稻谷去殼加工生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)

呂銘洋，徐金瑜，劉紅濱，楊欣茹，黃天宇，胡瑞娜

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

0 引言

稻谷是我國(guó)主要的糧食作物。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2022 年我國(guó)稻谷播種面積為4.42 億畝（1 畝=0.066 7 hm2），產(chǎn)量2.08 億t，2022 年度國(guó)內(nèi)稻谷總消費(fèi)達(dá)2.05 億t。稻谷加工是糧食產(chǎn)業(yè)鏈中的重要組成部分，也是食品加工的基礎(chǔ)工業(yè)。我國(guó)稻谷加工長(zhǎng)期存在著單機(jī)產(chǎn)量低、加工能耗高、數(shù)字化程度低等問題，嚴(yán)重制約了稻谷加工行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展[1]。

近年來(lái)，我國(guó)企業(yè)和學(xué)者在稻谷加工及監(jiān)控領(lǐng)域積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。上海海豐米業(yè)基地李維強(qiáng)[2]設(shè)計(jì)的大米加工自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大米廠的生產(chǎn)工藝流程控制，以及設(shè)備運(yùn)行、故障、料位等狀態(tài)監(jiān)控。廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所黃家懌等[3]基于物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算技術(shù)，開發(fā)了智慧糧倉(cāng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵參數(shù)遠(yuǎn)程檢測(cè)、報(bào)警及關(guān)鍵設(shè)備的自動(dòng)化控制功能。武漢輕工大學(xué)李心蕊[4]采用PLC 與組態(tài)王設(shè)計(jì)了稻谷加工自動(dòng)化生產(chǎn)線與監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了主要加工設(shè)備的智能化設(shè)計(jì)及生產(chǎn)線的數(shù)字化改造。湖南彬州糧油機(jī)械有限公司黃林志[5]在大米生產(chǎn)線上應(yīng)用組態(tài)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄等功能。通過比較分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的稻谷加工及監(jiān)控系統(tǒng)存在一定的局限性，對(duì)于大型加工廠，設(shè)備種類及數(shù)量眾多，監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)距離傳輸不穩(wěn)定、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取實(shí)時(shí)性低、可擴(kuò)展性較差。

針對(duì)上述問題，本文以某省大米加工車間的入倉(cāng)、礱谷、碾米、拋光4 個(gè)工段為對(duì)象，包含120余臺(tái)設(shè)備，設(shè)計(jì)了面向稻谷全加工周期的多PLC雙層控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)稻谷去殼加工生產(chǎn)線的自動(dòng)控制及監(jiān)控可視化。該系統(tǒng)在滿載負(fù)荷下，每日產(chǎn)量可達(dá)150 t，該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅實(shí)現(xiàn)了稻谷去殼加工生產(chǎn)線的數(shù)字化升級(jí)，還提升了稻谷加工質(zhì)量的管理效率。

1 稻谷去殼加工生產(chǎn)工藝流程

稻谷去殼加工生產(chǎn)工藝流程，就是將稻谷加工成成品大米的整個(gè)生產(chǎn)過程，期間選擇合適設(shè)備類型及數(shù)量，按照一定的加工順序組合成生產(chǎn)線。具體工藝流程介紹如下文。

1.1 入倉(cāng)工藝流程

該車間的入倉(cāng)工段為整個(gè)大米加工生產(chǎn)的第1個(gè)工藝流程，其作用是將稻谷存儲(chǔ)至各個(gè)原糧倉(cāng)，待加工時(shí)從原糧倉(cāng)放糧。

首先稻谷經(jīng)過斗提式提升機(jī)提至30 m 以上的高空后進(jìn)入導(dǎo)流管，滑落至振動(dòng)清理篩，粗篩較大的稻桿、垃圾、泥土、雜物。然后提升機(jī)將稻谷再次提升進(jìn)入導(dǎo)流管，滑落至橫置刮板機(jī)，將稻谷水平運(yùn)輸，并通過氣動(dòng)閘門的開關(guān)狀態(tài)確認(rèn)進(jìn)入對(duì)應(yīng)原糧倉(cāng)。同時(shí)，風(fēng)機(jī)和除塵器用于吸取稻谷從運(yùn)輸車輛倒入原糧坑以及在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的泥土粉塵。入倉(cāng)工段工藝流程如圖1 所示。

圖1 入倉(cāng)工段工藝流程

1.2 礱谷工藝流程

礱谷工藝為稻谷加工生產(chǎn)的第2 個(gè)工段，該工段分離谷殼，形成糙米。

手氣動(dòng)閘門控制相應(yīng)原糧出倉(cāng)并控制流量。首先經(jīng)過旋振篩、振動(dòng)篩、去石機(jī)去除雜物，用流量計(jì)計(jì)量生產(chǎn)總產(chǎn)量，然后經(jīng)過礱谷機(jī)剝離谷殼，再經(jīng)過分離機(jī)將谷殼與糙米分離，糙米存入糙米倉(cāng)，谷殼存入稻殼倉(cāng)。其中，谷殼經(jīng)過粉碎機(jī)產(chǎn)生糟糠作為副產(chǎn)品。該工段共包含3 套風(fēng)網(wǎng)設(shè)備。礱谷工段工藝流程如圖2 所示。

圖2 礱谷工段工藝流程

1.3 碾米工藝流程

碾米工段為整個(gè)加工生產(chǎn)的第3 個(gè)工段，目的是將糙米倉(cāng)中的糙米進(jìn)行初加工，碾磨脫落其表皮黃色部分。

從糙米倉(cāng)出倉(cāng)的糙米可由手動(dòng)三通閥或氣動(dòng)三通閥來(lái)更改糙米流向，共有米機(jī)5 臺(tái)，根據(jù)大米質(zhì)量調(diào)整碾米重復(fù)次數(shù)，去除糙米表皮黃色部分，獲得白米存入涼米倉(cāng)。期間產(chǎn)生較多碎米，經(jīng)過分級(jí)篩將碎米與整米分離。該工段共設(shè)置了3 套風(fēng)網(wǎng)設(shè)備，用于運(yùn)輸糙米碾米過程中產(chǎn)生的米糠。脈沖除塵器3 臺(tái)用于捕捉粉末物質(zhì)并放入絞龍中，絞龍旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)米糠進(jìn)入米糠打包儲(chǔ)存容器中。碾米工段工藝流程如圖3 所示。

圖3 碾米工段工藝流程

1.4 拋光工藝流程

拋光工段為整個(gè)加工生產(chǎn)的最后工段，再次打磨拋光，并色選精選得到精米。

根據(jù)白米質(zhì)量拋光與色選次數(shù)，新加設(shè)備有配米稱4 臺(tái)、拋光機(jī)3 臺(tái)、色選機(jī)3 臺(tái)。每臺(tái)拋光機(jī)對(duì)應(yīng)1 組獨(dú)立風(fēng)網(wǎng)，當(dāng)某臺(tái)拋光機(jī)需要打開時(shí)，只需開啟相應(yīng)風(fēng)網(wǎng)設(shè)備即可，以此可降低能源損耗且提高生產(chǎn)效率。拋光工段工藝流程如圖4 所示。

圖4 拋光工段工藝流程

2 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制方案中包括1 臺(tái)中型PLC 及7 臺(tái)小型PLC。主站與分站、各分站之間全部采用PROFINET 通訊方式，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量設(shè)備通信采用MODBUS RTU 轉(zhuǎn)MODBUS TCP/IP 智能網(wǎng)關(guān)方式[6-7]，可大幅減少RS485 通信線的使用距離，極大降低傳輸干擾，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性。稻谷去殼加工生產(chǎn)線控制系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)拓?fù)?/p>

系統(tǒng)電機(jī)主回路可分為4 種情況，分別是單電機(jī)雙向軟啟、多電機(jī)單向直啟、單電機(jī)單向軟啟和單電機(jī)單向直啟。

1）單電機(jī)雙向軟啟，適用于功率較大且有正反轉(zhuǎn)需求的電機(jī)回路，設(shè)備包括粉碎機(jī)。其電機(jī)需通過控制回路控制接觸器將三相換相后實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的需求，軟啟動(dòng)器用作電機(jī)保護(hù)并做電機(jī)啟?？刂?。

2）多電機(jī)單向直啟，適用于同時(shí)啟動(dòng)2 臺(tái)功率較小的電機(jī)且無(wú)正反轉(zhuǎn)需求的電機(jī)回路，設(shè)備包括震動(dòng)篩、去石機(jī)、分級(jí)篩、精選篩、長(zhǎng)度精選機(jī)。如震動(dòng)清理篩需同時(shí)啟動(dòng)2 臺(tái)電機(jī)功率均為3 kW 的電機(jī)，其電機(jī)需經(jīng)過熱繼電器起保護(hù)作用，啟?？刂埔彩峭ㄟ^接觸器吸合實(shí)現(xiàn)。

3）單電機(jī)單向軟啟，適用于啟動(dòng)功率較大但無(wú)正反轉(zhuǎn)需求的電機(jī)回路，設(shè)備包括米機(jī)、風(fēng)機(jī)。如功率為55 kW 的米機(jī)電機(jī)回路采用軟啟動(dòng)器作電機(jī)保護(hù)以及啟停控制。

4）單電機(jī)單向直啟，適用于功率較小且無(wú)正反轉(zhuǎn)需求的電機(jī)回路，例如功率為1.5 kW 的提升機(jī)回路或刮板輸送機(jī)回路。該電機(jī)回路通過控制回路控制接觸器吸合即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)備控制可分為設(shè)備單機(jī)點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)和多設(shè)備聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)2 種啟動(dòng)方式[8-9]。

1）設(shè)備單機(jī)點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)方式是由上位控制器以控制位置位的方式，對(duì)PLC 內(nèi)1 個(gè)變量進(jìn)行寫入位1，該變量將會(huì)通過Profinet 協(xié)議從中型PLC_1214C 映射到小型PLC_SMART 內(nèi)。單機(jī)點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)方式控制流程如圖6 所示。

圖6 單機(jī)點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)方式控制流程

2）多設(shè)備聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)方式是由操作員從上位人機(jī)交互界面下發(fā)流程啟動(dòng)指令，置位中型PLC_1214C內(nèi)部流程啟動(dòng)控制位。當(dāng)流程啟動(dòng)控制位被置位后，程序?qū)⒖刂圃摿鞒讨邪乃酗L(fēng)網(wǎng)設(shè)備、輸送設(shè)備、加工設(shè)備依次啟動(dòng)。每個(gè)設(shè)備啟動(dòng)方式同單機(jī)點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)設(shè)備相同，均由小型PLC_SMART 輸出控制。具體啟動(dòng)程序流程如圖7 所示。

4 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

稻谷去殼加工生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互采用兩種組態(tài)軟件開發(fā)。上位客戶端采用西門子WINCC，通過以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)與中型PLC_1214C 建立變量連接；分站觸摸屏采用McgsPro，數(shù)據(jù)交互連接方式同WINCC。

該系統(tǒng)通過各類檢測(cè)模塊和傳感器對(duì)系統(tǒng)中的各類電力設(shè)備、用電設(shè)備的實(shí)時(shí)耗電數(shù)據(jù)、計(jì)量設(shè)備的實(shí)時(shí)產(chǎn)量數(shù)據(jù)和報(bào)警信息進(jìn)行檢測(cè)，并通過總線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各系統(tǒng)設(shè)備的操控，使操作者能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理產(chǎn)線上各類設(shè)備問題[10-11]。

4.1 客戶端界面

客戶端界面包含1 個(gè)主畫面及6 個(gè)系統(tǒng)子畫面，具體內(nèi)容如圖8 所示。

1）主畫面。可用于直接顯示產(chǎn)線工藝流程及各工段內(nèi)所有設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，如圖9 所示。

圖9 客戶端主界面

2）用戶登錄界面。滿足使用權(quán)限或查詢權(quán)限的賬戶，可以控制各設(shè)備及流程的啟停。

3）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)界面。顯示整個(gè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，可提示操作者網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的通信故障。

4）故障及報(bào)警查詢界面。存儲(chǔ)設(shè)備及流程故障信號(hào)，將故障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)歸檔、打印，為產(chǎn)線問題提供依據(jù)。

5）急停顯示界面。提供非典型故障判斷依據(jù)，例如急停按鈕誤觸導(dǎo)致控制電源斷路的問題。

6）電能查詢界面。實(shí)時(shí)顯示各控制柜電能損耗值，并輸出產(chǎn)能分析表，如圖10 所示。

圖10 電能查詢界面

7）幫助界面。用于顯示該操作系統(tǒng)實(shí)際操控邏輯。

4.2 分站觸摸屏人機(jī)交互界面

分站觸摸屏應(yīng)保證遠(yuǎn)程監(jiān)視并控制該工段下所有設(shè)備，為使操作員對(duì)2 款界面使用同步化，觸摸屏界面設(shè)計(jì)風(fēng)格與客戶端保持一致,共設(shè)計(jì)3 個(gè)頁(yè)面，即主界面、I/O 監(jiān)控界面、故障查詢界面。

1）主界面。用于顯示該工段所有工藝流程，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息，并可操作相應(yīng)設(shè)備啟停動(dòng)作，如圖11 所示。

圖11 觸摸屏主界面

2）I/O 監(jiān)控界面。用于顯示該工段下設(shè)備I/O 輸入輸出狀態(tài)，及時(shí)反映設(shè)備問題，如圖12 所示。

圖12 觸摸屏I/O 監(jiān)控界面

3）故障查詢界面。和客戶端故障報(bào)警及查詢界面設(shè)計(jì)類似，用于顯示設(shè)備故障信息，及時(shí)反映給操作員。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究基于一體化集成思想，采用MODBUS RTU、PROFINET、TCP/IP 等多種通信方式，構(gòu)建了多PLC 控制的稻谷去殼加工生產(chǎn)線雙層監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備清晰的工藝路線，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線設(shè)備的自動(dòng)化控制，并實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和能耗監(jiān)控信息。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，在滿載負(fù)荷的情況下，每日產(chǎn)量可達(dá)150 t，大大提高了稻谷去殼加工生產(chǎn)線的產(chǎn)能，并有效提升了數(shù)據(jù)分析效率和產(chǎn)線管理效率。本研究為稻谷去殼加工生產(chǎn)線提供了一種全工藝流程的自動(dòng)化控制解決方案，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。