胡 飛， 陳彩蓉， 葛 飛， 曹文韜， 於海明

（1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)人工智能學(xué)院，江蘇 南京 210031； 2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031；3. 泗陽(yáng)縣一品牧業(yè)有限公司，江蘇 宿遷 223700）

0 引言

奶業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要組成部分，奶業(yè)的發(fā)展水平也是反映一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。隨著人們生活水平的提高和食品質(zhì)量安全意識(shí)的加強(qiáng)，飲用新鮮、干凈、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的牛奶成為廣大消費(fèi)者的一致要求[1]。作為牛奶加工的原料，生鮮乳因富含利于微生物生長(zhǎng)繁殖的豐富營(yíng)養(yǎng)，也是許多疾病傳播的重要載體。擠奶機(jī)出奶口溫度夏季平均達(dá)35 °C，冬季平均達(dá)28 °C，研究表明，4 h 內(nèi)30 °C 生鮮乳的細(xì)菌將快速繁殖，4 °C 時(shí)生鮮乳的細(xì)菌數(shù)量基本保持不變[2-3]。如果未被及時(shí)冷卻，擠出的生鮮乳將導(dǎo)致細(xì)菌大量繁殖，影響其質(zhì)量。如何將新擠出的生鮮乳快速冷卻到4 °C并持續(xù)保持這一溫度，將直接影響生鮮乳及其制品的質(zhì)量[4]。因此，生鮮乳高效快速冷卻是保證牛奶質(zhì)量的首道屏障，對(duì)牛奶的品質(zhì)有至關(guān)重要的影響。

本文以生鮮乳快速冷卻過(guò)程參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)生鮮乳快速冷卻系統(tǒng)，并采用MCGS 軟件開(kāi)發(fā)溫度、流量等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生鮮乳冷卻過(guò)程相關(guān)狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能，為生鮮乳的高質(zhì)量生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

生鮮乳快速冷卻裝置由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、冷水箱、板式換熱器、奶罐等組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。蒸發(fā)器中低溫低壓的R22 制冷劑被吸入壓縮機(jī)，高溫高壓R22 蒸汽進(jìn)入冷凝器變成低溫高壓的冷凝液體，再通過(guò)節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中低溫R22 制冷劑與常溫水換熱，制得冰水進(jìn)入冷水箱。冷水泵將冰水送至板式換熱器，在板式換熱器中，生鮮乳與冰水進(jìn)行熱量交換，從而制得低溫牛奶送入奶罐貯存[5]。換熱后的溫水再通過(guò)水泵送回蒸發(fā)器，溫水通過(guò)與制冷劑換熱再形成冰水，如此循環(huán)往復(fù)。系統(tǒng)采用冰水對(duì)生鮮乳進(jìn)行冷卻，減小了生鮮乳與制冷劑直接接觸的風(fēng)險(xiǎn)，避免其受到污染。

圖1 生鮮乳快速冷卻裝置結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of raw milk rapid cooling device

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻過(guò)程的生鮮乳進(jìn)出口、冷卻水進(jìn)出口的溫度，以及生鮮乳的瞬時(shí)流量、累積流量等參數(shù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要由溫度傳感器、流量傳感器、熱電阻采集模塊、MCGS 嵌入式一體化觸摸屏等組成。MCGS 觸摸屏通過(guò)RS485 通訊接口，采用Modbus RTU 協(xié)議與流量傳感器、熱電阻模塊通訊。熱電阻傳感器將測(cè)得的多點(diǎn)溫度信號(hào)通過(guò)熱電阻采集模塊轉(zhuǎn)為RS485 信號(hào)，同時(shí)流量傳感器經(jīng)變送輸出RS485 信號(hào)傳輸給MCGS 觸摸屏。軟件部分采用MCGS 組態(tài)軟件進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)冷卻過(guò)程溫度、流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 流量傳感器

奶量的準(zhǔn)確計(jì)量是現(xiàn)代化奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)的人工計(jì)量方法由于自身局限性，不利于牧場(chǎng)的生產(chǎn)管理和成本評(píng)估，不能安全、準(zhǔn)確計(jì)量奶量。系統(tǒng)采用GTLWGY40 型智能渦輪流量傳感器監(jiān)測(cè)生鮮乳的瞬時(shí)流量和累積流量，渦輪流量傳感器屬于速度式流量?jī)x表，測(cè)量精度高，測(cè)量反應(yīng)快。當(dāng)被測(cè)液體流過(guò)傳感器時(shí)，在流體作用下，葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道中生鮮乳平均流速成正比。轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪周期性地改變磁回路的磁阻值，檢測(cè)線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，使線圈兩端產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大形成連續(xù)的矩形脈沖后，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到被測(cè)流體的瞬時(shí)流量和累積流量，該脈沖信號(hào)的頻率與瞬時(shí)流量的關(guān)系如式（1）所示[6]。

GTLWGY40 型渦輪流量傳感器量程為2～20 m3/h，精度±0.5%，工作壓力≤1.0 MPa，采用DC24 V 供電，支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU 協(xié)議，可通過(guò)RS485 總線進(jìn)行通訊。

2.2 溫度傳感器

生鮮乳、冷卻水溫度監(jiān)測(cè)是快速冷卻系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，溫度過(guò)高或者過(guò)低都將影響生鮮乳產(chǎn)品的品質(zhì)，溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部件是溫度傳感器。本系統(tǒng)采用鉑熱電阻Pt100，鉑熱電阻的阻值大小與外界溫度有關(guān)，隨著溫度升高，阻值變大。通過(guò)電橋?qū)?Pt100 輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，利用差分電路消除線路阻抗引起的測(cè)量偏差，從而提高測(cè)量精度[7]。鉑熱電阻具有高精度、低溫漂、穩(wěn)定性好、防振動(dòng)、防沖擊、耐高壓絕緣性好、適用范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 熱電阻采集模塊

阿爾泰DAM-3047N 模塊是16 位A/D 7 通道的熱電阻輸入模塊，可以采集2 線制和3 線制熱電阻輸入信號(hào)，主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。所有通道都提供了可編程的輸入范圍，具有斷線檢測(cè)功能[8]。其具有RS485 通訊接口，支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU 協(xié)議，配備良好的人機(jī)交互界面，使用方便，性能穩(wěn)定。DAM-3047N 可接2 線、3 線制鉑熱電阻傳感器。由于鉑熱電阻存在連接電纜電阻，2 線制接法測(cè)量時(shí)存在較大測(cè)量誤差，3 線制可以進(jìn)行電橋變換補(bǔ)償，減小測(cè)量誤差，因此系統(tǒng)采用3 線制接法，如圖2 所示。

表1 DAM-3047N 主要技術(shù)指標(biāo)Tab. 1 Main specifications of DAM-3047N

圖2 鉑熱電阻3 線制接線方法Fig. 2 Three-wire wiring method of platinum thermistor

使用DAM-3047N 模塊前，將DAM-3047N 通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊（USB 轉(zhuǎn)RS485）連接到計(jì)算機(jī)，使用DAM-3000M 軟件進(jìn)行相關(guān)配置，配置內(nèi)容主要包括模塊地址、串口號(hào)、波特率、量程等。配置完成后，上位機(jī)的通訊協(xié)議參數(shù)要與DAM-3047N 的配置一致。

2.4 MCGS 觸摸屏

作為一種計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，觸摸屏提供了一種簡(jiǎn)單、方便、自然的人機(jī)交互方式，可以取代傳統(tǒng)機(jī)械式的按鈕面板，操作更加方便。本系統(tǒng)選用型號(hào)為T(mén)PC7072Gt 的MCGS 嵌入式觸摸屏，內(nèi)置Cortex 4 核（主頻1 GHz）CPU，是一款超高性能嵌入式一體化觸摸屏，具有17.78 cm（7 英寸）高亮度TFT 液晶顯示屏（分辨率800×480），4 線電阻式觸摸屏，2 個(gè)RS485接口，1 個(gè)RS232 接口，1 個(gè)以太網(wǎng)口，支持Modbus通訊協(xié)議，并且有可靠的電磁屏蔽性，可以與多種智能儀表、設(shè)備相連接組成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)和信息化管理。MCGS 功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單，支持多種通訊協(xié)議，被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)生鮮乳冷卻過(guò)程溫度、流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用TPC7072Gt 作為控制器，并進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)[9]。MCGS 觸摸屏與流量傳感器、熱電阻采集模塊之間的物理接口為RS485，通信協(xié)議采用Modbus RTU[10]。

3 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

人機(jī)交互功能通過(guò)驅(qū)動(dòng)MCGS 觸摸屏TPC7072Gt實(shí)現(xiàn)。TPC7070Gt 內(nèi)部裝有MCGS Pro 嵌入式組態(tài)軟件，具有強(qiáng)大的圖形顯示和數(shù)據(jù)處理功能[11]。MCGS Pro 是基于Linux 底層系統(tǒng)的組態(tài)軟件，用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)警處理、流程控制、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案，操作人員可通過(guò)人機(jī)界面隨時(shí)查看系統(tǒng)運(yùn)行狀況及數(shù)據(jù)[12]。通過(guò)組態(tài)可以清晰地觀察生鮮乳冷卻系統(tǒng)各個(gè)部分的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)生鮮乳、冷卻水溫度達(dá)到上下限時(shí)發(fā)出報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)采取相應(yīng)措施，保證生產(chǎn)正常運(yùn)行。

3.1 通訊參數(shù)設(shè)置

MCGS 觸摸屏與流量傳感器、熱電阻采集模塊之間的物理接口為RS485，采用Modbus RTU 通信協(xié)議。以觸摸屏與熱電阻采集模塊通訊為例，首先在MCGS 設(shè)備組態(tài)窗口依次添加通用串口父設(shè)備，接下來(lái)對(duì)通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)實(shí)際所連接設(shè)備的串口端口號(hào)、通訊波特率、數(shù)據(jù)位、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)方式等參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。根據(jù)實(shí)際連接的設(shè)備情況，添加“設(shè)備0-ModbusRTU 設(shè)備”并根據(jù)熱電阻模塊的實(shí)際參數(shù)對(duì)設(shè)備地址、通道類型、通道地址、連接變量、通道處理等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置設(shè)備地址為1，每個(gè)通道分別在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義相應(yīng)變量并與之連接。由于每個(gè)通道的數(shù)據(jù)類型是16 位無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)，需要進(jìn)行通道數(shù)據(jù)處理，通道1～4 分別處理冷卻水進(jìn)出口和生鮮乳進(jìn)出口的4 個(gè)溫度，根據(jù)熱電阻的量程及對(duì)應(yīng)熱電阻模塊輸出的數(shù)字量為0～65 535，選擇工程轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理。DAM-3047N 模塊通道配置如圖3 所示。

圖3 DAM-3047N 模塊通道配置Fig. 3 Channel configuration of DAM-3047N

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

根據(jù)生鮮乳冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能要求，在MCGS Pro 組態(tài)軟件中進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，其主界面如圖4 所示，包含實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表等模塊，可以對(duì)生鮮乳冷卻過(guò)程中冷卻水溫度、生鮮乳溫度、流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能以動(dòng)畫(huà)、曲線等更直觀的方式實(shí)時(shí)顯示出溫度的變化趨勢(shì)[13]。通過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)表模塊可實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取存盤(pán)數(shù)據(jù)記錄，將歷史數(shù)據(jù)以設(shè)定的格式顯示出來(lái)，為生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

圖4 生鮮乳冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人機(jī)界面Fig. 4 HMI of raw milk cooling monitoring system

觸摸屏程序編寫(xiě)完成后，將TPC7072Gt 觸摸屏通過(guò)以太網(wǎng)線與編程電腦相連，將編程電腦的IP 地址設(shè)置成與觸摸屏同一網(wǎng)段，使兩者建立通信連接，點(diǎn)擊工程下載按鈕將程序下載到TPC7072Gt 中，觸摸屏通電后即可運(yùn)行程序。MCGS 有強(qiáng)大的離線、在線模擬運(yùn)行功能，組態(tài)過(guò)程中還可以模擬、檢查，直到工程正確無(wú)誤。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用Pt100 溫度傳感器、熱電阻輸入模塊、渦輪流量傳感器、MCGS 觸摸屏完成了生鮮乳快速冷卻裝置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用Modbus RTU 協(xié)議成功實(shí)現(xiàn)了觸摸屏、熱電阻、流量傳感器等模塊的實(shí)時(shí)通信。采用MCGS 進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生鮮乳冷卻過(guò)程中溫度、流量等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、報(bào)警信息輸出等多種功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的可視化。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)效果良好、操作方便、性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足生鮮乳冷卻過(guò)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，可為生鮮乳的高效生產(chǎn)提供依據(jù)。