金槍魚(yú)魚(yú)柳蒸煮加工的智能溫控系統(tǒng)

鐘林青，衛(wèi)錦堯，劉玉良

（浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

金槍魚(yú)魚(yú)柳蒸煮加工的智能溫控系統(tǒng)

鐘林青，衛(wèi)錦堯，劉玉良

（浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

制作金槍魚(yú)罐頭的首先通過(guò)蒸汽加熱提取魚(yú)柳，目前加熱控制大多采用人工操作，會(huì)出現(xiàn)加熱過(guò)頭或欠加熱現(xiàn)象，魚(yú)肉及能源浪費(fèi)嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)效益降低。針對(duì)此背景，開(kāi)發(fā)一套基于PLC、電磁閥、觸摸屏、溫度傳感器的智能溫控系統(tǒng)，能根據(jù)實(shí)際溫度和設(shè)定的理想溫度，自動(dòng)調(diào)整蒸汽閥門(mén)的開(kāi)度及報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了金槍魚(yú)蒸汽加熱溫度的智能控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足金槍魚(yú)加熱的要求，縮短了蒸煮的時(shí)間，得肉率提高明顯。

金槍魚(yú)；智能溫控；PLC；電磁閥

金槍魚(yú)肉富含優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)和其他的營(yíng)養(yǎng)素，脂肪含量低，可以平衡身體所需的營(yíng)養(yǎng)，保護(hù)和強(qiáng)化人體肝臟，有效降低膽固醇的含量，防止動(dòng)脈硬化，有很強(qiáng)的藥用價(jià)值。金槍魚(yú)肉可以提供人體所需的氨基酸、DHA、維生素B12，有助于人體的新陳代謝，保持人體正常水分標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)腦細(xì)胞再生，提高記憶力，預(yù)防老年癡呆。金槍魚(yú)制作的魚(yú)肉罐頭暢銷(xiāo)海內(nèi)外，尤其受到外國(guó)人的歡迎，出口量逐年上升，市場(chǎng)的需求量也越來(lái)越大[1]。

我國(guó)目前金槍魚(yú)加工規(guī)模很大，產(chǎn)量高，但是加工工藝十分落后，尤其是加工的蒸煮階段溫度控制以人工為主，經(jīng)常存在蒸煮過(guò)火或欠火的情況，結(jié)果原材料和能源浪費(fèi)嚴(yán)重，得肉率低，魚(yú)肉的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值大打折扣[2]。本文針對(duì)以上問(wèn)題，提出了一種新型基于PLC的新型智能溫控系統(tǒng)的方案。介紹了一種由觸摸屏和PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)組成的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的核心是PLC。該系統(tǒng)硬件主要包括PLC、熱電阻溫度模塊、模擬量輸入模塊、觸摸屏、溫度傳感器、網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)連接器、觸摸屏PLC編程電纜、數(shù)字式電磁閥。熱電阻溫度模塊采集到的溫度信號(hào)通過(guò)溫度傳感器送到模擬量輸入模塊，模擬量輸入模塊把溫度信號(hào)傳入PLC，PLC通過(guò)與設(shè)定參數(shù)的比較，向電磁閥發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)，并且通過(guò)串口把溫度信息以數(shù)字量的形式傳給觸摸屏顯示出來(lái)。也可以通過(guò)改變觸摸屏上的參數(shù)可以向PLC發(fā)送功能信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的控制。該控制系統(tǒng)的軟件包括了很多程序，如手動(dòng)控制模式、自動(dòng)控制模式等。最后，設(shè)計(jì)了人機(jī)界面系統(tǒng)，完成了手動(dòng)操作、自動(dòng)控制操作、參數(shù)設(shè)置等功能[3-4]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)修正控制系統(tǒng)的參數(shù)，實(shí)驗(yàn)表明上述問(wèn)題得到了解決，并且達(dá)到了預(yù)期的效果。

1 金槍魚(yú)蒸煮流程

金槍魚(yú)蒸汽加熱的目的是獲得盡可能多的合格魚(yú)柳，蒸汽加熱流程包括魚(yú)體解凍、溫度設(shè)置、蒸汽加熱、噴淋降溫、剝?nèi)◆~(yú)柳等階段，如圖1。魚(yú)體解凍一般采用自然解凍法，解凍之后放在多層金屬蒸架上推入蒸箱中，然后根據(jù)單個(gè)魚(yú)體質(zhì)量設(shè)置加熱溫度和加熱方式，達(dá)到目標(biāo)溫度后（一般為98℃）后進(jìn)行噴淋降溫，最后取出金槍魚(yú)剝?nèi)◆~(yú)柳。

圖1 蒸煮工藝流程Fig.1 Cooking process

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 方案論證與設(shè)計(jì)說(shuō)明

通過(guò)查閱溫控系統(tǒng)的相關(guān)資料，提出金槍魚(yú)加工智能溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（圖2），并根據(jù)此結(jié)構(gòu)圖提出了兩種金槍魚(yú)加工溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)這兩種方案進(jìn)行論證，分別闡述了每個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖2 金槍魚(yú)蒸煮的溫控結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The temperature control structure of tuna cooking

金槍魚(yú)蒸煮溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩種方案：第一種方案是以單片機(jī)STM32和觸摸屏為處理核心的溫控系統(tǒng)，該類(lèi)溫控系統(tǒng)使用硬件少，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，投入成本低，能夠提供友好的控制界面，操作簡(jiǎn)單。但是該溫控系統(tǒng)由于單片機(jī)的存在，會(huì)產(chǎn)生抗干擾能力差，故障率比較高，擴(kuò)展困難，對(duì)環(huán)境的依賴(lài)性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)難度大等問(wèn)題。

第二種方案是以觸摸屏和PLC為控制核心的溫控系統(tǒng)，該類(lèi)系統(tǒng)使用硬件比較多，投入成本較高，PLC的擴(kuò)展模塊價(jià)格高。但是該溫控能夠提供有好的控制界面，操作難度低，控制界面可視化強(qiáng)，并且PLC具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、使用方便、編程簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短，工作穩(wěn)定、故障率低，抗干擾能力強(qiáng)，在任何環(huán)境下都可以穩(wěn)定地工作。

以上兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到金槍魚(yú)加工車(chē)間的環(huán)境潮濕，單片機(jī)受潮后容易出現(xiàn)死機(jī)，造成溫控系統(tǒng)不能正常工作，而且單片機(jī)的故障率比較高；PLC在潮濕的環(huán)境可以穩(wěn)定地工作，而且發(fā)生故障的概率小，綜合考慮選擇第二種方案。

金槍魚(yú)蒸煮溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說(shuō)明：（1）觸摸屏與PLC連接，從PLC處得到溫度信號(hào)，并將電磁閥的開(kāi)度信號(hào)反饋給PLC，由PLC發(fā)送開(kāi)度信號(hào)給電磁閥，完成控制[5]；（2）在觸摸屏與PLC未連結(jié)時(shí)，PLC能夠單獨(dú)完成溫度信號(hào)的采集[6-7]，并根據(jù)指令和算法完成電磁閥開(kāi)度信號(hào)的計(jì)算，完成對(duì)電磁閥的控制[8]；（3）在觸摸屏的顯示器上能夠完成系統(tǒng)的操作和維護(hù)等工作；（4）PLC采集的溫度有8個(gè)，其中T8為蒸箱中蒸汽溫度、T1為1號(hào)魚(yú)魚(yú)肉中心溫度、T2為2號(hào)魚(yú)魚(yú)肉中心溫度、T3為3號(hào)魚(yú)魚(yú)肉中心溫度、T4為4號(hào)魚(yú)魚(yú)肉中心溫度、T5為5號(hào)魚(yú)魚(yú)肉中心溫度、T6為6號(hào)魚(yú)魚(yú)肉中心溫度、T7為7號(hào)魚(yú)魚(yú)肉中心溫度。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

本文的硬件設(shè)計(jì)基于金槍魚(yú)加熱的功能需求、工作穩(wěn)定性、操作便利性、成本等因素，具體如下：

①PLC選用型號(hào)：CPU224XP CN DC/DC/DC 14輸入10輸出晶體管2輸入1輸出模擬量；

②熱電阻溫度模塊 型號(hào)：EM2314路PT100輸入 溫度0～1 000 °C 231-7PC22；

③模擬量輸出模塊 型號(hào)：EM232 6ES7232-0HB22-0XA8 2路模擬量輸出；

④觸摸屏 型號(hào)：步科eView ET100高清分辨率串口屏；

⑤溫度傳感器 型號(hào)：WZP-PT100探頭式溫度高溫防水；

⑥網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)連接器 型號(hào)：不帶編程口6ES7972-0BA12-0XA0；

⑦觸摸屏PLC編程電纜 型號(hào)：485 USB-PPI 6ES7901-3DB30硬件連接的實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 硬件連接實(shí)物圖Fig.3 Hardware connection physical map

2.3 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的蒸汽加熱功能控制系統(tǒng)的程序是通過(guò)SETP7-Micro/WIN軟件編寫(xiě)好的梯形圖通過(guò)模擬之后燒寫(xiě)到PLC中。

觸摸屏控制界面由步科的Kinco HMIware組態(tài)編輯軟件實(shí)現(xiàn)的。一、通過(guò)在該軟件中新建工程并添加ET100的觸摸屏和型號(hào)為CPU224XP的PLC，用串口把它們連接起來(lái)[9]。二、給觸摸屏編輯多個(gè)組態(tài)畫(huà)面，并且用C語(yǔ)言在宏代碼中添加觸摸屏相應(yīng)按鈕的觸發(fā)事件，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。三、通過(guò)編譯、離線(xiàn)模擬達(dá)到要求之后通過(guò)USB電纜連接觸摸屏的USB SLAVE接口，把工程下載到觸摸屏中，觸摸屏和PLC兩者之間的通過(guò)RS-485編程電纜連接，PLC和溫度控制器通過(guò)RS-232連接。

2.3.1 選擇模式

用戶(hù)可以自己選擇自動(dòng)模式或者是手動(dòng)模式。選擇模式的界面如圖4所示。

圖4 用戶(hù)選擇操作模式界面Fig.4 The user selects the operating mode interface

2.3.2 選擇自動(dòng)模式

系統(tǒng)能夠根據(jù)具體金槍魚(yú)魚(yú)平均重量，自動(dòng)選擇目標(biāo)溫度。自動(dòng)控制界面如圖5所示。

圖5 自動(dòng)控制界面Fig.5 Automatic control interface

自動(dòng)控制的操作步驟：①點(diǎn)擊主界面中的“開(kāi)始”按鈕，則進(jìn)入“自動(dòng)控制界面”，該界面主要是觀察：蒸煮時(shí)間、蒸汽溫度和7條魚(yú)的魚(yú)肉中心溫度等信息的實(shí)時(shí)狀態(tài)。②用戶(hù)點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，則系統(tǒng)開(kāi)始蒸煮，點(diǎn)擊“停止”按鈕，則結(jié)束自動(dòng)蒸煮過(guò)程。③“當(dāng)前狀態(tài)”中有三種狀態(tài)“蒸煮中”、“停止”和“蒸煮結(jié)束”，當(dāng)“蒸煮結(jié)束”時(shí)，蒸煮箱上相應(yīng)的燈亮，同時(shí)鈴聲響起，該過(guò)程主要由控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的控制策略進(jìn)行控制。④在自動(dòng)蒸煮過(guò)程中點(diǎn)擊“停止”才可以返回主頁(yè)面，在返回主頁(yè)面后，自動(dòng)蒸煮過(guò)程停止。⑤點(diǎn)擊“曲線(xiàn)圖”,進(jìn)入相應(yīng)的界面。⑥該界面中點(diǎn)擊“設(shè)置”，進(jìn)入相關(guān)界面，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行修改。

點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕進(jìn)入自動(dòng)蒸煮模式，并觸發(fā)相應(yīng)的宏程序如下：

溫控系統(tǒng)自動(dòng)模式下的程序代碼如下：

本段程序?yàn)樽詣?dòng)控制時(shí)數(shù)字式電磁閥開(kāi)度控制程序，共設(shè)有10個(gè)數(shù)據(jù)段可供選擇，當(dāng)用戶(hù)輸入相應(yīng)的魚(yú)的重量之后，計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，屬于哪一數(shù)據(jù)范圍，進(jìn)而控制電磁閥的初始開(kāi)度。其中CFG[1]表示蒸煮開(kāi)始時(shí)閥門(mén)開(kāi)度，CFG[2]表示目標(biāo)平衡溫度，CFG[3]表示閥門(mén)開(kāi)始動(dòng)作，CFG[4]表示魚(yú)肉的中心溫度，CFG[5]表示繼續(xù)蒸煮時(shí)間，CFG[6]表示蒸煮結(jié)束后保持溫度的時(shí)間。

2.3.3 選擇手動(dòng)模式

需要知道蒸箱內(nèi)金槍魚(yú)的平均重量，根據(jù)平均重量來(lái)設(shè)定蒸煮時(shí)間、溫度和閥門(mén)開(kāi)度。如圖6。

手動(dòng)控制的操作步驟：①用戶(hù)點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，則系統(tǒng)開(kāi)始蒸煮，在開(kāi)度為0%時(shí)，即結(jié)束蒸煮過(guò)程。②在手動(dòng)蒸煮過(guò)程中點(diǎn)擊停止才可以返回主頁(yè)面，在返回主頁(yè)面后，手動(dòng)蒸煮過(guò)程停止。③在手動(dòng)界面中，通過(guò)調(diào)整蒸汽閥門(mén)的開(kāi)度（0%～100%之間），控制進(jìn)入蒸箱的蒸汽的量，點(diǎn)擊“曲線(xiàn)圖”，則進(jìn)入相關(guān)界面觀看實(shí)時(shí)的溫度曲線(xiàn)。

通過(guò)溫度曲線(xiàn)圖界面，能夠?qū)崟r(shí)繪制出蒸汽溫度、1-7號(hào)魚(yú)的魚(yú)肉中心溫度的升溫曲線(xiàn)。用于幫助系統(tǒng)控制和操作人員實(shí)時(shí)掌握總體的升溫狀態(tài)，對(duì)閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整。點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕進(jìn)入手動(dòng)蒸煮模式，觸發(fā)的宏程序如下：

圖6 手動(dòng)控制界面Fig.6 Manual control interface

該段程序?yàn)槭謩?dòng)控制時(shí)數(shù)字式電磁閥開(kāi)度控制程序，也設(shè)有10個(gè)數(shù)據(jù)段可供選擇，當(dāng)用戶(hù)輸入相應(yīng)的魚(yú)的重量之后，計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，屬于哪一數(shù)據(jù)范圍，需要手動(dòng)輸入蒸煮開(kāi)始時(shí)電磁閥閥門(mén)的開(kāi)度大小。其中CFG[1]表示蒸煮開(kāi)始時(shí)閥門(mén)開(kāi)度，CFG[2]表示目標(biāo)平衡溫度，CFG[3]表示閥門(mén)開(kāi)始動(dòng)作，CFG[4]表示魚(yú)肉的中心溫度，CFG[5[6]表示蒸煮結(jié)束后保持溫度的時(shí)間。

2.3.4 兩種模式的對(duì)比

相同點(diǎn)：這兩種模式都需要知道該次蒸煮的金槍魚(yú)的平均重量。

不同點(diǎn)：自動(dòng)控制模式的參數(shù)初始化需要參照金槍魚(yú)蒸煮技術(shù)參數(shù)表（表1），只要參數(shù)設(shè)定好之后就可以進(jìn)入智能蒸煮模式，蒸汽閥門(mén)開(kāi)度根據(jù)實(shí)時(shí)溫度改變大小，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的參數(shù)之后就會(huì)停止蒸煮，進(jìn)入保溫模式，蒸汽控制精細(xì)，操作起來(lái)比較方便，此種模式適合大規(guī)模的生產(chǎn)。手動(dòng)控制模式的蒸煮時(shí)間、溫度可以根據(jù)金槍魚(yú)蒸煮技術(shù)參數(shù)來(lái)設(shè)定，也可以自行設(shè)定。蒸汽閥門(mén)開(kāi)度設(shè)定好之后就不會(huì)發(fā)生變化，達(dá)到蒸煮要求后就會(huì)停止蒸煮，蒸汽閥門(mén)關(guān)閉，不會(huì)進(jìn)入保溫模式，蒸汽控制比較粗放，可能會(huì)出現(xiàn)欠蒸煮或過(guò)蒸煮的情況，此種模式適合小規(guī)模生產(chǎn)。

3 測(cè)試記錄

通過(guò)試驗(yàn)，整理數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論。根據(jù)金槍魚(yú)平均重量所在的范圍來(lái)確定其他參數(shù)的初始值。數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 金槍魚(yú)蒸煮技術(shù)參數(shù)Tab.1 Tuna cooking technical parameters

金槍魚(yú)的單個(gè)重量都是≥下限，＜上限?！澳繕?biāo)平衡溫度”是指蒸煮開(kāi)始后，箱內(nèi)上方的蒸汽溫度所要達(dá)到的目標(biāo)溫度（溫度計(jì)的探頭固定在箱內(nèi)上方）?！伴y門(mén)開(kāi)始動(dòng)作”是指箱內(nèi)溫度達(dá)到“目標(biāo)平衡溫度”后，閥門(mén)開(kāi)度打開(kāi)到初始開(kāi)度的百分比。“蒸煮結(jié)束條件”是指在1號(hào)到7號(hào)魚(yú)的魚(yú)肉中心溫度都到的指定的最低溫，且繼續(xù)蒸煮時(shí)間和保溫時(shí)間都到達(dá)要求后，結(jié)束蒸煮。在蒸煮未達(dá)到“蒸煮結(jié)束條件”時(shí)，蒸煮繼續(xù)。

4 安全措施

安全措施是金槍魚(yú)蒸煮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，我們?yōu)榇嗽O(shè)定了系統(tǒng)中相應(yīng)參數(shù)的安全范圍，當(dāng)參數(shù)超出安全范圍就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的警報(bào)提示，工作人員能夠觀察報(bào)警界面判斷問(wèn)題所在并及時(shí)采取相應(yīng)的措施來(lái)減小損失。

說(shuō)明：每個(gè)參數(shù)都有個(gè)安全范圍，如果超限則回在此界面顯示出具體的報(bào)警信息，并帶有急促的報(bào)警聲。電磁閥故障：蒸煮開(kāi)始后蒸汽溫度一直未變，或很長(zhǎng)時(shí)間未升高（5 min）；蒸煮箱密封不嚴(yán)：蒸煮開(kāi)始后蒸汽溫度一直未變，或很長(zhǎng)時(shí)間未升高；魚(yú)肉中心溫度超限：在自動(dòng)控制時(shí)，所有被測(cè)量的魚(yú)的中心溫度超過(guò)測(cè)定溫度5℃以上；蒸汽溫度超限：蒸汽溫度達(dá)到設(shè)定最高溫度的2℃以上。

5 總結(jié)

本文研究針對(duì)金槍魚(yú)加工技術(shù)十分落后，原材料和能源浪費(fèi)嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低，經(jīng)常發(fā)生過(guò)蒸煮和欠蒸煮問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了“金槍魚(yú)魚(yú)柳蒸煮加工的智能溫控系統(tǒng)”設(shè)計(jì)方案，使得加工技術(shù)得到了很大的提升。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，最后達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：溫度精度≤1℃、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間≤2 s、系統(tǒng)控制誤差率≤5%、故障率低于0.1%。按照加工200 kg的金槍魚(yú)計(jì)算，蒸煮之后獲得魚(yú)柳59.7 kg，得肉率是29.85%，蒸煮時(shí)間是85 min；根據(jù)傳統(tǒng)工藝的手工加熱記錄，加工200 kg的金槍魚(yú)蒸煮之后獲得魚(yú)柳50.7 kg，得肉率是25.35%，蒸煮時(shí)間是68 min。與傳統(tǒng)工藝相比，智能溫控系統(tǒng)提高了金槍魚(yú)蒸煮的得肉率，并且縮短的蒸煮的時(shí)間，具有產(chǎn)業(yè)化前景。溫度傳感若改成無(wú)線(xiàn)方式，將大大提高設(shè)備的操作便利，這是下一步的研究重點(diǎn)。

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Intelligent Temperature Control System for Tuna Fillet Processing

ZHONG Lin-qing,WEI Jin-yao,LIU Yu-liang
(School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

Production of tuna cans first by steam heating fish extract,the current heating control mostly manual operation,there will be too hot or under-heating,fish and energy waste serious,lower economic efficiency.According to the actual temperature and set the ideal temperature,automatically adjust the steam valve opening and alarm,to achieve a tuna steam heating temperature Intelligent control.Experiments show that the designed system can meet the requirements of tuna heating,shorten the cooking time,the meat rate increased significantly.

tuna;intelligent temperature control;PLC;electromagnetic valve

S986.1

A

2096-4730(2017)04-0348-07

2017-05-10

鐘林青（1991-），男，河南唐河人，碩士研究生，研究方向：水產(chǎn)機(jī)械化工程.E-mail：1062981919@qq.com

劉玉良，男，教授.E-mail：13957208678@163.com