蔡華鋒，鄭曉玲

日加工300t稻谷生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計

蔡華鋒1，鄭曉玲2

（1湖北工業(yè)大學(xué)太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢430068；2武漢武船機(jī)電模塊有限責(zé)任公司，湖北武漢430063）

闡述了大米加工生產(chǎn)線自動化系統(tǒng)的整體設(shè)計。根據(jù)湖北某米廠稻谷種類合理設(shè)計了三個加工工序：清理礱谷、碾米系統(tǒng)和拋光色選工藝流程?？刂葡到y(tǒng)由上下位機(jī)結(jié)構(gòu)組成，下位機(jī)利用PLC為主控器完成所有設(shè)備控制與狀態(tài)檢測，上位采用組態(tài)軟件開發(fā)友好人機(jī)交流界面。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)提高大米生產(chǎn)效率，有效控制生產(chǎn)過程中設(shè)備故障引起的堵塞，大大減少操作人員勞動強(qiáng)度。

大米加工；自動控制系統(tǒng)；PLC；人機(jī)交流界面

當(dāng)前，大米生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模參差不齊，大多數(shù)生產(chǎn)設(shè)備采用繼電－接觸器控制電路，即通過按鈕、接觸器、手動控制各設(shè)備［1－2］。此種控制方式很難滿足糧食精、深加工的需要［3］。

某集團(tuán)米業(yè)公司設(shè)計了一日加工300t稻谷的大米加工生產(chǎn)線，生產(chǎn)工藝根據(jù)當(dāng)?shù)卮竺灼贩N特點(diǎn)專門設(shè)計；生產(chǎn)加工設(shè)備采用了國內(nèi)外品牌糧機(jī)設(shè)備，控制系統(tǒng)下位機(jī)采用歐姆龍PLC為主控器，上位機(jī)人機(jī)交流界面是在工控機(jī)上運(yùn)行二次開發(fā)的組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制和手動控制并存，同時能針對不同故障做出相應(yīng)的響應(yīng)，并通過總線實(shí)時監(jiān)測加工過程中各種數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)顯示、處理和報表形成，生產(chǎn)過程實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)可發(fā)布，通過局域網(wǎng)供不同部門遠(yuǎn)程監(jiān)測，從而為生產(chǎn)效率計算、成本確定提供科學(xué)依據(jù)。系統(tǒng)的自動化控制減輕工人勞動強(qiáng)度，友好的人機(jī)交流界面降低了操作人員專業(yè)要求。

1 大米加工工藝流程描述

大米加工工藝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［4］。為了保證成品米質(zhì)量、提高產(chǎn)品精度、減少糧食在加工過程中的損失、提高出米率，大米加工一般經(jīng)過清理礱谷、碾米系統(tǒng)、拋光色選工序。工藝流程因生產(chǎn)規(guī)模、大米品質(zhì)要求不同有一定的差異。本文討論的大米加工生產(chǎn)線分為清理礱谷、碾米系統(tǒng)和拋光色選三個工序［4］，大致流程如下：

清理礱谷工作流程為：原糧 初清處理 振動處理 原糧計量 去石 礱谷 回轉(zhuǎn)處理 谷糙分離。日加工300t稻谷生產(chǎn)線清理礱谷工藝流程見圖1。設(shè)備與設(shè)備之間需要提升機(jī)完成物料提升，同時為了提高生產(chǎn)效率一般在設(shè)備前需增加緩沖倉。

圖1 清理礱谷工藝流程圖

碾米系統(tǒng)工作流程為：來自整理礱谷物料 1＃米機(jī)處理 2＃米機(jī)處理 3＃米機(jī)處理 4＃米機(jī)處理 1＃拋光 米篩。日加工300t稻谷生產(chǎn)線碾米系統(tǒng)工藝流程見圖2。

拋光色選工作流程為：來自碾米系統(tǒng)物料 1道色選 2道色選 2道拋光 3道拋光 白米篩 稱重打包 成品。日加工300t稻谷生產(chǎn)線拋光色選工藝流程見圖3。

圖2 碾米系統(tǒng)工藝流程圖

圖3 拋光色選工藝流程圖

2 大米加工生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)以上工藝流程，從生產(chǎn)線功能上分成了三個部分［5－6］，從系統(tǒng)控制功能而言，大米加工生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要分為設(shè)備控制、狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)通信和監(jiān)控軟件四個部分，該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖見圖4。

圖4 大米加工自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)備控制和狀態(tài)檢測部分由可編程序控制器來實(shí)現(xiàn)。所需控制的設(shè)備有提升機(jī)、風(fēng)網(wǎng)設(shè)備和加工設(shè)備，還有閘門、三通，共94點(diǎn)開關(guān)量輸出量。狀態(tài)檢測包含設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、高（低）料位檢測、三通位置檢測和閘門狀態(tài)檢測，共127點(diǎn)開關(guān)量輸入量。

數(shù)據(jù)通信包括PLC與監(jiān)控計算機(jī)之間RS232通信，以及電能表、毛谷秤、成品秤和包裝秤與監(jiān)控計算機(jī)之間的RS485通信。

監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流，主要完成工藝流程操作所要求的流程順序啟動、順序停止、故障停機(jī)、流程切換及單臺設(shè)備的操作功能；失速報警、滿料報警、聲光通訊報警；工藝流程生產(chǎn)自動監(jiān)控、在線通訊數(shù)據(jù)的采集、計算、分析、統(tǒng)計、匯總、打印等。

2.1 設(shè)備控制與狀態(tài)檢測

系統(tǒng)設(shè)備控制和狀態(tài)檢測是為了系統(tǒng)能根據(jù)工藝流程順序啟動、停車，并檢測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，在故障時能作出相應(yīng)處理。這里選用歐姆龍主流機(jī)型CP1H－X40DR－A PLC作為主控器，并配置擴(kuò)展模塊。

設(shè)備控制采用PLC繼電器輸出形式，將被控接觸器線圈或電磁閥線圈直接接入PLC輸出通道回路。

大米加工系統(tǒng)中各種設(shè)備完成不同的功能，按功率不同可采用直接啟動和Y－Δ啟動，此兩類設(shè)備主電路見圖5。

圖5 控制設(shè)備主電路

狀態(tài)檢測由料位檢測和設(shè)備運(yùn)行反饋組成。料位器選用電容式接近開關(guān)，其供電為交流220V，因此每個料位器信號通過中間繼電器觸點(diǎn)接入PLC輸入點(diǎn)；設(shè)備運(yùn)行檢測采用NPN型光電開關(guān)和NPN型接近開關(guān)直接進(jìn)入PLC輸入點(diǎn)。

料位器在碾米系統(tǒng)中主要用來完成倉內(nèi)物料是否滿料的檢測與判斷，當(dāng)物料接近傳感器探測部分時輸出信號由“OFF”狀態(tài)變?yōu)椤癘N”狀態(tài)，即PLC對應(yīng)的輸入點(diǎn)變?yōu)椤癘N”時，表明倉已滿，此信號一方面供自動控制環(huán)節(jié)使用，另一面在人機(jī)界面上顯示出來。

由于使用環(huán)境的緣由，物料在從上向下流動時，會有部分物料接觸料位器探測部分，PLC檢測信號會發(fā)生變換，但此過程是短暫的，如果直接響應(yīng)此信號變化，將會使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。因此，需要對料位器信號進(jìn)行必要處理，這里采用去抖思想，其去抖方法是當(dāng)檢測到料位器輸入信號變化時，先啟動延時（約10s），當(dāng)延時時間到，再去判斷此改變的信號是否存在，如果存在則認(rèn)為倉的確滿了，反之則為干擾。

圖6所示為系統(tǒng)料位器檢測處理程序，以HL1的工作過程為例進(jìn)行敘述。HL1的輸入點(diǎn)為4.09，去抖延時定時器為T21，料滿指示分配了W3.08。

圖6 料位器檢測程序

1）當(dāng)料滿時，4.09為“ON”，定時器T21開始定時，定時時間10s一到，T21觸點(diǎn)動作，其常開觸點(diǎn)閉合，此時4.0仍然保持為“ON”，則HL1料位滿指示W(wǎng)3.08為“ON”狀態(tài)，并保持，直到倉內(nèi)物料退出，4.09變?yōu)椤癘FF”狀態(tài)。

2）當(dāng)物料干擾時，4.09也為“ON”狀態(tài)，定時器T21開始定時，但定時還未完成，4.09的狀態(tài)就變?yōu)椤癘FF”，則T21定時不成功，對應(yīng)的KEEP指令不會被執(zhí)行。

3）當(dāng)料位器不停被干擾時，其信號不斷變化，也無法讓定時器定時成功。

2.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測與數(shù)據(jù)通信

在稻谷加工過程中，需要統(tǒng)計毛谷重量、糙米重量、精米重量和所需電能，因此在工藝中初清處理完成后加入一臺流量秤統(tǒng)計毛谷重量；在拋光色選精加工前安裝一臺流量秤統(tǒng)計成品米（糙米）重量，最后的精米重量則通過包裝秤計量后累計計算出；整個系統(tǒng)用電由帶通信接口的電能表得到。所有儀表均具有RS－485通信接口，但通信協(xié)議不同，這里在VC平臺下實(shí)現(xiàn)通信接口驅(qū)動，建立組態(tài)軟件通信驅(qū)動接口函數(shù)，供組態(tài)軟件調(diào)用。

2.3 監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)

上位監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)操作員與系統(tǒng)的接口和交流，在設(shè)計原則上一方面要求功能齊全，另一方面便于操作、管理。

2.3.1 監(jiān)控軟件功能

1）動態(tài)模擬顯示大米加工的各段工藝流程、生產(chǎn)報表、生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

2）大米加工過程中如出現(xiàn)異常情況時，自動報警并用文字顯示故障類型、故障時間、日期和故障原因，使操作員在后序加工時可更好地調(diào)試加工設(shè)備。

3）權(quán)限管理，操作員只有在開機(jī)時輸入正確的登陸密碼后，才能進(jìn)入大米加工主操作界面。

4）軟件界面能按時間先后顯示流量秤、包裝秤和電能表的累計數(shù)據(jù)，并能計算在一定時間內(nèi)原糧、粗糧和精米數(shù)量，統(tǒng)計出米率、噸米電耗。

5）查詢歷史數(shù)據(jù)，如過去一周內(nèi)的運(yùn)行時間、大米加工產(chǎn)量等。

2.3.2 人機(jī)界面設(shè)計 在人機(jī)界面計算機(jī)中，軟件界面能動態(tài)顯示各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。用灰、綠燈表示設(shè)備的關(guān)機(jī)、開機(jī)狀態(tài)，而當(dāng)設(shè)備故障時，整個設(shè)備將變紅并閃爍。用管道流動顯示物料流動情況，形象、動態(tài)顯示物料運(yùn)行狀態(tài)。為使控制室操作人員了解各設(shè)備狀態(tài)，及時掌握加工設(shè)備的運(yùn)行情況，同時配有料位器低料、高料報警及處理電路，在各種事故狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)報警停機(jī)。

軟件界面上，設(shè)有各相關(guān)設(shè)備的啟、停按鈕，可在控制室內(nèi)通過計算機(jī)單獨(dú)啟動和停止任一臺加工設(shè)備，也可在界面上，根據(jù)不同稻谷加工需要在自動運(yùn)行啟動前點(diǎn)擊三通選擇好物料流向。自動運(yùn)行只需一鍵即可將該工序中所有設(shè)備按照先后順序啟動和停止，同時設(shè)置各工序急停和系統(tǒng)急停開關(guān)，以應(yīng)對大米加工時遇到的各種突發(fā)事件。大米加工控制系統(tǒng)人機(jī)界面清理礱谷界面、碾米系統(tǒng)界面和拋光色選界面分別見圖7－圖9。

圖9 碾米系統(tǒng)人機(jī)界面

3 結(jié)束語

目前，大米加工生產(chǎn)線已經(jīng)應(yīng)用于湖北某集團(tuán)米業(yè)有限公司運(yùn)行兩年多，日加工稻谷300t，具有較好的經(jīng)濟(jì)效率和較低的生產(chǎn)維護(hù)成本。實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定，大大提高了監(jiān)控效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和出品率，提高了生產(chǎn)運(yùn)行的安全可靠性，降低了操作管理人員的勞動強(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。

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Design of Control System for Operation Line for Paddy with Capacity 300 t／day

CAI Huafeng1，ZHANG Xiaoling2
（1 Center for High－efficiency Utilization of Solar Energy，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 Wuhan Wuchuan ElectroMechanical Equipment Modularization Co.，LTD，Wuhan 430063，China）

This paper mainly expounds the overall design of the rice processing production line automation system.Based on the rice species of a certain rice mill in Hubei Province，three processes were reasonably designed：cleaning the rice milling，the milling system and polishing color selection process.The control system is composed of upper and lower position machine structures.The lower position machine uses PLC as the host controller to complete all the equipment control and state detection，while the upper position machine develops friendly human－computer interaction interface by using configuration software.Practice shows that the systems improve the efficiency of rice production，effective control of production process equipment failure caused by congestion，and reduce the operator labor intensity greatly.

rice processing；automatic control system；PLC；HMI

TP273

A

［責(zé)任編校：張巖芳］

1003－4684（2017）04－0047－04

2016－06－23

湖北省教育廳資助項(xiàng)目（XD2014115）

蔡華鋒（1978－），男，湖北黃梅人，湖北工業(yè)大學(xué)講師，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)控制與管理、電力電子節(jié)能裝置