刘 爽，周 劲
（武汉轻工大学电气与电子工程学院，武汉 430048）
水稻是世界上三大粮食作物之一， 全球现有超过100 个国家种植水稻[1]。大部分亚洲国家均以大米作为日常生活的主食， 同时大米也是饮食中碳水化合物、 钙和锌等常量和微量营养素的主要膳食来源之一[2]。
中国是水稻生产大国，“十二·五”以来，我国水稻年产量稳定生产2 亿t 以上， 目前正呈现良好上升趋势。尽管当前稻谷产需形势良好，但稻谷加工生产行业仍面临着许多问题[3]。据估算我国稻谷加工环节损失率高达20%， 每年稻谷损失近350 万t[4]。大量的生产资源浪费在加工生产过程中， 如何提高加工资源利用率， 降低生产损耗一直是稻谷加工领域内优化发展面临的主要问题。
一颗完整的稻谷籽粒的结构是外层两个半壳交错包住内层的颖果，两个交错生长的半壳即为稻壳，内部的颖果又称糙米。稻谷加工的基本流程由清理、砻谷、谷糙分离、碾米及抛光五部分组成，砻谷是对清理后的稻谷籽粒进行脱壳处理的加工工序， 同时也是稻谷加工中碎米产生的主要工序之一， 因此对砻谷工序进行优化来提高生产资源利用是非常有必要的[5]。
目前砻谷加工中已经引入了部分数字化技术，但加工的设置方面仍相对依赖于人工经验， 智能化程度偏低。
加工的智能化是由对各类数据融合信息技术进行不同分析处理实现的， 数据是发展智能化的基础也是驱动， 收集的数据种类及质量对后续的数据处理、算法优化具有极大影响。需求数据的种类取决于优化的方向， 数据的质量取决于设备通讯的方式。
本文针对稻谷加工生产线的砻谷环节进行分析，从优化方向对加工数据进行分类，而后提出基于MODBUS RTU 协议的数据通讯方案，以期对稻谷加工生产优化方向提供思路并为后续数据处理奠定良好基础。
砻谷环节的主要设备包括加工设备砻谷机，上下游传料装置及料仓三部分， 砻谷机的脱壳方法可大致分为挤压搓撕法、端压搓撕法、撞击法，对应三种典型设备为胶辊砻谷机、 砂盘砻谷机、 离心砻谷机。由于砂盘及离心砻谷机工作方式较为繁琐、脱壳率低，整体工艺效果差，目前加工生产中绝大部分使用胶辊砻谷机。
胶辊砻谷机的结构主要包括四部分， 分别为进喂料装置、脱壳装置、传动装置及谷糙分离装置。
砻谷环节的基本工作流程为，上游传动装置运行，清理后的稻谷被运往砻谷机上方料仓备料， 砻谷工作开始时，料仓闸门开启，稻谷经砻谷机的进喂料装置流入脱壳装置室内的两胶辊间， 两胶辊相向转动对稻谷产生搓撕效应而后脱去稻壳， 脱壳后的糙米及稻壳进入谷糙分离装置分离后由两出口各自流出，再由各自下游传动装置分别送入糙米仓及稻壳室等待下一环节处理。
1.1 进喂料装置
进喂料装置主要包括进料料仓及流量控制机构。
料仓的主要作用是在加工前段储存一定数量的稻谷， 开合由闸门控制。
传统的加工依赖于人工开合， 通过齿轮齿条传动来控制出料口大小从而改变进机流量[6]。
在经历几次技术革新后，目前生产中的料斗闸门大部分已改进为气动闸门， 并在料仓中加装了料位传感器， 根据传感器的信号通过汽缸伸缩动作实现自动开合与流量调节。
现有少部分技术已经实现进料装置与加工胶辊的联动控制， 实现有料时自动合辊工作，无料时开辊停机，该种方式的进料系统自动化程度更高，加工流程的控制更加精准。
喂料的流量控制机构是关系到砻谷产量的重要因素，流量过大搓撕效果不均匀导致脱壳率低，流量过小会导致加工效率低下同时可能增加稻谷爆腰率，传统生产中采用长短淌板倾斜喂料，调节长短淌板的长度及倾斜角度实现流量的调节。
目前提出的喂料改进中， 比较完善的机械方案是将原有的喂料淌板与振动喂料器相结合， 利用变频器来控制喂料器的频率，从而改变喂料器振幅，改进后的流量大且平稳连续[7-9]。
1.2 脱壳装置
脱壳装置是砻谷的核心装置， 主要的加工部件是一对线速度不同的快慢胶辊。
机械上的改进诸如辊筒材质、安装方式等等，尽管对加工有所改进但不具有智能调节空间，故不在此赘述。
在脱壳过程中，稻谷受到胶辊间的挤压力， 同时线速度不同的两胶辊在相向运动下对稻谷产生摩擦力， 综合作用下完成脱壳。在这种工况下，胶辊会因挤压与摩擦产生大量热量，热量造成胶辊损耗，因此如何降低热量所产生的损耗以及如何根据胶辊的损耗调节辊间压力是优化的主要问题[9]。
对于胶辊热损耗问题， 目前主要采用内置风机送风的方式进行冷却， 对于冷却的改进主要集中在改变风机的安装位置及送风方式， 使胶辊的降温更加具有针对性， 冷却效率更高；
对于辊间压力的调节，主要分为机械调节与气压调节两种，机械调节主要通过对内部的机械结构做出改进， 通过人工观测流量及胶辊损耗情况改变压砣的重量使轧距与压力保持不变；
气压调节是通过砻谷机机身所配汽缸的伸缩动作结合进料控制完成辊间压力的自动调节。
砻谷加工的脱壳率及破碎率等质量指标的影响因素众多，如稻谷的品种、含水率、胶辊线速度、线速差等，稻谷品种的不同代表其大小、厚度均有不同，因此需要按品种分配不同的加工参数；
线速度及线速差等重要工作参数同样需要根据胶辊的损耗及生产实际工况进行不同的调节[10]。
现有研究已经提出针对不同种工况进行智能调节的方案， 但总体研究并不能兼顾到所有加工参数， 因此需要在现有的智能调节系统上做出改进， 对参数与指标间的相互作用做进一步研究。
1.3 传动装置
传动装置主要是驱动两根脱壳胶辊进行差速运动的装置。
目前生产中常采用的传动装置主要可以分为两类，传统的单皮带关联传动，此种方式传动能力强， 但由于胶辊损耗等问题加工过程中需要停机进行人工线速调节；
其二为双皮带传动与齿轮变速箱结合， 此种方式可以根据胶辊的加工损耗对快慢辊进行交换及变速调节，无需频繁地更换胶辊，但其变速方式为分级调速，对于速度的调节精度偏低[11]。目前国内少部分生产车间已采用双变频器驱动方式，在这种模式下，传统的快辊被固定在机身，因而又称为定辊，慢辊安装在移动部件之上，故又称为动辊， 但因由双变频驱动， 定辊与动辊均可以做快慢辊，实现了无极调速，消除了快慢辊转速与线速的耦合，大大提高胶辊线速与加工的适配度[12]。
1.4 谷糙分离装置
脱壳完成后的糙米及稻壳经由谷糙分离装置分离开来， 国内的砻谷机上的谷糙分离装置主要采用的方式为分离淌板与涡轮风机结合的方式。
通过改变分离淌板的孔洞形状及涡轮风机的风力及风道实现机械分离与物理分离。
砻谷环节的谷糙分离一般只作为初步分离，目前的实际生产中，多在砻谷环节后配备谷糙分离机执行砻谷后的谷糙分离任务。
工业生产中的通信系统质量直接影响后期优化的水平， 目前工业通信面临的最大问题是通信不一致，由于生产现场的各种设备种类众多，各个厂家提供的通信接口及支持的通信协议各不相同， 导致生产中通信方式复杂， 尽管通信方式上已有更高水平的研究，但在实际应用中还尚未得到大面积的普及。
目前国内生产现场设备普遍支持MODBUS 协议，MODBUS 协议提供两种通信模式，MODBUS RTU 与 MODBUS ASCII 模式， 其中，MODBUS RTU较ACSII 模式在同等波特率下传输能力更高因而更多应用于工业现场层的设备间，因此基于MODBUS RTU 协议进行砻谷工序的通信设计。
2.1 MODBUS RTU
MODBUS RTU 通讯的物理接口支持RS485 串行接口，协议规定了数据传输的结构、命令以及应答的方式。如图1 所示，其串行链路上的应用通讯单元由硬件地址、功能码、数据及差错校验（CRC 校验）组成，通讯方式遵循MODBUS 协议主-从通讯方式，网络上只能存在一个主站， 其它从站串行通讯， 主站发出数据请求， 从站接收正确请求消息后发送数据到主站以做出响应， 值得注意的是， 从站只能响应，不存在主动权，通过这种请求-响应机制实现双向读写[13-15]。
通讯数据地址读写标准如表1 所示。
图1 MODBUS RTU 通信模式
表1 MODBUS RTU(RS485)协议数据地址读写标准
2.2 数据定义
根据工艺分析， 从工艺改进与能耗角度对加工数据进行定义，如表2~表5 所示。
表2 砻谷质量指标（0×01~0×0f）
表3 进喂料工艺加工参数（0×10~0×0f）
表4 脱壳工艺加工参数（0×20~0×2f）
表5 传动装置工艺加工参数（0×30~0×3f）
2.3 通信实现
工业现场的控制器与各数据采集设备间通过RS485 接口进行物理接线，根据设备的不同，网络连接上需要同步控制器RS485 串口半双工异步通讯模式、波特率、数据位、停止位及奇偶校验等设置，计算机需按照规定命令格式进行数据传输， 以砻谷工艺质量指标为例，发送数据报文如表6 所示，返回数据格式如表7 所示，读写操作只有功能码不同，其余均一致，值得注意的是，起始地址与读写数量的字节顺序为正序，高字节在前，而CRC 校验位的字节是倒序，低位在前。
另外，由于MODBUS RTU 为一主多从串行机制，在与多个设备进行通讯时，需要对各设备进行分时处理，否则将出现通讯堵塞。
表6 读取砻谷质量指标（地址0×01）数据
表7 返回砻谷质量指标数据
本条发送报文的含义为读取设备地址0×01，即1 号从站保持寄存器，起始地址为0×00，对应地址为40001，寄存器的数量为0×03，即读取1 号从站2个保持寄存器， 地址为40001~40002， 分别为脱壳率、糙碎率。
本条返回报文的含义为读取的1 号从站地址2个保持寄存器的 4 个字节分别为 0×23、0×4B、0×03、0×52，其中 40001 对应 0×234B、40002 对应 0×0352，即脱壳率为90.35%，糙碎率为8.50%。
本文结合砻谷加工现状进行工艺分析， 根据砻谷工序内进喂料装置、脱壳装置、传动装置及谷糙分离装置各工艺优化角度分类加工数据， 应用MODBUS RTU 协议进行通信设计，为后续数据优化处理奠定了基础。
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