碾米機(jī)智能運(yùn)維體系研究

郭亞麗 程科 周娜 謝健 華釗 宋少云 戴智華

摘要：為實(shí)現(xiàn)碾米機(jī)提前預(yù)測(cè)故障和智能運(yùn)維，以其他行業(yè)現(xiàn)有的智能運(yùn)維框架體系為基礎(chǔ)，根據(jù)碾米機(jī)的常見(jiàn)故障關(guān)鍵點(diǎn)，構(gòu)建了碾米機(jī)的智能運(yùn)維框架體系。該智能運(yùn)維系統(tǒng)在碾米機(jī)相應(yīng)的部位安裝對(duì)應(yīng)傳感器采集數(shù)據(jù)，傳感器將采集的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，用數(shù)據(jù)采集卡收集數(shù)字信號(hào)，然后PLC根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)碾米機(jī)進(jìn)行調(diào)控，并將碾米機(jī)內(nèi)部的壓力、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)來(lái)提醒用戶碾米機(jī)可能出現(xiàn)的故障，做到提前預(yù)警。

關(guān)鍵詞：碾米機(jī)；智能運(yùn)維；數(shù)據(jù)處理；PLC

中圖分類號(hào)：TS212.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20220426

Study on the Intelligent Operation and Maintenance System of Rice Milling Machine

Guo Yali1， Cheng Ke1， Zhou Na1， Xie Jian1， Hua Zhao2， Song Shaoyun2， Dai Zhihua3

（ 1. China Grain Wuhan Scientific Research & Design Institute Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei 430079； 2. Wuhan Polytechnic University， Wuhan， Hubei 430023； 3. Quzhou Koolmill Sino Cereal Machinery Co.， Ltd.， Quzhou， Zhejiang 324000 ）

Abstract： Based on the existing intelligent operation and maintenance framework systems in other industries， this paper proposes an intelligent operation and maintenance framework system for rice mills according to the common faults of rice mills， so as to achieve the purpose of predicting faults and intelligent operation and maintenance in advance. The intelligent operation and maintenance system installs the corresponding sensor to collect data in the corresponding part of the rice mill， the sensor converts the collected electrical signal into a digital signal， and then uses the data acquisition card to collect the digital signal， and then the PLC regulates the inside of the rice mill according to the data of the sensor， and after the regulation is completed， the internal pressure and speed of the rice mill are fed back， and then the possible failure of the rice mill is reminded according to the feedback data， so as to give early warning.

Key words： rice mill， intelligent operation and maintenance， data processing， PLC

近年來(lái)，隨著世界人口不斷增加，稻谷作為基本糧食作物之一，已經(jīng)上升到戰(zhàn)略地位，其生產(chǎn)和加工也越來(lái)越受到國(guó)家重視[1-2]。在現(xiàn)代化稻谷加工廠中，如果其中某一臺(tái)機(jī)械突發(fā)故障時(shí)，往往導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停止運(yùn)行，嚴(yán)重影響稻谷加工的效率。降低突發(fā)事故造成的影響，提高稻谷加工線上設(shè)備的可靠性，是目前碾米設(shè)備研發(fā)亟待解決的問(wèn)題。

20世紀(jì)50年代設(shè)備運(yùn)維傳入中國(guó)，主要被運(yùn)用在飛機(jī)檢測(cè)維護(hù)、挖礦機(jī)械的預(yù)測(cè)維護(hù)等大型高成本、危險(xiǎn)度較高的設(shè)備中。最初的設(shè)備運(yùn)維成本高、手段復(fù)雜，而且較多地依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，其準(zhǔn)確性也不高。隨著時(shí)代的發(fā)展，尤其是IT技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)以及云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)設(shè)備運(yùn)維進(jìn)入到智能運(yùn)維階段。智能運(yùn)維使得基于感官判斷設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換為基于數(shù)據(jù)判斷設(shè)備狀態(tài)，從基于經(jīng)驗(yàn)的決策轉(zhuǎn)換為基于知識(shí)的決策[3]。林國(guó)峰等[4]提出的空管運(yùn)維體系可通過(guò)前端可視化展示空管自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)控服務(wù)模塊，包括網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、服務(wù)器監(jiān)控、存儲(chǔ)監(jiān)控、虛擬化監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)控以及中間件監(jiān)控。黃健[5]提出的地鐵運(yùn)行智能運(yùn)維以在途車輛綜合檢測(cè)平臺(tái)、軌旁車輛綜合檢測(cè)系統(tǒng)、車輛檢修管理信息系統(tǒng)、地面智能運(yùn)維平臺(tái)四部分組成，在途車輛以一系列傳感器來(lái)分別對(duì)車輛的車門、行走狀態(tài)、電池狀態(tài)等一系列的系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)故障后，及時(shí)報(bào)警。軌旁車輛一般是停車時(shí)檢測(cè)周圍的障礙物、行人狀況狀態(tài)等情況。

本文基于常見(jiàn)的幾種智能運(yùn)維體系，結(jié)合碾米加工的實(shí)際情況，提出碾米機(jī)的智能運(yùn)維體系，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究。

1 碾米機(jī)的智能運(yùn)維體系

智能運(yùn)維的一般流程為：信號(hào)獲取與傳感器技術(shù)、故障機(jī)理與征兆聯(lián)系、信號(hào)處理與診斷方法、識(shí)別分類與智能決策四步[6]。借鑒以上智能運(yùn)維框架，對(duì)碾米機(jī)的運(yùn)維框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般碾米機(jī)工作時(shí)，都是多臺(tái)運(yùn)行，分級(jí)控制，以其中一臺(tái)為例，設(shè)計(jì)出如圖1所示的框架。

本文將智能運(yùn)維系統(tǒng)分成3個(gè)部分，分別是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、智能提醒平臺(tái)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)故障的機(jī)理來(lái)分析，選用相應(yīng)的傳感器，一般需要壓力測(cè)量、白度測(cè)量、碎米率測(cè)量、溫度測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量、風(fēng)壓測(cè)量等。處理系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：運(yùn)行處理和數(shù)據(jù)處理。二者分別對(duì)應(yīng)的兩個(gè)軟件，運(yùn)行處理一般采用PLC進(jìn)行智能控制，根據(jù)相應(yīng)的軟件對(duì)其進(jìn)行編程控制。數(shù)據(jù)處理的方法有很多，PLC本身就具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，但其功能性不夠強(qiáng)，一般采用Labview軟件，在對(duì)數(shù)據(jù)處理方面，PLC只能進(jìn)行抽樣檢測(cè)，在一個(gè)時(shí)間段里對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。但Labview可以對(duì)連續(xù)性的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把所有的數(shù)據(jù)收集后予以圖形化，然后整體處理。智能提醒平臺(tái)，可以根據(jù)前處理的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的各種故障，達(dá)到故障預(yù)警、故障預(yù)測(cè)以及故障診斷的目的。

碾米機(jī)智能運(yùn)維框架關(guān)鍵技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行處理系統(tǒng)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)閾值設(shè)置3個(gè)方面。

2 碾米機(jī)智能運(yùn)維的數(shù)據(jù)采集技術(shù)

對(duì)碾米機(jī)進(jìn)行運(yùn)維設(shè)計(jì)，首先要對(duì)碾米機(jī)的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，根據(jù)碾米機(jī)所存在的6種常見(jiàn)故障，對(duì)碾米機(jī)所需要的傳感器進(jìn)行選型。碾米機(jī)數(shù)據(jù)采集流程見(jiàn)圖2。

可以根據(jù)需求在碾米機(jī)內(nèi)部安裝相應(yīng)的傳感器，進(jìn)料口需要檢測(cè)進(jìn)料口的壓力和流量；碾白室需要對(duì)碾白室的壓力、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控；噴風(fēng)裝置和吸糠裝置需要對(duì)風(fēng)壓進(jìn)行監(jiān)控；出料口需要對(duì)其壓力和出米的白度、碎米率及流量進(jìn)行監(jiān)控；電機(jī)的電流、電壓以及發(fā)熱也需檢測(cè)。各傳感器采集的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行收集。

碾米機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)米粒進(jìn)入碾米機(jī)后，一系列檢測(cè)數(shù)據(jù)被相應(yīng)的傳感器檢測(cè)出并傳入數(shù)據(jù)采集卡，再由運(yùn)行處理系統(tǒng)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的分析計(jì)算等操作，即完成一次記錄過(guò)程，然后重復(fù)多次。

3 碾米機(jī)智能運(yùn)維的運(yùn)行處理系統(tǒng)

碾米機(jī)數(shù)據(jù)采集完成后，就需要根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理操作。處理系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3以PLC S7-1200對(duì)碾米機(jī)的電機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)糙米進(jìn)入電機(jī)，進(jìn)料閥口處對(duì)應(yīng)的壓力和流速傳感器將獲取的數(shù)據(jù)上傳，當(dāng)糙米被碾米機(jī)加工完成后，大米流出碾米機(jī)，出料閥口處的流速和白度傳感器收集數(shù)據(jù)，然后以大米白度為基準(zhǔn)，將白度傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，PLC根據(jù)檢測(cè)的白度信息對(duì)碾米機(jī)的進(jìn)出料閥口進(jìn)行調(diào)節(jié)，使進(jìn)出料閥口開(kāi)大或減小，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整保證大米的白度。

圖4是對(duì)碾米機(jī)內(nèi)部的控制，碾米機(jī)內(nèi)部的電機(jī)有碾白室的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)、噴風(fēng)和吸糠裝置的風(fēng)壓電機(jī)這些都屬于一般的三相電機(jī)，只需要對(duì)其啟停進(jìn)行控制，形成自鎖，在碾米機(jī)啟動(dòng)時(shí)，保證電機(jī)的正常運(yùn)行。

進(jìn)出料口需要用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)對(duì)進(jìn)出料口開(kāi)口大小進(jìn)行控制。當(dāng)糙米進(jìn)入碾米機(jī)時(shí)，進(jìn)料口開(kāi)口不適合，傳感器把采集的數(shù)據(jù)傳入，然后PLC根據(jù)信號(hào)對(duì)開(kāi)口進(jìn)行控制。如圖5所示，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的調(diào)控是通過(guò)對(duì)PLC模擬量拓展模塊和變頻器之間進(jìn)行控制轉(zhuǎn)換的：先采集變頻器轉(zhuǎn)換頻率，頻率的轉(zhuǎn)換使用模擬量轉(zhuǎn)換FC模塊實(shí)現(xiàn)模擬量和電機(jī)真實(shí)頻率的相互轉(zhuǎn)換，通過(guò)HMI輸入給定頻率，隨后通過(guò)變頻器進(jìn)行速度調(diào)控的實(shí)現(xiàn)。在對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，在觸摸屏上輸入調(diào)控頻率，將頻率轉(zhuǎn)換成0 ～ 27648的數(shù)字信號(hào)，再轉(zhuǎn)換為變頻器頻率，然后傳給變頻器，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)控。

4 碾米機(jī)智能運(yùn)維的關(guān)鍵數(shù)據(jù)閾值設(shè)置

在進(jìn)行智能運(yùn)維時(shí)，需要精確的信息來(lái)源。碾米時(shí)，往往由于操作不當(dāng)引起進(jìn)料口異常而引發(fā)一系列故障，因此碾米機(jī)智能運(yùn)維的關(guān)鍵點(diǎn)在于進(jìn)出料口獲取的信息種類是否充足、信息采集量是否足夠以及故障閾值的設(shè)定是否準(zhǔn)確。

碾米機(jī)進(jìn)、出料口的壓力會(huì)對(duì)碾米環(huán)節(jié)的出米率、碎米率、加工精度、大米白度等產(chǎn)生一系列的影響。當(dāng)進(jìn)口閘刀開(kāi)大，出口閘刀關(guān)小時(shí)，碾白室谷粒增多，其壓力增大，碾出的米色白，但碎米多，加工精度較高；反之，若將進(jìn)口閘刀關(guān)小，出口閘刀開(kāi)大時(shí)，碾白室存米少，碾磨壓力降低，碎米率降低，但碾出的米較粗糙，加工精度不夠。所以，進(jìn)出口閘刀需要密切配合。操作時(shí)，進(jìn)口閘刀開(kāi)度可控制在整個(gè)開(kāi)度的1/2，最多不超過(guò)2/3[7]，而出口閘刀要靈活掌握，初始閉合，啟動(dòng)碾米機(jī)后，根據(jù)出米的白度，再對(duì)出口閘刀進(jìn)行調(diào)控。米刀間隙略微傾斜和進(jìn)口閘門的開(kāi)度保持在整個(gè)開(kāi)度的1/2 ～ 2/3，調(diào)好后，一般固定不動(dòng)，觀察米粒是否完整，米色是否潔白，以此判斷加工精度情況。

對(duì)進(jìn)出料口進(jìn)行調(diào)控時(shí)，需根據(jù)加工精度、大米白度、出米率，及進(jìn)出料口的壓力等情況，判斷碾米機(jī)是否出現(xiàn)故障，然后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)調(diào)控。當(dāng)出料口檢測(cè)到大米白度達(dá)不到要求時(shí)，優(yōu)先檢測(cè)進(jìn)出料口的壓力，判斷是否由于操作不當(dāng)引發(fā)問(wèn)題，以此確定是否為機(jī)械故障，從而提前根據(jù)碾米機(jī)機(jī)腔的傳感器預(yù)測(cè)碾米機(jī)可能出現(xiàn)的故障，并智能提醒用戶可能是碾米機(jī)機(jī)腔的風(fēng)壓不足或者碾米機(jī)碾白室壓力不足等故障。

5 結(jié) 論

本文借鑒現(xiàn)有的智能運(yùn)維框架體系，根據(jù)碾米機(jī)的常見(jiàn)故障關(guān)鍵點(diǎn)，提出了關(guān)于碾米機(jī)的智能運(yùn)維框架體系，框架由前后處理組成，前處理采用傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等技術(shù)，將采集的數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)一系列后處理，與對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)閾值進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)確定碾米機(jī)可能出現(xiàn)的故障，來(lái)達(dá)到提前預(yù)測(cè)故障和智能運(yùn)維的目的。

參 考 文 獻(xiàn)

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