李珊珊+袁永偉+孔德剛+楊淑華

摘要： 針對(duì)目前國內(nèi)對(duì)蝦手工分級(jí)精度差、效率低等現(xiàn)狀，主要對(duì)對(duì)蝦分級(jí)機(jī)的分級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將PLC、觸摸屏、傳感器及步進(jìn)電機(jī)控制等技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)不同尺寸規(guī)格對(duì)蝦的高精度分級(jí)，采用了分級(jí)輥中心距雙向自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，輥軸兩排通過PLC控制與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)輥軸間隙，采用在觸摸屏上依次輸入3類不同數(shù)值的高位電機(jī)與低位電機(jī)脈沖數(shù)的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高效率的對(duì)蝦分級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦分級(jí)的全自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞： 分級(jí)機(jī)；自動(dòng)控制；PLC；觸摸屏；對(duì)蝦

中圖分類號(hào)： S226.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）03-0410-03

對(duì)蝦營養(yǎng)豐富，廣受青睞[1]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國對(duì)蝦養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，2013年各種蝦類年總產(chǎn)量約160萬t[2]。由于對(duì)蝦市場(chǎng)需求量的增加，使對(duì)蝦以粗加工為主向精加工和深加工轉(zhuǎn)型，因此各種食品加工設(shè)備必不可少，而分級(jí)銷售可有效提高質(zhì)量等級(jí)化、包裝規(guī)格化程度[3]，故對(duì)分級(jí)設(shè)備的研究尤為重要。對(duì)蝦的主要品質(zhì)因素有質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味、外觀等，其中重量是較受青睞的直觀衡量因素[4-5]。故需根據(jù)對(duì)蝦規(guī)格研制分級(jí)設(shè)備，針對(duì)對(duì)蝦外形和重量進(jìn)行分級(jí)。

國外對(duì)對(duì)蝦分級(jí)設(shè)備的研究已達(dá)較高水平，但國內(nèi)研制能力相對(duì)薄弱，主要依靠手工分級(jí)，效率及精度較低，且不能保證產(chǎn)品質(zhì)量和衛(wèi)生，但引進(jìn)國外設(shè)備價(jià)格昂貴。目前對(duì)蝦分級(jí)設(shè)備主要有質(zhì)量式、光電式、外形尺寸式[6]等。質(zhì)量式分級(jí)機(jī)雖分級(jí)精度高但需逐個(gè)測(cè)量，效率差，進(jìn)行自動(dòng)上料電器元件多，不適合多水環(huán)境使用；光電式分級(jí)機(jī)主要用于機(jī)械化谷物加工；尺寸式分級(jí)機(jī)根據(jù)對(duì)蝦外形特征分級(jí)，易于操作、價(jià)格便宜，但分級(jí)間隙及轉(zhuǎn)速需手動(dòng)調(diào)節(jié)，影響了分級(jí)精度，增加了操作難度。

為此，在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)和降低成本的基礎(chǔ)上，對(duì)對(duì)蝦的物理特性進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了尺寸式輥式[7]對(duì)蝦分級(jí)機(jī)的分級(jí)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過PLC控制調(diào)節(jié)分級(jí)輥的中心距，利用調(diào)節(jié)輥軸間隙的大小完成不同體厚對(duì)蝦的分級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)蝦高效率、高精度分級(jí)。

1 對(duì)蝦分級(jí)機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化對(duì)蝦分級(jí)機(jī)應(yīng)能根據(jù)對(duì)蝦體質(zhì)量、體厚度等因素自動(dòng)完成兩輥間隙的調(diào)節(jié)。可配備清洗裝置、前輸送裝置、對(duì)蝦分散與定向裝置和成品輸送裝置，集清洗、輸送、分級(jí)于一體。其整體結(jié)構(gòu)見圖1。

對(duì)蝦分級(jí)機(jī)分為清洗模塊、輸送模塊、分散定向模塊、分級(jí)模塊及成品輸送模塊。清洗模塊包括進(jìn)水管、儲(chǔ)蝦池和出水管3部分。輸送模塊包括入料輸送帶、輸送輥和電機(jī)3部分，輸送帶表面裝有擋板，避免大傾角傳送引起對(duì)蝦滑落。分散與定向模塊由不同直徑的分散定向輪、電機(jī)、定向槽等組成，使堆疊的對(duì)蝦依據(jù)分級(jí)輥的方向分散排列。分級(jí)模塊是為了實(shí)現(xiàn)不同尺寸規(guī)格的對(duì)蝦分級(jí)，主要由5對(duì)分級(jí)輥、鏈傳動(dòng)裝置和電機(jī)組成，其中每對(duì)分級(jí)輥由固定輥和活動(dòng)輥交替分布。分級(jí)輸送裝置是為了使對(duì)蝦按不同規(guī)格輸送到相應(yīng)位置，主要包括5條出料輸送帶、傳動(dòng)部分和電機(jī)。

1.2 工作原理分析

將鮮活對(duì)蝦倒入儲(chǔ)蝦池中，在低溫下使其迅速眩暈，電機(jī)帶動(dòng)輸送帶傳動(dòng)翻攪池中對(duì)蝦完成清洗，并把部分對(duì)蝦輸送至分級(jí)輥上方，通過打散定向輪分散定向，定向后的對(duì)蝦通過導(dǎo)料板落在間隙逐漸變大的階梯形分級(jí)輥上，由于重力與反向輥軸推力作用，對(duì)蝦將沿分級(jí)輥下滑至合適間隙下落到相應(yīng)的出料輸送帶上，由輸送帶將其輸送至預(yù)定位置實(shí)現(xiàn)分級(jí)。分級(jí)精度主要取決于分級(jí)輥間中心距和輥的階梯精度，利用PLC與步進(jìn)電機(jī)控制兩輥間的中心距，提高了對(duì)蝦分級(jí)精度和效率，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化分級(jí)。

2 分級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 分級(jí)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)對(duì)蝦分級(jí)機(jī)的工作要求，綜合考慮多方面因素，控制系統(tǒng)選用的設(shè)備及對(duì)應(yīng)型號(hào)見表1。

其硬件接線圖見圖2。

分級(jí)控制系統(tǒng)整體采用PLC控制，通過2個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別控制高位與低位步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。為了保證高精度要求，在步進(jìn)電機(jī)輸出軸上利用編碼器計(jì)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輥軸間隙的精確控制。各項(xiàng)參數(shù)通過觸摸屏輸入?？刂葡到y(tǒng)原理圖見圖3。

2.1.1 PLC的硬件設(shè)計(jì) PLC的選型需綜合考慮工藝流程及應(yīng)用要求。分級(jí)控制系統(tǒng)需要6個(gè)輸入端口、5個(gè)輸出端口，且須有高速脈沖輸出功能。最終選用DVP-SS2系列PLC進(jìn)行控制。系統(tǒng)的輸入端子包括2個(gè)正限位開關(guān)、2個(gè)負(fù)限位開關(guān)、2個(gè)原點(diǎn)復(fù)位開關(guān)；輸出端子包括高位步進(jìn)電機(jī)方向和速度、低位步進(jìn)電機(jī)方向和速度、手動(dòng)/自動(dòng)控制。由表2可知PLC的輸入、輸出分配情況。

2.1.2 輥軸設(shè)計(jì) 由于市場(chǎng)上出售的多為中等規(guī)格對(duì)蝦，故輥軸的外形設(shè)計(jì)以中等規(guī)格作為參照。綜合考慮分級(jí)設(shè)備體積及輥軸剛度等因素，初擬輥軸可對(duì)整批對(duì)蝦進(jìn)行6級(jí)分級(jí)，分別為≤25尾/500 g、26～30尾/500 g、31～35尾/500 g、36～40尾/500 g、41～50尾/500 g和≥51尾/500 g 6個(gè)等級(jí)。通過對(duì)對(duì)蝦參數(shù)的分析，得出相鄰等級(jí)對(duì)蝦體厚度差值的平均值為0.91 mm，考慮到加工工藝性和磨損等因素，最終確定分選道的階梯為1.0 mm，即分級(jí)輥階梯為0.5 mm，輥軸的5階直徑為120～124 mm。通過大量試驗(yàn)得出調(diào)整好輥軸間隙后最優(yōu)的工藝參數(shù)是輥軸直徑為120 mm、轉(zhuǎn)速為70 r/min、傾角為25°，在此參數(shù)組合下分級(jí)精度和效率均最高。

2.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

主要包括2個(gè)部分：PLC的軟件設(shè)計(jì)與觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)。

2.2.1 PLC的軟件設(shè)計(jì) 采用Delta ISPSoft環(huán)境，在梯形圖下通過調(diào)用子程序?qū)Ω黜?xiàng)控制任務(wù)進(jìn)行模塊化編程[8-9]，便于程序讀取及調(diào)試。由系統(tǒng)參數(shù)的初始化、手動(dòng)/自動(dòng)調(diào)節(jié)、高位電機(jī)定位控制、低位電機(jī)定位控制等模塊組成。

PLC需要完成的控制功能有：（1）實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。（2）裝機(jī)前調(diào)試好原點(diǎn)位置，通過原點(diǎn)復(fù)位開關(guān)，在每次分級(jí)機(jī)啟動(dòng)前實(shí)現(xiàn)精確復(fù)位；通過限位開關(guān)限制活動(dòng)輥移動(dòng)的極限位置。需注意的是原點(diǎn)與負(fù)限位之間的距離須小于兩輥之間的最小間隙以避免兩輥相撞；正限位方向須保證活動(dòng)輥不撞到機(jī)架。（3）依據(jù)需分級(jí)的對(duì)蝦規(guī)格確定最佳分級(jí)間隙，快速、精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的等級(jí)定位。（4）實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)2種控制模式。手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)須具有微調(diào)功能；自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，通過PLC輸出脈沖數(shù)分別控制高位電機(jī)與低位電機(jī)的轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母帶動(dòng)調(diào)節(jié)板移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)固定輥與活動(dòng)輥中心距的調(diào)節(jié)，完成對(duì)蝦分級(jí)?？刂瞥绦蛄鞒桃妶D4。

2.2.2 觸摸屏的軟件設(shè)計(jì) 觸摸屏采用EasyBuilder8000軟件進(jìn)行畫面編輯，通過RS232接口與PLC連接，可實(shí)現(xiàn)上下載數(shù)據(jù)、在線監(jiān)控、設(shè)定參數(shù)等操作。主菜單界面見圖5。通過觸碰相應(yīng)按鈕即可完成相關(guān)動(dòng)作。

《鮮活對(duì)蝦購銷規(guī)范SB/T10524》規(guī)定對(duì)蝦規(guī)格按每 500 g 對(duì)蝦所含個(gè)數(shù)分為2～3、4～6、7～9、10～12 等16個(gè)等級(jí)，要求每一等級(jí)對(duì)蝦中不符合該級(jí)別要求的數(shù)量應(yīng)≤10%，但應(yīng)符合次一級(jí)規(guī)格要求[10]。綜合考慮各項(xiàng)因素，為了提高分級(jí)精度，觸摸屏上設(shè)有3類高位電機(jī)和低位電機(jī)的脈沖輸入窗口。觸碰相應(yīng)位置，通過觸摸屏上彈出的鍵盤即可實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)輸入，完成分級(jí)。在分類1后面輸入脈沖數(shù)后，初步實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的6級(jí)分級(jí)，較大對(duì)蝦在第6級(jí)全部落下；通過分類2

對(duì)較大對(duì)蝦繼續(xù)進(jìn)行6級(jí)分級(jí)，在第6級(jí)中，所有大對(duì)蝦全部落下；通過分類3繼續(xù)分級(jí)，實(shí)現(xiàn)剩余對(duì)蝦的6級(jí)分級(jí)。通過觸摸屏的相關(guān)操作，最終可實(shí)現(xiàn)18級(jí)對(duì)蝦分級(jí)，完全滿足了不同尺寸對(duì)蝦的分級(jí)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蝦的高精度分級(jí)。

3 結(jié)果與分析

將控制裝置安裝在對(duì)蝦分級(jí)樣機(jī)上，對(duì)分級(jí)輥中心距進(jìn)行調(diào)節(jié)試驗(yàn)。輥排兩端采用PLC控制與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過編碼器反饋給PLC，實(shí)現(xiàn)兩輥中心距雙向自動(dòng)調(diào)節(jié)，依據(jù)對(duì)蝦不同批次尺寸差異，自動(dòng)調(diào)節(jié)分級(jí)輥兩端間隙，達(dá)到所需的分級(jí)數(shù)與分級(jí)精度。

試驗(yàn)方法為在觸摸屏上依次輸入3種不同數(shù)值的高位電機(jī)與低位電機(jī)脈沖數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整批對(duì)蝦的分級(jí)。試驗(yàn)材料為從水產(chǎn)市場(chǎng)隨機(jī)購買的≤50尾/kg、51～60尾/kg、61～70尾/kg、71～80尾/kg、81～100尾/kg和≥101尾/kg 6種不同規(guī)格的對(duì)蝦，每種規(guī)格180尾，按照每組30尾隨機(jī)分成6小組，將每小組的30尾組合到1組，共6大組，然后對(duì)6組對(duì)蝦進(jìn)行分級(jí)處理，分級(jí)精度與效率的數(shù)據(jù)（表3）。為了確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性，連續(xù)購買30 d同種規(guī)格對(duì)蝦進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖6）。通過數(shù)據(jù)分析，可以看出采用分級(jí)輥中心距雙向自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，分級(jí)精度及效率均較高，分級(jí)精度≥95%，分級(jí)效率>1 050 g/s。

4 結(jié)論

結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)對(duì)蝦手工分級(jí)效率低、精度差等問題，設(shè)計(jì)了1種雙輥式對(duì)蝦分級(jí)機(jī)的分級(jí)控制系統(tǒng)。

（1）系統(tǒng)以PLC作為控制核心，綜合運(yùn)用了傳感器、PLC、觸摸屏、步進(jìn)控制等技術(shù)，采用分級(jí)輥中心距雙向自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，輥排兩端通過PLC控制與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了輥軸間隙的調(diào)節(jié)。

（2）通過觸摸屏依次對(duì)3類不同數(shù)值的高位電機(jī)與低位電機(jī)脈沖數(shù)進(jìn)行輸入，方便了操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦不同尺寸規(guī)格的分級(jí)。試驗(yàn)結(jié)果表明，分級(jí)精度及效率均較高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蝦分級(jí)的全自動(dòng)控制。

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