低溫環(huán)境下鰹魚(yú)切割系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

梁靜坤 謝鑫剛 李杰峰 于淑池

(1.海南熱帶海洋學(xué)院，海南 三亞 052722；2.唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063004)

金槍魚(yú)是各國(guó)遠(yuǎn)洋捕撈漁業(yè)的重要經(jīng)濟(jì)魚(yú)種，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-2]，鰹魚(yú)是金槍魚(yú)圍網(wǎng)的主要捕撈對(duì)象，捕獲量大，價(jià)格昂貴，作為生食的高級(jí)魚(yú)產(chǎn)品，鰹魚(yú)在捕獲后要求在-60 ℃及以下超低溫進(jìn)行貯藏，以保證其高品質(zhì)[3]。目前，鰹魚(yú)從捕撈到售賣(mài)的冷物流鏈環(huán)節(jié)一般包括捕撈、人工粗加工、速凍、超低溫冷凍、解凍、分割、再冷凍、分銷(xiāo)等。其切割方式主要有常溫鮮魚(yú)手動(dòng)切割和凍魚(yú)機(jī)械切割兩種，手動(dòng)切割發(fā)生在捕撈出水后，直接在船舶處理間進(jìn)行沖洗、放血、去魚(yú)鰓等加工，然后迅速送入-18 ℃速凍艙，再送入-60 ℃冷凍艙；凍魚(yú)機(jī)械切割是指鰹魚(yú)到達(dá)市場(chǎng)后，在低溫機(jī)械分割間進(jìn)行人工切割，期間經(jīng)過(guò)船舶冷凍艙室、岸上冷鏈物流車(chē)、市場(chǎng)分貨場(chǎng)地、分銷(xiāo)商分屬冷庫(kù)等多個(gè)場(chǎng)地，存在多次溫度波動(dòng)，易導(dǎo)致凍結(jié)鰹魚(yú)發(fā)生冰晶升華或重結(jié)晶等問(wèn)題，對(duì)魚(yú)肉風(fēng)味、質(zhì)地、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值有重要影響[4-7]，且低于5 ℃環(huán)境下的人工作業(yè)會(huì)導(dǎo)致一系列職業(yè)健康問(wèn)題[8]。文章擬利用寬溫型PLC設(shè)計(jì)一套能在-18 ℃低溫環(huán)境下完成鰹魚(yú)切割處理的模擬裝置，旨在解決人工加工及多環(huán)節(jié)溫度變化帶來(lái)的問(wèn)題，為多環(huán)節(jié)合一的低溫自動(dòng)切割系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

遠(yuǎn)洋金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船會(huì)配備漁獲處理間、速凍艙和冷藏艙室，速凍艙溫度為-18 ℃左右[9]，魚(yú)類(lèi)的初加工是在漁獲處理間完成。在鰹魚(yú)從處理間被送入速凍艙的過(guò)程中，需對(duì)其進(jìn)行低溫環(huán)境下的多功能快速切割。加工過(guò)程中，為了保證鰹魚(yú)魚(yú)肉的質(zhì)量，快速放血、去腮由人工完成[10]，頭尾處理、魚(yú)身切割由切割裝置完成。切割裝置的設(shè)計(jì)包括控制單元和機(jī)械單元，系統(tǒng)由圍網(wǎng)捕撈作業(yè)船舶供電，其基本功能如圖1 所示。

1.2 控制要求

捕撈上來(lái)的鰹魚(yú)經(jīng)過(guò)人工處理后，由傳送帶送入系統(tǒng)切割處理流程，同時(shí)完成速凍。再由其他控制系統(tǒng)將切塊傳送至-60 ℃冷凍魚(yú)艙，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：

圖1 功能框圖Figure 1 Block diagram

(1) 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警等功能。

(2) 魚(yú)身的自動(dòng)檢測(cè)和傳送控制。

(3) 可實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)頭、尾的單獨(dú)處理；魚(yú)身分段切割的橫、縱模式可選，魚(yú)塊厚度可調(diào)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)代捕撈船速凍艙與鰹魚(yú)的自身保鮮要求，控制系統(tǒng)要求能在-18 ℃環(huán)境中穩(wěn)定工作。核心控制器選用寬溫型PLC，魚(yú)身檢測(cè)等測(cè)量采用低溫測(cè)距傳感器，執(zhí)行元件包括中間繼電器、電機(jī)、推桿等機(jī)械設(shè)備。機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)盡量減輕切刀架重量，采用最高切斷速度以及規(guī)劃切刀軌跡[11]。為了保證設(shè)備低溫下工作的穩(wěn)定性，采用超低溫潤(rùn)滑油，為了提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)配有內(nèi)部加熱器[12]。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，本著操作簡(jiǎn)單，避免誤操作的原則，設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)起停功能、橫縱切和厚度等模式選擇、魚(yú)身位置檢測(cè)功能，設(shè)備運(yùn)行工作溫度檢測(cè)、報(bào)警等功能，確定輸入輸出設(shè)備I/O分配如表1所示，未設(shè)置的輸入輸出口可按需求進(jìn)行功能擴(kuò)展。

核心控制器選用西門(mén)子S7-200PLC寬溫型模塊，工作溫度-25～+70 ℃，滿足船舶速凍艙-18 ℃環(huán)境要求。采用廣泛用于船舶及海洋設(shè)備的FLS-CH10低溫激光測(cè)距傳感器，檢測(cè)鰹魚(yú)的位置及魚(yú)身長(zhǎng)度，鰹魚(yú)體長(zhǎng)為243～733 mm，質(zhì)量為300～9 165 g[13]，設(shè)備的運(yùn)輸帶寬度等設(shè)置為1 000 mm，為控制器提供運(yùn)輸帶起停及切刀選擇提供輸入信號(hào)，工作時(shí)激光測(cè)距傳感器測(cè)量距離調(diào)制50 mm，-40～+50 ℃穩(wěn)定工作，防水食品級(jí)材質(zhì)，供電電壓24～30 VDC，2.5 A，與PLC控制、船舶供電參數(shù)相符，電機(jī)功率3 kW，設(shè)備輸入額定電壓380 V三相電，切割厚度可調(diào)，默認(rèn)刀距50 mm。

表1 部分I/O分配Table 1 Part I/O address allocation

2.2 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面設(shè)計(jì)包括啟動(dòng)、停止、工作狀態(tài)指示、溫度顯示、工作模式選擇等功能，參照金槍魚(yú)市場(chǎng)需求縱向切段或橫剖切片的食用特點(diǎn)，魚(yú)身切割設(shè)定為橫、縱切模式可選，魚(yú)塊厚度可根據(jù)訂購(gòu)者需求在一定范圍內(nèi)可調(diào)，其監(jiān)控界面如圖2所示。

切割控制設(shè)備上電自檢后，基本程序控制流程如圖3所示，切割時(shí)同時(shí)計(jì)數(shù)，軟件同時(shí)設(shè)有急停、故障報(bào)警等處理功能，可以根據(jù)需求完成手動(dòng)或自動(dòng)操作。

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)

鰹魚(yú)切割過(guò)程中魚(yú)身的推送和夾緊及刀具調(diào)整采用液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用低凝點(diǎn)液壓油[14]。機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件使用活塞式液壓缸，由三位四通電磁換向閥控制液壓缸推桿的伸出和退回。切掉頭尾的魚(yú)身隨傳送帶移動(dòng)，觸碰到擋板后觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)，電磁換向閥通電產(chǎn)生電磁吸力，電磁閥動(dòng)作，液壓推動(dòng)活塞桿外伸。夾緊裝置的一端為固定夾板，另一端為可自由活動(dòng)的可調(diào)夾板，可調(diào)夾板的位移由液壓缸推動(dòng)，夾緊力的大小由液體壓力調(diào)定。夾緊裝置夾緊魚(yú)身的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間以及液壓推桿的退回可由程序控制(開(kāi)始計(jì)時(shí)時(shí)間可從限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作的時(shí)刻計(jì)算，結(jié)束計(jì)時(shí)時(shí)間可由切斷最大魚(yú)身的時(shí)間設(shè)定)，直至完成橫向切片。橫向切開(kāi)的魚(yú)身繼續(xù)傳送，直至觸碰到擋板觸發(fā)至相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)時(shí)，對(duì)應(yīng)的推桿開(kāi)始推動(dòng)魚(yú)身移動(dòng)，并由夾緊裝置夾緊，直至魚(yú)身切斷完畢，夾緊裝置松開(kāi)同時(shí)液壓推桿退回。

圖2 監(jiān)控界面Figure 2 Supervisory control system

圖3 軟件流程圖Figure 3 Software flow chart

(1) 橫向切刀和切斷刀的旋轉(zhuǎn)可通過(guò)各自的花鍵軸來(lái)帶動(dòng)，刀具的間距根據(jù)魚(yú)身的尺寸可通過(guò)安裝在花鍵軸上的液壓缸進(jìn)行調(diào)整。液壓缸采用雙伸出桿活塞缸，液壓傳動(dòng)公式：

Q=Av，

(1)

式中：

Q——進(jìn)入液壓缸的液壓油流量，mm3/s；

A——活塞缸的截面積，mm2；

v——活塞的移動(dòng)速度，mm/s。

活塞缸的截面積公式：

A=π(D/2)2，

(2)

式中：

D——活塞缸直徑，mm。

刀具的調(diào)整間距為：

ΔL=vt=[4Q/(πD2)]t，

(3)

式中：

ΔL——刀具調(diào)整間距，mm；

t——進(jìn)入活塞缸液壓油的持續(xù)時(shí)間(可由PLC程序設(shè)定，用來(lái)調(diào)整刀具間距的變化量)，s。

(2) 切片刀是切削機(jī)構(gòu)的主控制部分，為了有效減少新鮮魚(yú)肉的粘連，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)切刀的轉(zhuǎn)速控制在2.5～3.0 r/s為宜,刀具的切削速度計(jì)算公式為：

V=fZn，

(4)

式中：

V——刀具的切削速度，mm/s；

f——刀具每齒切削的進(jìn)給量，mm；

Z——刀具的齒數(shù)；

n——刀具的轉(zhuǎn)速，r/s。

(3) 刀具的加工厚度也是需要考慮的一個(gè)參數(shù)，刀具加工寬度按式(5)計(jì)算，以8 mm為宜。

設(shè)定一個(gè)x,y,z坐標(biāo)系見(jiàn)圖4。

(5)

式中：

W——削切寬度，mm；

Wl——O1處左邊的削切寬度，mm；

Wr——O1處右邊的削切寬度，mm；

r——刀具半徑，mm；

h——切削最大殘余高度，mm；

Ry——沿y軸方向的表面法曲率半徑，mm。

實(shí)際加工中|Ry|?h，式(5)中h2、h3和h4可以忽略，刀具半徑r可用有效工作半徑re代替。

(6)

式中：

θ——刀具繞y軸方向旋轉(zhuǎn)傾角角度，°；

ω——刀具繞z軸方向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角角度，°。

則刀具加工寬度簡(jiǎn)化為[15]：

(7)

圖5為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)的可靠性，設(shè)置如下：① 試驗(yàn)場(chǎng)地選用當(dāng)?shù)睾ｕr冷庫(kù)，模擬捕撈船的速凍艙，保持-18 ℃低溫；② 控制模塊密封，與切割模擬系統(tǒng)置于冷庫(kù)入口處，觸摸屏置于冷凍室外壁，試驗(yàn)?zāi)康闹饕球?yàn)證切割系統(tǒng)在低溫環(huán)境下各模塊功能是否實(shí)現(xiàn)；③ 由于鰹魚(yú)主要分布在印度洋、太平洋和大西洋，市場(chǎng)上無(wú)法提供新鮮魚(yú)標(biāo)本，加工測(cè)試樣本選用三亞崖州市場(chǎng)上形體和肉質(zhì)與鰹魚(yú)相似的新鮮馬鮫魚(yú)替代，魚(yú)身長(zhǎng)度約700 mm，最大寬度約120 mm，最大厚度約70 mm，切段厚度50 mm，便于切片食用，按照系統(tǒng)設(shè)置的功能進(jìn)行頭尾切除、魚(yú)身切割、厚度調(diào)整等操作，測(cè)試系統(tǒng)溫度檢測(cè)、魚(yú)身檢測(cè)、參數(shù)選擇、魚(yú)身切割等功能是否正常運(yùn)行，并與捕撈船人工的鮮魚(yú)切割、冷庫(kù)的機(jī)械切割在切割速度等方面進(jìn)行比對(duì)分析，其切割塊見(jiàn)圖6，試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 加工帶寬計(jì)算Figure 4 Calculation of cutting bandwidth

1、11、20.刀架 2、12. 限位開(kāi)關(guān) 3、13.擋板 4、14、18、19. 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 5、15.傳送帶 6、16.氣動(dòng)推桿 7.橫向切刀 8、17. 加緊裝置 9.頭尾切刀 10.可調(diào)切段刀圖5 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Mechanical structure

圖6 切割樣品Figure 6 Cutting block section

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results

在模擬速凍艙-18 ℃環(huán)境下，機(jī)械部分提前預(yù)熱，監(jiān)控部分、控制部分、機(jī)械部分均可持續(xù)正常運(yùn)行，系統(tǒng)要求的各項(xiàng)功能均可實(shí)現(xiàn)。由表2可知，與常溫的人工切刀和冷庫(kù)環(huán)境下的人工機(jī)械切割相比，自動(dòng)切割系統(tǒng)更適合低溫工作環(huán)境，大批量作業(yè)，系統(tǒng)處理速度快，有利于鰹魚(yú)的保鮮。但試驗(yàn)系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：① 自動(dòng)切割系統(tǒng)去內(nèi)臟、去魚(yú)鰭等細(xì)節(jié)處理不容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；② 為了提高機(jī)械設(shè)備的可靠性，切割機(jī)械在低溫環(huán)境中需要進(jìn)行提前預(yù)熱，初期的預(yù)熱可能會(huì)對(duì)魚(yú)的切面鮮度產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

針對(duì)多次溫度波動(dòng)引起鰹魚(yú)魚(yú)質(zhì)劣化以及人工不適合長(zhǎng)期在低溫下大規(guī)模作業(yè)等問(wèn)題，結(jié)合寬溫型PLC設(shè)計(jì)了一種低溫環(huán)境下鰹魚(yú)自動(dòng)切割處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可依照市場(chǎng)需求靈活設(shè)置切割方式、切塊大小、頭尾處理等模式，并在-18 ℃低溫下進(jìn)行連續(xù)切割工作，經(jīng)試驗(yàn)比對(duì)，其效果明顯。利用該系統(tǒng)可形成包括捕撈、人工粗加工、速凍(同步切割)、超低溫冷凍、分銷(xiāo)等環(huán)節(jié)的新的遠(yuǎn)洋捕撈冷鏈物流，有效縮減了鰹魚(yú)的冷鏈環(huán)節(jié)，為鰹魚(yú)的冷鏈保鮮提供了一種快速的低溫加工模式。加上后期的快速保鮮及塑封處理，有效地減少了冷凍食品在冷鏈物流中，特別是在疫情階段多次暴露引發(fā)的污染機(jī)率。后續(xù)可將低溫自動(dòng)切割控制系統(tǒng)移植到大型捕撈船上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并進(jìn)一步研究切刀面溫度對(duì)魚(yú)身保鮮的影響，切割控制系統(tǒng)去除魚(yú)鰭和內(nèi)臟的細(xì)節(jié)控制技術(shù)等。

感謝食品工程學(xué)院、海南蔚藍(lán)海洋食品有限公司的大力支持。