shí)可以屏蔽掉紅外傳感感知的罐體內(nèi)壁的余溫,有利于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)甑內(nèi)溫度并迅速確定最高溫度坐標(biāo)位置,最高溫度處即為冒蒸汽最多處,也即是布料較少處,使布料智能化。
圖3 為上甑機(jī)器人蒸汽控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu),控制系統(tǒng)的蒸汽控制根據(jù)上甑工藝分為多階段實(shí)行,上甑階段調(diào)節(jié)方式為根據(jù)熱源檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)探測(cè)酒甑中蒸汽狀況,自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽壓力大小。餾酒時(shí)調(diào)節(jié)方式為根據(jù)工藝設(shè)定壓力值保持恒定壓力,主系統(tǒng)根據(jù)酒甑壓力傳感器反饋值,進(jìn)行PID 調(diào)節(jié),達(dá)到穩(wěn)定控制酒甑蒸汽。手動(dòng)控制時(shí),在觸摸屏上切換至手動(dòng)控制,設(shè)定需求閥門開關(guān)大小,系統(tǒng)控制閥門開關(guān)。關(guān)閉手動(dòng)閥,可用現(xiàn)場并聯(lián)手動(dòng)閥門進(jìn)行手動(dòng)控制蒸汽大小。熱源識(shí)別系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)壓力的作用,通過人工設(shè)置壓力值,蒸汽控制系統(tǒng)接收壓力值,蒸汽控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽大小。圖4 為小曲清香型釀酒車間酒醅上甑機(jī)器人及其周邊控制設(shè)備,配備有酒醅輸送系統(tǒng)、蒸汽控制系統(tǒng)、水冷冷卻系統(tǒng)、自動(dòng)摘酒系統(tǒng)等。
圖3 上甑機(jī)器人蒸汽控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)
圖4 酒醅上甑機(jī)器人及其周邊控制設(shè)備(小曲清香型釀酒車間)
根據(jù)釀酒工藝要求,對(duì)上甑機(jī)器人的功能及其配套設(shè)備的需求主要包括酒醅的輸送轉(zhuǎn)移,酒醅需要鋪放到甑桶內(nèi)的任意空間位置,甑桶內(nèi)酒醅表面的溫度或蒸汽等信息需要實(shí)時(shí)采集,順利進(jìn)行多個(gè)工位之間的切換等方面。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,酒醅上甑機(jī)器人在白酒釀造行業(yè)逐漸引起重視,并得到不斷的研究和應(yīng)用,有效保證了蒸餾工序的效率,降低了釀酒操作的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前,通過實(shí)現(xiàn)原理和功能等進(jìn)行分類,上甑機(jī)器人可分為基于關(guān)節(jié)機(jī)器人的上甑機(jī)器人和專用型上甑機(jī)器人等兩大類。
當(dāng)前,酒醅上甑機(jī)器人主要配旋轉(zhuǎn)酒甑作為應(yīng)用較好的蒸餾方式,但實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)探氣和精細(xì)化鋪料操作等較難控制,尤其是對(duì)于物料黏度較大的濃香型白酒[6],因此,上甑過程中通常輔以人工上料配合操作。酒醅上甑蒸餾的機(jī)械化方面還需要進(jìn)一步改良上甑機(jī)器人,以更好的滿足各種上甑工藝要求,根據(jù)不同香型白酒酒醅的特點(diǎn)滿足上甑操作需要;同時(shí),連續(xù)蒸餾有利于提高酒醅蒸餾的機(jī)械化程度,有利于實(shí)現(xiàn)釀酒過程的連續(xù)化。
機(jī)械化釀酒車間物料輸送設(shè)備主要包括輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、管道泵配合管道輸送設(shè)備和氣力輸送設(shè)備等,其中的輸送機(jī)采取皮帶、鏈?zhǔn)?、埋刮板、螺旋等方式。在白酒釀造生產(chǎn)過程中,需要根據(jù)物料性質(zhì)以及生產(chǎn)要求選擇合適的輸送設(shè)備[7-8]。釀酒發(fā)酵工序中,尤其是清香型白酒的發(fā)酵普遍采用槽車發(fā)酵工藝,使用叉車輸送槽車;在窖池發(fā)酵的工藝,使用行車配合抓斗或吊斗等實(shí)現(xiàn)入池和挖窖的機(jī)械化操作[9]。圖5 為酒醅上甑機(jī)器人及其配套酒醅輸送設(shè)備,機(jī)械化輸送設(shè)備的應(yīng)用,降低了釀酒操作的勞動(dòng)強(qiáng)度,改善了釀酒車間的工作環(huán)境。
圖5 酒醅上甑機(jī)器人及其配套酒醅輸送設(shè)備
小曲清香型白酒釀造生產(chǎn)的蒸糧工序通常包括泡糧、初蒸、燜水、復(fù)蒸等4 個(gè)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的蒸糧工藝將原糧放入酒甑內(nèi)完成泡糧、初蒸、燜水、復(fù)蒸等工序,蒸糧工序的勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工需求多、蒸煮時(shí)間長。目前,主要采用泡糧桶和帶壓蒸煮罐組成的泡糧蒸糧一體機(jī)完成蒸糧工藝操作,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,減少了蒸煮時(shí)間;同時(shí),改善了工作環(huán)境,取得了較好的應(yīng)用效果,對(duì)提高原酒的出酒率起到積極的促進(jìn)作用。
糧醅的攤晾操作是白酒釀造過程中的重要工序,傳統(tǒng)的攤晾方式是通過人工翻拌和自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)的方式實(shí)現(xiàn)糧醅的快速降溫,當(dāng)前較多的是使用攤晾機(jī)作為通風(fēng)攤晾設(shè)備。攤晾機(jī)的主體一般包含鏈輪輸送機(jī)構(gòu)、鼓風(fēng)降溫機(jī)構(gòu)、機(jī)械翻拌機(jī)構(gòu)等部分,根據(jù)不同的工藝需求,目前已形成能夠滿足加水、加曲、加酵母、低溫?cái)偭?、常溫?cái)偭酪约巴ㄟ^溫度傳感器自動(dòng)控制調(diào)整風(fēng)量的各種類型的攤晾機(jī),基本滿足了各種不同香型白酒釀造工藝的糧醅自動(dòng)機(jī)械化攤晾操作。
目前,根據(jù)水資源條件和自然氣候環(huán)境狀況,主要應(yīng)用水冷式冷卻器、風(fēng)冷式冷卻器等蒸餾冷卻設(shè)備。其中,水冷式冷卻器通過冷卻水與酒蒸汽的按序逆流,其冷凝速度快、冷卻效率高;風(fēng)冷式冷卻器將酒蒸汽通過翅片管與冷卻風(fēng)交換熱量,冷卻效率高;同時(shí),水冷式冷卻器和風(fēng)冷式冷卻器均可以通過溫度傳感器實(shí)現(xiàn)酒溫與冷卻風(fēng)量的自動(dòng)控制。水冷式冷卻器冷卻效果較穩(wěn)定,但水的消耗較大;風(fēng)冷式冷卻器雖節(jié)約用水,但是需要消耗電能,由于風(fēng)的不穩(wěn)定性和降溫效率,導(dǎo)致冷卻穩(wěn)定效果稍差。
摘酒操作是生產(chǎn)高質(zhì)量白酒的關(guān)鍵環(huán)節(jié),傳統(tǒng)摘酒方法包括“看花摘酒,量質(zhì)摘酒和分段摘酒”等,傳統(tǒng)的摘酒操作通常取決于摘酒工的水平和經(jīng)驗(yàn),出酒率和優(yōu)質(zhì)酒率都難以保證。圖6 為清香型釀酒車間酒醅上甑機(jī)器人的實(shí)物圖,配備有水冷冷卻器、自動(dòng)摘酒裝置等設(shè)備。自動(dòng)摘酒裝置摘酒的主要操作方式是采用DCS 系統(tǒng),在甑桶甑蓋出口上設(shè)置溫度變送器、壓力變送器以及在出酒管道上設(shè)置酒精度、風(fēng)味物質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀等,通過收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行比對(duì)判斷,以控制接酒點(diǎn)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開閉。目前,自動(dòng)摘酒在清香型白酒的摘酒中應(yīng)用效果較好,由于濃香、芝麻香等香型白酒的摘酒分級(jí)較為復(fù)雜,因而不適宜采用自動(dòng)摘酒方式。
圖6 酒醅上甑機(jī)器人的實(shí)物圖(小曲清香型釀酒車間)
如圖7 所示,應(yīng)用上甑機(jī)器人后,9 月份產(chǎn)酒優(yōu)級(jí)率較人工上甑平均優(yōu)級(jí)率高出2.5 %,達(dá)到92.5%優(yōu)級(jí)率目標(biāo),出酒率同比人工上甑有大幅上升,平均出酒率提升8.95 %。根據(jù)2—3 班所交付到酒庫的酒質(zhì)分析,機(jī)器人上甑與人工上甑的酒質(zhì)無明顯差異。相比出酒率情況,從7 月份機(jī)器人與人工各上一口甑的產(chǎn)酒分析,機(jī)器人上甑的單甑產(chǎn)量較人工上甑的單甑產(chǎn)量平均高出4.3 kg 左右。由表1 根據(jù)以上機(jī)器人上甑與人工上甑的對(duì)比可知,機(jī)器人上甑時(shí)間符合工藝規(guī)定;同時(shí),機(jī)器人上甑出酒率與斷尾濃度均優(yōu)于人工上甑。
圖7 清香型釀酒車間應(yīng)用上甑機(jī)器人后的產(chǎn)酒情況對(duì)比
表1 采用機(jī)器人上甑的使用效果(清香型釀酒車間)
隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步與應(yīng)用,白酒機(jī)械化釀造模式具有明顯時(shí)代特征,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了勞動(dòng)效率,實(shí)現(xiàn)了白酒釀造的清潔化和節(jié)能減排,尤其是小曲清香型白酒釀造車間的機(jī)械化程度較高。機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的白酒釀造行業(yè),對(duì)改進(jìn)和完善釀酒生產(chǎn)工藝,解決釀酒行業(yè)的工作環(huán)境差,招工難等問題都有積極的意義。傳統(tǒng)的白酒釀造設(shè)備,向機(jī)械化、智能化釀造設(shè)備成套生產(chǎn)線轉(zhuǎn)型,具有重要意義[10]。在實(shí)際生產(chǎn)中,機(jī)器人上甑存在著“探氣不準(zhǔn)、鋪料不均、壓蒸”等問題,影響酒質(zhì)和出酒率,仍需要不斷開展理論研究與實(shí)踐,從而為上甑機(jī)器人的研發(fā)提供指導(dǎo)。機(jī)器人上甑的研究與實(shí)踐重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)探氣、精細(xì)化鋪料,解決漏氣等問題,還需要優(yōu)化機(jī)器人的鋪料運(yùn)動(dòng)路徑,以提高響應(yīng)速度,優(yōu)化對(duì)上甑時(shí)間的把控,提高蒸餾效率。