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）

金槍魚魚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）

制作金槍魚罐頭的首先通過蒸汽加熱提取魚柳，目前加熱控制大多采用人工操作，會(huì)出現(xiàn)加熱過頭或欠加熱現(xiàn)象，魚肉及能源浪費(fèi)嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)效益降低。針對此背景，開發(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)整蒸汽閥門的開度及報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了金槍魚蒸汽加熱溫度的智能控制。通過實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足金槍魚加熱的要求，縮短了蒸煮的時(shí)間，得肉率提高明顯。

金槍魚；智能溫控；PLC；電磁閥

金槍魚肉富含優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)和其他的營養(yǎng)素，脂肪含量低，可以平衡身體所需的營養(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。金槍魚制作的魚肉罐頭暢銷海內(nèi)外，尤其受到外國人的歡迎，出口量逐年上升，市場的需求量也越來越大[1]。

我國目前金槍魚加工規(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，魚肉的營養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值大打折扣[2]。本文針對以上問題，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通過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傳入PLC，PLC通過與設(shè)定參數(shù)的比較，向電磁閥發(fā)送相應(yīng)的控制信號，并且通過串口把溫度信息以數(shù)字量的形式傳給觸摸屏顯示出來。也可以通過改變觸摸屏上的參數(shù)可以向PLC發(fā)送功能信號，實(shí)現(xiàn)對電磁閥的控制。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]。通過實(shí)驗(yàn)修正控制系統(tǒng)的參數(shù)，實(shí)驗(yàn)表明上述問題得到了解決，并且達(dá)到了預(yù)期的效果。

1 金槍魚蒸煮流程

金槍魚蒸汽加熱的目的是獲得盡可能多的合格魚柳，蒸汽加熱流程包括魚體解凍、溫度設(shè)置、蒸汽加熱、噴淋降溫、剝?nèi)◆~柳等階段，如圖1。魚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，最后取出金槍魚剝?nèi)◆~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)說明

通過查閱溫控系統(tǒng)的相關(guān)資料，提出金槍魚加工智能溫控系統(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加工溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對這兩種方案進(jìn)行論證，分別闡述了每個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

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

金槍魚蒸煮溫控系統(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，對環(huán)境的依賴性強(qiáng)，開發(fā)周期長，開發(fā)難度大等問題。

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、編程簡單、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)開發(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)，考慮到金槍魚加工車間的環(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。

金槍魚蒸煮溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明：（1）觸摸屏與PLC連接，從PLC處得到溫度信號，并將電磁閥的開度信號反饋給PLC，由PLC發(fā)送開度信號給電磁閥，完成控制[5]；（2）在觸摸屏與PLC未連結(jié)時(shí)，PLC能夠單獨(dú)完成溫度信號的采集[6-7]，并根據(jù)指令和算法完成電磁閥開度信號的計(jì)算，完成對電磁閥的控制[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號魚魚肉中心溫度、T2為2號魚魚肉中心溫度、T3為3號魚魚肉中心溫度、T4為4號魚魚肉中心溫度、T5為5號魚魚肉中心溫度、T6為6號魚魚肉中心溫度、T7為7號魚魚肉中心溫度。

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：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：EM2314路PT100輸入 溫度0～1 000 °C 231-7PC22；

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

④觸摸屏 型號：步科eView ET100高清分辨率串口屏；

⑤溫度傳感器 型號：WZP-PT100探頭式溫度高溫防水；

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

⑦觸摸屏PLC編程電纜 型號：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SETP7-Micro/WIN軟件編寫好的梯形圖通過模擬之后燒寫到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、通過在該軟件中新建工程并添加ET100的觸摸屏和型號為CPU224XP的PLC，用串口把它們連接起來[9]。二、給觸摸屏編輯多個(gè)組態(tài)畫面，并且用C語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、通過編譯、離線模擬達(dá)到要求之后通過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RS-485編程電纜連接，PLC和溫度控制器通過RS-232連接。

2.3.1 選擇模式

用戶可以自己選擇自動(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)具體金槍魚魚平均重量，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條魚的魚肉中心溫度等信息的實(shí)時(shí)狀態(tài)。②用戶點(diǎn)擊“開始”按鈕，則系統(tǒng)開始蒸煮，點(diǎn)擊“停止”按鈕，則結(jié)束自動(dòng)蒸煮過程。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)蒸煮過程中點(diǎn)擊“停止”才可以返回主頁面，在返回主頁面后，自動(dòng)蒸煮過程停止。⑤點(diǎn)擊“曲線圖”,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，對控制參數(shù)進(jìn)行修改。

點(diǎn)擊“開始”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)用戶輸入相應(yīng)的魚的重量之后，計(jì)算機(jī)會(huì)對該數(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度。其中CFG[1]表示蒸煮開始時(shí)閥門開度，CFG[2]表示目標(biāo)平衡溫度，CFG[3]表示閥門開始動(dòng)作，CFG[4]表示魚肉的中心溫度，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)金槍魚的平均重量，根據(jù)平均重量來設(shè)定蒸煮時(shí)間、溫度和閥門開度。如圖6。

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

通過溫度曲線圖界面，能夠?qū)崟r(shí)繪制出蒸汽溫度、1-7號魚的魚肉中心溫度的升溫曲線。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)，對閥門開度進(jìn)行調(diào)整。點(diǎn)擊“開始”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)用戶輸入相應(yīng)的魚的重量之后，計(jì)算機(jī)會(huì)對該數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，屬于哪一數(shù)據(jù)范圍，需要手動(dòng)輸入蒸煮開始時(shí)電磁閥閥門的開度大小。其中CFG[1]表示蒸煮開始時(shí)閥門開度，CFG[2]表示目標(biāo)平衡溫度，CFG[3]表示閥門開始動(dòng)作，CFG[4]表示魚肉的中心溫度，CFG[5[6]表示蒸煮結(jié)束后保持溫度的時(shí)間。

2.3.4 兩種模式的對比

相同點(diǎn)：這兩種模式都需要知道該次蒸煮的金槍魚的平均重量。

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，蒸汽閥門開度根據(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)金槍魚蒸煮技術(shù)參數(shù)來設(shè)定，也可以自行設(shè)定。蒸汽閥門開度設(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)欠蒸煮或過蒸煮的情況，此種模式適合小規(guī)模生產(chǎn)。

3 測試記錄

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

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

金槍魚的單個(gè)重量都是≥下限，＜上限?！澳繕?biāo)平衡溫度”是指蒸煮開始后，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）。“閥門開始動(dòng)作”是指箱內(nèi)溫度達(dá)到“目標(biāo)平衡溫度”后，閥門開度打開到初始開度的百分比?！罢糁蠼Y(jié)束條件”是指在1號到7號魚的魚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)警界面判斷問題所在并及時(shí)采取相應(yīng)的措施來減小損失。

說明：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：蒸煮開始后蒸汽溫度一直未變，或很長時(shí)間未升高（5 min）；蒸煮箱密封不嚴(yán)：蒸煮開始后蒸汽溫度一直未變，或很長時(shí)間未升高；魚肉中心溫度超限：在自動(dòng)控制時(shí)，所有被測量的魚的中心溫度超過測定溫度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)

本文研究針對金槍魚加工技術(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)生過蒸煮和欠蒸煮問題進(jìn)行研究，提出了“金槍魚魚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的金槍魚計(jì)算，蒸煮之后獲得魚柳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的金槍魚蒸煮之后獲得魚柳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。溫度傳感若改成無線方式，將大大提高設(shè)備的操作便利，這是下一步的研究重點(diǎn)。

[1]孫 穎.中國金槍魚貿(mào)易現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢研究[D].北京：對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué),2007.

[2]孫 麗,夏文水.蒸煮對金槍魚肉及其蛋白質(zhì)熱變性的影響[J].食品與機(jī)械,2010,26(1)：22-25.

[3]Hu Zhang,Wen Fu Wu,Zhe Liu,et al.Application System Based on the Combination of Touch Screen and PLC[J].Advanced Materials Research,2012,1 601(430)：462-480.

[4]Yan Fei Gao,Guo Ping Li,Chun Dong Jiang,et al.Design of the Wire Rope Cleaning and Detection Line Control System Based on Touch Screen and PLC[J].Applied Mechanics and Materials,2014,2 825(455)：523-528.

[5]謝寶智.PLC驅(qū)動(dòng)電磁閥方案的確定[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2012,41(11)：50-52.

[6]蘇姍姍,蘇小光.基于PLC的信號采集系統(tǒng)[J].國外電子測量技術(shù),2012,(9)：51-53.

[7]朱清慧,王志奎,ZHUQinghui,等.PLC對溫度數(shù)據(jù)的采集與控制[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31(17)：177-179.

[8]李建海,張大為,張 凱,劉 迪.數(shù)字PID控制器在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測量技術(shù),2009(4)：100-103.

[9]趙鵬飛,張保成.S7-200PLC人機(jī)界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2009(2)：135-136+141.

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