磨粉機電氣控制系統的設計實現

周 焱，吳孝麗

（1. 河南城建學院 電氣與電子工程系，平頂山 467000；2. 河南城建學院 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。當前，磨粉機的設計和改進工作一般集中在機械結構和材料的生產加工方面，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。磨粉機的功能與當前現代化的控制要求還有一定的差距。針對以上情況，本文設計了一種新的磨粉機電氣控制系統。通過該系統的應用，希望能夠有利于設計出新的制粉設備，推動我國在制粉工業的進一步發展。

圖1 電氣控制系統組成原理示意圖

1 系統總體方案及組成

從機械結構來看，磨粉機一般由磨輥、喂料機構、軋距調節機構和傳動機構以及磨輥的清理機構等多個部分組成。喂料系統和軋距調節系統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，經過兩根反向轉動的磨輥的碾壓作用，形成粉料。因此，磨粉機對于喂料系統的要求為：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，能夠調節或鎖定。電機工作中的吸收功率保持在70%到90%之間。

根據以上的原理和工作過程分析，確定控制系統的組成部分如圖1所示：

該系統利用在喂料系統方面利用變頻調速的閉環控制實現喂料速度的調節，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。在軋距的自動調節方面，同樣是閉環控制的方式，利用位移傳感器進行軋距的測量，然后，根據給定的軋距調節磨輥，為有效的排除瞬間干擾對系統造成的震動影響，軋距控制設定一定的偏差量，當軋距的變化在偏差量的范圍內時，則對忽略該變化的影響。

2 系統硬件設計

2.1 喂料調速系統

該系統的工作過程如下，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的計算，計算出喂料電機相應的轉速，當物料高度達到100%時，控制喂料電機達到最高轉速100rpm，當物料高度為10%時，控制喂料電機轉速達到10rpm，當物料高度小于10%時，則使喂料電機停止，并使磨輥離閘。根據該轉速控制喂料電機的變頻器，從而帶動驅動電機運轉，電機帶動喂料輥，然后，利用編碼器對喂料輥的轉速進行檢測，并發送回CPU，從而形成閉環控制，可極大的提高喂料輥的控制精度。

該系統中，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，當容器中的物料的高度發生變化時，會引起筒中介質的介電常數發生變化，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。

當料筒中的物料發生變化，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的處理，利用運算放大器LM358構成了電壓跟隨器，對傳感器輸出的0-30mA的信號進行相應的放大，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，得到了相應的物料信息，通過相應的計算之后，利用一定的控制信號對控制變頻器，從而驅動物料電機，該系統中，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量，模擬PWM信號，通過一定的信號轉換電路處理之后，信號轉化成為0-10V的模擬控制信號，利用該信號控制變頻器相應的頻率。其中，由PWM信號轉化成為0-10V模擬信號的電路如圖3所示：

圖3 信號轉換電路

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，具體參數如下：

選型 功率 轉矩 轉速TYD系列 400W 40Nm 60r/m(50Hz)

2.2 軋距自動調節系統

要對軋距進行自動調節，適應系統的要求，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軸機構，該機構又和磨輥軸承座連為一體，因此，系統中，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的處理，從而求得水平位移，本系統中，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，同樣可以使系統迅速反應。

磨輥驅動電機的選用也是磨粉機電氣系統設計中的一個關鍵點。該驅動電機的額定功率與實際制粉工藝條件有關。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，導致電機的吸收功率有很大的區別。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，轉換成電壓信號，然后，由運算放大器LM358構成減法運算器，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進行相應的調節。

3 結論

本文以磨粉機的喂料系統和軋距調節系統為主要研究對象，設計了磨粉機的電氣控制系統，經過相應的實驗和結果分析，該系統取得了較好的效果。但是，從根本上來說，磨粉機的電氣控制系統與機械系統是相輔相成的，只有合理高效的機械結構，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出更優良的性能。

另外，因為條件限制，本文只對物料高度的測量進行了相應的研究，根據物料高度進行相應的控制。當前，隨著傳感器技術和測試技術的不斷發展，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，可以更好的調整磨粉機的工作狀態，使磨粉機的工作性能得到更好的發揮，進一步提高磨粉機的自動化程度。

[1] 梁森,歐陽三泰,王侃夫,自動檢測技術及應用[M].北京:機械工業出版社,2007.

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

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

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