CN114260042B - 谷物表面碾磨加工设备的智能控制系统及谷物加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谷物表面碾磨加工设备的智能控制系统及谷物加工设备，智能控制系统包括数据采集模块；压力控制环，用于根据所述数据采集模块采集的谷物表面碾磨加工设备的碾磨压力数据控制谷物表面碾磨加工设备的目标输出压力；工艺控制环，用于柔性调节所述目标输出压力，使所述目标输出压力与目标加工精度匹配。本发明通过对加工过程中的工艺、压力、温度、电流与流量的适时数据进行分析，并构建工业控制算法实现加工过程控制，保证工艺效果始终与加工目标保持一致。

Description

谷物表面碾磨加工设备的智能控制系统及谷物加工设备

技术领域

本发明涉及谷物加工设备智能控制技术，特别是一种谷物表面碾磨加工的智能控制系统及谷物加工设备。

背景技术

谷物在加工过程中需要进行碾磨、抛光、擦离、碾削等物理手段进行表面皮层处理，其构成要素是：额定转速与功率的转动装置、入料控制阀门、出料控制阀门、碾磨室，利用谷物与转动装置、谷物与碾磨室内壁以及谷物与谷物之间的相互摩擦去除谷物含有农药残留且主要成分为粗纤维的表皮，以保证谷物制品的食品安全，并使其具有美味口感。

谷物加工控制通常在额定转速与稳定入料流量的条件下，依靠调节出料口压力大小以保证加工的工艺效果，但在手动调制方式下，随着被分离的表皮的厚薄、粘性大小、结合力高低以及谷物粒型、谷物容重、谷物成熟度、谷物完整度等因素的变化，出口压力无法得到适时调整，导致加工工艺得不到保证，不能保证粮食的适度加工。

现有的一些智能控制系统的控制逻辑与机制较复杂、控制依据不完善，且无在线工艺检测数据进行智能控制的方式，同时粮食加工领域还缺乏可用的工业互联网通信格式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种谷物表面碾磨加工设备的智能控制系统及谷物加工设备，确保碾磨工艺效果始终与加工目标保持一致。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种谷物表面碾磨加工的智能控制系统，包括：

数据采集模块；

压力控制环，用于根据所述数据采集模块采集的谷物表面碾磨加工设备的碾磨压力数据控制谷物表面碾磨加工设备的输出压力；

所述压力控制环通过控制谷物表面碾磨加工设备伺服电机的脉冲数M控制所述输出压力；所述伺服电机执行的脉冲数M的计算公式为：

其中，k为1克力对应的脉冲数；n为数据采集模块获取数据的次数；Δf为当前碾磨压力与输出压力之差；Δf(i)为当前获取的碾磨压力与上一次获取的碾磨压力之差；Δf(i-1)为第i-1次碾磨压力与第i-2次碾磨压力之差；Δf(i-2)为第i-2次碾磨压力与第i-3次碾磨压力之差；碾磨压力单位为克力。

本发明中，当i＝1时，Δf(i-1)、Δf(i-2)均为0；当i＝2时，Δf(i-2)为0。

本发明中，数据采集模块采集碾磨压力后，压力控制环通过该碾磨压力控制伺服电机的脉冲数，由于伺服电机脉冲数直接影响谷物表面碾磨加工设备的输出压力，因此压力控制环可以直接控制谷物表面碾磨加工设备的目标输出压力，确保目标输出压力与期望的输出压力一致，即可以确保工艺效果始终与加工目标保持一致。本发明的控制因素仅涉及数据采集模块获取数据的次数和碾磨压力，控制过程简单，可以实时对在线工艺检测数据进行智能控制，提高了谷物表面加工设备的智能化程度。进一步的，本发明的智能控制系统还包括：工艺控制环，用于调节所述输出压力，使所述输出压力与目标加工精度匹配。

本发明设置了工艺控制环，当压力控制环的控制结果与目标控制精度有偏差时，工艺控制环可以对输出压力进行进一步调整，进一步确保工艺效果始终与加工目标保持一致，提高控制精度。

本发明中，所述工艺控制环通过如下公式调整压力控制执行量：

其中，f为压力控制执行量，单位为克力；J为当前工艺检测数据与目标工艺数据之差；jf为1克力压力变化导致的工艺数据变化量的差(例，第一次调整1克力压力，达标率变化了2％；第二次调整1克力压力，达标率变化了1.7％；同是1克力压力变化，但多数情况下其输出的结果不尽相同，输出结果的差，就是“1克力压力变化所导致工艺数据变化量的差”)。

本发明中，当f≠0时，根据所述输出压力控制执行量f获取调整的输出压力，并将调整的输出压力发送至所述压力控制环，所述压力控制环调整所述伺服电机的脉冲数，使所述谷物表面研磨加工设备的输出压力与调整的输出压力匹配。

例如，当f＜0时，说明需要向下调整输出压力(即压力控制环控制后谷物表面碾磨加工设备的输出压力偏大，需要减小输出压力)，当f＞0时，需要向上调整输出压力(即压力控制环控制后谷物表面碾磨加工设备的输出压力偏小，需要增大输出压力)。当f＝0时，说明控制精度达到了期望精度，无需调整。

本发明的智能控制系统还包括流量控制环，当所述谷物表面碾磨加工设备出料口温度超过设定值，或所述谷物表面碾磨加工设备工作电流高于额定电流时，所述流量控制环启动，用于控制所述谷物表面碾磨加工设备伺服电机的执行步数。流量控制环可以调整伺服电机的执行步数，进一步提高控制精度。

本发明中，所述流量控制环通过下式控制所述伺服电机执行步数(脉冲数)：

N1＝K₁*ΔW；其中，ΔW为谷物表面碾磨加工设备出料口温度与设定值之差，K₁为调节系数，N₁为伺服电机执行步数；

或者：

N₁＝K2*ΔI；ΔI为所述谷物表面碾磨加工设备工作电流与额定电流差值，K₂为调节系数，N₁为伺服电机执行步数。

本发明的流量控制环控制过程简单，控制可靠。流量控制环可以在谷物表面碾磨加工设备出现某些故障时，确保控制精度与期望控制精度一致，进一步提高了控制可靠性。

本发明中，所有的控制环均集成在控制器内；所述控制器与所述数据采集模块、谷物表面碾磨加工设备的伺服电机、车间中心智控平台通信。

本发明中，控制器可以采用PLC。

本发明中，所述控制器与所述数据采集模块、伺服电机通过第一通信子模块通信；所述控制器与所述车间中心智控平台通过第二通信子模块通信；其中，所述第一通信子模块传输的数据格式包括包头、指令、指令内容和校验码；所述第二通信子模块传输的数据格式包括包头、发送、发送内容和校验码；所述包头统一标识为55；指令标识为0X23；发送标识为0X45。

本发明中，所述第一通信子模块和第二通信子模块的通信等级和频率设置如下：

接收中心智控平台设备故障停机指令，实时响应，第1优先级；

接收在线工艺检测数据，实时响应，第2优先级；

接收中心智控平台管理指令，实时响应，第3优先级；

谷物表面碾磨加工设备压力、电流，每1秒发送一次；

谷物表面碾磨加工设备物料温度、入料位置，每10秒发送一次。

作为一个发明构思，本发明还提供了一种谷物表面研磨加工设备，其包括本发明所述的智能控制系统。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过对加工过程中的工艺、压力、温度、电流与流量的适时数据进行分析，并构建工业控制算法实现加工过程控制，保证工艺效果始终与加工目标保持一致；定义了车间内工业互联网的通信数据包标准格式，定义数据包统一格式，各设备生产商在对自己的设备进行智能化时，可以使用相对应的数据接口，便于整个行业的设备通信标准化；为长期缺少过程控制的谷物加工提供了实现过程控制的智能装备。实验表明，相同加工效果与加工量情况下，本发明智能控制下的能耗更小(降低15％-20％)。

附图说明

图1为本发明智能控制系统控制原理图。

具体实施方式

本发明实施例设计了一种智能控制器，通过对加工过程中的工艺(即工艺检测数据，如达标率等)、压力、温度、电流与流量的适时数据进行分析，并构建工业控制算法实现加工过程控制，保证工艺效果始终与加工目标保持一致；并定义了车间内工业互联网的一种通信数据包标准格式；为长期缺少过程控制的谷物加工提供了实现过程控制的智能装备。此外，相同加工效果与加工量，智能控制下的能耗更小(降低15％-20％)。

将嵌入式系统设计为“通信”、“智能控制”、“传感”、“伺服执行”四个模块，并分别定义每个模块的功能与算法，其中“传感”与“伺服执行”是通用模块，传感模块负责压力、温度、电流、位置数据的获取与处理；伺服执行模块负责控制要素的电机驱动。

本发明中，嵌入式系统的硬件载体可以为PLC。

通信模块包括两个子模块，其一为“向上通信”模块(第一通信子模块)，另一为“向下通信”模块(第二通信子模块)。向下通信子模块负责与传感(数据采集模块)、执行机构(即谷物表面加工设备的伺服电机)的通信，直接获取传感集合中的数字信号，对模拟信号进行相应的A/D转换，直接获取I/O信号；与执行机构的通信则适配各执行机构的驱动器通信方式。

依据传感对象的控制等级，对传感信息获取机制分别定义，在充分保障控制需要的同时，尽量节省通信资源，以保证系统的稳定性与鲁棒性：

压力传感，每5毫秒获取一次；

伺服执行，即时响应(2纳秒)；

温度传感，每10秒一次。

向上通信子模块负责与车间内工业互联网通信，并通过总线与中心智控平台连接，也通过车间内工业互联网与在线工艺检测系统通信。

在各种总线的通信条件下，车间内工业互联网需要以相同数据包格式定义传统设备的通信标准，本发明采用十六进制并将通信数据包定义为8个字节四个部分(注：小数据包占用较小的资源与带宽；统一“包头”、“指令”(下行)/“发送”(上行)的数据标识节省路由资源，保证通信的时效与鲁棒性)，并对“接收”与“发送”两种机制进行区分：

包头，统一标识为55；

指令，统一标识为0X23；

发送，统一标识为0X45。

并对具体通信内容定义通信等级或频率：

接收中心智控平台设备故障停机指令，实时响应，第1优先级；

接收在线工艺检测数据，实时响应，第2优先级；

接收中心智控平台管理指令，实时响应，第3优先级；

压力、电流等设备运行信息，每1秒发送一次；

物料温度、入料位置等设备状态信息，每10秒发送一次。

本发明实施例中，智能控制模块共有三个子模块：

压力控制闭环，由边缘计算控制，保证加工压力稳定在目标压力；

工艺控制闭环，由工艺-压力算法控制，柔性调节加工压力并使之与目标加工精度匹配，它是动态匹配，匹配频率由检测资源决定；

本发明中，加工压力与目标加工精度是否匹配，是通过判断工艺效果与设定的加工分目标是否匹配判断的，例如，在当前加工压力下，若谷物加工设备的达标率低于期望的达标率，则认为加工压力与目标加工精度不匹配；若谷物加工设备的达标率不低于期望的达标率，则认为加工压力与目标加工精度匹配。

流量控制闭环，由加工物出口温度与电流-入口流量位置关系控制，它是监测控制，只有在加工物出口温度超过允许温度时产生控制动作，或者电流超过额定电流时产生控制动作。

外环为核心控制环。

边缘计算执行的算法为：

M为伺服电机执行的脉冲数；k为1克力(压力)对应的脉冲数；n为传感获取数据的次数；Δf为当前压力传感数据(f(n))与目标压力(fm)之差；Δf(n)为当前获取的压力传感数据(f(n))与上一次获取的压力传感数据(f(n-1))之差；Δf(n-1)为第n-1次压力传感数据与第n-2次压力传感数据之差；Δf(n-2)为第n-2次压力传感数据与第n-3次压力传感数据之差；压力传感数据单位为克力；边缘计算每5秒获取一次压力传感数据，每10秒执行一次计算与闭环控制。

实践表明，该算法以每秒100次压力闭环控制效果优良，0.5秒时间内可达到任意系统指定的目标压力，且浮动范围在正负1克力内。

工艺-压力控制闭环执行的算法为：

f为压力控制执行量，单位为克力；J为当前工艺检测数据与目标工艺数据之差；jf为1克力压力变化所导致工艺数据变化量的差；控制频率与在线工艺检测频率一致。

本发明实施例中，工艺检测数据为达标率。

实践表明，执行该算法，经过20次迭代后，执行误差小于0.1％。

流量控制闭环，是智能控制器的补充闭环，也是监测闭环，只有在加工物出口温度超过允许值或者工作电流高于额定电流时才启动控制机制，其执行算法相同：

N₁＝K₁*ΔW；

ΔW为超过允许温度的温度值(即加工物出口温度与允许值之差)，K₁为调节系数，由先验知识确定，N₁为入料伺服电机执行步数。

N₁＝K₂*ΔI；

ΔI为超过额定电流的电流值(即加工设备的工作电流与额定电流之差)，K₂为调节系数，由先验知识确定，N₁为入料伺服电机执行步数。

本发明中，K₁、K₂通过现场根据产线实际情况标定。

应用举例

以稻米加工过程中碾米工序的第一道碾米为例：

加工品种：黄花粘；

碾米(一碾，即第一道碾米)分目标，达标率70％；

起始碾米压力，6000克(力)；

1、设备启动，智能控制系统提前将物料出口阀门压力预设在6000克力，伺服系统以2纳秒的时间执行，在1秒时间内，出口压力从“0”增加并稳定在6000克力；

2、智控系统(智能控制系统)开启入料阀门，阀门位置为系统所记忆的上一班次位置；

3、碾米机对来料(一碾的来料为糙米)进行加工，碾米机内加工物的质量在100-120kg范围内，即：工作状态下，碾米室内瞬时加工物始终在100-120kg；由于来料与加工过程的实际状态，碾米出料口压力阀门所承受压力在不断变化，智控系统启动内环控制，边缘计算执行以每秒钟100次的控制频率依照算法执行，在压力传感器的手持数显器上清晰可见：碾米压力在5999克力与6001颗粒之间微小波动，即；系统将实际碾米压力稳定在目标压力6000克力上下正负1克力范围内；

4、在线工艺检测系统对碾米机出口的加工物进行“在线检测”；

5、2分钟后，在线工艺检测系统完成第一回合的在线工艺检测，其工艺效果为：达标率68％；

6、检测系统将检测数据通过网络送入智能控制系统，智能控制器通过“向上通信模块”接收到实时的加工工艺效果检测数据；

7、智能控制系统经判断并确认此刻工艺效果与“分目标”(70％)不符，启动外环控制，依照“在线工艺-压力”的控制算法获得碾米压力调节量为增加27克力；

8、控制指令下达给压力伺服执行电机驱动器，2纳秒内启动控制机制，0.5秒钟时间内，通过手持压力数显器清晰看到：碾米压力在6026克力与6028克力之间波动；

9、在线工艺检测系统继续下一回合在线工艺检测，2分钟后，检测结果为：达标率70.6％；

10、在线工艺检测系统将检测结果传送给智能控制系统，系统判断当前工艺效果与分目标(70％)有偏差，外环控制启动控制算法；

如此不断循环，在来料水分、颗粒大小、饱满程度、颗粒完整程度、出糠顺畅程度等不断变化的实际环境下，一碾始终保持工艺效果稳定在“分目标”，观测电流，还可以发现电流值比传统加工时相同产量的电流值下降15％，即本发明极大地降低了谷物表面碾磨加工设备的能耗。

当加工对象或者加工目标发生变化，需要调整分目标进行匹配时，智控系统使得加工始终在过程透明与过程可精准控制的状态下持续。

Claims (7)

1.一种谷物表面碾磨加工设备的智能控制系统，其特征在于，包括：

数据采集模块；

压力控制环，用于根据所述数据采集模块采集的谷物表面碾磨加工设备的碾磨压力数据控制谷物表面碾磨加工设备的输出压力；

所述压力控制环通过控制谷物表面碾磨加工设备伺服电机的脉冲数M控制所述输出压力；所述伺服电机执行的脉冲数M的计算公式为：

；

其中，k为1克力对应的脉冲数；n为数据采集模块获取数据的次数；∆f为当前碾磨压力与输出压力之差；∆f(i)为当前获取的碾磨压力与上一次获取的碾磨压力之差；∆f(i-1)为第i-1次碾磨压力与第i-2次碾磨压力之差；∆f(i-2)为第i-2次碾磨压力与第i-3次碾磨压力之差；碾磨压力单位为克力；

工艺控制环，用于调节所述输出压力，使所述输出压力与目标加工精度匹配；

所述工艺控制环通过如下公式调整输出压力控制执行量：

；

其中，f为输出压力控制执行量，单位为克力；J为当前工艺检测数据与目标工艺数据之差；jf为1克力压力变化导致的工艺数据变化量的差；

当f≠0时，根据所述输出压力控制执行量f获取调整的输出压力，并将调整的输出压力发送至所述压力控制环，所述压力控制环调整所述伺服电机的脉冲数，使所述谷物表面研磨加工设备的输出压力与调整的输出压力匹配。

2.根据权利要求1所述的谷物表面碾磨加工设备的智能控制系统，其特征在于，还包括流量控制环，当所述谷物表面碾磨加工设备出料口温度超过设定值，或所述谷物表面碾磨加工设备工作电流高于额定电流时，所述流量控制环启动，用于控制所述谷物表面碾磨加工设备伺服电机的执行步数。

3.根据权利要求2所述的谷物表面碾磨加工设备的智能控制系统，其特征在于，所述流量控制环通过下式控制所述伺服电机执行步数：

N₁=K₁*∆W；其中，∆W为谷物表面碾磨加工设备出料口温度与设定值之差，K₁为调节系数，N₁为伺服电机执行步数；

或者：

N₁=K₂*∆I；∆I为所述谷物表面碾磨加工设备工作电流与额定电流差值，K₂为调节系数，N₁为伺服电机执行步数。

4.根据权利要求1～3之一所述的谷物表面碾磨加工设备的智能控制系统，其特征在于，所有的控制环均集成在控制器内；所述控制器与所述数据采集模块、谷物表面碾磨加工设备的伺服电机、车间中心智控平台通信。

5.根据权利要求4所述的谷物表面碾磨加工设备的智能控制系统，其特征在于，所述控制器与所述数据采集模块、伺服电机通过第一通信子模块通信；所述控制器与所述车间中心智控平台通过第二通信子模块通信；

其中，所述第一通信子模块传输的数据格式包括包头、指令、指令内容和校验码；

所述第二通信子模块传输的数据格式包括包头、发送、发送内容和校验码；

所述包头统一标识为55；指令标识为0X23；发送标识为0X45。

6.根据权利要求5所述的谷物表面碾磨加工设备的智能控制系统，其特征在于，所述第一通信子模块和第二通信子模块的通信等级和频率设置如下：

接收中心智控平台设备故障停机指令，实时响应，第1优先级；

接收在线工艺检测数据，实时响应，第2优先级；

接收中心智控平台管理指令，实时响应，第3优先级；

谷物表面碾磨加工设备压力、电流，每1秒发送一次；

谷物表面碾磨加工设备物料温度、入料位置，每10秒发送一次。

7.一种谷物表面研磨加工设备，其特征在于，其包括权利要求1～6之一所述的智能控制系统。

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