CN114308194A - 砻谷机及其智能控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种砻谷机及其智能控制系统，砻谷机包括本体；所述本体内并列设置有快辊和慢辊，且所述快辊和慢辊的转动方向相同，转动速率不同；所述快辊和慢辊均由电机驱动；所述电机与变频器电连接；该智能控制系统包括控制内环；所述控制内环用于通过调整所述变频器的工作频率f调整所述快辊和慢辊的线速度差∆V，使所述线速度差∆V与设定的目标线速度差匹配。本发明精确定义了双辊线速度差与双辊直径、变频器工作频率、双辊转速与电机转速比之间的关系，可以准确调节双辊线速度差。
Description
技术领域
本发明涉及砻谷机控制技术，特别是一种砻谷机的智能控制系统。
背景技术
双辊砻谷机包括快辊和慢辊，快辊、慢辊各通过一根辊轴固定于本体（机架）内，双辊的转动由本体上的电机控制，一个电机带动两个齿轮，两个齿轮的齿轮数不同，电机在一个转速下，齿轮数多的齿轮连接的辊转速就会快些，齿轮数少的辊转速就会慢些。电机的转动速度由变频器控制，改变变频器的“工作频率”，电机的转动速度就会相应发生变化。因此，通过控制变频器的工作频率调整电机转速，不同的电机转速产生两个辊不同的转速差。双辊搓撕加工设备的本体上部开设有进料口，物料经进料口进入，通过快辊和慢辊之间的间隙时，在快辊和慢辊产生的辊压作用下被搓撕，达到物料脱壳的目的，或者将物料磨细到一定程度。
双辊搓撕为常见的谷物脱壳方式，运用双辊不同的转速所产生的线速度差与双辊之间一定的压力所生成的摩檫力，对谷物产生一种动态撕扯力，利用谷物外壳与果实的结合力层间差异将谷壳从果实上进行分离。
当前双辊砻谷机的智能控制系统有以下两方面的缺陷：
（1）不清楚双辊线速度差与哪些因素相关，无法准确调节双辊线速度差；
（2）调节双辊的线速度差首先必须检测双辊的半径，由于检测的环境复杂，且传感信号受多普勒效应影响，会产生无规律偏差，同时，在加工过程中双辊因磨损而不断变化，使得对双辊转速进行变频控制时，因辊径检测不准而导致实际线速度差与目标线速度差具有较大误差；
（3）没有依据在线工艺效果进行闭环控制，导致其控制缺乏柔性而使得加工过程中的被搓撕物料的破碎增多，不能保证加工的实时工艺效果，使得“回机”（即返工）加工增多，既增加能耗，降低效率，也使得加工破碎增加。
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，提供一种砻谷机及其智能控制系统，精确调节双辊的线速度差，使双辊实际线速度差与目标线速度差一致。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种砻谷机的智能控制系统，所述双辊搓撕加工设备包括本体；所述本体内并列设置有快辊和慢辊，且所述快辊和慢辊的转动方向相同，转动速率不同；所述快辊和慢辊均由电机驱动；所述电机与变频器电连接；该智能控制系统包括控制内环；所述控制内环用于通过调整所述变频器的工作频率f调整所述快辊和慢辊的线速度差∆V，使所述线速度差∆V与设定的目标线速度差匹配；
其中，r 快为快辊的直径；β快为快辊与电机的转速比；r 慢为慢辊的直径；β慢为慢辊与电机的转速比；k为调节系数。
本发明通过大量实践研究，总结出了快辊、慢辊的直径、变频器的工作频率与双辊线速度差的关系式，通过调整变频器的工作频率，可以精确调整快辊与慢辊的线速度差，使得快辊与慢辊的线速度差与设定的目标线速度差匹配。
本发明的智能控制系统还包括：
控制外环，用于根据实时检测的工艺数据计算所述快辊和慢辊间的压力调节量，即辊压调节量；
其中，当前预备辊压调节量Pn的计算公式如下：
其中，Pi-1为第i-1次辊压调节量；J0为目标工艺数据；Ji为第i次实时工艺检测数据；Ji-1为第i-1次实时工艺检测数据；n为辊压调节次数，n＞1。
本发明可以依据在线工艺效果进行闭环控制，保证实时工艺数据与目标工艺数据匹配，保证加工的实时工艺效果，降低“回机”（即返工）概率，节省能耗，提高加工效率。
为了确保实时工艺数据与目标工艺数据一致，本发明中，当Pn≠0时，根据所述当前预备辊压调节量Pn调整辊压，直至Pn=0。
为了解决加工过程中双辊因磨损而不断变化，使得对双辊转速进行变频控制时，因辊径检测不准而导致的实际线速度差与目标线速度差具有较大误差的问题，本发明中，每隔时间T1，计算所述快辊与慢辊的直径，并依次进入所述控制内环和控制外环。以此确保实际线速度差与目标线速度差始终保持一致，确保加工精度。
本发明中，快辊的直径r快与慢辊的直径r慢的计算公式分别为：r快 = D - y快 ；r慢 =D - y慢；其中，D为快辊辊轴中心与本体内壁之间的距离；y快为快辊的辊沿与本体内壁之间的距离；y慢为慢辊的辊沿与本体内壁之间的距离；
，
；a、b为常数，且a＞b；x为时间刻度，即定义的时间长度与单位时间长度之比。
本发明通过大量实践研究发现了辊沿与本体内壁之间距离的函数关系式，进而根据该函数关系式计算快辊与慢辊的直径，该计算过程克服了现有技术中因检测的环境复杂、传感信号受多普勒效应影响，双辊半径计算容易产生无规律偏差的问题，计算结果准确，计算精度高。
为了进一步提高加工精度，本发明的智能控制系统还包括：中间控制环，用于当双辊搓撕加工设备工作电流超出额定电流时，调整所述工作频率f，直至所述工作电流小于额定电流。
本发明中，为了提高中间控制环的控制精度，兼顾计算量，所述工作频率f的调整步长设置为0.1HZ。
作为一个发明构思，本发明还提供了一种砻谷机，其采用本发明的智能控制系统。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
1、本发明精确定义了双辊线速度差与双辊直径、变频器工作频率、双辊转速与电机转速比之间的关系，可以准确调节双辊线速度差；
2、本发明可以准确检测双辊的半径，克服了现有技术检测因环境复杂，传感信号受多普勒效应影响，会产生无规律偏差的问题，解决了现有技术因辊径检测不准而导致实际线速度差与目标线速度差具有较大误差的问题；
3、依据在线工艺效果进行闭环控制，不能保证加工的实时工艺效果，降低“回机”（即返工）概率，极大地降低了加工设备的能耗，提高了加工效率。
附图说明
图1为快辊与慢辊形成的函数曲线。
图2为本发明实施例辊半径计算原理图。
图3为本发明实施例智能控制系统原理图。
具体实施方式
本发明实施例具体实现过程包括以下步骤。
（1）标定快辊与慢辊的磨损量曲线：
相同辊材质，相同的加工对象，相同时间内，辊的磨损量是相同的，以此作为基础，可以标定不同辊材质、不同加工对象，在单位时间内的磨损量。在实际生产中，考虑到“最小可觉差”对变频器的要求以及变频器变频幅度的局限，时间可以10min、20min、30min为单位根据材质和加工对象差异（不同加工对象产生的损耗不同）分别定义。
在实际生产中发现，随着辊的磨损，辊沿与设备内壁之间的距离与时间构成指数函数关系，快辊与慢辊形成的函数曲线坡度不同（指数函数的底不同），如图1所示：
x为时间，以所定义的单位时间为刻度；
y为辊沿与设备内壁之间的距离；
a为快辊所产生指数函数的底，b则为慢辊所产生指数函数的底；
以手动测量方式找出快辊（指数函数）的底a，和慢辊（指数函数）的底b；a、b均为大于1的常数，且a＞b。
单位时间的“单位”自定义。
（2）实时计算辊半径：
辊轴中心与设备内壁的距离为D（D是恒定的），当前的快辊的辊沿与设备内壁距离以“y快”表示，当前慢辊的辊沿与设备内壁之间的距离以“y慢”表示；r快表示快辊半径，r慢表示慢辊半径，工作时间为x（以标定的“单位”表达，如，单位时间定义为30min，那么，工作30min的x为1，工作1小时的x为2...依此类推）：
则r快 = D - y快 ；r慢 = D - y慢。
本发明实施例的控制过程为三环闭合控制，如图3所示，具体实现过程如下。
内环，由边缘计算执行，通过变频将双辊的线速度恒定匹配在目标值；中环为补充控制，只有在设备工作电流超出额定电流时，启动流量控制；外环，智能控制的决定性一环，依据实时在线工艺检测数据通过算法构建“工艺检测数据-辊压”的闭环控制。
内环闭合控制，由边缘计算支撑，将双辊线速度差恒定在目标值，算法为：
∆V：双辊线速度差，即，目标线速度差；π：圆周率；k为调节系数，本发明实施例其中，k=1480/50（通常电机默认每分钟转动1480圈，如果电机额定转速发生变化，则适当调整分子值即可）。
1480/50：变频器工作频率为50HZ时，电机的转速为1480转/min（额定）；
f：当前频率（需匹配的变量）；
R快：快辊的当前辊直径；
β快：快辊与电机的转速比；
R慢：慢辊的当前辊直径；
β慢：慢辊与电机的转速比
中环闭合控制，只在工作电流超出额定电流时，调节变频器频率，以0.1HZ为步长降低频率，直到电流小于额定电流。
外环闭合控制，构建“工艺检测数据—辊压”控制算法，依据实时的在线工艺检测数据柔性调节辊压，使得加工工艺效果始终恒定在目标工艺，算法为：
Pn：当前预备辊压调节量；Pi-1：第i-1次辊压调节量；
J0：目标工艺数据；Jn为第n次辊压调节后的实时工艺检测数据；
Ji：第i次实时工艺检测数据；Ji-1：第i-1次工艺检测数据。
当i=1时，Pi-1和Ji-1均初始化为0。
以下以砻谷机对稻谷脱壳为例说明本发明具体实现过程。
稻谷脱壳（砻谷加工工艺）；
加工品种，五常稻花香；
双辊的目标线速度差，2.9m/s；
目标脱壳率，85%。
1、设备启动，进入“预砻谷”状态，智能控制系统给“双辊线速度差”的控制元素“变频器”的指令是，系统记忆的上一班次停机之前的工作频率；
2、喂料机构开始工作，设备来料，进入加工状态；
3、智能控制系统给“辊压”的控制元素“辊压传感与控制器”的指令是，系统记忆的上一班次停机之前的辊压，进入对稻谷的脱壳处理；
（之所以将“施加辊压”控制动作放在来料之后（系统冗余1秒），是因为双辊之间间隙极小，在空料状态施加辊压时，可能造成双辊在压力作用下接触且挤压，高速转动条件下，产生“烧辊”现象）；
4、智能控制系统启动内环控制，依照内环控制算法将双辊的线速度差匹配至2.9m/s；
5、在线工艺检测系统启动在线工艺检测；
6、2分钟后，砻谷工艺效果数据被检测出来，脱壳率80%，碎米率1.0%；
7、在线工艺检测系统将实时检测数据发送给智能控制系统，智控系统（智能控制系统）通过通信模块接收并做出判断：脱壳工艺效果没有达到目标脱壳率；
8、智控系统启动外环控制，依照算法，获得当前需要调整的辊压控制量为+10KPa，伺服系统接收指令，通过辊压控制器将双辊辊压增加10KPa；
9、在线工艺检测系统启动下一回合工艺检测：脱壳率为86.5%，碎米率为2.2%；
10、在线工艺检测系统将工艺检测数据传送给智控系统，智控系统接收数据后进行判断并依照算法获得当前辊压“调制量”...；
11、...如此循环调制，直至脱壳率稳定保持在目标值（85%）；此时，智控系统将以每次0.1KPa的幅度将辊压向小调整，直到脱壳率小于目标值（85%）时，再将辊压往回（即，增加）调制0.1KPa；
12、每20分钟（该品种计算辊径的时间单位为20分钟）计算一次辊径，启动内环控制，将双辊线速度差匹配至2.9m/s；
13、循环“在线工艺检测-辊压”的控制闭环；
......
不同的加工品种，有不同的目标脱壳率，智能控制系统始终保持加工过程透明与过程精细化可控。
Claims (8)
1.一种砻谷机的智能控制系统，所述砻谷机包括本体；所述本体内并列设置有快辊和慢辊，且所述快辊和慢辊的转动方向相同，转动速率不同；所述快辊和慢辊均由电机驱动；所述电机与变频器电连接；其特征在于，该智能控制系统包括控制内环；所述控制内环用于通过调整所述变频器的工作频率f调整所述快辊和慢辊的线速度差∆V，使所述线速度差∆V与设定的目标线速度差匹配；
其中，r 快为快辊的直径；β快为快辊与电机的转速比；r 慢为慢辊的直径；β慢为慢辊与电机的转速比；k为调节系数。
2.根据权利要求1所述的砻谷机的智能控制系统，其特征在于，还包括：
控制外环，用于根据实时检测的工艺数据计算所述快辊和慢辊间的压力调节量，即辊压调节量；
其中，当前预备辊压调节量Pn的计算公式如下：
其中，Pi-1为第i-1次辊压调节量；J0为目标工艺数据；Ji为第i次实时工艺检测数据；Ji-1为第i-1次实时工艺检测数据；n为辊压调节次数，n＞1。
3.根据权利要求2所述的砻谷机的智能控制系统，其特征在于，当Pn≠0时，根据所述当前预备辊压调节量Pn调整辊压，直至Pn=0。
4.根据权利要求3所述的砻谷机的智能控制系统，其特征在于，每隔时间T1，计算所述快辊与慢辊的直径，并依次进入所述控制内环和控制外环。
5.根据权利要求4所述的砻谷机的智能控制系统，其特征在于，所述快辊的直径r快与慢辊的直径r慢的计算公式分别为：r快 = D - y快 ；r慢 = D - y慢；其中，D为快辊辊轴中心与本体内壁之间的距离；y快为快辊的辊沿与本体内壁之间的距离；y慢为慢辊的辊沿与本体内壁之间的距离；
，
；a、b为常数，且a＞b；x为时间刻度，即定义的时间长度与单位时间长度之比。
6.根据权利要求1～5之一所述的砻谷机的智能控制系统，其特征在于，还包括：中间控制环，用于当双辊搓撕加工设备工作电流超出额定电流时，调整所述工作频率f，直至所述工作电流小于额定电流。
7.根据权利要求6所述的砻谷机的智能控制系统，其特征在于，所述工作频率f的调整步长设置为0.1HZ。
8.一种砻谷机，其特征在于，其采用权利要求1～7之一所述的智能控制系统。
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| GR01 | Patent grant | ||
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