稻谷去殼加工生產線監控系統研發

呂銘洋，徐金瑜，劉紅濱，楊欣茹，黃天宇，胡瑞娜

（湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

0 引言

稻谷是我國主要的糧食作物。據國家統計局發布數據顯示，2022 年我國稻谷播種面積為4.42 億畝（1 畝=0.066 7 hm2），產量2.08 億t，2022 年度國內稻谷總消費達2.05 億t。稻谷加工是糧食產業鏈中的重要組成部分，也是食品加工的基礎工業。我國稻谷加工長期存在著單機產量低、加工能耗高、數字化程度低等問題，嚴重制約了稻谷加工行業的高質量發展[1]。

近年來，我國企業和學者在稻谷加工及監控領域積累了一定的經驗。上海海豐米業基地李維強[2]設計的大米加工自動化監控系統，實現了大米廠的生產工藝流程控制，以及設備運行、故障、料位等狀態監控。廣東省現代農業裝備研究所黃家懌等[3]基于物聯網及云計算技術，開發了智慧糧倉系統，實現了關鍵參數遠程檢測、報警及關鍵設備的自動化控制功能。武漢輕工大學李心蕊[4]采用PLC 與組態王設計了稻谷加工自動化生產線與監控管理系統，實現了主要加工設備的智能化設計及生產線的數字化改造。湖南彬州糧油機械有限公司黃林志[5]在大米生產線上應用組態控制技術，實現狀態顯示、故障報警、數據記錄等功能。通過比較分析發現，現有的稻谷加工及監控系統存在一定的局限性，對于大型加工廠，設備種類及數量眾多，監控系統遠距離傳輸不穩定、現場數據獲取實時性低、可擴展性較差。

針對上述問題，本文以某省大米加工車間的入倉、礱谷、碾米、拋光4 個工段為對象，包含120余臺設備，設計了面向稻谷全加工周期的多PLC雙層控制系統，實現稻谷去殼加工生產線的自動控制及監控可視化。該系統在滿載負荷下，每日產量可達150 t，該系統的應用不僅實現了稻谷去殼加工生產線的數字化升級，還提升了稻谷加工質量的管理效率。

1 稻谷去殼加工生產工藝流程

稻谷去殼加工生產工藝流程，就是將稻谷加工成成品大米的整個生產過程，期間選擇合適設備類型及數量，按照一定的加工順序組合成生產線。具體工藝流程介紹如下文。

1.1 入倉工藝流程

該車間的入倉工段為整個大米加工生產的第1個工藝流程，其作用是將稻谷存儲至各個原糧倉，待加工時從原糧倉放糧。

首先稻谷經過斗提式提升機提至30 m 以上的高空后進入導流管，滑落至振動清理篩，粗篩較大的稻桿、垃圾、泥土、雜物。然后提升機將稻谷再次提升進入導流管，滑落至橫置刮板機，將稻谷水平運輸，并通過氣動閘門的開關狀態確認進入對應原糧倉。同時，風機和除塵器用于吸取稻谷從運輸車輛倒入原糧坑以及在運輸過程中產生的泥土粉塵。入倉工段工藝流程如圖1 所示。

圖1 入倉工段工藝流程

1.2 礱谷工藝流程

礱谷工藝為稻谷加工生產的第2 個工段，該工段分離谷殼，形成糙米。

手氣動閘門控制相應原糧出倉并控制流量。首先經過旋振篩、振動篩、去石機去除雜物，用流量計計量生產總產量，然后經過礱谷機剝離谷殼，再經過分離機將谷殼與糙米分離，糙米存入糙米倉，谷殼存入稻殼倉。其中，谷殼經過粉碎機產生糟糠作為副產品。該工段共包含3 套風網設備。礱谷工段工藝流程如圖2 所示。

圖2 礱谷工段工藝流程

1.3 碾米工藝流程

碾米工段為整個加工生產的第3 個工段，目的是將糙米倉中的糙米進行初加工，碾磨脫落其表皮黃色部分。

從糙米倉出倉的糙米可由手動三通閥或氣動三通閥來更改糙米流向，共有米機5 臺，根據大米質量調整碾米重復次數，去除糙米表皮黃色部分，獲得白米存入涼米倉。期間產生較多碎米，經過分級篩將碎米與整米分離。該工段共設置了3 套風網設備，用于運輸糙米碾米過程中產生的米糠。脈沖除塵器3 臺用于捕捉粉末物質并放入絞龍中，絞龍旋轉運動帶動米糠進入米糠打包儲存容器中。碾米工段工藝流程如圖3 所示。

圖3 碾米工段工藝流程

1.4 拋光工藝流程

拋光工段為整個加工生產的最后工段，再次打磨拋光，并色選精選得到精米。

根據白米質量拋光與色選次數，新加設備有配米稱4 臺、拋光機3 臺、色選機3 臺。每臺拋光機對應1 組獨立風網，當某臺拋光機需要打開時，只需開啟相應風網設備即可，以此可降低能源損耗且提高生產效率。拋光工段工藝流程如圖4 所示。

圖4 拋光工段工藝流程

2 生產線控制系統硬件設計

控制方案中包括1 臺中型PLC 及7 臺小型PLC。主站與分站、各分站之間全部采用PROFINET 通訊方式，現場計量設備通信采用MODBUS RTU 轉MODBUS TCP/IP 智能網關方式[6-7]，可大幅減少RS485 通信線的使用距離，極大降低傳輸干擾，保證數據的真實有效性。稻谷去殼加工生產線控制系統拓撲如圖5 所示。

圖5 控制系統拓撲

系統電機主回路可分為4 種情況，分別是單電機雙向軟啟、多電機單向直啟、單電機單向軟啟和單電機單向直啟。

1）單電機雙向軟啟，適用于功率較大且有正反轉需求的電機回路，設備包括粉碎機。其電機需通過控制回路控制接觸器將三相換相后實現電機正反轉的需求，軟啟動器用作電機保護并做電機啟?？刂?。

2）多電機單向直啟，適用于同時啟動2 臺功率較小的電機且無正反轉需求的電機回路，設備包括震動篩、去石機、分級篩、精選篩、長度精選機。如震動清理篩需同時啟動2 臺電機功率均為3 kW 的電機，其電機需經過熱繼電器起保護作用，啟?？刂埔彩峭ㄟ^接觸器吸合實現。

3）單電機單向軟啟，適用于啟動功率較大但無正反轉需求的電機回路，設備包括米機、風機。如功率為55 kW 的米機電機回路采用軟啟動器作電機保護以及啟?？刂?。

4）單電機單向直啟，適用于功率較小且無正反轉需求的電機回路，例如功率為1.5 kW 的提升機回路或刮板輸送機回路。該電機回路通過控制回路控制接觸器吸合即可實現電機單向旋轉運動。

3 生產線控制系統程序設計

該系統設備控制可分為設備單機點動啟動和多設備聯動啟動2 種啟動方式[8-9]。

1）設備單機點動啟動方式是由上位控制器以控制位置位的方式，對PLC 內1 個變量進行寫入位1，該變量將會通過Profinet 協議從中型PLC_1214C 映射到小型PLC_SMART 內。單機點動啟動方式控制流程如圖6 所示。

圖6 單機點動啟動方式控制流程

2）多設備聯動啟動方式是由操作員從上位人機交互界面下發流程啟動指令，置位中型PLC_1214C內部流程啟動控制位。當流程啟動控制位被置位后，程序將控制該流程中包含的所有風網設備、輸送設備、加工設備依次啟動。每個設備啟動方式同單機點動啟動設備相同，均由小型PLC_SMART 輸出控制。具體啟動程序流程如圖7 所示。

4 監控界面設計

稻谷去殼加工生產線監控系統人機交互采用兩種組態軟件開發。上位客戶端采用西門子WINCC，通過以太網驅動與中型PLC_1214C 建立變量連接；分站觸摸屏采用McgsPro，數據交互連接方式同WINCC。

該系統通過各類檢測模塊和傳感器對系統中的各類電力設備、用電設備的實時耗電數據、計量設備的實時產量數據和報警信息進行檢測，并通過總線通信技術實現對各系統設備的操控，使操作者能及時發現并處理產線上各類設備問題[10-11]。

4.1 客戶端界面

客戶端界面包含1 個主畫面及6 個系統子畫面，具體內容如圖8 所示。

1）主畫面?？捎糜谥苯语@示產線工藝流程及各工段內所有設備的當前狀態，如圖9 所示。

圖9 客戶端主界面

2）用戶登錄界面。滿足使用權限或查詢權限的賬戶，可以控制各設備及流程的啟停。

3）系統網絡界面。顯示整個控制系統網絡結構拓撲圖，可提示操作者網絡站點的通信故障。

4）故障及報警查詢界面。存儲設備及流程故障信號，將故障數據實時歸檔、打印，為產線問題提供依據。

5）急停顯示界面。提供非典型故障判斷依據，例如急停按鈕誤觸導致控制電源斷路的問題。

6）電能查詢界面。實時顯示各控制柜電能損耗值，并輸出產能分析表，如圖10 所示。

圖10 電能查詢界面

7）幫助界面。用于顯示該操作系統實際操控邏輯。

4.2 分站觸摸屏人機交互界面

分站觸摸屏應保證遠程監視并控制該工段下所有設備，為使操作員對2 款界面使用同步化，觸摸屏界面設計風格與客戶端保持一致,共設計3 個頁面，即主界面、I/O 監控界面、故障查詢界面。

1）主界面。用于顯示該工段所有工藝流程，設備運行狀態等信息，并可操作相應設備啟停動作，如圖11 所示。

圖11 觸摸屏主界面

2）I/O 監控界面。用于顯示該工段下設備I/O 輸入輸出狀態，及時反映設備問題，如圖12 所示。

圖12 觸摸屏I/O 監控界面

3）故障查詢界面。和客戶端故障報警及查詢界面設計類似，用于顯示設備故障信息，及時反映給操作員。

5 結語

本研究基于一體化集成思想，采用MODBUS RTU、PROFINET、TCP/IP 等多種通信方式，構建了多PLC 控制的稻谷去殼加工生產線雙層監控系統。該系統具備清晰的工藝路線，能夠實現整個生產線設備的自動化控制，并實時采集現場狀態數據和能耗監控信息。經過實際生產驗證，在滿載負荷的情況下，每日產量可達150 t，大大提高了稻谷去殼加工生產線的產能，并有效提升了數據分析效率和產線管理效率。本研究為稻谷去殼加工生產線提供了一種全工藝流程的自動化控制解決方案，具有重要的實際應用價值。