劉 爽，周 勁

（武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430048）

水稻是世界上三大糧食作物之一， 全球現(xiàn)有超過100 個(gè)國家種植水稻[1]。大部分亞洲國家均以大米作為日常生活的主食， 同時(shí)大米也是飲食中碳水化合物、 鈣和鋅等常量和微量營養(yǎng)素的主要膳食來源之一[2]。 中國是水稻生產(chǎn)大國，“十二·五”以來，我國水稻年產(chǎn)量穩(wěn)定生產(chǎn)2 億t 以上， 目前正呈現(xiàn)良好上升趨勢。盡管當(dāng)前稻谷產(chǎn)需形勢良好，但稻谷加工生產(chǎn)行業(yè)仍面臨著許多問題[3]。據(jù)估算我國稻谷加工環(huán)節(jié)損失率高達(dá)20%， 每年稻谷損失近350 萬t[4]。大量的生產(chǎn)資源浪費(fèi)在加工生產(chǎn)過程中， 如何提高加工資源利用率， 降低生產(chǎn)損耗一直是稻谷加工領(lǐng)域內(nèi)優(yōu)化發(fā)展面臨的主要問題。

一顆完整的稻谷籽粒的結(jié)構(gòu)是外層兩個(gè)半殼交錯(cuò)包住內(nèi)層的穎果，兩個(gè)交錯(cuò)生長的半殼即為稻殼，內(nèi)部的穎果又稱糙米。稻谷加工的基本流程由清理、礱谷、谷糙分離、碾米及拋光五部分組成，礱谷是對(duì)清理后的稻谷籽粒進(jìn)行脫殼處理的加工工序， 同時(shí)也是稻谷加工中碎米產(chǎn)生的主要工序之一， 因此對(duì)礱谷工序進(jìn)行優(yōu)化來提高生產(chǎn)資源利用是非常有必要的[5]。

目前礱谷加工中已經(jīng)引入了部分?jǐn)?shù)字化技術(shù)，但加工的設(shè)置方面仍相對(duì)依賴于人工經(jīng)驗(yàn)， 智能化程度偏低。 加工的智能化是由對(duì)各類數(shù)據(jù)融合信息技術(shù)進(jìn)行不同分析處理實(shí)現(xiàn)的， 數(shù)據(jù)是發(fā)展智能化的基礎(chǔ)也是驅(qū)動(dòng)， 收集的數(shù)據(jù)種類及質(zhì)量對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理、算法優(yōu)化具有極大影響。需求數(shù)據(jù)的種類取決于優(yōu)化的方向， 數(shù)據(jù)的質(zhì)量取決于設(shè)備通訊的方式。 本文針對(duì)稻谷加工生產(chǎn)線的礱谷環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，從優(yōu)化方向?qū)庸?shù)據(jù)進(jìn)行分類，而后提出基于MODBUS RTU 協(xié)議的數(shù)據(jù)通訊方案，以期對(duì)稻谷加工生產(chǎn)優(yōu)化方向提供思路并為后續(xù)數(shù)據(jù)處理奠定良好基礎(chǔ)。

1 礱谷工序

礱谷環(huán)節(jié)的主要設(shè)備包括加工設(shè)備礱谷機(jī)，上下游傳料裝置及料倉三部分， 礱谷機(jī)的脫殼方法可大致分為擠壓搓撕法、端壓搓撕法、撞擊法，對(duì)應(yīng)三種典型設(shè)備為膠輥礱谷機(jī)、 砂盤礱谷機(jī)、 離心礱谷機(jī)。由于砂盤及離心礱谷機(jī)工作方式較為繁瑣、脫殼率低，整體工藝效果差，目前加工生產(chǎn)中絕大部分使用膠輥礱谷機(jī)。

膠輥礱谷機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括四部分， 分別為進(jìn)喂料裝置、脫殼裝置、傳動(dòng)裝置及谷糙分離裝置。 礱谷環(huán)節(jié)的基本工作流程為，上游傳動(dòng)裝置運(yùn)行，清理后的稻谷被運(yùn)往礱谷機(jī)上方料倉備料， 礱谷工作開始時(shí)，料倉閘門開啟，稻谷經(jīng)礱谷機(jī)的進(jìn)喂料裝置流入脫殼裝置室內(nèi)的兩膠輥間， 兩膠輥相向轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稻谷產(chǎn)生搓撕效應(yīng)而后脫去稻殼， 脫殼后的糙米及稻殼進(jìn)入谷糙分離裝置分離后由兩出口各自流出，再由各自下游傳動(dòng)裝置分別送入糙米倉及稻殼室等待下一環(huán)節(jié)處理。

1.1 進(jìn)喂料裝置

進(jìn)喂料裝置主要包括進(jìn)料料倉及流量控制機(jī)構(gòu)。 料倉的主要作用是在加工前段儲(chǔ)存一定數(shù)量的稻谷， 開合由閘門控制。 傳統(tǒng)的加工依賴于人工開合， 通過齒輪齒條傳動(dòng)來控制出料口大小從而改變進(jìn)機(jī)流量[6]。 在經(jīng)歷幾次技術(shù)革新后，目前生產(chǎn)中的料斗閘門大部分已改進(jìn)為氣動(dòng)閘門， 并在料倉中加裝了料位傳感器， 根據(jù)傳感器的信號(hào)通過汽缸伸縮動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開合與流量調(diào)節(jié)。 現(xiàn)有少部分技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)料裝置與加工膠輥的聯(lián)動(dòng)控制， 實(shí)現(xiàn)有料時(shí)自動(dòng)合輥工作，無料時(shí)開輥停機(jī)，該種方式的進(jìn)料系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，加工流程的控制更加精準(zhǔn)。

喂料的流量控制機(jī)構(gòu)是關(guān)系到礱谷產(chǎn)量的重要因素，流量過大搓撕效果不均勻?qū)е旅摎ぢ实?，流量過小會(huì)導(dǎo)致加工效率低下同時(shí)可能增加稻谷爆腰率，傳統(tǒng)生產(chǎn)中采用長短淌板傾斜喂料，調(diào)節(jié)長短淌板的長度及傾斜角度實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。 目前提出的喂料改進(jìn)中， 比較完善的機(jī)械方案是將原有的喂料淌板與振動(dòng)喂料器相結(jié)合， 利用變頻器來控制喂料器的頻率，從而改變喂料器振幅，改進(jìn)后的流量大且平穩(wěn)連續(xù)[7-9]。

1.2 脫殼裝置

脫殼裝置是礱谷的核心裝置， 主要的加工部件是一對(duì)線速度不同的快慢膠輥。 機(jī)械上的改進(jìn)諸如輥筒材質(zhì)、安裝方式等等，盡管對(duì)加工有所改進(jìn)但不具有智能調(diào)節(jié)空間，故不在此贅述。 在脫殼過程中，稻谷受到膠輥間的擠壓力， 同時(shí)線速度不同的兩膠輥在相向運(yùn)動(dòng)下對(duì)稻谷產(chǎn)生摩擦力， 綜合作用下完成脫殼。在這種工況下，膠輥會(huì)因擠壓與摩擦產(chǎn)生大量熱量，熱量造成膠輥損耗，因此如何降低熱量所產(chǎn)生的損耗以及如何根據(jù)膠輥的損耗調(diào)節(jié)輥間壓力是優(yōu)化的主要問題[9]。

對(duì)于膠輥熱損耗問題， 目前主要采用內(nèi)置風(fēng)機(jī)送風(fēng)的方式進(jìn)行冷卻， 對(duì)于冷卻的改進(jìn)主要集中在改變風(fēng)機(jī)的安裝位置及送風(fēng)方式， 使膠輥的降溫更加具有針對(duì)性， 冷卻效率更高； 對(duì)于輥間壓力的調(diào)節(jié)，主要分為機(jī)械調(diào)節(jié)與氣壓調(diào)節(jié)兩種，機(jī)械調(diào)節(jié)主要通過對(duì)內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)做出改進(jìn)， 通過人工觀測流量及膠輥損耗情況改變壓砣的重量使軋距與壓力保持不變； 氣壓調(diào)節(jié)是通過礱谷機(jī)機(jī)身所配汽缸的伸縮動(dòng)作結(jié)合進(jìn)料控制完成輥間壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

礱谷加工的脫殼率及破碎率等質(zhì)量指標(biāo)的影響因素眾多，如稻谷的品種、含水率、膠輥線速度、線速差等，稻谷品種的不同代表其大小、厚度均有不同，因此需要按品種分配不同的加工參數(shù)； 線速度及線速差等重要工作參數(shù)同樣需要根據(jù)膠輥的損耗及生產(chǎn)實(shí)際工況進(jìn)行不同的調(diào)節(jié)[10]。 現(xiàn)有研究已經(jīng)提出針對(duì)不同種工況進(jìn)行智能調(diào)節(jié)的方案， 但總體研究并不能兼顧到所有加工參數(shù)， 因此需要在現(xiàn)有的智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)上做出改進(jìn)， 對(duì)參數(shù)與指標(biāo)間的相互作用做進(jìn)一步研究。

1.3 傳動(dòng)裝置

傳動(dòng)裝置主要是驅(qū)動(dòng)兩根脫殼膠輥進(jìn)行差速運(yùn)動(dòng)的裝置。 目前生產(chǎn)中常采用的傳動(dòng)裝置主要可以分為兩類，傳統(tǒng)的單皮帶關(guān)聯(lián)傳動(dòng)，此種方式傳動(dòng)能力強(qiáng)， 但由于膠輥損耗等問題加工過程中需要停機(jī)進(jìn)行人工線速調(diào)節(jié)； 其二為雙皮帶傳動(dòng)與齒輪變速箱結(jié)合， 此種方式可以根據(jù)膠輥的加工損耗對(duì)快慢輥進(jìn)行交換及變速調(diào)節(jié)，無需頻繁地更換膠輥，但其變速方式為分級(jí)調(diào)速，對(duì)于速度的調(diào)節(jié)精度偏低[11]。目前國內(nèi)少部分生產(chǎn)車間已采用雙變頻器驅(qū)動(dòng)方式，在這種模式下，傳統(tǒng)的快輥被固定在機(jī)身，因而又稱為定輥，慢輥安裝在移動(dòng)部件之上，故又稱為動(dòng)輥， 但因由雙變頻驅(qū)動(dòng)， 定輥與動(dòng)輥均可以做快慢輥，實(shí)現(xiàn)了無極調(diào)速，消除了快慢輥轉(zhuǎn)速與線速的耦合，大大提高膠輥線速與加工的適配度[12]。

1.4 谷糙分離裝置

脫殼完成后的糙米及稻殼經(jīng)由谷糙分離裝置分離開來， 國內(nèi)的礱谷機(jī)上的谷糙分離裝置主要采用的方式為分離淌板與渦輪風(fēng)機(jī)結(jié)合的方式。 通過改變分離淌板的孔洞形狀及渦輪風(fēng)機(jī)的風(fēng)力及風(fēng)道實(shí)現(xiàn)機(jī)械分離與物理分離。 礱谷環(huán)節(jié)的谷糙分離一般只作為初步分離，目前的實(shí)際生產(chǎn)中，多在礱谷環(huán)節(jié)后配備谷糙分離機(jī)執(zhí)行礱谷后的谷糙分離任務(wù)。

2 通信方案

工業(yè)生產(chǎn)中的通信系統(tǒng)質(zhì)量直接影響后期優(yōu)化的水平， 目前工業(yè)通信面臨的最大問題是通信不一致，由于生產(chǎn)現(xiàn)場的各種設(shè)備種類眾多，各個(gè)廠家提供的通信接口及支持的通信協(xié)議各不相同， 導(dǎo)致生產(chǎn)中通信方式復(fù)雜， 盡管通信方式上已有更高水平的研究，但在實(shí)際應(yīng)用中還尚未得到大面積的普及。

目前國內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備普遍支持MODBUS 協(xié)議，MODBUS 協(xié)議提供兩種通信模式，MODBUS RTU 與 MODBUS ASCII 模式， 其中，MODBUS RTU較ACSII 模式在同等波特率下傳輸能力更高因而更多應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場層的設(shè)備間，因此基于MODBUS RTU 協(xié)議進(jìn)行礱谷工序的通信設(shè)計(jì)。

2.1 MODBUS RTU

MODBUS RTU 通訊的物理接口支持RS485 串行接口，協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)、命令以及應(yīng)答的方式。如圖1 所示，其串行鏈路上的應(yīng)用通訊單元由硬件地址、功能碼、數(shù)據(jù)及差錯(cuò)校驗(yàn)（CRC 校驗(yàn)）組成，通訊方式遵循MODBUS 協(xié)議主-從通訊方式，網(wǎng)絡(luò)上只能存在一個(gè)主站， 其它從站串行通訊， 主站發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求， 從站接收正確請(qǐng)求消息后發(fā)送數(shù)據(jù)到主站以做出響應(yīng)， 值得注意的是， 從站只能響應(yīng)，不存在主動(dòng)權(quán)，通過這種請(qǐng)求-響應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)雙向讀寫[13-15]。 通訊數(shù)據(jù)地址讀寫標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

圖1 MODBUS RTU 通信模式

表1 MODBUS RTU(RS485)協(xié)議數(shù)據(jù)地址讀寫標(biāo)準(zhǔn)

2.2 數(shù)據(jù)定義

根據(jù)工藝分析， 從工藝改進(jìn)與能耗角度對(duì)加工數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，如表2~表5 所示。

表2 礱谷質(zhì)量指標(biāo)（0×01~0×0f）

表3 進(jìn)喂料工藝加工參數(shù)（0×10~0×0f）

表4 脫殼工藝加工參數(shù)（0×20~0×2f）

表5 傳動(dòng)裝置工藝加工參數(shù)（0×30~0×3f）

2.3 通信實(shí)現(xiàn)

工業(yè)現(xiàn)場的控制器與各數(shù)據(jù)采集設(shè)備間通過RS485 接口進(jìn)行物理接線，根據(jù)設(shè)備的不同，網(wǎng)絡(luò)連接上需要同步控制器RS485 串口半雙工異步通訊模式、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位及奇偶校驗(yàn)等設(shè)置，計(jì)算機(jī)需按照規(guī)定命令格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， 以礱谷工藝質(zhì)量指標(biāo)為例，發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文如表6 所示，返回?cái)?shù)據(jù)格式如表7 所示，讀寫操作只有功能碼不同，其余均一致，值得注意的是，起始地址與讀寫數(shù)量的字節(jié)順序?yàn)檎?，高字?jié)在前，而CRC 校驗(yàn)位的字節(jié)是倒序，低位在前。 另外，由于MODBUS RTU 為一主多從串行機(jī)制，在與多個(gè)設(shè)備進(jìn)行通訊時(shí)，需要對(duì)各設(shè)備進(jìn)行分時(shí)處理，否則將出現(xiàn)通訊堵塞。

表6 讀取礱谷質(zhì)量指標(biāo)（地址0×01）數(shù)據(jù)

表7 返回礱谷質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)

本條發(fā)送報(bào)文的含義為讀取設(shè)備地址0×01，即1 號(hào)從站保持寄存器，起始地址為0×00，對(duì)應(yīng)地址為40001，寄存器的數(shù)量為0×03，即讀取1 號(hào)從站2個(gè)保持寄存器， 地址為40001~40002， 分別為脫殼率、糙碎率。

本條返回報(bào)文的含義為讀取的1 號(hào)從站地址2個(gè)保持寄存器的 4 個(gè)字節(jié)分別為 0×23、0×4B、0×03、0×52，其中 40001 對(duì)應(yīng) 0×234B、40002 對(duì)應(yīng) 0×0352，即脫殼率為90.35%，糙碎率為8.50%。

3 結(jié)語

本文結(jié)合礱谷加工現(xiàn)狀進(jìn)行工藝分析， 根據(jù)礱谷工序內(nèi)進(jìn)喂料裝置、脫殼裝置、傳動(dòng)裝置及谷糙分離裝置各工藝優(yōu)化角度分類加工數(shù)據(jù)， 應(yīng)用MODBUS RTU 協(xié)議進(jìn)行通信設(shè)計(jì)，為后續(xù)數(shù)據(jù)優(yōu)化處理奠定了基礎(chǔ)。