何榮譽(yù),周 力
(湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410126)
隨著我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,將大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)融入白酒釀造具有重要意義。長(zhǎng)期以來(lái)由于白酒釀造工藝比較復(fù)雜,因此在具體操作中存在出酒率不高以及出酒品質(zhì)差等問(wèn)題。剖析原因很多是由于上甄操作不規(guī)范導(dǎo)致的。據(jù)調(diào)查,在釀酒過(guò)程中需要操作人員將釀酒原料均勻、疏松地鋪設(shè)到甄桶內(nèi),以此保障釀酒原料在蒸餾過(guò)程中不會(huì)發(fā)生跑氣等現(xiàn)象。目前,在釀酒過(guò)程中仍然采取人工上甄,此種模式之所以被沿襲,主要是人工上甄可以有效提升酒的品質(zhì),且機(jī)械上甄難以控制上甄的細(xì)節(jié)操作。但傳統(tǒng)的人工上甄強(qiáng)度較大且高端技工人才短缺,因此構(gòu)建基于機(jī)器視覺的智能上甄補(bǔ)料控制系統(tǒng)顯得格外重要。
上甄環(huán)節(jié)直接影響釀酒的品質(zhì)與效率。據(jù)調(diào)查在釀酒蒸餾時(shí),甄內(nèi)蒸汽具有縱向擴(kuò)散作用,甄蒸餾過(guò)程中存在邊界效應(yīng),因此造成蒸餾中的蒸汽會(huì)趨向于甄邊上升。針對(duì)蒸餾特點(diǎn),筆者認(rèn)為在上甄操作時(shí)要做到以下幾點(diǎn):一是裝入甄中的酒醅要保持疏松,同時(shí)需要控制固態(tài)顆粒,保障其足夠的小,這樣才能形成盡量大的蒸餾面積,讓蒸汽可以完全接觸到醅料。二是酒醅層的微小固態(tài)顆粒要形成均勻的微孔機(jī)構(gòu),這樣能夠讓甄底的蒸汽得以上升,避免出現(xiàn)蒸汽走邊造成熱交換不均衡現(xiàn)象??傊鶕?jù)調(diào)查在上甄過(guò)程中需要記住“輕、松、勻、準(zhǔn)、薄、平”特點(diǎn)。
基于上甄操作的具體要求,傳統(tǒng)的人工操作模式容易出現(xiàn)各種問(wèn)題而影響釀酒的品質(zhì),因此文章提出利用機(jī)器視覺技術(shù)構(gòu)建智能上甄操作系統(tǒng)和散料區(qū)域的高效檢測(cè)算法,以此提升上甄補(bǔ)料的精準(zhǔn)化控制。
構(gòu)建基于機(jī)器視覺的上甄補(bǔ)料控制系統(tǒng)是提升釀酒制造的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)實(shí)際調(diào)研和實(shí)驗(yàn),酒廠上甑現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜,存在多種不確定因素和干擾,如:來(lái)料的溫度不一致、同一種料內(nèi)外溫度不一致、不同季節(jié)和天氣來(lái)料溫度不一致、不同材料的來(lái)料溫度差異、蒸酒的金屬器具在蒸酒不同階段溫度不一致等。這些不確定因素使得整個(gè)系統(tǒng)控制難度增加,因此需要依托相應(yīng)技術(shù)構(gòu)建完善的系統(tǒng)體系,如表1所示。
表1 上甄機(jī)器人總體設(shè)計(jì)要求
按照基于機(jī)器視覺的智能控制要求,本次設(shè)計(jì)的上甄補(bǔ)料自動(dòng)控制系統(tǒng)采取FLIR A310相機(jī),利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提供圖像。智能上甄檢測(cè)系統(tǒng)主要是由特定的機(jī)器人操作完成。結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)上甄機(jī)器人合理設(shè)定機(jī)器人的工作范圍,即機(jī)器人平移距離保持在1 200 mm,前臂尺寸控制在1 800 mm,后臂控制在1 500 mm。本系統(tǒng)采取電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式,該方式在相應(yīng)時(shí)間段具有連續(xù)和穩(wěn)定的控制特性[1]。
2.2.1 智能補(bǔ)料流程
上甄補(bǔ)料是上甄操作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)調(diào)查在釀酒過(guò)程中所使用的甄桶主要是上口徑為200 mm,高度為1 200 mm的不銹鋼甄桶。甄桶的底部會(huì)安裝多孔的篩子,這樣可隔離料層與加熱器。另外,在甄桶的底部還會(huì)安裝可以移動(dòng)的桶蓋,與冷卻器相連。按照常規(guī)的人工上甄操作要求,一般在甄桶料層達(dá)到90 cm時(shí)進(jìn)行上甄效果會(huì)比較好,如果高度低于70 cm會(huì)導(dǎo)致釀造出來(lái)的酒質(zhì)比較惡劣,影響其質(zhì)量。當(dāng)酒料高度超過(guò)90 cm后,雖然能夠達(dá)到釀酒要求,但其釀造的出酒率會(huì)下降。因此按照要求通常在補(bǔ)料進(jìn)行到40層后,需要控制料層3 cm,達(dá)到優(yōu)質(zhì)的釀造效果。
根據(jù)上甄操作的要求,在上甄補(bǔ)料時(shí),需利用機(jī)器人將散料器移動(dòng)到甄桶的上方,按照預(yù)定的參數(shù)進(jìn)行逐層散料。因此機(jī)器人在裝甄補(bǔ)料時(shí),需要在甄桶的底部撒少許谷殼,再均勻的鋪設(shè)2層酒醅,開始邊加溫邊撒料。機(jī)器視覺控制系統(tǒng)利用紅外成像系統(tǒng)監(jiān)測(cè)撒料區(qū)域的表面溫度,將拍攝的圖片反饋給機(jī)器人控制系統(tǒng),根據(jù)系統(tǒng)的反饋結(jié)果顯示需要補(bǔ)料的區(qū)域,并且在預(yù)定的區(qū)域內(nèi)完成補(bǔ)料操作[2]。
2.2.2 機(jī)器視覺補(bǔ)料系統(tǒng)
由于在上甄補(bǔ)料過(guò)程中容易受水蒸氣等因素的限制,導(dǎo)致人工補(bǔ)料受到影響。構(gòu)建基于機(jī)器視覺控制補(bǔ)料系統(tǒng)的關(guān)鍵就是要設(shè)計(jì)完善的視覺系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)上甄機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,需要考慮到水蒸氣等元素對(duì)影像設(shè)備的影響。本次設(shè)計(jì)的視覺系統(tǒng)主要是控制上位機(jī)。上位機(jī)包括機(jī)器人控制系統(tǒng)、視覺控制、傳送系統(tǒng)控制以及其他附屬設(shè)備控制等。其中,高速攝像機(jī)與圖像采集處理模塊是視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵[3]。高速攝像機(jī)主要是捕捉上甄補(bǔ)料場(chǎng)景信息,將采集的相關(guān)信息通過(guò)脈沖通信系統(tǒng)傳遞給集成控制系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)在收到系統(tǒng)反饋的信息后會(huì)及時(shí)做出判斷,將相關(guān)指令傳遞給機(jī)器人,由機(jī)器人按照系統(tǒng)預(yù)定的程度進(jìn)行操作。同時(shí),為了應(yīng)對(duì)上甄作業(yè)中出現(xiàn)的突發(fā)情況,機(jī)器視覺系統(tǒng)還設(shè)置了應(yīng)急照明開關(guān)、急停開關(guān),以此提升視覺感應(yīng)的反映效率,如圖1所示。
圖1 機(jī)器視覺補(bǔ)料系統(tǒng)
2.2.3 撒料區(qū)域的實(shí)時(shí)檢測(cè)
上甄補(bǔ)料的關(guān)鍵是要做好撒料工作,防止酒糟厚度不均勻。由于在上甄過(guò)程中受水蒸氣等影響,導(dǎo)致人工撒料容易出現(xiàn)各種問(wèn)題。因此需要在上甄的時(shí)重點(diǎn)關(guān)注撒料區(qū)的監(jiān)測(cè)。基于機(jī)器視覺控制系統(tǒng)主要是構(gòu)建“探汽裝甑”控制模塊。利用對(duì)該區(qū)域?qū)崟r(shí)獲取的紅外圖像監(jiān)測(cè)出撒料區(qū)域的位置以及撒料大小等數(shù)據(jù),以此達(dá)到“輕撒勻鋪”和“邊高中低”。具體檢測(cè)流程:紅外檢測(cè)系統(tǒng)先對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行紅外拍攝,對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取后,再分析其是否有熱點(diǎn),如果預(yù)處理的圖像有熱點(diǎn)則要分割出熱點(diǎn)區(qū)域,計(jì)算出熱點(diǎn)區(qū)域的中心坐標(biāo),并根據(jù)控制系統(tǒng)程度估計(jì)熱點(diǎn)區(qū)域的撒料量,將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī),由上位機(jī)進(jìn)行操作。當(dāng)然,如果系統(tǒng)沒有檢測(cè)到熱點(diǎn)圖像,則直接將相關(guān)信息發(fā)送給上位機(jī),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)束[4],如圖2所示。
圖2 算法設(shè)計(jì)流程
2.2.4 紅外圖像的讀取及預(yù)處理
對(duì)監(jiān)測(cè)到的紅外圖像信息讀取方式是利用紅外相機(jī)制造企業(yè)所提供的API實(shí)現(xiàn)。在上甄作業(yè)中隨著上甄補(bǔ)料數(shù)量的不斷增多,甄桶內(nèi)撒料區(qū)邊緣會(huì)不斷擴(kuò)大,這需要紅外照相系統(tǒng)要不斷擴(kuò)大拍攝范圍。先在當(dāng)前撒料區(qū)域范圍截取相關(guān)的圖像,再對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理。二值化處理是一種基于全局的二值化算法,主要是將圖片分為前景和背景。如果前景和背景出現(xiàn)較大的方差,則說(shuō)明構(gòu)成圖像的兩個(gè)部分存在較大的差異。所以在具體的設(shè)計(jì)時(shí)需要將撒料區(qū)視為前景,而非撒料區(qū)看做背景。
為了檢驗(yàn)基于機(jī)器視覺上甄補(bǔ)料控制系統(tǒng)的工作性能,采取人工上甄補(bǔ)料和自動(dòng)上甄補(bǔ)料控制結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(實(shí)驗(yàn)所使用的材料、溫度等基本條件完全一致)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)得出以下結(jié)論。
當(dāng)撒料區(qū)域數(shù)量由少增多時(shí),撒料區(qū)域面積也隨之增大,算法整體運(yùn)行所消耗時(shí)間,從預(yù)處理到得出可供裝甑撒料機(jī)構(gòu)執(zhí)行撒料操作的數(shù)據(jù)階段。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得出,采取機(jī)器視覺上甄補(bǔ)料自動(dòng)系統(tǒng)后酒質(zhì)較好的1段和2段產(chǎn)量有所增加,而3段的產(chǎn)量相對(duì)較低,酒質(zhì)得到有效改善,如表2所示。
根據(jù)表2數(shù)據(jù)顯示可以清晰地看到,使用視覺機(jī)器人控制系統(tǒng)后,不僅上甄效率提升明顯,而且釀酒的品質(zhì)也有了很大的提升。例如,視覺機(jī)器人控制系統(tǒng)上甄后,自動(dòng)補(bǔ)料的1段酒達(dá)到66.31 kg,而人工補(bǔ)料的釀酒為62.21 kg,提高了將近8%。而且在2段方面也出現(xiàn)顯著的提升,此種提升是人工補(bǔ)料所無(wú)法達(dá)到的,這樣必然會(huì)大大提升釀酒企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
表2 自動(dòng)補(bǔ)料釀酒與人工補(bǔ)料釀酒的比較
基于工業(yè)制造技術(shù)的不斷發(fā)展,構(gòu)建基于機(jī)器視覺的智能上甄補(bǔ)料控制系統(tǒng)對(duì)提升釀酒工作效率,提升釀酒品質(zhì)具有重要意義。因此,要發(fā)揮機(jī)器人及機(jī)器視覺技術(shù)的優(yōu)勢(shì),加強(qiáng)對(duì)上甄操作的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),促進(jìn)釀造工藝高質(zhì)量發(fā)展。