——水稻加工智能工厂之五 水稻加工传统设备的智能化改造

作者:粮食加工杂志 / 公众号:lsjg2004 发布时间:2019-10-28

摘要:本文是在荣业软件“水稻加工智能工厂”成功运行的基础上进行提炼、归纳、总结而成,详细介绍了传统加工设备智能化改造的目标、内容、要点以及如何改造、改造的步骤、改造后的使用效果;此外,本文也为粮机厂商提出了新的思考方向及内容。
前言
荣业软件“水稻加工智能工厂”的成功落地,标志着粮食加工行业踏进了智能化的行列。智能工厂不仅是行业的未来,也不仅因其能弥补未来劳动力严重不足的问题,更是在当下就能为加工企业增加可观的经济效益,能解决粮食加工环节带来的巨大损耗问题,能使宏观上的“适度加工”平稳落地:智能工厂将人工智能嵌入水稻加工的每一道生产环节,一方面通过传感信息完成对生产设备的自主控制,保证每一台设备始终以最佳状态运行;另一方面,通过在线工艺检测系统,实时检测每道工序的工艺参数,运用机器学习、深度学习判断当前工序的工艺效果对最终产品品质的影响,实现对生产设备的实时柔性精准控制,保证每台设备间有最合理的配合,使在相同加工精度下,得米率最高,增碎最少,品质均匀,达标、不冗余;同时,可以通过差异化的精细加工,生产出阶梯式的功能性大米。
智能工厂的普及面临的第一个现状:水稻加工产能已经严重过剩,这表明智能工厂的构建必须基于原产线进行在线升级,不淘汰现有的生产设备,因此,原产线上传统生产设备的智能化改造,成为了水稻加工智能工厂的必然命题。
一、传统产线设备的现状
由于工厂规模、建厂时期、产能状态、投资大小、产线设计、采购选择、维护水平等因素影响,使得当前水稻加工产线上加工设备形形色色、五花八门:
(1)品牌不一
产线上设备有国产品牌,有国际品牌;有大品牌,也有小品牌。不一致的品牌表明设备的质量、理念、稳定性、甚至控制方式都不同。不同的品牌,代表着不同粮机厂商的不同创新点,设备的最终表现形式也随之不同。
(2)新旧不一
有的设备是当前最新加工设备,而有的可能已经使用了七、八年甚至更久,还有的设备使用的时间虽不长,但因为产能饱满和缺乏维护使其状态不佳;另一方面,不同年份的设备还可能在构造、控制要素等方面存在差异。
比如,同样是砻谷机,胶辊辊速有的不可调,有的可以调档,有的全速可调;下料淌板有的需要手动调节,有的自带跟踪功能;胶辊有长辊,也有短辊;辊压有的需要手动调节,有的则可以恒压......这些变化,都包含着粮机的发展史、进步史,自然也包含了“时间”。
(3)款式不一
相同功用相同工序相同目标的加工设备,其生产厂商不同,型号不同,形态各异,表现形式也大相径庭。比如米机,有一个碾米室的,有两个碾米室的,还有三个碾米室的;有卧式的,也有立式的;由上进下出的,更有下进上出的。
(4)原理不一
原理不同,设备的控制元素以及控制方式也就不同,仍以米机为例,不仅有碾削式的砂辊米机,还有擦离式的铁辊米机;有传统碾米方式的米机,也有新式砂带米机、瀑布式米机;有熟悉的压砣式控制米机,还有电流伺服式米机。
(5)工序不一
粮食加工与一般工业品加工完全不同,一般工业品依据图纸就可以通过精准数控进行加工,但粮食因其自然生长属性具有特殊加工性质,水稻加工更是如此:从清杂、去石,到砻谷、谷糙分、碾米,再到色选、抛光,最后配米、打包,其间有若干道工序,不同的工序加工目的、加工方式、工艺要求等等都各不相同,也就造就了不同工序的不同设备:筛需要控转速,要关注筛的效果,也要关注筛是否损坏;去石机需要控风、控流量、控振动频率、控倾角,不仅要关注去石效果,也需关注副产品中稻谷/糙米的带出率......
(6)不智能
当前水稻加工产线,除色选机外,其他加工设备基本属于纯机电设备,各种控制元素不论是电控(调节频率,调节电流)、机械控(角度、位置、开合板)、气控(气压、风速)等均需要手动调制,调制的准确性依赖于操作工人的手感与经验。
(7)无接口
所有水稻加工设备均不具备与智能控制系统的对接能力——既无物理上的接口,更无数据接口,产线上的每台设备都是信息“孤岛”,相互之间不能关联,更谈不上互动,所以设备之间不能协作。即使公认的智能化程度较高的色选机,同样没有与智能工厂对接的物理接口与数据接口。
二、传统设备智能化改造的目标
构建智能工厂的必要条件之一是,每台生产加工设备首先需要被改造成“智能生产节点”。生产加工设备要成为智能生产节点必须具备三个要素:
(一)数字化
智能工厂以“数据驱动”为灵魂,因此,智能设备首先一定是数字设备。加工生产设备的数据化至少包含这些内容:(1)设备状态数字化。设备是否运行、设备是否正常、设备是否带病、设备故障程度等等,必须是确定的信息;(2)运行状态数字化。不同工序的加工设备有着不同的运行信息,但每一台设备的运行信息都必须是系统应该掌握的,去石机当前的流化风速、鳞片筛的倾角、入料流量、振动频率,砻谷机淌板的实时位置、两辊的线速度与线速度之差、砻谷辊压,碾米机实时的负荷电流、开合板位置、流量大小等等;(3)工艺效果数字化。在水稻加工智能工厂中,实时在线的工艺效果参数至关重要,比如去石机的去石效果、副产品中糙米含量,砻谷机的脱壳率、碎糙米率、裂纹粒率,碾米机的达标率、碎米率、留胚率/留皮率/留皮度,色选机的色选效果、副产品的带出率,这些分别是调制去石机、砻谷机、碾米机、色选机等加工设备的核心依据。
可以说,没有工艺效果的数字化,就不能真正实现智能控制,也就不是智能工厂。
(二)网络化
数据成为驱动力之前是信息,信息的流动与数据的传输需要依赖网络,生产设备的网络化,是智能工厂的通信基础,没有传输信息的网络,所有数据都只能是“孤立”的,孤立的数据不能成为驱动力。
(1)加工设备内群集传感系统与智能生产节点的通信。设备的状态信息、设备的运行信息等需要通过内置传感器获得,设备的各种信息并非单一,而是多维度,因此,获取信息的传感器也不是单一的,而是群集的。群集传感系统的信息处理复杂而多变,依靠这些传感信息实现“自主控制”需要通过“边缘计算”来完成,群集传感系统与生产节点的通信是“自主控制”的必然基础。
(2)加工设备内群集伺服执行系统与智能生产节点的通信。设备的群集传感信息通过“边缘计算”推理判断后,所形成的控制指令,需要驱动前置伺服执行系统完成最后的“动作”,才能构成“自主控制”的闭环。这些控制动作也不是单一的,是多维度,与传感类似,伺服执行系统通常也是群集的。群集伺服执行系统要能执行“边缘计算”的控制指令,必须要以两者的网络通信为前提。
(3)智能生产节点与工艺检测之间的通信。依据当前每台设备的加工工艺效果对设备的控制元素进行实时的柔性精准调制,不仅是荣业软件“水稻加工智能工厂”的核心与灵魂,也是所有能真正实现的智能工厂的核心与灵魂,更是智能工厂“数据驱动”的最关键性数据,每一次智能控制的回路,都必须依靠工艺检测信息、控制执行信息,在工艺检测平台、智能云平台、智能生产节点、群集伺服执行系统之间的毫秒级的网络通信。
(4)智能生产节点相互之间的通信。不仅工序与工序之间需要通信来有机协调整个产线,多机轻碾的各道米机之间更需要有机协作,生产节点之间的协作同样也必以网络为基础。
所以,传统设备的网络化需要构建两个物理方向的通信模块:向下,与生产设备内的群集传感系统和群集伺服执行系统通信;向上,与工业互联网的工业总线通信。可以看出,色选机如果仅仅通过自带的TCP/IP通信接口与工业互联网通信,是不能满足智能工厂需求的。
(三)智能化
对传统设备的改造,使之数字化、网络化的最终目的是“智能化”。荣业软件在基于加工企业的原有传统产线设计、研发、构建水稻加工智能工厂时,从两个方面将传统生产加工设备进行改造并使其“智能化”。
伺服控制。智能工厂以智能控制为手段,智能控制以伺服控制为物理基础,将原传统设备的各种控制元素,如手动机械运动、手动按键设置、手动开关和控制等等,转换成支持并接受智能指令、完成执行动作的“伺服控制”。
闭环控制。智能化控制与自动化控制的基本差别在于控制是否“闭环”,自动化控制是软件系统通过加工生产过程中可以预计的动作、程序,依据时间或者触发事件进行驱动和控制,是直线型的往复动作;最低程度的智能化控制,至少需要“闭环”,真正意义的“智能”系统,还需要有收取与分析信息,形成判断与决策信息,包括感知系统(工艺感知与运行感知)、分析决策系统、执行系统,是一个或多个(多数时候是多个)因地制宜的闭环动作。荣业软件水稻加工智能系统的智能控制通常有三个闭环:完全独立的自主控制为最内环,比如砻谷机的下料淌板,只要砻谷机工作,淌板就必须始终对准两辊之间,这与其他任何信息不发生关联;相互关联的自主控制为中间环,比如砻谷机的砻谷辊压,不同的两辊线速度与线速度之差,所匹配的辊压必然不同;以工艺检测数据为依据的非自主控制为最外环,最外环为决定性的“封环”,加工设备的根本价值在于其所达到的工艺目标,所以,工艺效果才是控制的核心与关键依据。
三、传统设备智能化改造的内容
根据改造的目标,确定改造的内容。
(一)改造控制元素
当前,传统产线上各设备的控制元素有四种表现形式:(1)机械控制,如风门、压砣、淌板、筛的倾角、水量;(2)电控,如流量、振动频率、转速等;(3)气控,如辊压、风压等;(4)按键数控,如色选机的各项控制。改造时,需要有针对性地量体裁衣,将机械运动控制元素改造成机械伺服,将电控改造成电频/电流/电压伺服,将气控改造成气控伺服,接管色选机数据接口,直接构成数据驱动。
一台加工设备上通常有多个控制元素,改造后,不同驱动方式的伺服系统通常在一个智能生产节点上共存,所以,每个节点上的伺服系统都将是群集伺服系统,同时也是混合伺服系统,荣业软件称之为“混合群集伺服系统”。
(二)植入传感系统
对设备状态与运行状态的信息获得,需要传感器的感知,水稻加工智能工厂全流程,对各道工序每台设备的信息获取,需要一个庞大的群集传感系统,这些传感信息包括:转速、振动频率、倾角、风速、风压、流量、辊压、线速度/线速度差、辊径、位置、砣压、电流、角度、扭力、水量等等。即使单台生产设备,通常也是一个群集传感系统,而且这些传感器均工作在一个相对较为恶劣的环境中,所以,植入了传感系统并不意味就可以获得准确的信息,系统需要对传感器获得的大量数据进行过滤以及算法处理,最终才能获取精准的目标信息。
(三)构建工艺检测下料通道
工艺效果检测数据是荣业软件水稻智能工厂智能控制的核心依据,服务于智能控制的工艺检测,必需是在线而且实时的,每一台设备的工艺效果,只能是自己专属的控制依据,必需对每台加工设备的加工物料进行在线的、实时的工艺检测,因此,需要构建每台设备在线的、不间断的、流动样本的检测通道。
(四)架设工业互联网物理通道
荣业软件通过工业总线、自研制的通信协议构建了毫秒级的工业互联网通信网络,物理上,需要在生产车间内架设通信线缆、各设备上的线路桥架,以构成智能生产节点内、生产节点之间、控制系统与工艺检测系统之间、执行系统、传感系统、工艺检测系统与智能云平台之间通信的物理链路。
在改造过程中,不应是“机械性”地改造,必须结合每道工序的工艺目标以及加工本质,不仅需要确切了解每台设备的工作原理、设备构造、工作方式、控制要素,还需要确切了解加工对象(稻谷)在全流程的每道工序中的变化、每道设备设计原理的原理、稻谷的结构与成分、每道工序对稻谷加工的目标与意义等等。此外,还需要把握智能工厂特殊性的构成要点:
(1)在线工艺检测参数必需与前置智能控制器相结合
(2)实时传感信息必需与边缘计算相结合
(3)智能生产节点的智能控制器必需与工业互联网相结合
四、如何进行传统设备的智能化改造
以具有代表性的砻谷机、碾米机、色选机为例,详述荣业软件对传统加工设备的智能化改造。
(一)砻谷机智能化改造
(1)接管砻谷机流量控制器,流量控制器原本为变频控制,在设备前端直接接管即可;
(2)加装下料淌板伺服控制器,除最新砻谷机下料淌板可大致跟踪位置外,其他砻谷机淌板在需要对准两辊之间时只能通过手动旋转调节,加装小型旋转伺服电机;
(3)植入感知下料淌板位置的传感器,必须在机器工作剧烈抖动时,依然能准确感知下料淌板位置;
(4)改造辊压控制执行器,大多数情况下,辊压控制均通过手动调节按钮实现,将其进行三通改造,既能实时感知当前辊压,又能支持伺服方式调制辊压;
(5)植入感知两辊辊间距的传感器;
(6)植入辊径传感器,用以感知两个胶辊中某一个胶辊的半径,同时,结合辊间距传感信息获得另一个胶辊半径;
(7)当两辊转速可调时,接管调辊转速变频器;
(8)安装砻谷智能取料器,从砻谷机下在线、实时取得当前砻谷机下的代表样本,这个样本是连续的;
(9)将所有传感器与伺服执行器连入边缘计算控制器与前置智能控制器,边缘计算控制器、前置智能控制器、内置了向上与向下通信模块的前置交换网关,三者与砻谷机一起构成了智能砻谷生产节点;
(10)将砻谷智能取料器连入前置智能取料控制器;
(11)接管霍尔电流传感器,用于感知砻谷机工作电流;
(12)将智能砻谷生产节点与前置智能取料控制器连入工业总线。
砻谷机改造后示意图:(二)碾米机智能化改造
(1)碾米机流量拉杆的伺服改造,加装电机,并使之伺服;
(2)为流量拉杆加装位置传感器;
(3)将砣压控制改造为弹簧臂控制;
(4)为弹簧执行臂加装电机,并使之伺服;
(5)为弹簧执行臂加装位置传感器;
(6)接管米机的霍尔电流传感器,用以实时感知米机电流;
(7)安装碾米机智能取料器,在线、实时取得当前碾米机下代表性样本,取样是连续的;
(8)将所有传感器与伺服控制执行器连入前置智能控制器,前置智能控制器与前置交换网关和碾米机共同构成智能碾米生产节点;
(9)将智能取料器连入前置智能取料控制器;
(10)将碾米智能生产节点与碾米前置智能取料控制器连入工业总线。
碾米机改造后示意图:
(三)色选机智能化改造
色选机是水稻加工传统产线上智能化程度较高的加工设备,颇具代表性,所以选其作为举例:
(1)获取色选机原始厂商数据接口;
(2)改造色选机串口;
(3)连入智能控制器;
(4)色选机与智能控制器和前置交换网关共同构成色选智能生产节点;
(5)安装色选智能取料器,因色选工序的特殊性(去石机亦具有同类特性),色选机的智能取料既包含正检取料,也包含反检取料;正检是检测色选后的效果,反检则是检测色选时的带出率,带出为加工损耗;
(6)将智能取料器连入前置智能取料控制器;
(7)将色选智能生产节点与前置智能取料控制器连入工业总线。
五、传统加工设备成为智能生产节点后的工作情况
为了便于理解,仍然以砻谷和碾米为例进行详细说明。
(一)智能砻谷
智能砻谷拓扑图,如下
其工作原理为:(1)根据淌板位置传感信息,伺服控制淌板位置(非粗犷的淌板位置跟踪),使淌板始终对准两辊之间;(2)流量传感以及变频伺服控制,以保证流量稳定;(3)辊径传感与辊间距传感确定两辊大小,当胶辊转速可控时,保证两辊线速度之差;(4)根据在线工艺检测脱壳率(碎糙、裂纹)效果实时精准控制辊压。这是一个典型的多环闭合控制。
(二)智能碾米
智能碾米拓扑图: 智能碾米是一个完整的闭环控制,其工作原理是:在线工艺检测系统实时检测每道每台米机的加工工艺效果,智能控制系统依据每台米机的实时检测数据,对米机电流进行精细化伺服控制,使每台米机刚好达到目标工艺效果。其中,每台米机的目标工艺效果,根据最终碾米的“目标精度”与该道米机的加工任务确定:不同品种,同道米机的目标不同;相同品种,不同工序的米机目标不同。
六、智能化改造后的实际效果
传统加工设备在通过智能化改造后,其实际工作效果得到了全面的、大幅度提升。
(一)控制的精度大幅度提高,运行稳定性明显改善:比如砻谷机,改造后下料淌板始终对准两辊之间,使得在其他条件相同时,脱壳率明显提高;同时,辊压的控制精度由原来的10KPa精细为0.1KPa,控制精度提高了100倍,控制精度的提高就意味着柔性控制的空间扩大。再如传统碾米机,尤其上线时间较长的碾米机,在工作时电流波动幅度较大,高达十余安培甚至二十安培,但在弹簧臂的伺服控制模式下,米机工作电流非常稳定,甚至可以只在0.3-0.5安培范围内波动,稳定的米机电流表明碾米工艺的均匀一致。
(二)加工的工艺效果透明,设备的运行状态透明:根据各智能生产节点的不间断的运行状态信息、设备状态信息以及实时的工艺效果信息,智能云平台可以实时判断加工设备是否带病、是否故障,当前工艺效果与运行状态是否匹配,来料是否正常,甚至可以提醒是否需要更换胶辊,是否需要调制米刀。
(三)提高得米率,降低增碎率与加工损耗,碾到“期望的精度”:在同等增碎或者增碎更少时,智能砻谷的糙米得率比传统砻谷提高1.5%-3%,不论原砻谷机能力如何,总能在原基础上提高糙米得率。在同等目标碾米精度条件下,智能碾米能比传统碾米降低0.5%-1.5%的碾减率,这是因为智能碾米不仅能使单台米机确保最合适的碾米工艺,还能使多道米机之间有机协调。在相同色选效果下,智能色选总能比当前色选降低大多数的损耗。
七、摆在粮机厂商面前的问题
荣业软件的水稻加工智能工厂只对粮食加工进行优化,并非颠覆,也不破坏产业的生态链,对生产设备进行智能化改造,并不淘汰。但智能工厂是行业发展的方向和必然,是历史的趋势,是社会的愿望,既然已经成功落地,那么作为基础加工设备的生产者,粮机厂商将要面对的是:
(1)是否参与。加工企业新建产线时,是否会考虑基础加工设备升级为智能生产节点的便捷性与平滑性。
(2)参与多深。是否参与,是战略问题;参与多深,仍是战略问题。战略上的参与深度,最终都将体现在产品的参与深度,因此,也可以反过来看,从产品应当参与的深度来确定战略上的参与深度。智能工厂以智能生产节点为基本控制单元,生产设备本身可从数字化、网络化、智能化三个维度选择参与,也可仅从物理上的“接口”参与,比如,留出群集传感器与群集控制器的物理上的安装位置,即使如此,也为产线的智能化做出了较大的贡献。
(3)如何参与。这属于纯粹的技术问题,如果参与的程度在于数字化,那么需要解决传感器群集及其通信问题;如果从网络化角度切入,则可能面临较大的问题:当前并没有粮食加工,尤其水稻加工的工业互联网规范;而从智能化层面参与,同样需要考虑预留接口的问题:不仅需要预留物理接口,更需要预留数据接口,否则,只能成为一台“孤立”的设备。在智能工厂的构建中,任何孤立的设备,都无法融入浑然一体的产线。
后记
加工生产智能化,是无可阻挡的行业未来;荣业软件“水稻加工智能工厂”的成功落地,翻开了粮食加工智能时代的崭新篇章;在这个时代大潮来临之际,产业链上的每一位参与者都应该思考自己的应对战略以及必须采取的措施。荣业软件 陈辰 18075179827che-rong@che-rong.cn

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