磨粉机电气控制系统的设计实现

周 焱，吴孝丽

（1. 河南城建学院 电气与电子工程系，平顶山 467000；2. 河南城建学院 计算机系，平顶山 467000）

0 引言

磨粉机是一种将小麦原料进行碾压，从而加工成面粉的机器，它是面粉厂的一种重要的主机设备。一般情况下，磨粉机的性能被认为是由喂料功能和碾磨功能两个方面组成的。当前，磨粉机的设计和改进工作一般集中在机械结构和材料的生产加工方面，而对于磨粉机的研磨方式，以及磨粉机的控制方式，一般很少有改进。磨粉机的功能与当前现代化的控制要求还有一定的差距。针对以上情况，本文设计了一种新的磨粉机电气控制系统。通过该系统的应用，希望能够有利于设计出新的制粉设备，推动我国在制粉工业的进一步发展。

图1 电气控制系统组成原理示意图

1 系统总体方案及组成

从机械结构来看，磨粉机一般由磨辊、喂料机构、轧距调节机构和传动机构以及磨辊的清理机构等多个部分组成。喂料系统和轧距调节系统是磨粉机自动控制的难点，也是本文的重点研究对象。

磨粉机的工作过程如下，首先，小麦经过溜管进入料筒，然后，在拨流辊的拨动下缓慢流动到分流辊，从分流辊流下后，经过两根反向转动的磨辊的碾压作用，形成粉料。因此，磨粉机对于喂料系统的要求为：喂料后延迟两秒合闸，而无物料时，能够自动离闸，合闸后，磨辊间距恒定，能够调节或锁定。电机工作中的吸收功率保持在70%到90%之间。

根据以上的原理和工作过程分析，确定控制系统的组成部分如图1所示：

该系统利用在喂料系统方面利用变频调速的闭环控制实现喂料速度的调节，如果通过传感器检测到堵料或者喂料超限，则通过指示灯进行报警提示。在轧距的自动调节方面，同样是闭环控制的方式，利用位移传感器进行轧距的测量，然后，根据给定的轧距调节磨辊，为有效的排除瞬间干扰对系统造成的震动影响，轧距控制设定一定的偏差量，当轧距的变化在偏差量的范围内时，则对忽略该变化的影响。

2 系统硬件设计

2.1 喂料调速系统

该系统的工作过程如下，首先，利用料位传感器对进料的位置进行检测，CPU对检测到的量进行相应的计算，计算出喂料电机相应的转速，当物料高度达到100%时，控制喂料电机达到最高转速100rpm，当物料高度为10%时，控制喂料电机转速达到10rpm，当物料高度小于10%时，则使喂料电机停止，并使磨辊离闸。根据该转速控制喂料电机的变频器，从而带动驱动电机运转，电机带动喂料辊，然后，利用编码器对喂料辊的转速进行检测，并发送回CPU，从而形成闭环控制，可极大的提高喂料辊的控制精度。

该系统中，料位传感器采用的是电容杆式料位传感器，这种传感器利用圆筒电容器原理[1]进行工作。将容器的壁作为一极，探头放在中间作为另一极，当容器中的物料的高度发生变化时，会引起筒中介质的介电常数发生变化，而由电容器的原理，可以得到圆筒形电容器的电容量可以计算为：

其中L为为料筒的高度，R为喂料筒的半径，r为电容器探头的半径。

当料筒中的物料发生变化，圆筒中的电极被浸入的深度为 时，可以得到该圆筒电容的增量为：

为了使物料传感器的输出能够满足单片机输入口的要求，对物料传感器的输出信号进行相应的处理，利用运算放大器LM358构成了电压跟随器，对传感器输出的0-30mA的信号进行相应的放大，放大电路如图2所示：

图2 电流放大电路

单片机得到通过物料传感器，得到了相应的物料信息，通过相应的计算之后，利用一定的控制信号对控制变频器，从而驱动物料电机，该系统中，变频器选用的使AB品牌的交流变频器PowerFlex4，由单片机控制变频器的频率输出在0到84赫兹之间，其中，单片机的一个输出口通过输出开关量，模拟PWM信号，通过一定的信号转换电路处理之后，信号转化成为0-10V的模拟控制信号，利用该信号控制变频器相应的频率。其中，由PWM信号转化成为0-10V模拟信号的电路如图3所示：

图3 信号转换电路

变频器通过变频输出控制喂料电机，喂料电机选用东菱TYD系列的三相交流永磁低速同步电机，具体参数如下：

选型 功率 转矩 转速TYD系列 400W 40Nm 60r/m(50Hz)

2.2 轧距自动调节系统

要对轧距进行自动调节，适应系统的要求，首先，要对磨辊的轧距有一个精确的测量值，轧辊实际上是一个曲柄偏心转轴机构，该机构又和磨辊轴承座连为一体，因此，系统中，磨辊的离合闸过程中的运行轨迹实际上是一条曲线。要求得磨辊轧距，就要对磨辊的曲线位移进行相应的处理，从而求得水平位移，本系统中，采用的是将曲线离散化的方式，通过多个点对运行曲线进行相应的拟合。示意图如图4所示：

图4 离合闸过程曲线拟合示意图

图4 中，点1到点14表示实际测量取得的各个离散点，而虚线则表示实际离合闸过程中的轧辊运行曲线，如图4所示，距离离闸位置越近，则取得的离散点则越密（图4中点12、13、14），而远离离闸点的位置，则取得的离散点比较疏松，通过这样的方式，从机械控制特性来说，保证了离合闸过程的控制精度和速度，而从电气控制方面来说，则保证了CPU较少的运算量，同样可以使系统迅速反应。

磨辊驱动电机的选用也是磨粉机电气系统设计中的一个关键点。该驱动电机的额定功率与实际制粉工艺条件有关。受到物料的种类、进料速度、磨辊的长度、磨辊的直径等多种因素的影响。选用不同功率的电机，导致电机的吸收功率有很大的区别。额定电压条件下，电机的吸收功率可以表示为：

为了保证磨辊电动机的吸收功率能够保持在70%到90%之间，需要对电动机通过的电流进行测量，该磨辊电动机选用的是三相交流异步电动机，可以任取其中的一项进行电流的测量。电流采样测量电路如图5所示：

图5 电流采样电路

如图5所示，三相交流异步电动机一相中的电流利用电流互感器转换成较小的电流，电流互感器的两端连接到T1和T2，小电流流过电阻R1，转换成电压信号，然后，由运算放大器LM358构成减法运算器，通过减法运算器的作用，使电压信号共地。将得到的电压信号送到单片机的一个模拟量输入口，利用单片机对该电压值进行采集运算，通过相应的计算，得出电流的大小。从而控制变频器对轧辊电机的参数进行相应的调节。

3 结论

本文以磨粉机的喂料系统和轧距调节系统为主要研究对象，设计了磨粉机的电气控制系统，经过相应的实验和结果分析，该系统取得了较好的效果。但是，从根本上来说，磨粉机的电气控制系统与机械系统是相辅相成的，只有合理高效的机械结构，良好的加工精度，加上先进的电气采样测控，才能使磨粉机真正体现出更优良的性能。

另外，因为条件限制，本文只对物料高度的测量进行了相应的研究，根据物料高度进行相应的控制。当前，随着传感器技术和测试技术的不断发展，对于磨粉机工作中的其他条件，例如物料的干湿度、温度等各种条件进行更加详细的测量，可以更好的调整磨粉机的工作状态，使磨粉机的工作性能得到更好的发挥，进一步提高磨粉机的自动化程度。

[1] 梁森,欧阳三泰,王侃夫,自动检测技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2] 窦履豫,磨粉机的喂料自动控制系统[J].粮食与饲料工业, 2003.

[3] 谢利理,一种新型的电容式料位传感器设计[J].传感器技术, 2002.

[4] 王满堂,80C196MC单片机控制的双PWM变频调速系统[J].电力电子技术,1999.