基于可编程控制器的猪胴体喷淋冷却作业控制系统设计

陈玉仑，孙晨阳，卢中山，范雷明，李毅念，李春保

0 引 言

中国是一个人口大国，同时也是一个猪肉消费大国[1]。2015年，全球猪肉总消费1.1亿t，中国消费猪肉5 487万t[2]。生猪屠宰后胴体温度升高，体内的糖在无氧状态下酵解产生乳酸，使得pH值下降[3]。为延缓酸化、降低损耗以及提高肉品质量，需立刻对胴体进行冷却处理，此处理过程称为预冷[4]。这一过程中，因胴体与环境的热交换而产生的冷却干耗会达到1.85%～3.5%[5]，给企业造成了难以估量的经济损失。因此，如何快速降低预冷环节的损耗便成为肉类加工企业面临的重要问题之一[6]。

目前，喷淋冷却被认为是较为有效的冷却降耗技术之一。该方法通过对表面直接进行喷淋增湿可有效快速降低胴体的冷却干耗，因此，在国外普遍被运用于猪[7]、牛[8]、羊[9]、鹿[10]等胴体的预冷环节。近年来，随着中国对冷鲜猪肉需求的持续增长，出现了许多关于喷淋冷却工艺的研究。文献[11]表明喷淋冷却能够显著降低胴体24 h冷却时间内的水分损耗，文献[12-14]的研究还发现喷淋达到8～12 h即可将干耗降低至1%以下。但由于工艺复杂，成本较高[15]，企业中现采用人工作业的方式作为喷淋冷却的实施方法[16]，这给企业带来了额外的人力成本，同时由于人工作业存在误差，其降耗效果并不稳定。多数研究虽然对喷淋冷却的降耗效果进行了验证，却并未提及关于自动化喷淋装置的设计。因此，能够适应工厂化生产的喷淋冷却设备亟待开发。

针对猪胴体在喷淋冷却过程中以人工喷淋方式进行增湿降耗作业存在的劳动繁重、降耗不稳定等问题，本文根据自行研制的喷淋冷却装置，设计开发一种以 PLC为控制器、触摸屏为人机界面、主要应用于生猪屠宰场的喷淋冷却控制系统，从而实现喷淋冷却的自动化，以解放人力、保持降耗稳定，可适用于生猪屠宰有关的降温降耗领域。

1 装置结构及原理

设计的装置位于江苏淮安苏食食品加工物流中心 8号预冷库内。系统总体结构如图1所示，库中共有8条用于悬挂猪胴体的轨道，装置包括供气电磁阀、供水电磁阀、空气压缩机、水泵、气液混合型喷嘴、水泵、储气罐、储水箱、PLC、触摸屏等。其中，储气罐和储水箱均由不锈钢加工而成。系统按照功能可分为喷淋装置、控制装置2部分。

1.1 喷淋装置

喷淋装置由气液混合型喷嘴、水泵、双螺杆空气压缩机、供气电磁阀、供水电磁阀以及储水箱、储气罐组成。

装置共有 9条喷淋管道，根据加工中心生产计划，轨道胴体最大悬挂数为40头，此时猪胴体间隔为20 cm，为保证所有猪胴体都能被喷嘴完全覆盖，需保证喷嘴喷淋时具有一定的重叠，避免漏喷。管道1、2上均匀布置21只气液混合型广角喷嘴，喷雾锥角150°，其余每条管道上均匀布置24只同型喷嘴，喷嘴间距约40 cm。每根管道的水、气供给各由 1个通气电磁阀和供水电磁阀进行控制，工作气压0.8 MPa、水压0.6 MPa。

图1 喷淋冷却装置结构图Fig.1 Structure diagram of spray chilling device

1.2 控制装置

控制装置由PLC、触摸屏及继电器组成。

试验时，继电器经电缆接入PLC中，通气电磁阀、供水电磁阀及水泵均由电缆接至继电器。PLC通过MPI/PPI通讯电缆与触摸屏连接，可作为系统的人机交互界面，用于数据显示和参数设置[17]。PLC与触摸屏通过变量链接，实现同步操作。通过触摸屏软件的设计，可在触摸屏上对喷淋参数进行设定。

系统通电后，作业人员根据猪胴体的生产进度，确定当前需要喷淋的轨道，在触摸屏上依次点击相应的开关按钮。9条管道相互独立，当某条管道开启时，其余8条管道处于锁定状态，无法开启。

喷淋前，操作工人根据生产要求，输入合适的喷淋参数。在管道开启后，触摸屏实时显示喷淋状态，同时PLC控制继电器触点，完成水泵、空压机的自动启停，直至完成整个喷淋作业后，系统停止。

2 控制系统设计

2.1 系统组成及工作原理

PLC控制系统包含硬件和软件，硬件主要由PLC、触摸屏以及继电器组成，系统组成如图2所示。

工作中，工人根据生产要求在触摸屏中输入喷淋参数，按照生产进度在触摸屏上选择需要开启的管道。电机开启后，通气电磁阀、供水电磁阀依次打开，此时水泵启动，开始喷淋。根据预设参数，单次喷淋结束后，该管道进入计时状态。计时结束后，该管道自动开启下次喷淋，直至完成全部喷淋作业。作业中，空压机由PLC控制，开启间隔为30 min，以维持储气罐内气压，保证喷淋时空气正常供给。因此，根据系统功能，共有20个控制量，且均为开关量。

图2 PLC控制系统组成Fig.2 Composition of PLC control system

2.2 硬件选型

PLC在控制系统中负责完成与触摸屏通信并输出信号控制继电器的触点。PLC具体型号依据系统架构、I/O点数、参考精度和经济性进行选择[18-20]。根据装置结构，本系统控制量有共有20个开关量，因此PLC选择有10个开关量的Siemens S7-200系列CPU，再加上支持16通道的开关量拓展模块Siemens EM223，系统I/O端口如表1所示。该系列PLC为整体式，内部集成了CPU模块、I/O模块和电源模块，具有响应速度快、结构紧凑、操作简单、安装方便以及成本低等特点[21-22]。

表1 输入输出分配Table 1 Distribution of input and output

触摸屏选用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司生产的 TPC7062Ti作为系统人机界面，可通过 MPI/PPI通讯电缆与 PLC进行连接，是一套以先进的 Cortex-A8 CPU为核心（主频600 MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。该产品设计采用7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率 800×480 dpi），四线电阻式触摸屏（分辨率 4 096×4 096 dpi）。预装MCGS嵌入式组态软件（运行版），具备强大的图像显示和数据处理功能[23]。可用于现场数据的采集和检测，前段数据的处理与控制[24]。控制系统的供电及PLC接线如图3所示。

2.3 PLC控制程序设计

PLC程序在SIEMENS STEP 7 MICRO-WIN操作

平台上采用梯形图进行开发。根据系统功能，控制原理如图 4所示，主要功能包括运行计时、状态检测以及继电器控制等。对应的PLC网络程序（部分如图5所示）包括：主程序，管路控制子程序，互锁功能子程序，水泵控制子程序，空压机控制子程序等。

图3 控制系统接线Fig.3 Wiring of control system

图4 喷淋冷却控制系统流程图Fig.4 Flow chart of control system of spray chilling

根据该企业现有生产条件，当日宰后猪胴体填满预冷库共需6 h，由于猪胴体的冷却干耗主要在预冷前期产生[25-26]，因此 9条喷淋管道采用相互独立开启的方式，车间工人根据当日生产需求确定各条管道的开启顺序。同时，系统运行时需保证在不影响正常作业的前提下，达到喷嘴正常工作水、气压。因此，本系统对 9条喷淋管道设计了互锁限制（如图5c），即在某1条管道开启时，其余 8条管道处于锁定状态，无法开启。管路控制子程序（如图 5b）包括通气电磁阀开启、供水电磁阀开启、开启间隔计时等功能；水泵控制子程序检测管路开启状态，使水泵与管路同时开启；空压机控制子程序设置空压机开启间隔为30 min，使储气罐内气压维持在0.8 MPa。

图5 部分网络程序Fig.5 Program network (part)

2.4 触摸屏软件设计

触摸屏的软件设计包括创建功能界面和信息、输入/输出区域组态、指示器组态、功能键组态及文本显示等。根据生产需求设计不同的窗口，设定变量及参数，是触摸屏组态功能与PLC相应I/O接点及存储单元之间建立联系，从而实现触摸屏与PLC之间的通信。根据生产要求，设计功能界面包括：主界面、参数设计界面、功能介绍界面。其中主界面（图6a），可以控制各喷淋管道的开闭、进行喷淋计时以及实现喷淋状态的实时显示。点击主界面的参数设定（图6b），参数设计界面可设定高频喷淋总时长、单次喷淋时长、高频喷淋间歇时长、低频喷淋总时长、低频喷淋间歇时长。点击主界面的功能介绍界面，可以显示设备的操作流程。

图6 触摸屏主要界面Fig.6 Main interface of HMI

3 系统测试

3.1 试 样

供试样品为江苏淮安苏食食品加工物流中心按照标准化工艺[27]生产屠宰的三元杂交猪胴体[杜洛克父本×（长白父本×大白母本）]，质量（90 ± 10）kg，喷淋用水采用该加工物流中心温度为23～26 ℃饮用水。

3.2 试验仪器

电子单轨称（量程500 kg，精度0.2 kg，梅特勒-托利多（中国）公司）；探针式温度计（测量范围：-40 ～260℃，精度0.1 ℃，深圳华盛昌科技有限公司）。

3.3 试验方法

在夏季（6－7月），将常规屠宰后45 min的猪胴体记录称量质量后均匀整齐地悬挂于预冷库（环境温度为3~4 ℃）的轨道上冷却，每次喷淋试验样品40头，分为人工组（A）、喷淋组（B）与风冷组（C），每组各试验10次，总计1 200头。在猪胴体冷却过程中，由于后腿部分的肌肉较厚，降温速度较慢，因此生产中多以该部位中心温度作为猪胴体温度标准。在试验过程中，每隔1 h测量1次温度。A组试样采用该中心原有的人工喷淋工艺进行喷淋（采用喷雾杆喷淋，高频喷淋2 h、高频喷淋间歇时长 30 min、低频喷淋 4 h、低频喷淋间歇时长60 min、单次喷淋时长20 s），B组试样根据人工喷淋工艺在触摸屏上输入相同的喷淋参数进行喷淋，C组为对照组（常规风冷，风机功率2.34 kW、全风压28 Pa、全风量24 900 m3/h）。冷却处理24 h再次称量质量（猪胴体温度降至约4 ℃），根据公式（1）[28]计算其干耗。

式中L为样品干耗(%)；W0为初始质量(g)；W1为喷淋冷却24 h后质量。

在冬季（12－1月）重复上述试验，计算其干耗。冬季和夏季采用相同的样品处理和指标测定方法。

3.4 试验结果

文献[12,29]的研究发现，不同季节（主要为冬季和夏季）对猪胴体的预冷结果会有所影响。因此，在与传统人工喷淋的降耗效果进行对比的同时，研究了该系统在不同季节（夏季、冬季）的降耗效果。3组试验所有样品的最终平均干耗如表2所示，宰后猪胴体24 h冷却干耗：喷淋组（B）<人工组（A）<对照组（C），同时夏季冷却干耗高于冬季，这与文献[14]的结论相同。

此外，由表 2可知，本文设计的雾化喷淋控制系统对猪胴体降耗效果与降耗稳定性均有显著性提升（P<0.05）。在试验过程中，该系统在高频喷淋2 h、高频喷淋间歇时长30 min、低频喷淋4 h、低频喷淋间歇时长60 min、单次喷淋时长20 s参数下，夏季、冬季胴体24 h冷却干耗分别为1.25% ± 0.07%、1.19% ± 0.05%，相比于A组的夏季1.59% ± 0.14%，冬季1.34% ± 0.10%，分别降低了21.4%、11.2%。同时，可以将文献[5]中所述的猪胴体干耗1.85%～3.5%降低至较低水平。同时，在该喷淋冷却控制系统下，所得24 h猪胴体冷却干耗与人工喷淋、文献[5,11]相比，具有更好的降耗稳定性（P<0.05）。并且，在相同的喷淋参数下，不同季节对人工喷淋的24 h降耗效果有影响，未影响该系统的降耗稳定性（P>0.05）。

表2 不同季节下喷淋方式对猪胴体24 h干耗的影响Table 2 Effects of spray methods on weight loss of pig carcass within 24 h in different seasons

该加工中心共有 8间预冷库，人工每次完成单库喷淋至少需5 min，高频喷淋间隔30 min时，至少需要2名工人才能承担该任务。由图 7可知，采用人工作业需在预冷库内喷淋6 h、静置12 h才能将猪胴体温度降至4 ℃，相同条件下采用该系统需喷淋6 h、静置7 h即可达到相同效果。因此，本研究设计的雾化喷淋控制系统不仅可以自动完成喷淋工作，还能减少27.7 %的冷却时间，提升冷却效率。同时，该系统采用PLC作为控制器，显著降低人工喷淋所产生的误差，具有降耗稳定、操作简单等特点。在参数设计界面可调节喷淋参数，能够满足工厂化生产的要求。

图7 冷却过程中猪胴体后腿中心温度变化Fig.7 Change of center temperature of hind legs of the pig carcass during the cooling process

4 结 论

1）本文试验研究表明，在高频喷淋 2 h、高频喷淋间歇时长 30 min、低频喷淋 4 h、低频喷淋间歇时长60 min、单次喷淋时长20 s的试验参数下，传统人工喷淋的猪胴体24 h冷却干耗为：夏季1.59% ± 0.14%，冬季1.34% ± 0.10%。相同参数下该控制系统为：夏季1.25% ±0.07%，冬季1.19% ± 0.05%，与人工喷淋相比，分别降低21.4%、11.2%，并显著提高降耗稳定性（P<0.05）。同时，不同季节未影响该系统的降耗稳定性（P>0.05），避免了人工喷淋所产生的误差，以保证降耗稳定。

2）试验还表明，在上述试验参数下，人工喷淋作业结束后猪胴体需在预冷库内继续静置12 h才能将温度降至 4 ℃；采用该系统进行试验，喷淋作业结束后猪胴体需继续静置7 h即可达到相同的效果。与人工喷淋相比，可减少27.7%的冷却时间，提升了冷却效率。

该猪胴体喷淋冷却控制系统采用PLC作为控制器，触摸屏作为人机界面，能够完成猪胴体自动化喷淋冷却作业，并且作业人员可以在触摸屏上对喷淋参数进行调整，具有适应性强、操作简单等特点。通过该系统的运用，能够免除繁重劳动，减少人力成本，因此可运用于工厂化生产。该系统可以为生猪屠宰的降温降耗研究提供参考。

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