智能物料搬运起重机在酿酒行业中的应用

方线伟 袁秀峰 王晓光 周志远

法兰泰克重工股份有限公司 苏州 215211

0 引言

随着国民生活水平的不断提高，白酒消费市场呈现出逐年扩大的现象，酱香型白酒更是受到大众的喜爱，2021年中国白酒行业规模以上企业产量完成716万kL，在酿酒产业中，白酒以13.2%市场份额占据整个饮料酒销售收入69.5%。从古至今，酿酒的工艺在不断进步，可以酿造出不同口味的白酒，然而酿酒工艺中还是有很多人工的参与，人工参与酿酒的程度不同，酿出酒的口味就会千差万别。随着自动化技术不断发展，越来越多的行业在推广自动化产线更新换代。酿酒企业为提高酿酒效率和产量的同时降低产品差异性，在制曲、提取、勾兑等环节中选用自动化技术。在酒糟的窖池区和堆积发酵区采用搬运起重机可实现全自动操作功能，以达到减少人工工作强度、提高设备安全性、实现物料的信息化和预防性维护、提升设备的综合运行效率的目的。

本文以某酱香型白酒技改项目为例，介绍智能物料搬运起重机在酿酒行业的应用。传统的酿酒工艺中窖池区和堆积发酵区布置在厂房的同一层，属于平铺式的布局，酒糟从窖池取出后直接放到旁边进行蒸煮、晾晒和堆积发酵，然后再下窖。酱酒核心地带土地资源紧缺，窖池的数量直接影响到酒厂的产酒量。为了有效利用稀缺的土地资源、提高空间利用率，把窖池区和堆积发酵区进行分层管理，建立多层酿酒车间，一层设备主要用于窖池，二层以上用于酒糟的蒸煮、晾晒和堆积发酵，为了减少人工参与和提高物料的搬运效率，上下多层分别布置一台智能搬运起重机，完成酿酒过程中的起窖、起堆、移堆、下窖等过程，实现2层物料之间无缝对接，助力客户实现智能酿造。

智能物料搬运起重机可实现手动控制、本地全自动、远程全自动3种操作模式的切换。在自动化模式下，运用3D数据扫描，结合智能搬运起重机三维坐标，通过正态分布（高斯分布）处理选取物料最高点，机器人按照最高位置抓取物料，位置选取采用遗传算法和激光扫描相结合，地面PLC实时更新酒糟料堆模型的高度信息，每次抓取首选最高点原则，运行距离和运行速度相结合来规划运行路径，直到本次执行任务清单全部结束停止抓取。智能物料搬运起重机项目投产以后帮助酿酒客户实现了从传统酿造向智能酿造的全面转型，降低了60%的场地需求，节省了67%的人力需求，节约了54%的耗水量，实现单位面积产能的翻倍提升。

1 硬件设计

智能物料搬运起重机采用PLC、变频器、伺服控制器组成本地控制系统。外部采用条码扫描仪、激光测距仪、绝对值编码器作为位置检测元件，2台设备之间采用漏波电缆无线通讯，在地面增加PLC控制系统和HMI（触摸屏）完成2台设备之间控制和操作流程的选择。

1.1 机械结构组成

整个控制系统内有上下2台设备组成，一层设备主要负责窖池内酒糟的下窖和起窖工作，机械结构有大车桥架、抓斗起升机构、小车运行机构、料斗转运机构，每个机构的控制电动机采用异步变频电动机，抓斗开闭采用伺服电动机控制；二层设备主要负责酒糟的起堆、移堆、通过地面伸缩投料口向一层设备投料下窖工作，主要机械结构与一层设备相似。表1为各个机构的运行速度和定位精度要求。

表1 各个机构的基本运行参数

1.2 整体系统的控制框图

控制系统由地面系统、设备本体电控系统、电动机驱动控制系统组成的三级网络段，可避免设备单机通讯和地面系统网络数据通讯干扰的问题。地面控制包含上位机监控系统、HMI、PLC控制器（整个系统的运行算法和数据监控收集）；设备本体控制主要有PLC控制器、HMI、3D扫描系统、电动机驱动控制系统、三维位置检测系统，整体系统的控制框图如图1所示。

图1 智能物料搬运起重机控制系统框图

1.3 地面控制系统方案设计

地面控制系统的PLC和设备PLC之间的通讯、上位机与设备激光扫描仪之间的通讯共同采用高可靠性能的漏波电缆方式，通过PLC心跳信号判断网络通讯的质量，内部采用PN协议进行内部故障诊断保护功能，地面HMI可实现本地窖池和料堆选择、地面和设备本体的数据监控功能。

1.4 设备本体控制系统方案设计

设备本体采用PLC集中控制，由三维坐标系统、变频驱动、速度编码器、定位控制程序组成基本控制系统，其中三维坐标系统采用位置和速度双闭环冗余定位，PLC通过三维坐标测距传感器检测各个机构当前位置，结合执行清单的目标位置和任务，进行运动控制算法，然后直接控制相对应的机构变频驱动完成系统分配的任务。

1）大车机构 大车定位采用条码测距的方式实现精确定位，采用激光测距作为位置冗余保护，同时电动机的增量型编码器和变频器形成速度环，实现高精度的快速定位功能。

2）抓斗小车机构 抓斗小车定位采用激光测距进行小车双侧测距，测量精度高，可实现速度及位置双重保护，并起到冗余保护作用，同时电动机的增量型编码器和变频器形成速度环，实现高精度的快速定位功能。

3）起升机构 起升定位采用绝对值编码器计算卷筒圈数转换成起升高度。同时采用设置在起升电动机轴增量型编码器计算起升位置作为位置冗余保护和速度检测。

4）转运小车机构 转运小车定位采用条码测距的方式实现精确定位，采用绝对值编码器作为位置冗余保护，同时电动机的增量型编码器和变频器形成速度环，实现高精度的快速定位功能。

5）防摇控制 机械上采用刚性伸缩套筒防摇和伸缩剪叉式防摇，电气控制上大小车运行采用加速度S曲线和防摇控制软件相结合，强化其防摇和防振效果，同时提高智能起重机的定位效率，实现满足节拍要求的精确定位。

6）窖池和料堆3D扫描 2D激光扫描料堆高度，并依靠小车的移动合成料堆和窖池表面的3D轮廓（见图2），将所得到的距离数据转换成X、Y、Z三维坐标，并实时返回3个数据以及所在料堆的编号进入设备本体PLC，在设备本体PLC中进行数据比对找出设备抓斗要在此料堆抓取的位置，地面PLC实时更新所建模型的高度信息，给设备提供最高点的坐标值，实现自动抓取高点和计算料堆的体积。

图2 智能物料搬运起重机3D扫描图

7）无线通讯系统 上下两层搬运起重机采用高实时性和高稳定性的漏波电缆无线进行通讯。漏波电缆沿智能机器人大车轨迹铺设，与轨道等长。铺设的直线度良好，保证漏波电缆所有点位和智能机器人通讯系统之间有实时稳定的无线信号以及良好的抗干扰能力。地面控制系统对漏波电缆通讯的连接具有双重检测功能以保证通讯可靠。漏波电缆与地面控制系统采用光纤进行信号传输（见图3）。

图3 无线漏波系统连接图

2 智能物料搬运起重机控制系统

整体系统设备分为窖池区和堆积发酵区2个部分，每个部分有1台搬运起重机完成工作，具体的分工和操作流程不同，操作完成分为手动模式、本地全自动模式、远程全自动模式。手动模式采用遥控器进行人工操作，全自动操作模式的流程主要包括堆积发酵区设备控制流程和窖池区设备控制流程。

2.1 堆积发酵区设备控制流程

2.1.1 堆积发酵区流程

二层设备主要负责酒糟的起堆有氧发酵的过程，起堆效果是把酒糟堆积成如图2所示的形状，严格控制料堆的形状和高度才能使酒糟发酵更充分。起堆过程更多是依据核心的控制算法来实现，起堆高度由系统设定，每次放料过后由3D扫描系统进行检测复测，确定下一斗料放置的位置和高度。

2.1.2 移堆过程

把起好堆的酒糟移动到指定空位进行再起堆，相当于人工进行翻料的过程，堆积发酵区的下窖过程主要是把发酵好的酒糟通过投料口再下放到一层窖池内，进行下一个轮次的无氧发酵过程。移堆和下窖过程对酒糟的抓取采用多种控制方式相结合，可先把料堆虚拟的进行矩阵分块，按照每次一个矩阵块进行单排逐个抓取或按照顺时针的方向进行旋转式抓取。该项目里主要利用3D扫描系统采集取料堆的最高点进行抓取，由于激光扫描出的数据存在一些偏差，通过正态分布（高斯分布）处理以提高精度，即对同一点进行5次以上的扫描，去掉最大值和最小值再将其他数据值求平均，计算得到料堆的最高点并对其进行抓取，下一轮抓取继续迭代寻找最高点抓取。

2.1.3 二层下窖过程

主要根据堆积发酵区的条件满足后，把二层的酒糟通过投料口下放给一层下窖机器人，通过需求投入相应的窖池内。二层设备下窖过程也是一个对散料的抓取过程，同样结合3D数据对料堆进行取料的控制过程，主要采用高点模式、单排模式、区域模式进行抓取物料。

1）高点模式 依靠安装在抓斗小车上的激光，通过激光的扫描对料堆的高度进行计算，得到最高点的位置并对其进行抓取。

2)单排模式 依靠安装在抓斗小车上的激光，根据激光扫描的结果对料堆从一侧开始单排抓取。

3)区域抓取 考虑到激光出现故障扫描数据不准确的情况下采用的抓取策略。先对料堆设置区域，再对该区域逐个抓取。当该区域抓取完毕重新标定一个新的区域继续抓取。

2.1.4 自动运行的路径规划

结合不同料堆的高度和抓斗的运行距离、运行加速度、运行速度计算抓斗的最佳抓取路线，料堆高度为第1优先级、抓斗运行距离为第2优先级、抓斗运行加速度为第3优先级、抓斗运行速度为第4优先级，为不同的优先级分配权重系数，所述权重系数的总和为1。

2.2 窖池区设备控制流程

一层窖池区物料搬运起重机主要负责酒糟的下窖和起窖2个流程的工作。

2.2.1 酒糟下窖过程

一层下窖过程相比起窖过程和起堆过程简单一些，只需要把二层对应的料堆的酒糟均匀地全部倒入一层窖池内，保障整个酒糟不溢出不洒落到窖池外侧即可满足，流程的编辑和操作规则相对简单。

2.2.2 酒糟的起窖过程

起窖过程是一层窖池区搬运起重机工作的核心过程，也是整个项目自动化程度和效率高低的体现。常规的窖池抓斗设备的运行流程主要采用矩阵分块式选择抓取点，本文采用3D激光扫描仪配合矩阵分块式抓取原则，首先把整个窖池进行依次编号，其次是把每个窖池划分成2列，1～9单数一列，2～10偶数一列，3D扫描可得到当前窖池内的酒糟高度，并指导当前抓斗需要下降的高度和深度以满足最大抓取量，窖池内的矩阵式分块区域如图4所示。窖池内搬运起重机自动只需在HMI上选取需要起窖的窖池编号和使用的抓斗的数量，系统自动判断空余RGV小车的位置，自动抓取RGV空料箱和放置装满酒糟的满料箱。一层窖池区物料搬运起重机自动操作流程如图5触摸屏界面所示。

图4 窖池矩阵式分块示意图

图5 智能物料搬运起重机控制系统框图

2.3 搬运起重机3D扫描效果

整个系统内上下两层搬运起重机都配备有3D扫描系统（见图6），根据3D扫描的数据对系统进行模拟仿真，建立数字仿真模型，可直观有效地观察到车间每个窖池和料堆的实际情况并帮助车间管理人员及时了解到车间内的运维情况。

图6 搬运起重机3D运维效果图

3 展望与总结

智能物料搬运起重机在酿酒车间中的成功应用，帮助客户降低了生产成本和管理成本，提高了生产效率和对生产过程的控制能力，有利于提升产品品质，大大缩短客户的投资回报周期，但距离客户的理想需求还有一定的差距，特别是在保障安全条件下的效率再提高是下一步需要研究的方向。随着传感器技术、无线通讯技术、互联网技术和智能控制技术的不断发展和提高，越来越多的智能技术将应用到传统制造业，帮助和提高传统制造业的生产效率和安全性。