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(kāi)發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555）

0 引言

中國(guó)是淡水魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖生產(chǎn)大國(guó)，截止2019 年年底，全國(guó)魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖總量為2 708.61 萬(wàn)t，其中淡水魚(yú)養(yǎng)殖總量為2 548.03 萬(wàn)t，占全國(guó)魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖總量的94.07%，占整個(gè)淡水養(yǎng)殖總量的84.55%。淡水產(chǎn)品加工量為558.17 萬(wàn)t，占整個(gè)淡水養(yǎng)殖總量的18.52%，國(guó)內(nèi)魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖生產(chǎn)量大，整體加工率偏低，加工需求迫切，如何實(shí)現(xiàn)魚(yú)自動(dòng)高效加工成為魚(yú)加工生產(chǎn)線控制系統(tǒng)研究領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題之一[1-2]。

魚(yú)糜、魚(yú)罐頭、魚(yú)干等魚(yú)產(chǎn)品的生產(chǎn)制造均離不開(kāi)魚(yú)前期的去鱗、開(kāi)肚、去內(nèi)臟等初加工，魚(yú)初加工自動(dòng)化水平將大大影響?hù)~(yú)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益[3]。傳統(tǒng)的魚(yú)初加工設(shè)備多以手工操作為主，自動(dòng)化程度較低，某些設(shè)備將魚(yú)去鱗、開(kāi)肚去內(nèi)臟、切頭等多個(gè)加工工序分多臺(tái)設(shè)備單獨(dú)手動(dòng)控制，甚至在加工之前的頭尾定向、腹背定向等工序仍未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，整個(gè)魚(yú)初加工工序銜接性差，人工干預(yù)程度較高，勞動(dòng)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(lèi)型魚(yú)為主，人機(jī)交互程度欠佳[3-5]。針對(duì)傳統(tǒng)魚(yú)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(jì)研發(fā)了魚(yú)自動(dòng)化初加工流水線，可實(shí)現(xiàn)魚(yú)頭尾定向、腹背定向、去鱗、開(kāi)肚、去內(nèi)臟、去頭等全自動(dòng)高效控制。

1 魚(yú)初加工工藝流程及自動(dòng)化控制關(guān)鍵技術(shù)

1.1 魚(yú)初加工生產(chǎn)工藝流程

魚(yú)初加工生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示，輸送帶首先將原料魚(yú)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(dòng)機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)變頻電機(jī)帶動(dòng)，利用魚(yú)體重心位置偏頭部的特征，實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾自動(dòng)定向。其次通過(guò)腹背定向前輸送帶的限制將魚(yú)以單條的方式傳送至魚(yú)頭尾、腹背判斷視覺(jué)檢測(cè)區(qū)域，在視覺(jué)檢測(cè)區(qū)域首先判斷頭尾定向是否正確，若不正確則啟動(dòng)剔除氣缸機(jī)構(gòu)，將前頭尾分選異常的魚(yú)剔除掉，判斷正確則進(jìn)入魚(yú)腹背定向視覺(jué)檢測(cè)，通過(guò)視覺(jué)判定腹背方向，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)氣缸的伸縮，完成魚(yú)體的自動(dòng)化腹背定向。完成魚(yú)頭尾、腹背定向的魚(yú)隨后進(jìn)入下一級(jí)的喂料裝置，實(shí)現(xiàn)魚(yú)的自動(dòng)化開(kāi)肚、高壓水去內(nèi)臟、去鱗以及去頭等初加工工序。

1.2 魚(yú)初加工線自動(dòng)化控制關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

魚(yú)自動(dòng)化初加工流水線以可編程邏輯控制器PLC、工業(yè)計(jì)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(jué)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(diǎn)在于：①如何靈活控制各電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)上述各加工工序的最佳匹配；②機(jī)器視覺(jué)模板匹配算法如何清晰地抓拍流水線上高速流動(dòng)的魚(yú)體，準(zhǔn)確高效地判定魚(yú)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(duì)應(yīng)動(dòng)作；③基于工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)云組態(tài)技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)加工流水線的微信小程序端、網(wǎng)頁(yè)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(shí)現(xiàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的柔性化設(shè)計(jì)理念。

2 魚(yú)初加工線自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)硬件部分主要以西門(mén)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(guò)全集成自動(dòng)化TIA 博途軟件平臺(tái)，配合PEOFINET 工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)魚(yú)的頭尾定向、腹背定向、開(kāi)肚去內(nèi)臟、去鱗、去頭等全集成自動(dòng)化控制[6-7]。下面將對(duì)主要控制部分的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1.1 魚(yú)頭尾定向控制實(shí)現(xiàn)

魚(yú)頭尾定向工作主要由魚(yú)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(pán)振動(dòng)單元組成，該裝置主要由2 個(gè)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其控制過(guò)程如下：首先通過(guò)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(guò)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(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速，其參數(shù)主要通過(guò)HMI 組態(tài)界面設(shè)定。當(dāng)按下頭尾定向啟動(dòng)按鈕的時(shí)候，頭尾分選提升電機(jī)啟動(dòng)，將原料魚(yú)送至頭尾分選振動(dòng)盤(pán)，頭尾分選振動(dòng)電機(jī)按照HMI 給定的頻率驅(qū)動(dòng)偏心圓盤(pán)振動(dòng)單元，利用魚(yú)體重心部位偏頭部的特征，實(shí)現(xiàn)魚(yú)的自動(dòng)化頭尾分選，并經(jīng)傳送帶傳至下一級(jí)處理裝置。

2.1.2 魚(yú)腹背定向控制實(shí)現(xiàn)

為避免魚(yú)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(jué)監(jiān)測(cè)技術(shù)引入魚(yú)腹背定向控制系統(tǒng)，整體實(shí)施方案如圖5 所示[8-9]。頭尾定向完成的魚(yú)經(jīng)傳送帶以單條排列的方式送至魚(yú)腹背定向裝置，工業(yè)相機(jī)對(duì)傳送帶上流過(guò)的魚(yú)進(jìn)行實(shí)時(shí)拍照，由工控機(jī)內(nèi)模板匹配控制算法對(duì)拍攝到的魚(yú)進(jìn)行頭尾判斷；若檢測(cè)到魚(yú)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(gè)高電平信號(hào)，PLC 檢測(cè)到該信號(hào)后，通過(guò)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(yú)剔除出去，避免其進(jìn)入下一道加工工序。

在判定魚(yú)頭尾定向正確以后，工控機(jī)內(nèi)模板匹配算法馬上對(duì)其腹背方向做出判定，當(dāng)監(jiān)測(cè)到魚(yú)背部朝左或者朝右后，工業(yè)相機(jī)控制板向PLC 對(duì)應(yīng)數(shù)字量輸入端口反饋?zhàn)笥倚盘?hào)，PLC 收到該信號(hào)后，經(jīng)內(nèi)部控制器延時(shí)一定時(shí)間，啟動(dòng)腹背翻轉(zhuǎn)氣缸伸縮閥，由腹背翻轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成魚(yú)的腹背定向，同時(shí)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(yú)送至下一級(jí)加工工序。魚(yú)頭尾、腹背視覺(jué)監(jiān)測(cè)視覺(jué)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(duì)應(yīng)的脈沖頻率輸出口以及脈沖方向輸出口控制，通過(guò)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(guò)控制脈沖方向輸出口可控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)參數(shù)與控制指令可通過(guò)HMI 監(jiān)控界面給定。

2.1.3 魚(yú)去內(nèi)臟、去鱗與去頭控制實(shí)現(xiàn)

魚(yú)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(yú)開(kāi)肚去內(nèi)臟加工，其步驟如下：①通過(guò)與魚(yú)肚底部接觸的傳送帶以及2 條與魚(yú)身平行夾帶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將前面定位好的魚(yú)自動(dòng)送入機(jī)器內(nèi)部。②當(dāng)被夾帶送入的魚(yú)腹部經(jīng)過(guò)其底下高速旋轉(zhuǎn)的開(kāi)肚刀鋸的時(shí)候，利用魚(yú)肚與固定的高速旋轉(zhuǎn)刀鋸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將魚(yú)肚剖開(kāi)。③仿生夾具擴(kuò)膛結(jié)構(gòu)將魚(yú)肚撐開(kāi)，高壓水泵將水噴射至魚(yú)肚內(nèi)側(cè)，將內(nèi)臟沖洗干凈，完成魚(yú)的開(kāi)肚去內(nèi)臟加工。然后進(jìn)行的是魚(yú)去鱗加工，在魚(yú)身兩側(cè)固定安裝有去鱗毛刷，通過(guò)夾帶帶動(dòng)魚(yú)身與毛刷做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)結(jié)合高壓水，完成魚(yú)去鱗加工工序。最后進(jìn)行的是魚(yú)去頭加工，夾帶帶動(dòng)魚(yú)體向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到魚(yú)體的時(shí)候，由PLC 控制器延時(shí)一定時(shí)間，啟動(dòng)去頭切刀氣缸伸出閥，由氣缸帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的刀鋸，將魚(yú)頭切落，完成魚(yú)的去頭加工工序。所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)邏輯動(dòng)作及其設(shè)備運(yùn)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(yú)加工線軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的魚(yú)初加工設(shè)備控制系統(tǒng)僅是通過(guò)外部開(kāi)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(duì)這種情況，開(kāi)發(fā)了包含本地監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控的界面，通過(guò)界面可以較好地進(jìn)行報(bào)警信息查詢(xún)、各開(kāi)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(jì)

本地系統(tǒng)監(jiān)控界面是基于昆侖通態(tài)TPC7062Ti觸摸屏開(kāi)發(fā)，該屏搭載高性能Cortex-A8 CPU，系統(tǒng)運(yùn)行頻率高達(dá)600 MHz，通過(guò)PROFINET 工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 建立實(shí)時(shí)通訊。圖7 所示是本地系統(tǒng)主監(jiān)控界面，通過(guò)該界面可以方便地完成觀測(cè)加工線實(shí)時(shí)報(bào)警信息、操作加工線關(guān)鍵動(dòng)作、設(shè)置主要加工參數(shù)等功能，還可以簡(jiǎn)單直觀地監(jiān)測(cè)到魚(yú)加工線的主要運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)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(yú)加工配方參數(shù)界面，通過(guò)該界面，可以針對(duì)不同類(lèi)型魚(yú)的初加工過(guò)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(lèi)型魚(yú)的加工。

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

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)原理，總體架構(gòu)如圖9 所示，主要分為感知層、通信層、存儲(chǔ)層以及應(yīng)用層。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通與魚(yú)加工線的主控制器PLC 通過(guò)PROFINET 以太網(wǎng)方式建立連接，實(shí)現(xiàn)魚(yú)頭尾定向、腹背定向、開(kāi)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(guò)MQTT 協(xié)議以及云平臺(tái)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的打包上傳與下發(fā)[10]。

針對(duì)不同客戶(hù)群體的需求，開(kāi)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(shí)現(xiàn)設(shè)備報(bào)警信息實(shí)時(shí)獲取、配方參數(shù)設(shè)置、設(shè)備主要運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能，內(nèi)部建立不同用戶(hù)等級(jí)，各用戶(hù)等級(jí)通過(guò)賬號(hào)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(yú)加工線遠(yuǎn)程系統(tǒng)主監(jiān)控界面，通過(guò)該界面，可以清晰地監(jiān)測(cè)到設(shè)備的整體運(yùn)行狀態(tài)，單擊界面相應(yīng)按鈕可對(duì)設(shè)備各邏輯動(dòng)作進(jìn)行操作，也可以跳轉(zhuǎn)至其他操作頁(yè)面。通過(guò)手機(jī)APP 端、手機(jī)微信小程序端、電腦Web端可以實(shí)時(shí)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(yǔ)

本文介紹了魚(yú)初加工工藝流程及其自動(dòng)化控制關(guān)鍵技術(shù)，并給出了魚(yú)初加工線自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方案。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了魚(yú)初加工全集成自動(dòng)化控制，節(jié)省了大量的勞動(dòng)力，對(duì)于不同規(guī)格種類(lèi)的魚(yú)，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(jì)理念。經(jīng)初步試驗(yàn)分析與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該魚(yú)初加工線控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，有效提高了生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊，對(duì)于其他水產(chǎn)品初加工設(shè)備也具有一定的參考價(jià)值。