碾米机精度智能控制系统的研制与应用

华 钦，黄海军，张 远，曹 峰，曹海军，孙玉田

无锡中粮工程科技有限公司 (无锡 214035)

我国是世界上最大的稻谷生产国和消费国，稻谷产业在中国具有非常重要的地位。这些年来我国稻谷加工技术取得了飞跃发展，总体技术水平已达到国际先进水平，但加工方式仍较粗放，稻谷加工精制米的出品率在65%左右。由于过度加工导致粮食可食资源的损失率在5%左右。按稻谷年加工量2亿t计，可食资源年损失达1 000万t左右，相当于未来10年需增产500亿kg粮食的20%，粮食资源未得到充分利用，宝贵的资源优势没有转化为食品优势和经济优势[1]。如何有效地利用粮食资源，实施稻谷的适度加工，节约粮食资源和降低能耗是当前重要的研究课题。

在稻谷加工过程中，70%以上的碎米产生在砻谷和碾米工段。目前大米加工企业普遍采用传统的碾米机，随着原粮品种、品质、气候等各种外界因素的变化，操作工人需对碾米设备进行操作调整以保证成品的质量和出品率，这就对操作工人提出了很高的要求。那么如何减少操作调整时间，减少人为因素的影响，提高碾米机的生产效率，是目前碾米设备研发亟待解决的问题[2]。

1 碾白精度、碎米率和主机电流关系

碾米就是借助旋转的碾辊使米粒与碾白室构件及米粒与米粒之间产生相互碰撞、碾削、摩擦翻滚及轴向输送等运动，通过碾削及摩擦擦离等作用将米粒表皮部分全部去除，使米粒成为符合规定要求的大米的加工过程[3]。碾米过程中碎米产生的主要原因是米粒在碾米室内所受的压力大于米粒本身的韧性，从而造成米粒断裂，形成碎米[4]。

传统的碾米机工作时，碾白室压力是通过人工压砣控制出料门来实现的。当外加压力增大时，物料难以排出碾白室，造成碾白室压力增大，这时主电机负荷加大，电流也随之上升，碾白精度提高，同时会增加碎米率；反之，当外加压力减小时，物料容易排出碾白室，碾白室压力降低，主电机负荷和电流也减小，碾白精度、碎米率都会降低。由此可见，碾白精度与碎米率存在一定的正比关系，同时碾白精度与主电机电流也存在一定的正比关系，因此通过检测主电机电流即可确定碾白精度。

大米生产线上经常出现碾米精度高时碎米率高，同时电耗也高，降低碎米率时碾米精度过低，碾米效果好坏直接影响成品大米的质量。因此需要将精度控制在某一区间内，才能保证在最合适精度下，碎米率低、吨米电耗低。

2 传统碾米机需要解决的问题

传统碾米机靠人工压砣来调整碾白精度的操作方法，存在以下问题：由于操作不当，造成来料不匀，致使加工过程不能实现连续不间断的生产；操作工未能及时根据来料大小控制流量和碾白压力，从而造成大米精度、碎米率的波动；普通操作工由于缺乏碾米专业知识，致使碾米机组中碾米机碾减率(碾白压力)分配的不合理[2]。因此，大米的精度、出米率和吨米电耗等主要经济技术指标与操作工的经验、水平密切相关，因人的差异导致主要指标千差万别。并且随着原粮品种、水分等因素变化时，操作工需重新摸索经验，既不便于生产过程的连续性管理和控制，也增加企业的生产运行成本。

对粮食加工企业来说，有经验操作工的不足和人工成本持续上涨所产生的叠加效应，成为困扰企业发展的瓶颈。智能化和自动化设备的应用，不仅缓解技工短缺的困境，而且能大幅提高劳动生产率，降低生产线运行成本，给企业带来长远的经济效益。在此背景下，碾米机精度智能控制系统的研发就显得非常有必要。

3 精度智能控制系统工作原理与结构

精度智能控制系统由触摸屏、PLC控制器、自动化控制柜、电气比例阀、气缸、出料门等组成。触摸屏可根据不同品种、水分设定最佳电流值(此时碾米精度最合适)。PLC控制器经过程序计算、输出电信号来控制电气比例阀。电气比例阀通过输入的电信号，实现对输出信号(压力)的控制。和常用的电磁控制阀比较，电气比例阀能实现对气压力的连续、无极和成比例调节，实现远程和程序控制。

该技术的工作原理是：根据碾白精度与主电机电流存在一定的正比关系，在线采集主电机电流，PLC控制器与设定的最佳电流(在一个较小的区间)比较，算出补偿值，若低于最佳电流(补偿值为正)，PLC发出指令让电气比例阀控制气缸将出料门关小，这时碾白室压力加大，碾白精度也同步提高；若高于最佳电流(补偿值为负)，气缸反向动作将出料门开大，将碾白精度降低；若在区间范围则不动作，从而实现智能控制出料门的开度，让碾白精度平衡在最合适精度区间内，此时碾米机的碎米率低、吨米电耗低。

如图1所示，出料斗外部装有支座，内部装有出料门。出料门通过出料门转轴与出料斗壳体联结，可以绕出料门转轴转动。气缸通过气缸转轴与支座联结，可以绕气缸转轴转动。气缸头部通过销轴与出料门固定成为一体，相互间不能运动。

注1.出料斗；2.出料门转轴；3.出料门；4.销轴；5.支座；6.气缸转轴；7.气缸。 图1 出料门结构示意图

碾米机工作时，当检测到主机电流低于最佳电流时，PLC控制器发出指令，电气比例阀控制气缸推出并带动出料门顺时针方向转动，此时米的流出口径变小，碾白室压力加大，碾白精度提高；若高于最佳电流，气缸回缩并带动出料门逆时针方向转动，此时流出口径变大，碾白精度降低；若在区间范围则不动作，从而实现智能控制出料门的开度。

4 精度智能控制系统的应用

和人工操作相比，精度智能控制系统采集的数据实时、准确，动作迅捷，碾白精度控制稳定，压力调整连续平稳，避免间歇冲击压力造成大米的增碎。它具有以下显著的优点：在线智能控制碾白精度，实现全自动无人操作，每班可节省操作员1名，大幅降低碾米机运行成本；碾白精度、出米率和吨米电耗等主要经济技术指标有较大的优化；经测试，碾米机精度智能控制系统可以使出米率提高1.5%，吨米电耗降低5%～6%。

因为碎米的市场价格远低于整米，因此降低碎米率、提高整精米率是大米加工企业追求的首要目标。以日产300 t大米生产线为例，年产9万t大米(按300 d计算)，使用精度智能控制的碾米机后，按出米率提高1.5%计算：90 000 ×1.5%=1 350 t；1 350×850元=114.75万元(按整米和碎米差价850元/t计)。每年可增加利润114.75万元，产生的经济效益非常可观。

我国在稻谷加工设备智能化技术方面还处于初步发展阶段，大部分稻谷加工厂依旧是劳动密集型企业，用工成本高、企业效益低依旧制约着稻谷加工企业的发展。精度智能控制碾米机的应用可以给稻谷加工企业带来非常好的经济效益，具有很好的推广应用前景。尤其是在国内普遍的“稻强米弱”形势下，稻谷加工企业更应该注重提高生产线设备的智能化、自动化和先进性，有效地降低企业生产成本。随着科学技术的发展和企业用工成本的增加，稻谷加工设备的智能化将会是粮食行业发展的趋势。