碾米线精准加工的多级联控关键技术研究与实施

黄文雄,谢 健,*，程 科，郭亚丽，张兴宇，宋少云，王 宏，戴智华

1.国粮武汉科学研究设计院有限公司 (武汉 430079) 2.武汉轻工大学 (武汉 430023) 3.衢州市库米赛诺粮食机械制造有限公司 (衢州 324000)

2019年大米新国标已提出“适度加工”的概念，提倡节粮减损[1]。但在目前的大型粮食加工企业中，大米加工各机组之间一般没有数据通信，各设备之间依靠操作人员手动控制，导致设备配合衔接不恰当、碾米线效率低。存在加工损失大，碎米率较高的问题，这直接影响了企业的经济效益[2]。传统的单机控制已经不适应当前的需求，“精准智造”以及碾米线多级联控已经成为粮食加工企业的目标。本文首先分析了碾米线加工的工艺流程，然后据此设计了碾米线精准加工的多级联控系统，该控制系统主要由数据检测与处理、西门子PLC S7-1200为核心的联动控制系统、人机交互等部分组成，本文将对其关键部分进行简要介绍。

1 碾米线加工工艺流程概述

大米加工生产流程就是将稻谷加工成成品米的生产过程。即根据稻谷加工的特点和要求，选择合适的设备，并按照一定的加工顺序组合成生产作业线[3]。为了提高设备效率、合理控制大米加工精度、降低碎米率、提高出米率，整个加工流程大致分为清理去石砻谷、梯度碾米系统、抛光色选分级三个工序。设备由提升机、清理去石机、砻谷机、大糠分离器、谷糙分离机、碾米机、抛光机、色选机、分级机、打包机等部件组成[4]，其设备之间设有缓冲仓。

1.1 清理去石砻谷工序

稻谷倒入毛料斗由提升机提升至初清机进行大杂、细杂的处理，随后流入去石机进行去石；去杂质后的稻谷送至砻谷机剥去稻壳，再由大糠分离器吸送出去。脱壳后的糙米和未剥壳的稻谷经提升机送至重力谷糙分离筛进行筛选，分离；未剥壳的稻谷再次进入砻谷机进行剥壳。

1.2 梯度碾米系统工序

净糙米则流入碾米机，经多台碾米机碾白后得到白米。

1.3 抛光色选分级工序

白米由提升机送至抛光机，经抛光形成成品米；成品米送至分级筛进行整碎米分级；整米提升至色选机进行色选分级，筛去废料得到精米。最后将精米提升至电子打包机进行称重打包。

2 碾米线精准加工多级联控系统组成

为了对碾米过程进行精准控制，设计了一套以多级联控为核心的智能控制系统，该控制系统以PLC为核心，上位机与PLC之间通过通讯协议进行连接。在控制柜上配备大型操作触摸屏，直接发出操控指令。信号采集单元实时检测各种信号变化[5]。MCC作为信号输送与驱动单元，对生产工艺流程自动监控，进行实时在线的数据采集以及状态检测[6]。通过检测大米质量、分析设备运行状态，来优化参数，保证精准加工。

信号采集单元包括：料位计、转速传感器、重力传感器、温度传感器、压力传感器、电流传感器、白度传感器等。执行机构包括：进料启动闸门、流量闸门、出料调压机构、制冷装置、制热装置等。

具体的工作过程如下：操作员通过触摸屏发出操作指令，该指令首先传递给PLC，PLC根据指令解释成相应的时序信号，从而控制碾米线机组以及各执行机构。同时采集碾米机组以及执行机构的运行数据上传到上位机上实时显示。

3 碾米线多级联控系统的关键技术

3.1 数据检测与控制

系统通过料位计，电流传感器、转速传感器、压力传感器等多种传感器，检测设备及物料的工作状态。根据运行参数以及成品的质量、产量，运用模糊逻辑控制原理对运行参数进行实时调节并分析得出最佳的运行方案，将关键参数与数据库中参数进行比较并更新相应数据。

系统设备控制是为了系统能根据工作流程实现多级顺序启动、顺序停止。系统选用西门子PLC S7-1200作为主控制器，通过配置扩展模块实现对设备的控制。碾米线系统中不同的设备所实现的功能不同，按照主电路和控制电路的不同可以分为自锁电路和星三角降压启动控制电路。

此外，在大米生产加工线的设备控制中，当缓冲仓没有物料或后路设备缓冲仓满时，碾米机、抛光机则自动关闭进料闸门；砻谷机则先脱辊后关闸门；若是去石机、谷糙分离筛、分级筛等设备则自动停机，以保证各主机设备在断料状态下自动处理或自动停止运行。当缓冲仓有物料或后路设备缓冲仓料位低于上料位时，根据不同的设备自动执行上述相反操作。

3.2 多级迭代联动控制

迭代控制即为根据给定目标精度，与实际操作测得的误差来修正控制参数，经过一次又一次迭代后，使得后续加工可以根据修正后得到的最优化参数来执行操作任务。在过程联动控制方面，碾米线设有控制系统的通信接口，能上传或下载与上层系统交换的数据，实现多级联合控制。以3台碾米机为例，先将一、二、三碾达标率设定为50%、80%、95%。通过迭代多机控制，检查达标成果。根据实际测得结果与设定值之间的误差，修正设定参数。

物料经过第一台碾米机碾米后，当留皮、留胚、糙出白率低于第一台碾米机的设定值时。第二台碾米机将自动减小进料口，并提高转速，提高米粒在第二台碾米机的碾磨、切削效率；若经过二碾得到的糙米参数高于二碾达标率，第三台碾米机将自动增大进料口，并降低转速，使得最终达到预设值。

即使在脱糠率达标的情况下，仍需对各道碾米进行优化，优化目的是保证碾减最小。最后将优化迭代得到的运行参数固定，即是该品种在当前目标加工精度下的最佳多级联控方案。

3.3 人机交互

人机界面是控制系统中人和设备之间交流的平台，人直接通过上位机发出操作指令，发出的指令首先传递给PLC，PLC根据指令解释成相应的时序信号，直接控制相应设备。该人机界面能实时显示4台碾米机(某示范线)的运行数据，包括电流、温度、进料口开度等。同时设有功能按钮、选择品种按钮、各相关设备的启、停按钮、各工序急停和系统急停开关，以应对不同品种原料在加工时会遇到的突发情况。

4 结语

目前已经将该多级控制系统成功试用于多家大型碾米厂家。实际应用证明，该系统易操作性、可靠性高，杜绝了因物料流量不稳引起的“断料”、“憋车”、“堵料”现象，提高了生产运行的安全可靠性。经过在多个企业的推广使用中发现，碎米率平均降低8个百分点左右，电耗平均降低10 kWh/t，温升平均降低15 ℃，较大的改善了加工质量，并节省了能耗。它降低了操作管理人员的劳动强度，为实现生产管理的现代化发挥了积极作用。