魚初加工生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)設(shè)計與研發(fā)

許海波，趙錫和，陳遠(yuǎn)輝，郭子淳，王水傳，黃家懌

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科機(jī)械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555）

0 引言

中國是淡水魚類養(yǎng)殖生產(chǎn)大國，截止2019 年年底，全國魚類養(yǎng)殖總量為2 708.61 萬t，其中淡水魚養(yǎng)殖總量為2 548.03 萬t，占全國魚類養(yǎng)殖總量的94.07%，占整個淡水養(yǎng)殖總量的84.55%。淡水產(chǎn)品加工量為558.17 萬t，占整個淡水養(yǎng)殖總量的18.52%，國內(nèi)魚類養(yǎng)殖生產(chǎn)量大，整體加工率偏低，加工需求迫切，如何實現(xiàn)魚自動高效加工成為魚加工生產(chǎn)線控制系統(tǒng)研究領(lǐng)域亟待解決的問題之一[1-2]。

魚糜、魚罐頭、魚干等魚產(chǎn)品的生產(chǎn)制造均離不開魚前期的去鱗、開肚、去內(nèi)臟等初加工，魚初加工自動化水平將大大影響魚產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益[3]。傳統(tǒng)的魚初加工設(shè)備多以手工操作為主，自動化程度較低，某些設(shè)備將魚去鱗、開肚去內(nèi)臟、切頭等多個加工工序分多臺設(shè)備單獨手動控制，甚至在加工之前的頭尾定向、腹背定向等工序仍未實現(xiàn)自動化控制，整個魚初加工工序銜接性差，人工干預(yù)程度較高，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，加工的產(chǎn)品容易受環(huán)境、微生物等影響。此外，設(shè)備控制系統(tǒng)多以控制加工單種類型魚為主，人機(jī)交互程度欠佳[3-5]。針對傳統(tǒng)魚初加工設(shè)備控制系統(tǒng)存在的局限性，廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所設(shè)計研發(fā)了魚自動化初加工流水線，可實現(xiàn)魚頭尾定向、腹背定向、去鱗、開肚、去內(nèi)臟、去頭等全自動高效控制。

1 魚初加工工藝流程及自動化控制關(guān)鍵技術(shù)

1.1 魚初加工生產(chǎn)工藝流程

魚初加工生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示，輸送帶首先將原料魚勻速輸送至頭尾定向裝置，頭尾定向裝置主要由水平偏心振動機(jī)構(gòu)組成，通過變頻電機(jī)帶動，利用魚體重心位置偏頭部的特征，實現(xiàn)魚體頭尾自動定向。其次通過腹背定向前輸送帶的限制將魚以單條的方式傳送至魚頭尾、腹背判斷視覺檢測區(qū)域，在視覺檢測區(qū)域首先判斷頭尾定向是否正確，若不正確則啟動剔除氣缸機(jī)構(gòu)，將前頭尾分選異常的魚剔除掉，判斷正確則進(jìn)入魚腹背定向視覺檢測，通過視覺判定腹背方向，啟動對應(yīng)氣缸的伸縮，完成魚體的自動化腹背定向。完成魚頭尾、腹背定向的魚隨后進(jìn)入下一級的喂料裝置，實現(xiàn)魚的自動化開肚、高壓水去內(nèi)臟、去鱗以及去頭等初加工工序。

1.2 魚初加工線自動化控制關(guān)鍵技術(shù)點

魚自動化初加工流水線以可編程邏輯控制器PLC、工業(yè)計算機(jī)以及觸摸屏為控制核心，結(jié)合工業(yè)相機(jī)、變頻調(diào)速電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、氣缸等執(zhí)行元件，并引入機(jī)器視覺模板匹配算法、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)組態(tài)技術(shù)，其控制的關(guān)鍵技術(shù)點在于：①如何靈活控制各電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)上述各加工工序的最佳匹配；②機(jī)器視覺模板匹配算法如何清晰地抓拍流水線上高速流動的魚體，準(zhǔn)確高效地判定魚體的頭尾與腹背方向并將判定結(jié)果反饋至控制器，從而控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對應(yīng)動作；③基于工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)云組態(tài)技術(shù)如何實現(xiàn)對整個加工流水線的微信小程序端、網(wǎng)頁端、PC 大屏端的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，進(jìn)一步保證食品加工的食品安全性，設(shè)備維護(hù)控制的方便快捷性，實現(xiàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的柔性化設(shè)計理念。

2 魚初加工線自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計及實現(xiàn)

控制系統(tǒng)硬件部分主要以西門子S7-1200 可編程邏輯控制器PLC 及其數(shù)字量輸入輸出模塊、昆侖通態(tài)TPC1061Ti 觸摸屏、工控機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)為控制器，其控制系統(tǒng)硬件整體架構(gòu)如圖2 所示。通過全集成自動化TIA 博途軟件平臺，配合PEOFINET 工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊，實現(xiàn)魚的頭尾定向、腹背定向、開肚去內(nèi)臟、去鱗、去頭等全集成自動化控制[6-7]。下面將對主要控制部分的實現(xiàn)方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1.1 魚頭尾定向控制實現(xiàn)

魚頭尾定向工作主要由魚加工線頭尾定向部分的裝置完成。頭尾定向裝置主要由原料提升單元以及偏心圓盤振動單元組成，該裝置主要由2 個變頻電機(jī)驅(qū)動。其控制過程如下：首先通過TIA 博途軟件建立起主控制器PLC 與變頻器之間的主從通訊關(guān)系，該部分程序塊如圖3 所示，然后通過圖4 所示程序塊給變頻器輸入控制參數(shù)，控制變頻電機(jī)的對應(yīng)轉(zhuǎn)速，其參數(shù)主要通過HMI 組態(tài)界面設(shè)定。當(dāng)按下頭尾定向啟動按鈕的時候，頭尾分選提升電機(jī)啟動，將原料魚送至頭尾分選振動盤，頭尾分選振動電機(jī)按照HMI 給定的頻率驅(qū)動偏心圓盤振動單元，利用魚體重心部位偏頭部的特征，實現(xiàn)魚的自動化頭尾分選，并經(jīng)傳送帶傳至下一級處理裝置。

2.1.2 魚腹背定向控制實現(xiàn)

為避免魚頭尾定向腹背定向失誤引發(fā)產(chǎn)品加工不良的事故，將機(jī)器視覺監(jiān)測技術(shù)引入魚腹背定向控制系統(tǒng)，整體實施方案如圖5 所示[8-9]。頭尾定向完成的魚經(jīng)傳送帶以單條排列的方式送至魚腹背定向裝置，工業(yè)相機(jī)對傳送帶上流過的魚進(jìn)行實時拍照，由工控機(jī)內(nèi)模板匹配控制算法對拍攝到的魚進(jìn)行頭尾判斷；若檢測到魚體頭尾反向，工業(yè)相機(jī)控制板則向PLC 輸入端口發(fā)送1 個高電平信號，PLC 檢測到該信號后，通過數(shù)字量輸出端口控制剔除氣缸伸縮閥，將該頭尾分選失敗的魚剔除出去，避免其進(jìn)入下一道加工工序。

在判定魚頭尾定向正確以后，工控機(jī)內(nèi)模板匹配算法馬上對其腹背方向做出判定，當(dāng)監(jiān)測到魚背部朝左或者朝右后，工業(yè)相機(jī)控制板向PLC 對應(yīng)數(shù)字量輸入端口反饋左右信號，PLC 收到該信號后，經(jīng)內(nèi)部控制器延時一定時間，啟動腹背翻轉(zhuǎn)氣缸伸縮閥，由腹背翻轉(zhuǎn)氣缸帶動對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成魚的腹背定向，同時經(jīng)腹背定向機(jī)構(gòu)上的步進(jìn)電機(jī)傳送帶將完成頭尾定向與腹背定向的魚送至下一級加工工序。魚頭尾、腹背視覺監(jiān)測視覺效果如圖6 所示。其中腹背定向機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)由PLC 對應(yīng)的脈沖頻率輸出口以及脈沖方向輸出口控制，通過脈沖頻率輸出口控制脈沖頻率大小可控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速高低，通過控制脈沖方向輸出口可控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，對應(yīng)參數(shù)與控制指令可通過HMI 監(jiān)控界面給定。

2.1.3 魚去內(nèi)臟、去鱗與去頭控制實現(xiàn)

魚完成頭尾、腹背定向后進(jìn)入到去鱗、去內(nèi)臟與去頭裝置。首先進(jìn)行的是魚開肚去內(nèi)臟加工，其步驟如下：①通過與魚肚底部接觸的傳送帶以及2 條與魚身平行夾帶的相對運動，將前面定位好的魚自動送入機(jī)器內(nèi)部。②當(dāng)被夾帶送入的魚腹部經(jīng)過其底下高速旋轉(zhuǎn)的開肚刀鋸的時候，利用魚肚與固定的高速旋轉(zhuǎn)刀鋸的相對運動將魚肚剖開。③仿生夾具擴(kuò)膛結(jié)構(gòu)將魚肚撐開，高壓水泵將水噴射至魚肚內(nèi)側(cè)，將內(nèi)臟沖洗干凈，完成魚的開肚去內(nèi)臟加工。然后進(jìn)行的是魚去鱗加工，在魚身兩側(cè)固定安裝有去鱗毛刷，通過夾帶帶動魚身與毛刷做相對運動，同時結(jié)合高壓水，完成魚去鱗加工工序。最后進(jìn)行的是魚去頭加工，夾帶帶動魚體向前運動，當(dāng)光電開關(guān)檢測到魚體的時候，由PLC 控制器延時一定時間，啟動去頭切刀氣缸伸出閥，由氣缸帶動高速旋轉(zhuǎn)的刀鋸，將魚頭切落，完成魚的去頭加工工序。所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)邏輯動作及其設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控均由PLC 數(shù)字量輸入輸出口控制完成。

2.2 魚加工線軟件設(shè)計與實現(xiàn)

傳統(tǒng)的魚初加工設(shè)備控制系統(tǒng)僅是通過外部開關(guān)按鍵操作加工，缺少人機(jī)交互界面，系統(tǒng)信息化程度欠佳。針對這種情況，開發(fā)了包含本地監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控的界面，通過界面可以較好地進(jìn)行報警信息查詢、各開關(guān)按鈕操作、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與調(diào)用等，更加利于系統(tǒng)整體監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的柔性化。

2.2.1 本地系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計

本地系統(tǒng)監(jiān)控界面是基于昆侖通態(tài)TPC7062Ti觸摸屏開發(fā)，該屏搭載高性能Cortex-A8 CPU，系統(tǒng)運行頻率高達(dá)600 MHz，通過PROFINET 工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 建立實時通訊。圖7 所示是本地系統(tǒng)主監(jiān)控界面，通過該界面可以方便地完成觀測加工線實時報警信息、操作加工線關(guān)鍵動作、設(shè)置主要加工參數(shù)等功能，還可以簡單直觀地監(jiān)測到魚加工線的主要運行狀態(tài)，通過該界面可以進(jìn)入到其他操作界面，比如，單擊界面配方參數(shù)設(shè)置按鈕，可以轉(zhuǎn)到圖8 所示的魚加工配方參數(shù)界面，通過該界面，可以針對不同類型魚的初加工過程中主要配方參數(shù)進(jìn)行調(diào)試并保存，控制系統(tǒng)適用于各種類型魚的加工。

2.2.2 遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用分層設(shè)計原理，總體架構(gòu)如圖9 所示，主要分為感知層、通信層、存儲層以及應(yīng)用層。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通與魚加工線的主控制器PLC 通過PROFINET 以太網(wǎng)方式建立連接，實現(xiàn)魚頭尾定向、腹背定向、開肚、去內(nèi)臟、去鱗以及去頭加工信息監(jiān)控。網(wǎng)關(guān)內(nèi)帶4G 網(wǎng)絡(luò)通訊，通過MQTT 協(xié)議以及云平臺服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的打包上傳與下發(fā)[10]。

針對不同客戶群體的需求，開發(fā)了Web 端界面、手機(jī)APP 端界面以及微信小程序端界面。各監(jiān)控界面展現(xiàn)的內(nèi)容風(fēng)格一致，均可以實現(xiàn)設(shè)備報警信息實時獲取、配方參數(shù)設(shè)置、設(shè)備主要運行狀態(tài)監(jiān)控等功能，內(nèi)部建立不同用戶等級，各用戶等級通過賬號密碼登錄，執(zhí)行系統(tǒng)管理員賦予的不同權(quán)限。圖10 所示是魚加工線遠(yuǎn)程系統(tǒng)主監(jiān)控界面，通過該界面，可以清晰地監(jiān)測到設(shè)備的整體運行狀態(tài)，單擊界面相應(yīng)按鈕可對設(shè)備各邏輯動作進(jìn)行操作，也可以跳轉(zhuǎn)至其他操作頁面。通過手機(jī)APP 端、手機(jī)微信小程序端、電腦Web端可以實時監(jiān)控設(shè)備加工狀態(tài)，極大地提高了食品加工安全監(jiān)控力度。

3 結(jié)語

本文介紹了魚初加工工藝流程及其自動化控制關(guān)鍵技術(shù)，并給出了魚初加工線自動化控制系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)的方案。該系統(tǒng)實現(xiàn)了魚初加工全集成自動化控制，節(jié)省了大量的勞動力，對于不同規(guī)格種類的魚，系統(tǒng)只需選擇并下載不同壓裝配方參數(shù)即可，具備較高的柔性化設(shè)計理念。經(jīng)初步試驗分析與現(xiàn)場應(yīng)用表明，該魚初加工線控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，有效提高了生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益，市場應(yīng)用前景廣闊，對于其他水產(chǎn)品初加工設(shè)備也具有一定的參考價值。