碾米線精準(zhǔn)加工的多級聯(lián)控關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)施

黃文雄,謝 健,*，程 科，郭亞麗，張興宇，宋少云，王 宏，戴智華

1.國糧武漢科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司 (武漢 430079) 2.武漢輕工大學(xué) (武漢 430023) 3.衢州市庫米賽諾糧食機(jī)械制造有限公司 (衢州 324000)

2019年大米新國標(biāo)已提出“適度加工”的概念，提倡節(jié)糧減損[1]。但在目前的大型糧食加工企業(yè)中，大米加工各機(jī)組之間一般沒有數(shù)據(jù)通信，各設(shè)備之間依靠操作人員手動(dòng)控制，導(dǎo)致設(shè)備配合銜接不恰當(dāng)、碾米線效率低。存在加工損失大，碎米率較高的問題，這直接影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[2]。傳統(tǒng)的單機(jī)控制已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前的需求，“精準(zhǔn)智造”以及碾米線多級聯(lián)控已經(jīng)成為糧食加工企業(yè)的目標(biāo)。本文首先分析了碾米線加工的工藝流程，然后據(jù)此設(shè)計(jì)了碾米線精準(zhǔn)加工的多級聯(lián)控系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)檢測與處理、西門子PLC S7-1200為核心的聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)、人機(jī)交互等部分組成，本文將對其關(guān)鍵部分進(jìn)行簡要介紹。

1 碾米線加工工藝流程概述

大米加工生產(chǎn)流程就是將稻谷加工成成品米的生產(chǎn)過程。即根據(jù)稻谷加工的特點(diǎn)和要求，選擇合適的設(shè)備，并按照一定的加工順序組合成生產(chǎn)作業(yè)線[3]。為了提高設(shè)備效率、合理控制大米加工精度、降低碎米率、提高出米率，整個(gè)加工流程大致分為清理去石礱谷、梯度碾米系統(tǒng)、拋光色選分級三個(gè)工序。設(shè)備由提升機(jī)、清理去石機(jī)、礱谷機(jī)、大糠分離器、谷糙分離機(jī)、碾米機(jī)、拋光機(jī)、色選機(jī)、分級機(jī)、打包機(jī)等部件組成[4]，其設(shè)備之間設(shè)有緩沖倉。

1.1 清理去石礱谷工序

稻谷倒入毛料斗由提升機(jī)提升至初清機(jī)進(jìn)行大雜、細(xì)雜的處理，隨后流入去石機(jī)進(jìn)行去石；去雜質(zhì)后的稻谷送至礱谷機(jī)剝?nèi)サ練ぃ儆纱罂贩蛛x器吸送出去。脫殼后的糙米和未剝殼的稻谷經(jīng)提升機(jī)送至重力谷糙分離篩進(jìn)行篩選，分離；未剝殼的稻谷再次進(jìn)入礱谷機(jī)進(jìn)行剝殼。

1.2 梯度碾米系統(tǒng)工序

凈糙米則流入碾米機(jī)，經(jīng)多臺碾米機(jī)碾白后得到白米。

1.3 拋光色選分級工序

白米由提升機(jī)送至拋光機(jī)，經(jīng)拋光形成成品米；成品米送至分級篩進(jìn)行整碎米分級；整米提升至色選機(jī)進(jìn)行色選分級，篩去廢料得到精米。最后將精米提升至電子打包機(jī)進(jìn)行稱重打包。

2 碾米線精準(zhǔn)加工多級聯(lián)控系統(tǒng)組成

為了對碾米過程進(jìn)行精準(zhǔn)控制，設(shè)計(jì)了一套以多級聯(lián)控為核心的智能控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)以PLC為核心，上位機(jī)與PLC之間通過通訊協(xié)議進(jìn)行連接。在控制柜上配備大型操作觸摸屏，直接發(fā)出操控指令。信號采集單元實(shí)時(shí)檢測各種信號變化[5]。MCC作為信號輸送與驅(qū)動(dòng)單元，對生產(chǎn)工藝流程自動(dòng)監(jiān)控，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的數(shù)據(jù)采集以及狀態(tài)檢測[6]。通過檢測大米質(zhì)量、分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，來優(yōu)化參數(shù)，保證精準(zhǔn)加工。

信號采集單元包括：料位計(jì)、轉(zhuǎn)速傳感器、重力傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、白度傳感器等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：進(jìn)料啟動(dòng)閘門、流量閘門、出料調(diào)壓機(jī)構(gòu)、制冷裝置、制熱裝置等。

具體的工作過程如下：操作員通過觸摸屏發(fā)出操作指令，該指令首先傳遞給PLC，PLC根據(jù)指令解釋成相應(yīng)的時(shí)序信號，從而控制碾米線機(jī)組以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時(shí)采集碾米機(jī)組以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。

3 碾米線多級聯(lián)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)檢測與控制

系統(tǒng)通過料位計(jì)，電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器等多種傳感器，檢測設(shè)備及物料的工作狀態(tài)。根據(jù)運(yùn)行參數(shù)以及成品的質(zhì)量、產(chǎn)量，運(yùn)用模糊邏輯控制原理對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)并分析得出最佳的運(yùn)行方案，將關(guān)鍵參數(shù)與數(shù)據(jù)庫中參數(shù)進(jìn)行比較并更新相應(yīng)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)設(shè)備控制是為了系統(tǒng)能根據(jù)工作流程實(shí)現(xiàn)多級順序啟動(dòng)、順序停止。系統(tǒng)選用西門子PLC S7-1200作為主控制器，通過配置擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。碾米線系統(tǒng)中不同的設(shè)備所實(shí)現(xiàn)的功能不同，按照主電路和控制電路的不同可以分為自鎖電路和星三角降壓啟動(dòng)控制電路。

此外，在大米生產(chǎn)加工線的設(shè)備控制中，當(dāng)緩沖倉沒有物料或后路設(shè)備緩沖倉滿時(shí)，碾米機(jī)、拋光機(jī)則自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)料閘門；礱谷機(jī)則先脫輥后關(guān)閘門；若是去石機(jī)、谷糙分離篩、分級篩等設(shè)備則自動(dòng)停機(jī)，以保證各主機(jī)設(shè)備在斷料狀態(tài)下自動(dòng)處理或自動(dòng)停止運(yùn)行。當(dāng)緩沖倉有物料或后路設(shè)備緩沖倉料位低于上料位時(shí)，根據(jù)不同的設(shè)備自動(dòng)執(zhí)行上述相反操作。

3.2 多級迭代聯(lián)動(dòng)控制

迭代控制即為根據(jù)給定目標(biāo)精度，與實(shí)際操作測得的誤差來修正控制參數(shù)，經(jīng)過一次又一次迭代后，使得后續(xù)加工可以根據(jù)修正后得到的最優(yōu)化參數(shù)來執(zhí)行操作任務(wù)。在過程聯(lián)動(dòng)控制方面，碾米線設(shè)有控制系統(tǒng)的通信接口，能上傳或下載與上層系統(tǒng)交換的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多級聯(lián)合控制。以3臺碾米機(jī)為例，先將一、二、三碾達(dá)標(biāo)率設(shè)定為50%、80%、95%。通過迭代多機(jī)控制，檢查達(dá)標(biāo)成果。根據(jù)實(shí)際測得結(jié)果與設(shè)定值之間的誤差，修正設(shè)定參數(shù)。

物料經(jīng)過第一臺碾米機(jī)碾米后，當(dāng)留皮、留胚、糙出白率低于第一臺碾米機(jī)的設(shè)定值時(shí)。第二臺碾米機(jī)將自動(dòng)減小進(jìn)料口，并提高轉(zhuǎn)速，提高米粒在第二臺碾米機(jī)的碾磨、切削效率；若經(jīng)過二碾得到的糙米參數(shù)高于二碾達(dá)標(biāo)率，第三臺碾米機(jī)將自動(dòng)增大進(jìn)料口，并降低轉(zhuǎn)速，使得最終達(dá)到預(yù)設(shè)值。

即使在脫糠率達(dá)標(biāo)的情況下，仍需對各道碾米進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目的是保證碾減最小。最后將優(yōu)化迭代得到的運(yùn)行參數(shù)固定，即是該品種在當(dāng)前目標(biāo)加工精度下的最佳多級聯(lián)控方案。

3.3 人機(jī)交互

人機(jī)界面是控制系統(tǒng)中人和設(shè)備之間交流的平臺，人直接通過上位機(jī)發(fā)出操作指令，發(fā)出的指令首先傳遞給PLC，PLC根據(jù)指令解釋成相應(yīng)的時(shí)序信號，直接控制相應(yīng)設(shè)備。該人機(jī)界面能實(shí)時(shí)顯示4臺碾米機(jī)(某示范線)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括電流、溫度、進(jìn)料口開度等。同時(shí)設(shè)有功能按鈕、選擇品種按鈕、各相關(guān)設(shè)備的啟、停按鈕、各工序急停和系統(tǒng)急停開關(guān)，以應(yīng)對不同品種原料在加工時(shí)會遇到的突發(fā)情況。

4 結(jié)語

目前已經(jīng)將該多級控制系統(tǒng)成功試用于多家大型碾米廠家。實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)易操作性、可靠性高，杜絕了因物料流量不穩(wěn)引起的“斷料”、“憋車”、“堵料”現(xiàn)象，提高了生產(chǎn)運(yùn)行的安全可靠性。經(jīng)過在多個(gè)企業(yè)的推廣使用中發(fā)現(xiàn)，碎米率平均降低8個(gè)百分點(diǎn)左右，電耗平均降低10 kWh/t，溫升平均降低15 ℃，較大的改善了加工質(zhì)量，并節(jié)省了能耗。它降低了操作管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化發(fā)揮了積極作用。