余新鵬，胡 瓊，陳 駿，鄧立文

YU Xin-peng，HU Qiong*，CHEN Jun，DENG Li-wen

（中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083）

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)水平的日益提高，人們對食用油的安全和品質(zhì)有了越來越高的要求。冷榨油有別于傳統(tǒng)的熱榨油，可以有效避免高溫所造成的種種不良的副反應(yīng)[1]，還能降低制作成本，極具經(jīng)濟(jì)效益。對于榨油機(jī)冷榨技術(shù)的研究，國內(nèi)目前探索出了多種冷榨工藝的技術(shù)路線，取得了一些較好的進(jìn)展。自上世紀(jì)六十年代起，我國開始研究、生產(chǎn)螺旋榨油機(jī)及其系列產(chǎn)品，其中國有企業(yè)占比三成。國內(nèi)螺旋壓榨機(jī)產(chǎn)量一般低于100t/d，干餅殘油率為5%左右，最高產(chǎn)量可達(dá)400t/d，但是干餅殘油率則提升至18%；國外的螺旋榨油機(jī)一次產(chǎn)量最高可至460t/d，但干餅殘油率僅為12%。由此可見，我國在螺旋榨油機(jī)技術(shù)和工藝方面還需提高。在近年來螺旋榨油機(jī)榨膛溫度測控的研究中：2003年，江南大學(xué)的范本雋等[2]采用應(yīng)力分析法，根據(jù)粘貼在榨筒外表面上的電阻應(yīng)變計輸出的應(yīng)變數(shù)據(jù)計算出膛內(nèi)壓力；2016年，武漢輕工大學(xué)任小聰?shù)萚3]設(shè)計了一種榨油機(jī)膛內(nèi)壓力測試系統(tǒng)，通過榨條開孔安裝壓力傳感器測得膛內(nèi)壓力，同時采用電阻應(yīng)變片電測法，根據(jù)粘貼在榨條外表面上的電阻應(yīng)變片輸出的應(yīng)變數(shù)據(jù)從而計算出膛內(nèi)壓力。2017年，中南大學(xué)劉汝寬等人[4]利用有限元法對榨油機(jī)榨膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱學(xué)分析，通過提取榨膛外表面溫度并通過溫度分布目標(biāo)函數(shù)來反求榨膛內(nèi)表面溫度；在控制方面，2015年，武漢輕工大學(xué)的陳以亮[5]采用PID算法并利用變頻器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制構(gòu)建了基于PLC的自動控制系統(tǒng)；2018年，武漢輕工大學(xué)顧波[6]利用LabVIEW軟件建立上位機(jī)控制界面[7]，通過VISA通信串口與arduino單片機(jī)通訊，對小型榨油機(jī)進(jìn)行溫度壓力監(jiān)測。

本設(shè)計系統(tǒng)目的是根據(jù)榨料的不同種類，設(shè)計插入榨膛內(nèi)部的溫度、壓力傳感器，進(jìn)而記錄其壓榨過程中榨膛內(nèi)部的溫度、壓力參數(shù)來建立不堵膛情況下的最佳數(shù)據(jù)，以適應(yīng)各種不同的壓榨物料，并實(shí)現(xiàn)整個壓榨過程的監(jiān)測及自動化控制。

1 測控系統(tǒng)方案設(shè)計

螺旋式榨油機(jī)的工作方式為進(jìn)料螺桿在主電機(jī)的持續(xù)作用下旋轉(zhuǎn)，在這過程中連續(xù)地將榨料向前推進(jìn)。為提高廣大農(nóng)村自給食用油的質(zhì)量，通過增加剪切環(huán)組和縮短螺旋來實(shí)現(xiàn)雙螺旋榨油機(jī)的小型化[8]。在壓榨過程中，榨螺螺旋導(dǎo)程的不斷縮短且根圓直徑逐漸增大，榨螺給榨料施加連續(xù)的軸向和周向力，榨膛空間被不斷擠壓從而起到壓榨的作用。榨料被高度擠壓至膛壁，所產(chǎn)生的油脂形成餅狀物。餅狀物被勻速推向出料口，最終被榨油機(jī)排出。由于冷榨工藝對于榨膛內(nèi)溫度有嚴(yán)格要求，一般在75℃以下營養(yǎng)成分保留最完整，所以榨膛內(nèi)溫度和壓力的控制變得至關(guān)重要。

考慮到上文所提到冷榨工藝的優(yōu)越性，又由于冷榨過程中要嚴(yán)格考慮榨膛內(nèi)溫度、壓力維持在一定限度，故設(shè)計出一套螺旋榨油機(jī)測控方案。該方案通過定制化榨膛榨片，嵌入高精度傳感器來實(shí)現(xiàn)溫度、壓力的實(shí)時監(jiān)測以實(shí)現(xiàn)小型螺旋榨油機(jī)的自動化測控。

通常小型螺旋榨油設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。榨油機(jī)實(shí)現(xiàn)動作主要由料斗、進(jìn)料螺桿（水平給料螺桿）、進(jìn)料電機(jī)（水平給料電機(jī)）、榨螺、榨膛、主軸電機(jī)、導(dǎo)料電機(jī)（垂直給料電機(jī)）、導(dǎo)料螺桿（垂直給料螺桿）和溫度、壓力傳感器組成（風(fēng)機(jī)同滑油泵在該圖中暫略）[9]。

圖1 螺旋榨油機(jī)設(shè)備組成

小型螺旋壓榨制油機(jī)測控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，主要包括溫度壓力傳感器組、儀表箱、工控機(jī)、電機(jī)組與軟件界面。其中軟件各模塊之間互不干涉，互相獨(dú)立，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性與靈活性[10]。溫度壓力傳感器鑲裝進(jìn)榨膛，之后通過屏蔽雙絞線分組對應(yīng)裝入儀表箱顯示器下方插座。儀表箱顯示屏通電后可實(shí)時地顯示榨膛內(nèi)測試點(diǎn)位的溫度和壓力數(shù)據(jù)。儀表箱引出芯屏蔽雙絞線到工控機(jī)信號采集板卡進(jìn)行A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換后通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫文件接入軟件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的讀??；軟件可通過LabVIEW界面上的電機(jī)控制開關(guān)由開關(guān)量控制板卡控制繼電器線圈實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的逐個實(shí)時控制；系統(tǒng)經(jīng)過分析判斷后經(jīng)數(shù)據(jù)總線同電機(jī)驅(qū)動器建立連接從而控制轉(zhuǎn)速來避免堵膛現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 小型螺旋榨油機(jī)測控系統(tǒng)總成圖

2 硬件設(shè)計

2.1 主要性能指標(biāo)

提高螺旋榨油機(jī)出油率和體現(xiàn)冷榨工藝關(guān)鍵點(diǎn)在于控制好榨膛壓力、膛內(nèi)溫度。

榨膛壓力是出油率的主要性能指標(biāo)。榨膛壓力過低，會使得壓榨過程無法連續(xù)，進(jìn)料螺桿力矩傳遞不足，榨料得不到充分壓縮，使得出油率大打折扣；與此相反，伴隨著榨膛壓力的升高，榨料所受應(yīng)力越大，形變趨勢越明顯，出油壓力越高，出油率則越高；一旦榨膛內(nèi)壓力過大，當(dāng)榨料堆積過厚時，電機(jī)輸出力矩不足以驅(qū)動螺桿時，極易使榨膛卡死，電機(jī)出現(xiàn)過熱保護(hù)的狀況。綜上，可以根據(jù)不同的榨料的物理屬性，通過監(jiān)測榨膛內(nèi)壓力傳感器的數(shù)值，獲取各種榨料的臨界壓榨壓力區(qū)間。

螺旋榨油機(jī)在工作過程中由于螺桿導(dǎo)程短，與榨料接觸面積大，在擠壓過程中會產(chǎn)生大量的熱量，使得膛內(nèi)溫度快速升高。榨膛的溫度保持在合適區(qū)間可以降低油脂的動力粘度，榨料過熱會導(dǎo)致油餅質(zhì)量變差而影響出油率。因此，對榨膛內(nèi)溫度進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)位布置，確定不同榨料在不同溫度下的最佳出油區(qū)間，可以提高螺旋榨油機(jī)的出油效率。

2.2 溫度、壓力傳感器選型及安裝

根據(jù)螺旋榨油機(jī)冷榨方案的整體要求，榨膛內(nèi)沿軸向一共布置了5個溫度、壓力測定點(diǎn)位。由于安裝傳感器需要在榨膛榨條壁面開孔，為了將傳感器對榨油機(jī)帶來的附加影響降低至最小，特定制了一款集溫度，壓力測量為一體的傳感器觸頭。所選定溫度及壓力傳感器的具體參數(shù)如表1、表2所示。

表1 壓力傳感器參數(shù)

表2 溫度傳感器參數(shù)

圖3為傳感器安裝位置圖。五個傳感器觸頭分別鑲嵌在3個榨條上，出料口榨條開一孔，其余兩個榨條各開兩孔，用來監(jiān)測溫度和壓力。A孔在出料端榨條上，B、C孔在中間段榨條上，D、E（與B、C相同）孔在另一根中間段榨條上。

圖3 傳感器的安裝位置

根據(jù)傳感器的形狀，特地定制了新的榨條，其總體呈扇形體，扇形面內(nèi)有沿軸線的凹槽來增大榨料的受力面積，從而增大與螺旋桿間的剪切力以提高出油率。將傳感器大頭一端通過橡皮錘沿圓周線敲入，直到傳感器頭部低于榨條2mm～3mm為止，安裝成品如圖4所示。

圖4 榨條傳感器

2.3 顯示儀表

為了縮小傳感器的體積，方便安裝到榨條內(nèi)，所以傳感器并沒有安裝放大器。由于傳感器輸出的信號微弱，因此儀表箱必須就近安裝。儀表箱中水平分布嵌入5臺DY26E2299DF型號智能橋路輸入顯示儀表用于顯示榨膛內(nèi)部各測點(diǎn)參數(shù)。壓力、溫度傳感器為差分電路輸出，通過屏蔽雙絞線連接到如圖5所示智能橋路輸入顯示儀表。主屏和副屏分別顯示實(shí)時溫度（℃）和壓力（Mpa）。

圖7為儀表箱示意圖。儀表箱內(nèi)有220V轉(zhuǎn)24V直流電源給傳感器和顯示儀表供電。其中5組顯示儀表的19、20腳接直流電源；17、16腳和9、10腳分別是壓力和溫度傳感器引腳，與5個傳感器觸頭通過屏蔽雙絞線相連。圖5為顯示儀表接線圖。

圖5 DY26E2299DF型號智能橋路輸入顯示儀表

圖6 儀表箱示意圖

圖7 顯示儀表接線圖

2.4 電機(jī)控制

在工業(yè)領(lǐng)域，有著許多種方法通過IO接口將不同工控產(chǎn)品聯(lián)系起來[11]。本測控系統(tǒng)主要通過上位機(jī)監(jiān)測溫度、壓力變化來控制各電機(jī)的啟停。為防止榨膛堵塞，通過上位機(jī)報警來通過RS485總線向水平給料電機(jī)發(fā)出變頻指示以控制給料頻率。輸入量有5組傳感器的溫度和壓力電流（4～20mA）、切換開關(guān)、急停開關(guān)；開出量有5個繼電器線圈、切換開關(guān)和急停開關(guān)。由于溫度、壓力傳感器為差分電流輸入，故選取PCI8360I作為A/D轉(zhuǎn)換采集卡；由于需要通過上位機(jī)控制電機(jī)的啟停，所以選擇PCI8408作為開關(guān)量輸入輸出板卡。電機(jī)控制輸入輸出量如表3所示。

表3 測控系統(tǒng)輸入輸出量

本系統(tǒng)選用HY系列變頻器根據(jù)主軸電機(jī)電流特性變化來控制水平給料電機(jī)的轉(zhuǎn)速，上位機(jī)LabVIEW通過圖形化界面開啟/關(guān)閉電機(jī)自動控制系統(tǒng)，之后通過VISA連接RS485總線建立工控機(jī)與變頻器的連接[12]，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)地壓榨過程?？傮w方案如圖8所示，變頻器規(guī)格如表4所示。

圖8 電機(jī)控制硬件方案

表4 變頻器規(guī)格參數(shù)

當(dāng)前，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛[13]，為了實(shí)現(xiàn)主電機(jī)和水平給料電機(jī)的自動化控制，更改HY系列變頻器運(yùn)行模式為外控八段速，通用的AD轉(zhuǎn)換電流為4～20mA與水平給料電機(jī)頻率0～50Hz相匹配，外控八段速的頻率呈線性變化。變頻器參數(shù)如表5所示。

表5 HY系列變頻器參數(shù)功能

1）LabVIEW通過VISA寫入Pd080功能碼，輸入3更改運(yùn)行模式為外控八段速。

2）將Pd044、Pd045、Pd046（FOR、REV、RST）依次更改至19、20、21，來設(shè)置段速的控制位。

3）將Pd003和Pd086～Pd092記錄為自設(shè)的8組不同頻率以控制水平給料電機(jī)的轉(zhuǎn)速。將不同頻率參數(shù)線性平均分布寫至8組功能碼中，參數(shù)如表6所示。

表6 外控八段速頻率設(shè)定

3 軟件設(shè)計

螺旋榨油機(jī)測控系統(tǒng)由LabVIEW設(shè)計的圖形化、可以實(shí)現(xiàn)良好人機(jī)交互的軟件。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對榨油機(jī)榨膛內(nèi)溫度壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢、曲線分析、變頻器調(diào)速控制、電機(jī)運(yùn)行控制和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)記錄等功能。下位機(jī)由研華工控機(jī)PC610系列做主體，通過PCI通道所連接的PCI8360I和PCI8408板卡所編寫的動態(tài)鏈接庫文件實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)軟件界面的實(shí)時數(shù)據(jù)讀寫操作。軟件功能如圖9所示。

圖9 軟件設(shè)計功能圖

3.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件設(shè)計思路主要是圍繞兩張PCI板卡所展開的。如圖10(a)為PCI8360I采集卡、圖10(b)為PCI8408開關(guān)量輸出卡。由于PCI板卡一般采用將指令寫入動態(tài)鏈接庫文件（.dll文件），通過上位機(jī)軟件調(diào)用文件來中的函數(shù)從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)的傳遞，利用串口通信從而實(shí)現(xiàn)溫度、壓力的采集[14]。

圖10

PCI8360I采集卡數(shù)據(jù)讀取程序如圖11所示。

圖11 PCI8360I數(shù)據(jù)讀取程序

3.2 上位機(jī)軟件

LabVIEW軟件的誕生極大地推動了現(xiàn)代工業(yè)的人機(jī)協(xié)同自動化的進(jìn)展。本測控系統(tǒng)的上位機(jī)界面主要分為數(shù)據(jù)顯示、圖標(biāo)顯示、曲線分析及軟件設(shè)定界面。軟件主界面涵蓋了系統(tǒng)時間、采集進(jìn)程、測點(diǎn)溫度壓力、各電機(jī)啟停、歷史查詢、記錄異常節(jié)點(diǎn)、程序自啟停的功能，軟件主界面如圖12所示。

圖12 軟件主界面

3.2.1 溫度、壓力監(jiān)測

經(jīng)過配合下位機(jī)寫好的動態(tài)鏈接庫文件，上位機(jī)直接將通過調(diào)用函數(shù)得到的參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而在圖形界面進(jìn)行展示。當(dāng)溫度、壓力超過設(shè)定值時會有醒目的紅色警告標(biāo)識閃爍以提引起操作人員的注意。本模塊的程序流程如圖13所示、LabVIEW程序面板如圖14所示。

圖13 溫度、壓力監(jiān)測程序流程圖

圖14 溫度、壓力監(jiān)測部分程序

3.2.2 變頻調(diào)速

變頻調(diào)速功能被整合進(jìn)主界面的程序自啟中。前文所提到工控主機(jī)通過RS485總線將變頻器與之相連接，并通過LabVIEW的VISA利用變頻器內(nèi)設(shè)定好的參數(shù)代碼實(shí)現(xiàn)查表控制變頻器端子FOR、REV、RST從而對水平給料電機(jī)進(jìn)行變速控制，軟件后面板如圖15所示。

圖15 變頻調(diào)速程序圖

3.2.3 異常節(jié)點(diǎn)記錄

本測控程序的核心是為了監(jiān)測螺旋榨油機(jī)榨膛內(nèi)實(shí)時溫度是否處于冷榨范圍，同時也檢測壓力是否過高從而引起堵膛現(xiàn)象。使用不同榨料時，其溫度壓力特性會存在差異。當(dāng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時，單擊主程序“記錄異常節(jié)點(diǎn)”按鈕，會在默認(rèn)目錄下生成對應(yīng)時間點(diǎn)的文件以供實(shí)時查詢，同時主程序中溫度、壓力警報閾值會根據(jù)程序設(shè)定的10%、15%或20%對應(yīng)下調(diào)。圖16為異常節(jié)點(diǎn)記錄程序圖。

圖16 異常節(jié)點(diǎn)記錄程序圖

3.2.4 曲線分析

監(jiān)測人員通過該界面可實(shí)時觀測榨油機(jī)全程溫度壓力圖線，從而容易地找到異常節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。曲線分析原理為通過LabVIEW讀取TDMS已保存的實(shí)時數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行相應(yīng)的處理。該界面可選取單組、多組溫度壓力曲線展示。伴隨著異常時間節(jié)點(diǎn)的記錄，曲線分析中的溫度、壓力預(yù)警值也會對應(yīng)下調(diào)。其程序前后面板如圖17、圖18所示。

圖17 曲線分析界面

圖18 曲線分析程序圖

3.3 程序自動

為實(shí)現(xiàn)螺旋榨油機(jī)的自動化，該測控程序編寫了程序自動功能。點(diǎn)擊“程序自動”按鈕后，電機(jī)將按照設(shè)定順序自動啟動。在自動停止程序中，可先在前面板設(shè)置各電機(jī)延時停止時間，點(diǎn)擊“程序停止”后電機(jī)按照設(shè)定按順序自動停止。此外，當(dāng)溫度、壓力超限報警時，水平給料電機(jī)變頻程序會進(jìn)行中斷介入從而避免堵膛現(xiàn)象的發(fā)生。

各電機(jī)起停有先后順序，依次為滑油泵、主電機(jī)、水平給料電機(jī)、垂直給料電機(jī)、風(fēng)機(jī)。該程序后臺建立了不同電機(jī)的起停時間間隔以供開發(fā)人員進(jìn)行配置，程序啟停流程如圖19所示。根據(jù)之前實(shí)驗經(jīng)驗，滑油泵啟動后1分鐘啟動主電機(jī)，再過30秒后一并啟動風(fēng)機(jī)、垂直給料電機(jī)和水平給料電機(jī)。該程序如圖20所示。

圖19 程序啟停流程圖

圖20 程序自動程序圖

4 結(jié)語

該系統(tǒng)人機(jī)環(huán)境友好，具有高度的模塊化、拆裝簡單。上位機(jī)界面可直觀地通過數(shù)據(jù)展示螺旋榨油機(jī)冷榨的過程，同時適用于點(diǎn)動和自動功能。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代小型螺旋榨油機(jī)的高度自動化，解決了榨油時不能直觀反映冷榨過程、榨膛易堵塞、不能直觀分析歷史曲線和記錄關(guān)鍵時間節(jié)點(diǎn)的問題。通過該測控系統(tǒng)實(shí)驗數(shù)據(jù)可輕松地得出不同榨料種類在不同壓力、溫度下的出油效率。

系統(tǒng)存在的不足之處為還未成體系地提供不同榨料間的參數(shù)修正數(shù)據(jù)庫。后期可以通過利用異常節(jié)點(diǎn)記錄功能記錄不同榨料的溫度壓力特性來制作相匹配的數(shù)據(jù)庫，從而豐富小型螺旋榨油機(jī)可加工的物料種類。