稻谷去壳加工生产线监控系统研发

吕铭洋，徐金瑜，刘红滨，杨欣茹，黄天宇，胡瑞娜

（湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）

0 引言

稻谷是我国主要的粮食作物。据国家统计局发布数据显示，2022 年我国稻谷播种面积为4.42 亿亩（1 亩=0.066 7 hm2），产量2.08 亿t，2022 年度国内稻谷总消费达2.05 亿t。稻谷加工是粮食产业链中的重要组成部分，也是食品加工的基础工业。我国稻谷加工长期存在着单机产量低、加工能耗高、数字化程度低等问题，严重制约了稻谷加工行业的高质量发展[1]。

近年来，我国企业和学者在稻谷加工及监控领域积累了一定的经验。上海海丰米业基地李维强[2]设计的大米加工自动化监控系统，实现了大米厂的生产工艺流程控制，以及设备运行、故障、料位等状态监控。广东省现代农业装备研究所黄家怿等[3]基于物联网及云计算技术，开发了智慧粮仓系统，实现了关键参数远程检测、报警及关键设备的自动化控制功能。武汉轻工大学李心蕊[4]采用PLC 与组态王设计了稻谷加工自动化生产线与监控管理系统，实现了主要加工设备的智能化设计及生产线的数字化改造。湖南彬州粮油机械有限公司黄林志[5]在大米生产线上应用组态控制技术，实现状态显示、故障报警、数据记录等功能。通过比较分析发现，现有的稻谷加工及监控系统存在一定的局限性，对于大型加工厂，设备种类及数量众多，监控系统远距离传输不稳定、现场数据获取实时性低、可扩展性较差。

针对上述问题，本文以某省大米加工车间的入仓、砻谷、碾米、抛光4 个工段为对象，包含120余台设备，设计了面向稻谷全加工周期的多PLC双层控制系统，实现稻谷去壳加工生产线的自动控制及监控可视化。该系统在满载负荷下，每日产量可达150 t，该系统的应用不仅实现了稻谷去壳加工生产线的数字化升级，还提升了稻谷加工质量的管理效率。

1 稻谷去壳加工生产工艺流程

稻谷去壳加工生产工艺流程，就是将稻谷加工成成品大米的整个生产过程，期间选择合适设备类型及数量，按照一定的加工顺序组合成生产线。具体工艺流程介绍如下文。

1.1 入仓工艺流程

该车间的入仓工段为整个大米加工生产的第1个工艺流程，其作用是将稻谷存储至各个原粮仓，待加工时从原粮仓放粮。

首先稻谷经过斗提式提升机提至30 m 以上的高空后进入导流管，滑落至振动清理筛，粗筛较大的稻杆、垃圾、泥土、杂物。然后提升机将稻谷再次提升进入导流管，滑落至横置刮板机，将稻谷水平运输，并通过气动闸门的开关状态确认进入对应原粮仓。同时，风机和除尘器用于吸取稻谷从运输车辆倒入原粮坑以及在运输过程中产生的泥土粉尘。入仓工段工艺流程如图1 所示。

图1 入仓工段工艺流程

1.2 砻谷工艺流程

砻谷工艺为稻谷加工生产的第2 个工段，该工段分离谷壳，形成糙米。

手气动闸门控制相应原粮出仓并控制流量。首先经过旋振筛、振动筛、去石机去除杂物，用流量计计量生产总产量，然后经过砻谷机剥离谷壳，再经过分离机将谷壳与糙米分离，糙米存入糙米仓，谷壳存入稻壳仓。其中，谷壳经过粉碎机产生糟糠作为副产品。该工段共包含3 套风网设备。砻谷工段工艺流程如图2 所示。

图2 砻谷工段工艺流程

1.3 碾米工艺流程

碾米工段为整个加工生产的第3 个工段，目的是将糙米仓中的糙米进行初加工，碾磨脱落其表皮黄色部分。

从糙米仓出仓的糙米可由手动三通阀或气动三通阀来更改糙米流向，共有米机5 台，根据大米质量调整碾米重复次数，去除糙米表皮黄色部分，获得白米存入凉米仓。期间产生较多碎米，经过分级筛将碎米与整米分离。该工段共设置了3 套风网设备，用于运输糙米碾米过程中产生的米糠。脉冲除尘器3 台用于捕捉粉末物质并放入绞龙中，绞龙旋转运动带动米糠进入米糠打包储存容器中。碾米工段工艺流程如图3 所示。

图3 碾米工段工艺流程

1.4 抛光工艺流程

抛光工段为整个加工生产的最后工段，再次打磨抛光，并色选精选得到精米。

根据白米质量抛光与色选次数，新加设备有配米称4 台、抛光机3 台、色选机3 台。每台抛光机对应1 组独立风网，当某台抛光机需要打开时，只需开启相应风网设备即可，以此可降低能源损耗且提高生产效率。抛光工段工艺流程如图4 所示。

图4 抛光工段工艺流程

2 生产线控制系统硬件设计

控制方案中包括1 台中型PLC 及7 台小型PLC。主站与分站、各分站之间全部采用PROFINET 通讯方式，现场计量设备通信采用MODBUS RTU 转MODBUS TCP/IP 智能网关方式[6-7]，可大幅减少RS485 通信线的使用距离，极大降低传输干扰，保证数据的真实有效性。稻谷去壳加工生产线控制系统拓扑如图5 所示。

图5 控制系统拓扑

系统电机主回路可分为4 种情况，分别是单电机双向软启、多电机单向直启、单电机单向软启和单电机单向直启。

1）单电机双向软启，适用于功率较大且有正反转需求的电机回路，设备包括粉碎机。其电机需通过控制回路控制接触器将三相换相后实现电机正反转的需求，软启动器用作电机保护并做电机启停控制。

2）多电机单向直启，适用于同时启动2 台功率较小的电机且无正反转需求的电机回路，设备包括震动筛、去石机、分级筛、精选筛、长度精选机。如震动清理筛需同时启动2 台电机功率均为3 kW 的电机，其电机需经过热继电器起保护作用，启停控制也是通过接触器吸合实现。

3）单电机单向软启，适用于启动功率较大但无正反转需求的电机回路，设备包括米机、风机。如功率为55 kW 的米机电机回路采用软启动器作电机保护以及启停控制。

4）单电机单向直启，适用于功率较小且无正反转需求的电机回路，例如功率为1.5 kW 的提升机回路或刮板输送机回路。该电机回路通过控制回路控制接触器吸合即可实现电机单向旋转运动。

3 生产线控制系统程序设计

该系统设备控制可分为设备单机点动启动和多设备联动启动2 种启动方式[8-9]。

1）设备单机点动启动方式是由上位控制器以控制位置位的方式，对PLC 内1 个变量进行写入位1，该变量将会通过Profinet 协议从中型PLC_1214C 映射到小型PLC_SMART 内。单机点动启动方式控制流程如图6 所示。

图6 单机点动启动方式控制流程

2）多设备联动启动方式是由操作员从上位人机交互界面下发流程启动指令，置位中型PLC_1214C内部流程启动控制位。当流程启动控制位被置位后，程序将控制该流程中包含的所有风网设备、输送设备、加工设备依次启动。每个设备启动方式同单机点动启动设备相同，均由小型PLC_SMART 输出控制。具体启动程序流程如图7 所示。

4 监控界面设计

稻谷去壳加工生产线监控系统人机交互采用两种组态软件开发。上位客户端采用西门子WINCC，通过以太网驱动与中型PLC_1214C 建立变量连接；分站触摸屏采用McgsPro，数据交互连接方式同WINCC。

该系统通过各类检测模块和传感器对系统中的各类电力设备、用电设备的实时耗电数据、计量设备的实时产量数据和报警信息进行检测，并通过总线通信技术实现对各系统设备的操控，使操作者能及时发现并处理产线上各类设备问题[10-11]。

4.1 客户端界面

客户端界面包含1 个主画面及6 个系统子画面，具体内容如图8 所示。

1）主画面。可用于直接显示产线工艺流程及各工段内所有设备的当前状态，如图9 所示。

图9 客户端主界面

2）用户登录界面。满足使用权限或查询权限的账户，可以控制各设备及流程的启停。

3）系统网络界面。显示整个控制系统网络结构拓扑图，可提示操作者网络站点的通信故障。

4）故障及报警查询界面。存储设备及流程故障信号，将故障数据实时归档、打印，为产线问题提供依据。

5）急停显示界面。提供非典型故障判断依据，例如急停按钮误触导致控制电源断路的问题。

6）电能查询界面。实时显示各控制柜电能损耗值，并输出产能分析表，如图10 所示。

图10 电能查询界面

7）帮助界面。用于显示该操作系统实际操控逻辑。

4.2 分站触摸屏人机交互界面

分站触摸屏应保证远程监视并控制该工段下所有设备，为使操作员对2 款界面使用同步化，触摸屏界面设计风格与客户端保持一致,共设计3 个页面，即主界面、I/O 监控界面、故障查询界面。

1）主界面。用于显示该工段所有工艺流程，设备运行状态等信息，并可操作相应设备启停动作，如图11 所示。

图11 触摸屏主界面

2）I/O 监控界面。用于显示该工段下设备I/O 输入输出状态，及时反映设备问题，如图12 所示。

图12 触摸屏I/O 监控界面

3）故障查询界面。和客户端故障报警及查询界面设计类似，用于显示设备故障信息，及时反映给操作员。

5 结语

本研究基于一体化集成思想，采用MODBUS RTU、PROFINET、TCP/IP 等多种通信方式，构建了多PLC 控制的稻谷去壳加工生产线双层监控系统。该系统具备清晰的工艺路线，能够实现整个生产线设备的自动化控制，并实时采集现场状态数据和能耗监控信息。经过实际生产验证，在满载负荷的情况下，每日产量可达150 t，大大提高了稻谷去壳加工生产线的产能，并有效提升了数据分析效率和产线管理效率。本研究为稻谷去壳加工生产线提供了一种全工艺流程的自动化控制解决方案，具有重要的实际应用价值。