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)濟效益[2]。傳統(tǒng)的單機控制已經(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)動控制系統(tǒng)、人機交互等部分組成，本文將對其關(guān)鍵部分進行簡要介紹。

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)、拋光色選分級三個工序。設(shè)備由提升機、清理去石機、礱谷機、大糠分離器、谷糙分離機、碾米機、拋光機、色選機、分級機、打包機等部件組成[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提升至初清機進行大雜、細(xì)雜的處理，隨后流入去石機進行去石；去雜質(zhì)后的稻谷送至礱谷機剝?nèi)サ練?，再由大糠分離器吸送出去。脫殼后的糙米和未剝殼的稻谷經(jīng)提升機送至重力谷糙分離篩進行篩選，分離；未剝殼的稻谷再次進入礱谷機進行剝殼。

1.2 梯度碾米系統(tǒng)工序

凈糙米則流入碾米機，經(jīng)多臺碾米機碾白后得到白米。

1.3 拋光色選分級工序

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

2 碾米線精準(zhǔn)加工多級聯(lián)控系統(tǒng)組成

為了對碾米過程進行精準(zhǔn)控制，設(shè)計了一套以多級聯(lián)控為核心的智能控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)以PLC為核心，上位機與PLC之間通過通訊協(xié)議進行連接。在控制柜上配備大型操作觸摸屏，直接發(fā)出操控指令。信號采集單元實時檢測各種信號變化[5]。MCC作為信號輸送與驅(qū)動單元，對生產(chǎn)工藝流程自動監(jiān)控，進行實時在線的數(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、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)行機構(gòu)包括：進料啟動閘門、流量閘門、出料調(diào)壓機構(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)的時序信號，從而控制碾米線機組以及各執(zhí)行機構(gòu)。同時采集碾米機組以及執(zhí)行機構(gòu)的運行數(shù)據(jù)上傳到上位機上實時顯示。

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，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)運行參數(shù)以及成品的質(zhì)量、產(chǎn)量，運用模糊邏輯控制原理對運行參數(shù)進行實時調(diào)節(jié)并分析得出最佳的運行方案，將關(guān)鍵參數(shù)與數(shù)據(jù)庫中參數(shù)進行比較并更新相應(yīng)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)設(shè)備控制是為了系統(tǒng)能根據(jù)工作流程實現(xiàn)多級順序啟動、順序停止。系統(tǒng)選用西門子PLC S7-1200作為主控制器，通過配置擴展模塊實現(xiàn)對設(shè)備的控制。碾米線系統(tǒng)中不同的設(shè)備所實現(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，碾米機、拋光機則自動關(guān)閉進料閘門；礱谷機則先脫輥后關(guān)閘門；若是去石機、谷糙分離篩、分級篩等設(shè)備則自動停機，以保證各主機設(shè)備在斷料狀態(tài)下自動處理或自動停止運行。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，根據(jù)不同的設(shè)備自動執(zhí)行上述相反操作。

3.2 多級迭代聯(lián)動控制

迭代控制即為根據(jù)給定目標(biāo)精度，與實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)，實現(xiàn)多級聯(lián)合控制。以3臺碾米機為例，先將一、二、三碾達(dá)標(biāo)率設(shè)定為50%、80%、95%。通過迭代多機控制，檢查達(dá)標(biāo)成果。根據(jù)實際測得結(jié)果與設(shè)定值之間的誤差，修正設(shè)定參數(shù)。

物料經(jīng)過第一臺碾米機碾米后，當(dāng)留皮、留胚、糙出白率低于第一臺碾米機的設(shè)定值時。第二臺碾米機將自動減小進料口，并提高轉(zhuǎn)速，提高米粒在第二臺碾米機的碾磨、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，第三臺碾米機將自動增大進料口，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 人機交互

人機界面是控制系統(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)的時序信號，直接控制相應(yīng)設(shè)備。該人機界面能實時顯示4臺碾米機(某示范線)的運行數(shù)據(jù)，包括電流、溫度、進料口開度等。同時設(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)運行的安全可靠性。經(jīng)過在多個企業(yè)的推廣使用中發(fā)現(xiàn)，碎米率平均降低8個百分點左右，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強度，為實現(xiàn)生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化發(fā)揮了積極作用。