張貴宇,庹先國,李 杉,陳 林,湯科元,彭英杰

(1.四川理工學(xué)院自動化與信息工程學(xué)院,四川自貢 643000;2.人工智能四川省重點實驗室,四川自貢 643000;3.四川理工學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,四川自貢 643000)

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上甑機器人在白酒固態(tài)蒸餾中的應(yīng)用現(xiàn)狀與探討

張貴宇1,2,庹先國1,2,李 杉1,陳 林1,湯科元3,彭英杰3

(1.四川理工學(xué)院自動化與信息工程學(xué)院,四川自貢 643000;2.人工智能四川省重點實驗室,四川自貢 643000;3.四川理工學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,四川自貢 643000)

機器人上甑是白酒生產(chǎn)自動化發(fā)展中難度較大的環(huán)節(jié),抖動式機器人和旋轉(zhuǎn)式機器人是當(dāng)前兩類主流上甑機器人,本文介紹了兩類上甑機器人的結(jié)構(gòu)組成及其工作原理,并針對“探氣上甑,均撒勻鋪”的工藝要求探討了兩類機器人在“鋪料”工藝上的優(yōu)缺點,以及“探氣”工藝上的不足。最后,根據(jù)探討的不足之處,對上甑機器人未來的研究方向提出了個人見解,并對其在未來白酒生產(chǎn)中的重要意義進行了展望。

上甑機器人,探氣,鋪料

中國白酒是世界六大蒸餾酒之一,固態(tài)蒸餾是中國白酒獨有的釀造工藝,也是我國勞動人民的智慧結(jié)晶[1-2]。固態(tài)蒸餾是將糧谷類作物通過發(fā)酵后所得到的酒醅裝入甑桶內(nèi),通過甑桶蒸餾來提取酒醅顆粒內(nèi)部的乙醇和各類風(fēng)味物質(zhì)的過程[3]?！吧憧堪l(fā)酵,提香靠蒸餾”是白酒釀造精髓的總結(jié),可見,蒸餾是釀造好酒的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié),而蒸餾的好壞關(guān)鍵又在于上甑工藝的優(yōu)劣[4-6]。

上甑是將酒醅裝入甑桶的過程,傳統(tǒng)上甑方法由釀酒師傅用撮箕將酒醅一層一層地鋪在甑桶內(nèi),且必須滿足“探氣上甑,均撒勻鋪”的工藝要求[7],以實現(xiàn)產(chǎn)酒、提香的最優(yōu)。在人工操作模式下,勞動強度大、工作環(huán)境差,且酒質(zhì)和產(chǎn)酒率因人而異。為了改善這一生產(chǎn)現(xiàn)狀,近些年來部分釀酒企業(yè)開始嘗試將機器人技術(shù)引入到上甑環(huán)節(jié),抖動式、旋轉(zhuǎn)式上甑機器人為應(yīng)用較廣泛的兩類機器人。

然而在實際生產(chǎn)中,機器人上甑存在著探氣不準(zhǔn)、鋪料不均等問題,直接影響酒質(zhì)和產(chǎn)酒率。針對這些問題,本文結(jié)合在某白酒企業(yè)自動化生產(chǎn)線的工作經(jīng)歷,對當(dāng)前市場上應(yīng)用較多的抖動式上甑機器人和旋轉(zhuǎn)式機器人展開了應(yīng)用性研究,并剖析了其問題產(chǎn)生的原因。

1 探氣上甑,均撒勻鋪

1.1 理論依據(jù)

白酒蒸餾本質(zhì)上是一個傳質(zhì)傳熱的過程。酒醅在蒸汽加熱作用下,其內(nèi)部物質(zhì)不斷逸出,從而在甑桶內(nèi)形成濃度、溫度和壓力梯度,因此產(chǎn)生分子擴散,使酒精等物質(zhì)從低甑位流向高甑位[8-9]。傳質(zhì)過程可用如下菲克擴散方程表示:

式(1)

1.2 現(xiàn)實生產(chǎn)工藝

“探氣上甑”是當(dāng)甑桶內(nèi)的物料表面呈現(xiàn)少量白色霧狀酒氣時再鋪上一層冷料的操作。該工藝方法在避免跑汽的前提下,可最大程度通過蒸汽加熱表層酒醅,從而在鋪上冷料后得到盡可能大的溫差。因此,“探氣上甑”的優(yōu)勢在于可以形成料層間的最大dT,提高酒精和香味物質(zhì)的餾出[10],但該方法依靠人工經(jīng)驗判斷易造成跑汽現(xiàn)象。

“均撒勻鋪”是上甑鋪料的工藝要求,達(dá)到輕、松、勻、薄、平、緩[11]?！拜p、松、緩”意在增加酒醅之間的疏松度,以營造良好的蒸餾環(huán)境;“勻、薄、平”意在減小dZ,增大溫度梯度,提高酒醅內(nèi)部物質(zhì)的餾出量。

在實際人工生產(chǎn)過程中,不可避免的會出現(xiàn)鋪料不均的情況,從而引起“跑汽”或“壓汽”現(xiàn)象。針對跑汽點應(yīng)及時進行補料處理;應(yīng)對壓汽點,要先去除部分物料,以引導(dǎo)蒸汽盡快向該點運動,見氣后再回填物料[12]?？梢?人工操作標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、酒質(zhì)和產(chǎn)酒率差異大,鑒于此,機械化、自動化、智能化蒸餾已成為白酒生產(chǎn)的必然趨勢[13-14]。

2 上甑機器人的應(yīng)用

通過對國內(nèi)幾家大型白酒企業(yè)的調(diào)研,上甑操作多采用抖動式和旋轉(zhuǎn)式上甑機器人。

2.1 抖動式上甑機器人

如圖1所示,抖動式上甑機器人基于通用六自由度工業(yè)機器人設(shè)計,機械臂末端加裝料斗,通過料斗的抖動實現(xiàn)上甑鋪料。

圖1 抖動式上甑機器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of vibratory steamer-feeding robot注：a～f:機器人活動關(guān)節(jié)；g:盛料斗；h:紅外熱成像儀。

抖動式上甑機器人將甑桶平面劃分為多個區(qū)域分別進行鋪料[15],每斗酒醅恰好滿足一個區(qū)域的鋪料需求,如圖2所示。

圖2 鋪料區(qū)域分布Fig.2 Area distribution of filling material

通用型工業(yè)機器人需配備獨立的物料傳送裝置,將酒醅傳送至機器人的運動范圍內(nèi)。每完成一個區(qū)域的鋪料,料斗需移動至物料傳送裝置處接料,再移動至下一個區(qū)域鋪料,依此往復(fù)完成甑桶整個平面的鋪料操作。其鋪料流程如圖3所示。

圖3 抖動式上甑機器人鋪料流程圖Fig.3 Flow chart of filling material with the vibratory steamer-feeding robot

2.2 旋轉(zhuǎn)式上甑機器人

如圖4所示,旋轉(zhuǎn)式上甑機器人針對上甑工藝而設(shè)計,主要由進料口、內(nèi)置物料傳送裝置和出料口、升降機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、擺臂機構(gòu)組成[16]。其中,機械臂g內(nèi)嵌物料傳送裝置,物料由進料口a傳送至出料口f,再由出料口執(zhí)行鋪料操作;升降機構(gòu)依據(jù)酒醅表層位置調(diào)整出料口高度;旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)出料口繞甑桶內(nèi)部旋轉(zhuǎn),由擺臂機構(gòu)調(diào)整旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)半徑。

圖4 旋轉(zhuǎn)式上甑機器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of the rotary steamer-feeding robot

旋轉(zhuǎn)式上甑機器人鋪料流程如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)式上甑機器人鋪料流程圖Fig.5 Flow chart of filling material with the rotary steamer-feeding robot

3 上甑機器人生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀

3.1 機器人探氣

3.1.1 紅外熱成像儀探氣應(yīng)用原理 以上兩種上甑機器人均采用了紅外熱成像儀,通過監(jiān)測酒醅表面溫度來判斷酒醅下方蒸汽上升高度。

程序設(shè)計上多采用如下方式,設(shè)定兩個溫度閾值f1、f2(f1

3.1.2 紅外熱成像探氣的不足 首先,紅外熱成像技術(shù)主要檢測物體表面的紅外輻射能量,無法直接獲取被測物體的內(nèi)部溫度分布狀況[18-22],因此,學(xué)者通過熱傳導(dǎo)反問題來推算出物體內(nèi)部的熱源分布和熱源強度[23-28]。但探汽的本質(zhì)在于探測甑桶內(nèi)蒸汽上升的高度,蒸汽上升高度又是蒸汽壓力、物料松散度、物料溫度、室溫等多元因素的綜合結(jié)果,因此,需要建立一個復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型才能達(dá)到目的。李宏等在上甑機器人的設(shè)計中均采用了紅外測溫探汽方法[29-31],但并未闡明酒醅表面溫度與蒸汽高度的確定關(guān)系,以及如何選取參考溫度閾值。因此,能否僅僅通過紅外熱成像儀檢測的單一溫度參數(shù)來確定蒸汽的上升高度還需進一步研究論證。

另外,由于甑桶不銹鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于酒醅的導(dǎo)熱系數(shù),因此,甑桶壁溫度較高。為了避免引起上甑機器人的誤判斷,需要對甑桶壁進行屏蔽處理。然而正是由于甑桶壁的高溫,極易引起蒸汽上升速度快而出現(xiàn)跑汽現(xiàn)象,即所謂的“甑邊效應(yīng)”[32]。針對該問題張良棟等在不銹鋼甑桶內(nèi)壁嵌入一層木片以改善甑邊效應(yīng)[33],但木片會吸收酒醅中的物質(zhì)成分,其中的淀粉、糖等物質(zhì)易引起木片表面發(fā)霉,由此又引入了食品衛(wèi)生問題。

目前,在白酒自動化生產(chǎn)研究中,“探氣上甑”監(jiān)測方法研究還處于相對落后的地位。

3.2 機器人鋪料

3.2.1 抖動式上甑機器人鋪料方法探討 抖動式上甑機器人采用間斷性、抖動式鋪料方式,優(yōu)勢在于抖動式鋪料基本可以滿足輕、松、勻、平、緩的工藝要求;間斷性鋪料方法為“接料—鋪料—接料”循環(huán)往復(fù)的運動過程,其不足之處表現(xiàn)在:首先,當(dāng)物料表面出現(xiàn)多點跑汽現(xiàn)象時,由于間斷性鋪料方式導(dǎo)致補料不及時,易造成酒損。另外,循環(huán)往復(fù)的運動存在軌跡重疊現(xiàn)象,易造成上甑時間延長,以及先鋪的物料先受熱,后鋪的酒醅后受熱等受熱不均現(xiàn)象。隨著鋪料層數(shù)的增多,會進一步造成蒸汽上升的高度差,引起局部壓汽現(xiàn)象,降低酒質(zhì)、影響產(chǎn)酒率。

3.2.2 旋轉(zhuǎn)式上甑機器人鋪料方法探討 旋轉(zhuǎn)式上甑機器人出料口繞甑桶內(nèi)部旋轉(zhuǎn),鋪料平整度、松散度不及抖動式上甑機器人,料層剖面效果如圖6所示。

圖6 酒醅剖面效果圖Fig.6 The effect drawing of the section of fermented grains

該機器人的優(yōu)點在于:內(nèi)嵌的物料傳送裝置使機器人實現(xiàn)了連續(xù)性鋪料,相比抖動式上甑機器人,運動軌跡更加合理,提高了對跑汽點補料的響應(yīng)速度。

而缺點也比較明顯:在鋪料方面,由于物料是自上而下滑落,當(dāng)出料口較低時,易造成物料堆積,物料表層凹凸不平;當(dāng)出料口較高時,由于重力作用易造成物料擠壓成塊,以上不足均會造成受熱不均,影響酒質(zhì)和產(chǎn)酒率;

表1 抖動式和旋轉(zhuǎn)式上甑機器人性能對比Table 1 Performance comparison of vibratory steamer-filling robot and rotary steamer-filling robot

注:表1僅限本文中兩類上甑機器人做對比。在食品衛(wèi)生方面,由于采用了內(nèi)嵌式履帶傳送物料,物料容易粘黏在機器人內(nèi)部,不宜清理,隨時間的延長導(dǎo)致霉變,嚴(yán)重影響食品衛(wèi)生安全。

4 兩類上甑機器人的探討

自動化、智能化生產(chǎn)已成為白酒行業(yè)發(fā)展的必然趨勢,而“探氣上甑”工藝是整個行業(yè)實現(xiàn)自動化最困難、最復(fù)雜的工藝環(huán)節(jié)之一,甚至部分白酒企業(yè)在推動自動化生產(chǎn)過程中,仍然在這兩個工藝環(huán)節(jié)保留著人工操作[34-35]。因此,自動化上甑技術(shù)正處于不斷探索和改進的發(fā)展階段,距離人工工藝效果還存在一定的差距。

本文就目前應(yīng)用較廣泛的抖動式和旋轉(zhuǎn)式上甑機器人展開探討,闡述了其上甑工作原理及優(yōu)缺點。二者均采用紅外熱成像探測酒醅表面溫度,但其并不能直接反映蒸汽在酒醅中的位置信息,達(dá)不到準(zhǔn)確探氣的目的。除此之外,在鋪料工藝和食品衛(wèi)生等方面的性能對比如表1所示。

5 上甑機器人的展望

現(xiàn)有不足之處也正是今后自動化上甑應(yīng)重點開展研究的方向之一,一是如何實現(xiàn)精準(zhǔn)探氣和精細(xì)化鋪料,二者是密切相關(guān)、相互制約的,探氣不準(zhǔn)影響鋪料決策,鋪料不均影響蒸汽在酒醅中的運動,增加探氣難度;二是要對機器人的鋪料運動路徑進行優(yōu)化,提高響應(yīng)速度,改善對上甑時間的把控,合理的上甑時間才能保證酒質(zhì)和產(chǎn)酒量。

白酒蒸餾自動化上甑還有很多值得探討和改進的技術(shù)難點,相信隨著不斷的深入研究,上甑機器人在白酒釀造中將會得到更加廣泛的應(yīng)用,推動白酒生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化,為我國傳統(tǒng)白酒的快速發(fā)展提供新動力。

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Application status and study on steamer-filling robotin traditional distillation of Chinese liquor

ZHANG Gui-yu1,2,TUO Xian-guo1,2,LI Shan1,CHEN Lin1,TANG Ke-yuan3,PENG Ying-jie3

(1.School of Automation & Information Engineering,Sichuan University of Science & Engineering,Zigong 643000,China;2.Artificial Intelligence Key Laboratory of Sichuan Province,Zigong 643000,China；3.School of Physics and Electronic Engineering Sichuan University of Science & Engineering,Zigong 643000,China)

Steamer-filling with robot is one of the most difficult parts in the development of Chinese liquor production automation. Shaking robot and revolving robot is the two kinds of current mainstream steamer-filling robots. This paper introduced the structure and working principle of the two kinds of robots. The advantages and disadvantages in the “filling material” process,and the lack in “detecting steam” process of the two kinds of the robots were discussed with the “detecting steam for filling material,filling material evenly” process requirement. Furthermore,according to the shortcoming mentioned in the discussion,some personal views on the future research of the steamer-filling robot were put forward,and the significance of the robot in the future production of liquor was also forecasted .

steamer-filling robot;detecting steam;filling material

2016-12-27

張貴宇(1987-),男,碩士,講師,研究方向:白酒自動化、人工智能,E-mail:gyz_118@163.com。

四川省科技計劃項目(2016SZ0074)。

TS261.3

A

1002-0306(2017)13-0216-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.13.041