磨粉機電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

周 焱，吳孝麗

（1. 河南城建學(xué)院 電氣與電子工程系，平頂山 467000；2. 河南城建學(xué)院 計算機系，平頂山 467000）

0 引言

磨粉機是一種將小麥原料進行碾壓，從而加工成面粉的機器，它是面粉廠的一種重要的主機設(shè)備。一般情況下，磨粉機的性能被認為是由喂料功能和碾磨功能兩個方面組成的。當(dāng)前，磨粉機的設(shè)計和改進工作一般集中在機械結(jié)構(gòu)和材料的生產(chǎn)加工方面，而對于磨粉機的研磨方式，以及磨粉機的控制方式，一般很少有改進。磨粉機的功能與當(dāng)前現(xiàn)代化的控制要求還有一定的差距。針對以上情況，本文設(shè)計了一種新的磨粉機電氣控制系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，希望能夠有利于設(shè)計出新的制粉設(shè)備，推動我國在制粉工業(yè)的進一步發(fā)展。

圖1 電氣控制系統(tǒng)組成原理示意圖

1 系統(tǒng)總體方案及組成

從機械結(jié)構(gòu)來看，磨粉機一般由磨輥、喂料機構(gòu)、軋距調(diào)節(jié)機構(gòu)和傳動機構(gòu)以及磨輥的清理機構(gòu)等多個部分組成。喂料系統(tǒng)和軋距調(diào)節(jié)系統(tǒng)是磨粉機自動控制的難點，也是本文的重點研究對象。

磨粉機的工作過程如下，首先，小麥經(jīng)過溜管進入料筒，然后，在撥流輥的撥動下緩慢流動到分流輥，從分流輥流下后，經(jīng)過兩根反向轉(zhuǎn)動的磨輥的碾壓作用，形成粉料。因此，磨粉機對于喂料系統(tǒng)的要求為：喂料后延遲兩秒合閘，而無物料時，能夠自動離閘，合閘后，磨輥間距恒定，能夠調(diào)節(jié)或鎖定。電機工作中的吸收功率保持在70%到90%之間。

根據(jù)以上的原理和工作過程分析，確定控制系統(tǒng)的組成部分如圖1所示：

該系統(tǒng)利用在喂料系統(tǒng)方面利用變頻調(diào)速的閉環(huán)控制實現(xiàn)喂料速度的調(diào)節(jié)，如果通過傳感器檢測到堵料或者喂料超限，則通過指示燈進行報警提示。在軋距的自動調(diào)節(jié)方面，同樣是閉環(huán)控制的方式，利用位移傳感器進行軋距的測量，然后，根據(jù)給定的軋距調(diào)節(jié)磨輥，為有效的排除瞬間干擾對系統(tǒng)造成的震動影響，軋距控制設(shè)定一定的偏差量，當(dāng)軋距的變化在偏差量的范圍內(nèi)時，則對忽略該變化的影響。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 喂料調(diào)速系統(tǒng)

該系統(tǒng)的工作過程如下，首先，利用料位傳感器對進料的位置進行檢測，CPU對檢測到的量進行相應(yīng)的計算，計算出喂料電機相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)物料高度達到100%時，控制喂料電機達到最高轉(zhuǎn)速100rpm，當(dāng)物料高度為10%時，控制喂料電機轉(zhuǎn)速達到10rpm，當(dāng)物料高度小于10%時，則使喂料電機停止，并使磨輥離閘。根據(jù)該轉(zhuǎn)速控制喂料電機的變頻器，從而帶動驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，電機帶動喂料輥，然后，利用編碼器對喂料輥的轉(zhuǎn)速進行檢測，并發(fā)送回CPU，從而形成閉環(huán)控制，可極大的提高喂料輥的控制精度。

該系統(tǒng)中，料位傳感器采用的是電容桿式料位傳感器，這種傳感器利用圓筒電容器原理[1]進行工作。將容器的壁作為一極，探頭放在中間作為另一極，當(dāng)容器中的物料的高度發(fā)生變化時，會引起筒中介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，而由電容器的原理，可以得到圓筒形電容器的電容量可以計算為：

其中L為為料筒的高度，R為喂料筒的半徑，r為電容器探頭的半徑。

當(dāng)料筒中的物料發(fā)生變化，圓筒中的電極被浸入的深度為 時，可以得到該圓筒電容的增量為：

為了使物料傳感器的輸出能夠滿足單片機輸入口的要求，對物料傳感器的輸出信號進行相應(yīng)的處理，利用運算放大器LM358構(gòu)成了電壓跟隨器，對傳感器輸出的0-30mA的信號進行相應(yīng)的放大，放大電路如圖2所示：

圖2 電流放大電路

單片機得到通過物料傳感器，得到了相應(yīng)的物料信息，通過相應(yīng)的計算之后，利用一定的控制信號對控制變頻器，從而驅(qū)動物料電機，該系統(tǒng)中，變頻器選用的使AB品牌的交流變頻器PowerFlex4，由單片機控制變頻器的頻率輸出在0到84赫茲之間，其中，單片機的一個輸出口通過輸出開關(guān)量，模擬PWM信號，通過一定的信號轉(zhuǎn)換電路處理之后，信號轉(zhuǎn)化成為0-10V的模擬控制信號，利用該信號控制變頻器相應(yīng)的頻率。其中，由PWM信號轉(zhuǎn)化成為0-10V模擬信號的電路如圖3所示：

圖3 信號轉(zhuǎn)換電路

變頻器通過變頻輸出控制喂料電機，喂料電機選用東菱TYD系列的三相交流永磁低速同步電機，具體參數(shù)如下：

選型 功率 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速TYD系列 400W 40Nm 60r/m(50Hz)

2.2 軋距自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

要對軋距進行自動調(diào)節(jié)，適應(yīng)系統(tǒng)的要求，首先，要對磨輥的軋距有一個精確的測量值，軋輥實際上是一個曲柄偏心轉(zhuǎn)軸機構(gòu)，該機構(gòu)又和磨輥軸承座連為一體，因此，系統(tǒng)中，磨輥的離合閘過程中的運行軌跡實際上是一條曲線。要求得磨輥軋距，就要對磨輥的曲線位移進行相應(yīng)的處理，從而求得水平位移，本系統(tǒng)中，采用的是將曲線離散化的方式，通過多個點對運行曲線進行相應(yīng)的擬合。示意圖如圖4所示：

圖4 離合閘過程曲線擬合示意圖

圖4 中，點1到點14表示實際測量取得的各個離散點，而虛線則表示實際離合閘過程中的軋輥運行曲線，如圖4所示，距離離閘位置越近，則取得的離散點則越密（圖4中點12、13、14），而遠離離閘點的位置，則取得的離散點比較疏松，通過這樣的方式，從機械控制特性來說，保證了離合閘過程的控制精度和速度，而從電氣控制方面來說，則保證了CPU較少的運算量，同樣可以使系統(tǒng)迅速反應(yīng)。

磨輥驅(qū)動電機的選用也是磨粉機電氣系統(tǒng)設(shè)計中的一個關(guān)鍵點。該驅(qū)動電機的額定功率與實際制粉工藝條件有關(guān)。受到物料的種類、進料速度、磨輥的長度、磨輥的直徑等多種因素的影響。選用不同功率的電機，導(dǎo)致電機的吸收功率有很大的區(qū)別。額定電壓條件下，電機的吸收功率可以表示為：

為了保證磨輥電動機的吸收功率能夠保持在70%到90%之間，需要對電動機通過的電流進行測量，該磨輥電動機選用的是三相交流異步電動機，可以任取其中的一項進行電流的測量。電流采樣測量電路如圖5所示：

圖5 電流采樣電路

如圖5所示，三相交流異步電動機一相中的電流利用電流互感器轉(zhuǎn)換成較小的電流，電流互感器的兩端連接到T1和T2，小電流流過電阻R1，轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后，由運算放大器LM358構(gòu)成減法運算器，通過減法運算器的作用，使電壓信號共地。將得到的電壓信號送到單片機的一個模擬量輸入口，利用單片機對該電壓值進行采集運算，通過相應(yīng)的計算，得出電流的大小。從而控制變頻器對軋輥電機的參數(shù)進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

3 結(jié)論

本文以磨粉機的喂料系統(tǒng)和軋距調(diào)節(jié)系統(tǒng)為主要研究對象，設(shè)計了磨粉機的電氣控制系統(tǒng)，經(jīng)過相應(yīng)的實驗和結(jié)果分析，該系統(tǒng)取得了較好的效果。但是，從根本上來說，磨粉機的電氣控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)是相輔相成的，只有合理高效的機械結(jié)構(gòu)，良好的加工精度，加上先進的電氣采樣測控，才能使磨粉機真正體現(xiàn)出更優(yōu)良的性能。

另外，因為條件限制，本文只對物料高度的測量進行了相應(yīng)的研究，根據(jù)物料高度進行相應(yīng)的控制。當(dāng)前，隨著傳感器技術(shù)和測試技術(shù)的不斷發(fā)展，對于磨粉機工作中的其他條件，例如物料的干濕度、溫度等各種條件進行更加詳細的測量，可以更好的調(diào)整磨粉機的工作狀態(tài)，使磨粉機的工作性能得到更好的發(fā)揮，進一步提高磨粉機的自動化程度。

[1] 梁森,歐陽三泰,王侃夫,自動檢測技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[2] 竇履豫,磨粉機的喂料自動控制系統(tǒng)[J].糧食與飼料工業(yè), 2003.

[3] 謝利理,一種新型的電容式料位傳感器設(shè)計[J].傳感器技術(shù), 2002.

[4] 王滿堂,80C196MC單片機控制的雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)[J].電力電子技術(shù),1999.