碾米機(jī)精度智能控制系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

華 欽，黃海軍，張 遠(yuǎn)，曹 峰，曹海軍，孫玉田

無錫中糧工程科技有限公司 (無錫 214035)

我國是世界上最大的稻谷生產(chǎn)國和消費(fèi)國，稻谷產(chǎn)業(yè)在中國具有非常重要的地位。這些年來我國稻谷加工技術(shù)取得了飛躍發(fā)展，總體技術(shù)水平已達(dá)到國際先進(jìn)水平，但加工方式仍較粗放，稻谷加工精制米的出品率在65%左右。由于過度加工導(dǎo)致糧食可食資源的損失率在5%左右。按稻谷年加工量2億t計(jì)，可食資源年損失達(dá)1 000萬t左右，相當(dāng)于未來10年需增產(chǎn)500億kg糧食的20%，糧食資源未得到充分利用，寶貴的資源優(yōu)勢沒有轉(zhuǎn)化為食品優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢[1]。如何有效地利用糧食資源，實(shí)施稻谷的適度加工，節(jié)約糧食資源和降低能耗是當(dāng)前重要的研究課題。

在稻谷加工過程中，70%以上的碎米產(chǎn)生在礱谷和碾米工段。目前大米加工企業(yè)普遍采用傳統(tǒng)的碾米機(jī)，隨著原糧品種、品質(zhì)、氣候等各種外界因素的變化，操作工人需對碾米設(shè)備進(jìn)行操作調(diào)整以保證成品的質(zhì)量和出品率，這就對操作工人提出了很高的要求。那么如何減少操作調(diào)整時(shí)間，減少人為因素的影響，提高碾米機(jī)的生產(chǎn)效率，是目前碾米設(shè)備研發(fā)亟待解決的問題[2]。

1 碾白精度、碎米率和主機(jī)電流關(guān)系

碾米就是借助旋轉(zhuǎn)的碾輥使米粒與碾白室構(gòu)件及米粒與米粒之間產(chǎn)生相互碰撞、碾削、摩擦翻滾及軸向輸送等運(yùn)動，通過碾削及摩擦擦離等作用將米粒表皮部分全部去除，使米粒成為符合規(guī)定要求的大米的加工過程[3]。碾米過程中碎米產(chǎn)生的主要原因是米粒在碾米室內(nèi)所受的壓力大于米粒本身的韌性，從而造成米粒斷裂，形成碎米[4]。

傳統(tǒng)的碾米機(jī)工作時(shí)，碾白室壓力是通過人工壓砣控制出料門來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)外加壓力增大時(shí)，物料難以排出碾白室，造成碾白室壓力增大，這時(shí)主電機(jī)負(fù)荷加大，電流也隨之上升，碾白精度提高，同時(shí)會增加碎米率；反之，當(dāng)外加壓力減小時(shí)，物料容易排出碾白室，碾白室壓力降低，主電機(jī)負(fù)荷和電流也減小，碾白精度、碎米率都會降低。由此可見，碾白精度與碎米率存在一定的正比關(guān)系，同時(shí)碾白精度與主電機(jī)電流也存在一定的正比關(guān)系，因此通過檢測主電機(jī)電流即可確定碾白精度。

大米生產(chǎn)線上經(jīng)常出現(xiàn)碾米精度高時(shí)碎米率高，同時(shí)電耗也高，降低碎米率時(shí)碾米精度過低，碾米效果好壞直接影響成品大米的質(zhì)量。因此需要將精度控制在某一區(qū)間內(nèi)，才能保證在最合適精度下，碎米率低、噸米電耗低。

2 傳統(tǒng)碾米機(jī)需要解決的問題

傳統(tǒng)碾米機(jī)靠人工壓砣來調(diào)整碾白精度的操作方法，存在以下問題：由于操作不當(dāng)，造成來料不勻，致使加工過程不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的生產(chǎn)；操作工未能及時(shí)根據(jù)來料大小控制流量和碾白壓力，從而造成大米精度、碎米率的波動；普通操作工由于缺乏碾米專業(yè)知識，致使碾米機(jī)組中碾米機(jī)碾減率(碾白壓力)分配的不合理[2]。因此，大米的精度、出米率和噸米電耗等主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)與操作工的經(jīng)驗(yàn)、水平密切相關(guān)，因人的差異導(dǎo)致主要指標(biāo)千差萬別。并且隨著原糧品種、水分等因素變化時(shí)，操作工需重新摸索經(jīng)驗(yàn)，既不便于生產(chǎn)過程的連續(xù)性管理和控制，也增加企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行成本。

對糧食加工企業(yè)來說，有經(jīng)驗(yàn)操作工的不足和人工成本持續(xù)上漲所產(chǎn)生的疊加效應(yīng)，成為困擾企業(yè)發(fā)展的瓶頸。智能化和自動化設(shè)備的應(yīng)用，不僅緩解技工短缺的困境，而且能大幅提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)線運(yùn)行成本，給企業(yè)帶來長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。在此背景下，碾米機(jī)精度智能控制系統(tǒng)的研發(fā)就顯得非常有必要。

3 精度智能控制系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)

精度智能控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC控制器、自動化控制柜、電氣比例閥、氣缸、出料門等組成。觸摸屏可根據(jù)不同品種、水分設(shè)定最佳電流值(此時(shí)碾米精度最合適)。PLC控制器經(jīng)過程序計(jì)算、輸出電信號來控制電氣比例閥。電氣比例閥通過輸入的電信號，實(shí)現(xiàn)對輸出信號(壓力)的控制。和常用的電磁控制閥比較，電氣比例閥能實(shí)現(xiàn)對氣壓力的連續(xù)、無極和成比例調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和程序控制。

該技術(shù)的工作原理是：根據(jù)碾白精度與主電機(jī)電流存在一定的正比關(guān)系，在線采集主電機(jī)電流，PLC控制器與設(shè)定的最佳電流(在一個(gè)較小的區(qū)間)比較，算出補(bǔ)償值，若低于最佳電流(補(bǔ)償值為正)，PLC發(fā)出指令讓電氣比例閥控制氣缸將出料門關(guān)小，這時(shí)碾白室壓力加大，碾白精度也同步提高；若高于最佳電流(補(bǔ)償值為負(fù))，氣缸反向動作將出料門開大，將碾白精度降低；若在區(qū)間范圍則不動作，從而實(shí)現(xiàn)智能控制出料門的開度，讓碾白精度平衡在最合適精度區(qū)間內(nèi)，此時(shí)碾米機(jī)的碎米率低、噸米電耗低。

如圖1所示，出料斗外部裝有支座，內(nèi)部裝有出料門。出料門通過出料門轉(zhuǎn)軸與出料斗殼體聯(lián)結(jié)，可以繞出料門轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。氣缸通過氣缸轉(zhuǎn)軸與支座聯(lián)結(jié)，可以繞氣缸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。氣缸頭部通過銷軸與出料門固定成為一體，相互間不能運(yùn)動。

注1.出料斗；2.出料門轉(zhuǎn)軸；3.出料門；4.銷軸；5.支座；6.氣缸轉(zhuǎn)軸；7.氣缸。 圖1 出料門結(jié)構(gòu)示意圖

碾米機(jī)工作時(shí)，當(dāng)檢測到主機(jī)電流低于最佳電流時(shí)，PLC控制器發(fā)出指令，電氣比例閥控制氣缸推出并帶動出料門順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，此時(shí)米的流出口徑變小，碾白室壓力加大，碾白精度提高；若高于最佳電流，氣缸回縮并帶動出料門逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，此時(shí)流出口徑變大，碾白精度降低；若在區(qū)間范圍則不動作，從而實(shí)現(xiàn)智能控制出料門的開度。

4 精度智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用

和人工操作相比，精度智能控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，動作迅捷，碾白精度控制穩(wěn)定，壓力調(diào)整連續(xù)平穩(wěn)，避免間歇沖擊壓力造成大米的增碎。它具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：在線智能控制碾白精度，實(shí)現(xiàn)全自動無人操作，每班可節(jié)省操作員1名，大幅降低碾米機(jī)運(yùn)行成本；碾白精度、出米率和噸米電耗等主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有較大的優(yōu)化；經(jīng)測試，碾米機(jī)精度智能控制系統(tǒng)可以使出米率提高1.5%，噸米電耗降低5%～6%。

因?yàn)樗槊椎氖袌鰞r(jià)格遠(yuǎn)低于整米，因此降低碎米率、提高整精米率是大米加工企業(yè)追求的首要目標(biāo)。以日產(chǎn)300 t大米生產(chǎn)線為例，年產(chǎn)9萬t大米(按300 d計(jì)算)，使用精度智能控制的碾米機(jī)后，按出米率提高1.5%計(jì)算：90 000 ×1.5%=1 350 t；1 350×850元=114.75萬元(按整米和碎米差價(jià)850元/t計(jì))。每年可增加利潤114.75萬元，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

我國在稻谷加工設(shè)備智能化技術(shù)方面還處于初步發(fā)展階段，大部分稻谷加工廠依舊是勞動密集型企業(yè)，用工成本高、企業(yè)效益低依舊制約著稻谷加工企業(yè)的發(fā)展。精度智能控制碾米機(jī)的應(yīng)用可以給稻谷加工企業(yè)帶來非常好的經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的推廣應(yīng)用前景。尤其是在國內(nèi)普遍的“稻強(qiáng)米弱”形勢下，稻谷加工企業(yè)更應(yīng)該注重提高生產(chǎn)線設(shè)備的智能化、自動化和先進(jìn)性，有效地降低企業(yè)生產(chǎn)成本。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)用工成本的增加，稻谷加工設(shè)備的智能化將會是糧食行業(yè)發(fā)展的趨勢。