13、分布式数据采集与食品加工安全控制技术解析

分布式数据采集与食品加工安全控制技术解析

在当今科技飞速发展的时代，数据采集与处理以及食品加工安全控制变得越来越重要。下面我们将深入探讨分布式数据采集系统以及食品加工过程中的自动安全控制技术。

分布式数据采集系统

在测量领域，远程工作站之间的在线连接是一个现代且关键的方面。数据传输配置取决于应用需求，局域网（LAN）或互联网都可作为传输支持。

数据记录和分析系统的基本元素包括：
- 采集 ：实际测量物理参数并将其引入记录系统的过程。
- 在线分析 ：在采集数据时对其进行的任何处理，包括警报、数据缩放和有时的控制等。
- 记录 ：每个数据记录系统的基本要求。
- 离线分析 ：在数据采集后为提取有用信息而进行的所有操作。
- 显示、报告和数据共享 ：完善数据记录系统功能的“杂项”要求。

以下是这些元素的关系流程图：

graph LR
    A[采集] --> B[在线分析]
    B --> C[记录]
    C --> D[离线分析]
    D --> E[显示、报告和数据共享]

为何通过互联网进行数据采集

在许多工业过程中，远程控制设备具有显著优势。例如，在原子反应堆中，由于辐射程度高，必须远程监控和控制参数；在铸造厂的熔炉监控中，由于高温，人员无法在现场停留。

远程监控和控制的优点包括：
- 人员无需在危险区域工作。
- 可以从不同主机同时控制多个设备。
- 可以从更多站点进行监控，无需额外投资。
- 可以实时对监控设备的工作进行统计。

虚拟仪器功能

通信模块可以通过将数据控制与子虚拟仪器（subVIs）互连来实现，这些子虚拟仪器允许PC与目标监控和控制的工艺过程进行通信。传感器和转换器将模拟过程数据转换为电信号，经过调理和模数转换后，由PC处理。虚拟仪器软件有两个主要功能：通过GPIB通信与过程建立连接，并通过互联网或局域网与远程监控和控制单元进行通信。

虚拟仪器软件的工作流程如下：

graph LR
    A[传感器和转换器] --> B[调理块]
    B --> C[模数转换器]
    C --> D[PC处理]
    D --> E[虚拟仪器软件]
    E --> F[与过程连接]
    E --> G[与远程单元通信]
    G --> H[处理、记录和可视化]
    H --> I[发送命令]
    I --> J[数模转换器]
    J --> K[调理电路]
    K --> L[执行器]

虚拟仪器

软件在基于PC的数据记录系统中至关重要。本文使用LabVIEW创建基于PC的数据记录器，并使用相同的LabVIEW程序（即虚拟仪器或VIs）进行离线分析。

每个VI有两个组件：前面板和框图。执行数据记录和数据分析基本功能的VI有两个主要前面板：“在线采集”和“离线分析”，可通过选项卡控件选择。

• 采集虚拟仪器 ：“在线采集”前面板用于控制采集过程，显示采集状态、测量值、记录日期和时间等重要参数。它包含波形图、采集控制块和采集进度块。为确保读取并行端口的数据位，使用序列结构进行端口设置，并将其他程序元素包含在While循环中，直到用户中断采集。采集后，选择存储测量值的文件。
• 分析虚拟仪器 ：LabVIEW提供了许多内置分析函数，可创建一个前面板有两个组件的虚拟仪器，通过选项卡控件在“样本记录”和“数据记录”之间切换。该虚拟仪器使用两个波形图进行图形分析，可设置上下限，还可以将LabVIEW测量数据文件保存为.tab分隔的文本文件，以便在Excel等应用程序中打开。

以下是虚拟仪器的主要功能表格：
| 虚拟仪器类型 | 功能 |
| ---- | ---- |
| 采集虚拟仪器 | 控制采集过程，显示重要参数，设置端口，选择存储文件 |
| 分析虚拟仪器 | 进行数据离线分析，图形化显示结果，保存数据文件 |

通信模块

应用程序分为数据采集和处理部分以及通信部分。通信模块使用NI DataSocket服务器 - 客户端通信，数据服务器应用程序必须运行才能使应用正常工作。服务器模块将数据写入服务器，客户端可以读取数据，具有命令权限的客户端还可以写入数据。服务器应用程序可以从服务器读取命令数据并应用于传感器。

软件应用

互联网应用的发展和数据采集仪器的使用使得用户可以建立靠近过程的中央测量系统，并将数据传输到需要的地方。使用TCP/IP连接和LabVIEW环境可以开发子虚拟仪器系统，实现数据采集和传输。由于传输到监控系统的数据量可能很大，因此在传输前进行压缩可以加快通信速度。

软件应用包括两部分：
- LabVIEW应用 ：TCP/IP连接的服务器应用程序包括字符串、端口、TCP Listen、TCP Write和TCP Close等块；客户端应用程序包括地址、端口2和TCP Read等块。
- 数据压缩应用 ：在将数据传输到监控系统之前，可以对数据文件进行压缩，接收后再进行解压缩和处理。

以下是LabVIEW应用的服务器和客户端块的说明表格：
| 应用类型 | 块名称 | 功能 |
| ---- | ---- | ---- |
| 服务器应用 | 字符串 | 要发送的数字字段 |
| 服务器应用 | 端口 | 接收数据的通信端口 |
| 服务器应用 | TCP Listen | 检查客户端请求 |
| 服务器应用 | TCP Write | 将数据写入通信端口 |
| 服务器应用 | TCP Close | 关闭通信 |
| 客户端应用 | 地址 | 服务器的数字格式地址 |
| 客户端应用 | 端口2 | 存储数据的通信端口 |
| 客户端应用 | TCP Read | 读取到达端口的数据 |

食品加工中的自动安全控制

在食品加工领域，卫生问题对于消费者的健康至关重要，特别是熟食的微生物安全受到卫生法规的严格监管。例如，未煮熟的肉类可能携带多种病原体，因此建议烹饪食物以降低微生物浓度。在食品热加工过程中，食品中微生物的数量会随着产品温度的变化而减少。

方法描述

熟食中的残留细菌含量在很大程度上取决于食品在给定最低温度水平下持续的实际时间。由于细菌含量通常随食品暴露的温度和暴露时间而变化，因此可以绘制一个函数来关联细菌含量的减少与这两个参数，该函数代表了食品中细菌含量的变化模式。

定义了几个重要的参数：
- 十进制减少时间D ：微生物种群减少90%所需的时间。初始微生物种群对D值没有影响，因为其大小直接与值的差异相关。较高的温度会导致D值降低。计算公式为：$t = D · (log N_0 - log N)$。
- 热死亡时间F ：导致微生物或孢子种群减少所需的时间，可以表示为D值的倍数。计算公式为：$F = D_{T_0} · (log N_0 - log N) = n · D_{T_0}$。
- 热抗性常数z ：描述细菌孢子热抗性的独特因素，定义为参考温度以下使t增加10倍的温度度数。计算公式为：$z = \frac{T - T_0}{log F - log t}$。

通过这些定义，可以计算F参数，公式为：$F = \int_{t_1}^{t_2} 10^{\frac{T - T_0}{z}} dt$。在烹饪过程中，连续计算F值，并将其与预定义表中的值$F_0, F_1, F_2, … F_n$进行比较。当积分大于$F_0$时，表示灭菌过程完成。

以下是这些参数的关系流程图：

graph LR
    A[温度T] --> B[十进制减少时间D]
    B --> C[热死亡时间F]
    A --> C
    C --> D[热抗性常数z]
    D --> E[计算F参数]
    E --> F[与预定义值比较]

验证算法

在烹饪过程开始时，处理和控制设备开始计算公式的积分，以在每个瞬间提供F值。然后，将计算得到的F值与预定义并存储在单元内存中的一组值$F_0, F_1, F_2, … F_n$进行自动比较。

这些值是针对每种食品风险类别（高风险或低风险）通过实验确定的，用于确定相应的最大允许保质期。例如，对于特定的F值，可能会关联一个代码，如“SAFE 1”，并对应一定的保质期。

以下是安全条件的表格：
| F值 | 显示 | 最大允许保质期 |
| ---- | ---- | ---- |
| F < F0 | UNSAFE | - |
| F > F0 | SAFE - 0 | 5小时 |
| F > F1 | SAFE - 1 | 1天（冷藏储存） |
| F > F2 | SAFE - 2 | 5天（冷藏储存） |
| … | … | … |

如果测量的F值小于$F_0$，烹饪周期将自动继续，直到F值达到$F_0$。

数值分析

使用固定精度架构计算公式需要使用查找表对基本指数函数进行量化。积分通过连续添加来自指数查找表的不同值来完成。

在烹饪启动时，需要一个探头插入识别算法，其特殊软件的结果是一个警告，指示探头不在食品中。为了实现此功能，需要一个多点传感器，它还可以估计食品中的最低温度。可以识别两种主要的未插入探头情况：
1. 探头正确插入支撑支架。
2. 探头在腔体内自由放置。

为了解决这些问题，使用了基于知识的算法，实现了特定的温度增长模式识别。

总结

分布式数据采集系统通过远程工作站的在线连接，利用虚拟仪器和通信模块，实现了数据的采集、处理和传输，为工业过程的监控和控制提供了有效的解决方案。而食品加工中的自动安全控制技术通过计算热死亡时间F值，并与预定义值比较，确保了食品的微生物安全，同时提供了关于食品保质期的信息。这两种技术在各自的领域都具有重要的应用价值，为提高生产效率和保障产品质量提供了有力支持。