王志勇,馮書慶,諶志新,湯濤林

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點實驗室，上海 200092)

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人們對鮮活水產(chǎn)品的需求與日俱增，從生產(chǎn)場所到水產(chǎn)品加工場所對水產(chǎn)品的鮮度、品質(zhì)要求越來越高。目前，中國國內(nèi)95%的淡水魚以鮮活方式流通，銷往全國各地。淡水活魚在生產(chǎn)流通過程中的生產(chǎn)成本、流通效率、流通成本以及質(zhì)量和安全成為影響淡水活魚流通的重要因素。淡水活魚流通主要由活魚養(yǎng)殖、運輸、暫養(yǎng)、裝卸、分銷環(huán)節(jié)組成[1-4]。目前，國內(nèi)大中型水庫或湖泊捕魚后，從捕獲場所將產(chǎn)品移送至岸上基本是通過船載，從船上將產(chǎn)品稱至其他運輸工具基本是使用傳統(tǒng)的抄網(wǎng)或塑料筐等，人工稱重后裝入活魚車。不僅勞動強度大、生產(chǎn)效率低，還容易導(dǎo)致魚體損傷或死亡[5-6]。因此，如何利用機械化作業(yè)，降低勞動強度，提高工作效率，實現(xiàn)漁業(yè)生產(chǎn)安全、高效，成為亟須解決的問題。國內(nèi)外先后針對池塘或網(wǎng)箱養(yǎng)殖研發(fā)了機械化活魚起捕設(shè)備，作業(yè)方式通過皮帶式或鏈斗式提升裝置將活魚輸送到活魚運輸車，或者通過吸魚泵抽吸起捕，一般與卡車配套使用，構(gòu)成活動式起捕裝置[7-11]。針對需要轉(zhuǎn)運的活魚規(guī)格較大(平均體質(zhì)量10 kg以上)，用于起捕活魚的真空吸魚泵主要依靠國外進(jìn)口，價格比較昂貴。基于此，研制了有別于上述裝備的一種斗式機械化提升和滑槽輸送裝置，實現(xiàn)活魚機械化裝卸、自動稱重計量系統(tǒng)，降低工人勞動強度、提高工作效率。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

活魚近距離轉(zhuǎn)運稱重計量系統(tǒng)(以下簡稱“轉(zhuǎn)運系統(tǒng)”)主要功能有機械化轉(zhuǎn)運、過程自動稱重計量。總體結(jié)構(gòu)由滑槽輸送裝置、魚斗提升和翻倒裝置及魚體稱重計數(shù)裝置組成。主要部件包括2個進(jìn)魚滑槽、2套提升設(shè)備、1套自動稱重計量和統(tǒng)計系統(tǒng)和1個主滑槽(圖1)。

工作原理：利用抄網(wǎng)將活魚放入進(jìn)魚滑槽，進(jìn)魚滑槽底端開有漏魚孔，在水流作用下，魚下滑到中間漏魚孔，經(jīng)轉(zhuǎn)接槽進(jìn)入到提升魚斗中，在魚斗裝魚過程中，魚斗隨護(hù)欄保持于水中，確保魚不離水。魚斗和升降框沿主架導(dǎo)軌上下移動，當(dāng)卷揚機提升到一定高度后，氣缸控制魚斗翻轉(zhuǎn)，魚進(jìn)入主滑槽內(nèi)。在主滑槽前端底部安裝有稱重計量裝置，通過滑槽吊臂將活魚送至運輸車[12-18]。

圖1 活魚近距離轉(zhuǎn)運稱重計量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

技術(shù)參數(shù)：主架長L=1.5 m，寬B=1.0 m，高H=6.5 m，進(jìn)魚滑槽≥13 m；單魚斗最大起魚量300 kg；空壓機排氣量250 L/min，排氣壓力≤1.6 MPa；卷揚機提升速度 15 m/min，最大起重量500 kg；儲氣罐容積1.5 m3，工作壓力0.8 MPa；平臺高度差Δh=(400±200) mm，傳送距離Δl≤13.5 m。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

稱重計量系統(tǒng)的控制部分選用Siemens S7-200型PLC。自動、手動兩種控制模式可以滿足不同工況需要。PLC作為系統(tǒng)的核心控制器件，集成開、停機控制、運行流程控制、電源裝置狀態(tài)量的采集、位置信號采集、設(shè)置和顯示參數(shù)、邏輯計算、與電子稱重計量裝置通信等功能。上位機采用研華I5 4G工控機，除了具備抗沖擊、防塵、防輻射等特點外還提供豐富的IO擴展，上位機與PLC采用TCP/IP通信協(xié)議通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行通訊，上位機與電子臺秤則通過二次儀表提供的RS232串口連接進(jìn)行通訊。此外，上位機與打印設(shè)備則采用并口連接通訊。所有硬件執(zhí)行機構(gòu)和傳感器部件全部通過連接PLC，最終與PC端軟件實施交互通訊，從而完成活魚的自動稱重計量與輸送控制。

2.1 硬件設(shè)計及分析

系統(tǒng)硬件控制主要包括電源總開關(guān)、水泵、空壓機、提升卷揚機，系統(tǒng)控制原理如圖2所示。系統(tǒng)硬件主要由PLC、變頻器、光電傳感器、限位開關(guān)、繼電器等組成，輸入部分由伸縮氣缸、限位開關(guān)組成；輸出部分由起升電機、翻倒魚斗、上/下閘門等組成，完成活魚提升、翻倒及選擇，輸入輸出端子功能如表1所示。

圖2 系統(tǒng)電氣控制原理圖

系統(tǒng)控制流程如下：開機后進(jìn)行空載試驗，確認(rèn)卷揚機、行程開關(guān)正常，并在靜止?fàn)顟B(tài)下將電子臺秤歸零。測試急停開關(guān)，無異常再向下進(jìn)行，否則立即停止。轉(zhuǎn)運前，調(diào)節(jié)主滑槽的傾斜度以適應(yīng)運輸車輛的高度差，選擇3號或4號氣缸工作保持下閘門開啟狀態(tài)，開啟前確認(rèn)閘門對應(yīng)的提升斗已就位。提升斗內(nèi)裝滿合適重量活魚后，開啟1號或2號卷揚機進(jìn)行提升，同時關(guān)閉3號或4號氣缸，主架上設(shè)有行程開關(guān)，升降框和魚斗提升到指定位置會自動停止。魚斗提升到指定位置后PLC控制1號或2號氣缸進(jìn)行翻倒作業(yè)，翻倒活魚之前保持5號氣缸處于上閘關(guān)閉狀態(tài)，以方便靜止后活魚稱重計量。為保證稱重計量精度，在計算機確認(rèn)重量讀數(shù)前，暫停提升架關(guān)聯(lián)的一切操作。稱重完成后，開啟5號氣缸提升閘門，水閥輔助沖水，同時將升降框及魚斗下降復(fù)位，活魚從主滑槽上部滑下，進(jìn)入岸上的活魚運輸車上盛魚裝置，主滑槽末端采用可伸縮設(shè)計，方便調(diào)節(jié)主滑槽到運輸車距離。

表1 輸入輸出地址功能表

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)分為PLC端和上位機端，PLC端基于西門子S7-200梯形圖程序，主要完成硬件時序邏輯控制、開關(guān)自鎖互鎖控制等，包括沖水閥門開關(guān)、魚斗傾倒氣缸開關(guān)、魚斗升降開關(guān)等電子器件的直接操控，系統(tǒng)控制流程如圖3所示。上位機操作界面設(shè)計基于LabVIEW平臺編寫，該平臺能與整個硬件系統(tǒng)無縫連接。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要完成對PLC控制器的操作及參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)監(jiān)控、與電子臺秤通訊控制、數(shù)據(jù)庫存儲操作、報表輸出打印等功能。軟件使用Windows XP，Windows7操作系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)選用Access 2010。Windows操作系統(tǒng)集成了各種向?qū)Ш蜕善鞴ぞ?，支持本地?shù)據(jù)庫或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的連接。數(shù)據(jù)庫主要對輸送的活魚數(shù)量、活魚質(zhì)量等數(shù)據(jù)作日常記錄和儲存[19-21]。

圖3 系統(tǒng)控制流程

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該活魚近距離轉(zhuǎn)運稱重計量系統(tǒng)在千島湖淳魚養(yǎng)殖基地安裝使用，根據(jù)岸上活魚車位置高度，主滑槽出魚口離躉船甲板高度設(shè)計為2.6 m，出口高度可以通過手動卷揚機適當(dāng)調(diào)整，主滑槽入魚口離甲板高度4.0 m，使主滑槽斜度能夠保證活魚平緩下滑，減小沖擊。卷揚機通過動滑輪提升魚斗，由于起升距離較短，為減少魚類跳動，魚斗提升選用慢速卷揚機(額定速度小于20 m/min)，起升過程中護(hù)欄沿導(dǎo)軌上下滑動，運行平穩(wěn)，噪音小，工作安全可靠，可以在控制室自動化操作。提升卷揚機帶有自動剎車，能在上升和下降過程中的不同位置安全實現(xiàn)自鎖。魚斗翻倒采用氣缸控制，翻倒平穩(wěn)。系統(tǒng)稱重誤差率小于0.5%，日均轉(zhuǎn)運量12 t，提高了活魚近距離轉(zhuǎn)運效率。另外，在活魚近距離轉(zhuǎn)運稱重計量過程中，只有在活魚提升和稱重過程中會短時離開水，由于時間很短，對活魚影響很小。

在該系統(tǒng)使用之前，活魚由湖邊暫養(yǎng)網(wǎng)箱運到岸上運輸車，轉(zhuǎn)運工作全部由人力完成，僅岸基抬魚工作就需要6組12個人工連續(xù)工作6 h完成，效率很低、工作量大、人力成本非常高，采用該裝置后，人力投入減少約70%，提高了活魚轉(zhuǎn)運流通效率[22-25]。

4 結(jié)論

活魚近距離轉(zhuǎn)運稱重計量系統(tǒng)主要針對靠岸網(wǎng)箱或船載活魚轉(zhuǎn)運到岸基或碼頭運輸車，轉(zhuǎn)運過程需時較短，轉(zhuǎn)運過程中無需供氧裝置。轉(zhuǎn)運輸送過程魚道采用不銹鋼滑槽及帶水滑行，魚體鮮活無損。系統(tǒng)采用PLC實現(xiàn)自動化控制，電子儀器自動稱重計量和統(tǒng)計，提高了機械設(shè)備的控制精度及可靠性，提高了工作時效，減少了人為統(tǒng)計疏失。整個轉(zhuǎn)運過程機械化操作，改變了傳統(tǒng)漁業(yè)生產(chǎn)作業(yè)模式。但也存在一些不足之處，如當(dāng)湖中水位過低時，需要移位躉船來適應(yīng)岸上活魚車位置，后續(xù)將在現(xiàn)有稱重計量系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化升級，將活魚提升架以及主滑槽設(shè)計成可升降式結(jié)構(gòu)，消除躉船受水位變化的影響，進(jìn)一步提升該系統(tǒng)的適用性和高效性。另外，活魚稱重計量過程可以考慮采用模糊視覺識別技術(shù)，在稱重計量系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中增添魚體條數(shù)自動計量功能，解決進(jìn)、出魚數(shù)量登記的問題，進(jìn)一步豐富數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，并為今后開展魚體輪廓、重量視覺識別技術(shù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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