基于工藝分析的礱谷加工通訊設計

劉 爽，周 勁

（武漢輕工大學電氣與電子工程學院，武漢 430048）

水稻是世界上三大糧食作物之一， 全球現有超過100 個國家種植水稻[1]。大部分亞洲國家均以大米作為日常生活的主食， 同時大米也是飲食中碳水化合物、 鈣和鋅等常量和微量營養素的主要膳食來源之一[2]。 中國是水稻生產大國，“十二·五”以來，我國水稻年產量穩定生產2 億t 以上， 目前正呈現良好上升趨勢。盡管當前稻谷產需形勢良好，但稻谷加工生產行業仍面臨著許多問題[3]。據估算我國稻谷加工環節損失率高達20%， 每年稻谷損失近350 萬t[4]。大量的生產資源浪費在加工生產過程中， 如何提高加工資源利用率， 降低生產損耗一直是稻谷加工領域內優化發展面臨的主要問題。

一顆完整的稻谷籽粒的結構是外層兩個半殼交錯包住內層的穎果，兩個交錯生長的半殼即為稻殼，內部的穎果又稱糙米。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，礱谷是對清理后的稻谷籽粒進行脫殼處理的加工工序， 同時也是稻谷加工中碎米產生的主要工序之一， 因此對礱谷工序進行優化來提高生產資源利用是非常有必要的[5]。

目前礱谷加工中已經引入了部分數字化技術，但加工的設置方面仍相對依賴于人工經驗， 智能化程度偏低。 加工的智能化是由對各類數據融合信息技術進行不同分析處理實現的， 數據是發展智能化的基礎也是驅動， 收集的數據種類及質量對后續的數據處理、算法優化具有極大影響。需求數據的種類取決于優化的方向， 數據的質量取決于設備通訊的方式。 本文針對稻谷加工生產線的礱谷環節進行分析，從優化方向對加工數據進行分類，而后提出基于MODBUS RTU 協議的數據通訊方案，以期對稻谷加工生產優化方向提供思路并為后續數據處理奠定良好基礎。

1 礱谷工序

礱谷環節的主要設備包括加工設備礱谷機，上下游傳料裝置及料倉三部分， 礱谷機的脫殼方法可大致分為擠壓搓撕法、端壓搓撕法、撞擊法，對應三種典型設備為膠輥礱谷機、 砂盤礱谷機、 離心礱谷機。由于砂盤及離心礱谷機工作方式較為繁瑣、脫殼率低，整體工藝效果差，目前加工生產中絕大部分使用膠輥礱谷機。

膠輥礱谷機的結構主要包括四部分， 分別為進喂料裝置、脫殼裝置、傳動裝置及谷糙分離裝置。 礱谷環節的基本工作流程為，上游傳動裝置運行，清理后的稻谷被運往礱谷機上方料倉備料， 礱谷工作開始時，料倉閘門開啟，稻谷經礱谷機的進喂料裝置流入脫殼裝置室內的兩膠輥間， 兩膠輥相向轉動對稻谷產生搓撕效應而后脫去稻殼， 脫殼后的糙米及稻殼進入谷糙分離裝置分離后由兩出口各自流出，再由各自下游傳動裝置分別送入糙米倉及稻殼室等待下一環節處理。

1.1 進喂料裝置

進喂料裝置主要包括進料料倉及流量控制機構。 料倉的主要作用是在加工前段儲存一定數量的稻谷， 開合由閘門控制。 傳統的加工依賴于人工開合， 通過齒輪齒條傳動來控制出料口大小從而改變進機流量[6]。 在經歷幾次技術革新后，目前生產中的料斗閘門大部分已改進為氣動閘門， 并在料倉中加裝了料位傳感器， 根據傳感器的信號通過汽缸伸縮動作實現自動開合與流量調節。 現有少部分技術已經實現進料裝置與加工膠輥的聯動控制， 實現有料時自動合輥工作，無料時開輥停機，該種方式的進料系統自動化程度更高，加工流程的控制更加精準。

喂料的流量控制機構是關系到礱谷產量的重要因素，流量過大搓撕效果不均勻導致脫殼率低，流量過小會導致加工效率低下同時可能增加稻谷爆腰率，傳統生產中采用長短淌板傾斜喂料，調節長短淌板的長度及傾斜角度實現流量的調節。 目前提出的喂料改進中， 比較完善的機械方案是將原有的喂料淌板與振動喂料器相結合， 利用變頻器來控制喂料器的頻率，從而改變喂料器振幅，改進后的流量大且平穩連續[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線速度不同的快慢膠輥。 機械上的改進諸如輥筒材質、安裝方式等等，盡管對加工有所改進但不具有智能調節空間，故不在此贅述。 在脫殼過程中，稻谷受到膠輥間的擠壓力， 同時線速度不同的兩膠輥在相向運動下對稻谷產生摩擦力， 綜合作用下完成脫殼。在這種工況下，膠輥會因擠壓與摩擦產生大量熱量，熱量造成膠輥損耗，因此如何降低熱量所產生的損耗以及如何根據膠輥的損耗調節輥間壓力是優化的主要問題[9]。

對于膠輥熱損耗問題， 目前主要采用內置風機送風的方式進行冷卻， 對于冷卻的改進主要集中在改變風機的安裝位置及送風方式， 使膠輥的降溫更加具有針對性， 冷卻效率更高； 對于輥間壓力的調節，主要分為機械調節與氣壓調節兩種，機械調節主要通過對內部的機械結構做出改進， 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； 氣壓調節是通過礱谷機機身所配汽缸的伸縮動作結合進料控制完成輥間壓力的自動調節。

礱谷加工的脫殼率及破碎率等質量指標的影響因素眾多，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； 線速度及線速差等重要工作參數同樣需要根據膠輥的損耗及生產實際工況進行不同的調節[10]。 現有研究已經提出針對不同種工況進行智能調節的方案， 但總體研究并不能兼顧到所有加工參數， 因此需要在現有的智能調節系統上做出改進， 對參數與指標間的相互作用做進一步研究。

1.3 傳動裝置

傳動裝置主要是驅動兩根脫殼膠輥進行差速運動的裝置。 目前生產中常采用的傳動裝置主要可以分為兩類，傳統的單皮帶關聯傳動，此種方式傳動能力強， 但由于膠輥損耗等問題加工過程中需要停機進行人工線速調節； 其二為雙皮帶傳動與齒輪變速箱結合， 此種方式可以根據膠輥的加工損耗對快慢輥進行交換及變速調節，無需頻繁地更換膠輥，但其變速方式為分級調速，對于速度的調節精度偏低[11]。目前國內少部分生產車間已采用雙變頻器驅動方式，在這種模式下，傳統的快輥被固定在機身，因而又稱為定輥，慢輥安裝在移動部件之上，故又稱為動輥， 但因由雙變頻驅動， 定輥與動輥均可以做快慢輥，實現了無極調速，消除了快慢輥轉速與線速的耦合，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由谷糙分離裝置分離開來， 國內的礱谷機上的谷糙分離裝置主要采用的方式為分離淌板與渦輪風機結合的方式。 通過改變分離淌板的孔洞形狀及渦輪風機的風力及風道實現機械分離與物理分離。 礱谷環節的谷糙分離一般只作為初步分離，目前的實際生產中，多在礱谷環節后配備谷糙分離機執行礱谷后的谷糙分離任務。

2 通信方案

工業生產中的通信系統質量直接影響后期優化的水平， 目前工業通信面臨的最大問題是通信不一致，由于生產現場的各種設備種類眾多，各個廠家提供的通信接口及支持的通信協議各不相同， 導致生產中通信方式復雜， 盡管通信方式上已有更高水平的研究，但在實際應用中還尚未得到大面積的普及。

目前國內生產現場設備普遍支持MODBUS 協議，MODBUS 協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用于工業現場層的設備間，因此基于MODBUS RTU 協議進行礱谷工序的通信設計。

2.1 MODBUS RTU

MODBUS RTU 通訊的物理接口支持RS485 串行接口，協議規定了數據傳輸的結構、命令以及應答的方式。如圖1 所示，其串行鏈路上的應用通訊單元由硬件地址、功能碼、數據及差錯校驗（CRC 校驗）組成，通訊方式遵循MODBUS 協議主-從通訊方式，網絡上只能存在一個主站， 其它從站串行通訊， 主站發出數據請求， 從站接收正確請求消息后發送數據到主站以做出響應， 值得注意的是， 從站只能響應，不存在主動權，通過這種請求-響應機制實現雙向讀寫[13-15]。 通訊數據地址讀寫標準如表1 所示。

圖1 MODBUS RTU 通信模式

表1 MODBUS RTU(RS485)協議數據地址讀寫標準

2.2 數據定義

根據工藝分析， 從工藝改進與能耗角度對加工數據進行定義，如表2~表5 所示。

表2 礱谷質量指標（0×01~0×0f）

表3 進喂料工藝加工參數（0×10~0×0f）

表4 脫殼工藝加工參數（0×20~0×2f）

表5 傳動裝置工藝加工參數（0×30~0×3f）

2.3 通信實現

工業現場的控制器與各數據采集設備間通過RS485 接口進行物理接線，根據設備的不同，網絡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、數據位、停止位及奇偶校驗等設置，計算機需按照規定命令格式進行數據傳輸， 以礱谷工藝質量指標為例，發送數據報文如表6 所示，返回數據格式如表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，起始地址與讀寫數量的字節順序為正序，高字節在前，而CRC 校驗位的字節是倒序，低位在前。 另外，由于MODBUS RTU 為一主多從串行機制，在與多個設備進行通訊時，需要對各設備進行分時處理，否則將出現通訊堵塞。

表6 讀取礱谷質量指標（地址0×01）數據

表7 返回礱谷質量指標數據

本條發送報文的含義為讀取設備地址0×01，即1 號從站保持寄存器，起始地址為0×00，對應地址為40001，寄存器的數量為0×03，即讀取1 號從站2個保持寄存器， 地址為40001~40002， 分別為脫殼率、糙碎率。

本條返回報文的含義為讀取的1 號從站地址2個保持寄存器的 4 個字節分別為 0×23、0×4B、0×03、0×52，其中 40001 對應 0×234B、40002 對應 0×0352，即脫殼率為90.35%，糙碎率為8.50%。

3 結語

本文結合礱谷加工現狀進行工藝分析， 根據礱谷工序內進喂料裝置、脫殼裝置、傳動裝置及谷糙分離裝置各工藝優化角度分類加工數據， 應用MODBUS RTU 協議進行通信設計，為后續數據優化處理奠定了基礎。