徐志明, 陳金成, 程 松, 陳 忠

上海電氣集團自動化工程有限公司 上海 200023

1 研究背景

水產品是人類食品的主要來源之一。與畜禽蛋白相比,水產品蛋白肉質更嫩,氨基酸、維生素、礦物質等營養(yǎng)成分更豐富,更有利于人體健康。近年來,水產品在居民膳食結構中的比重不斷提高。我國的水產品資源十分豐富,是全球水產品的主要生產國。2014年至2018年我國水產品產量如圖1所示,2018年我國水產品產量約為6 458萬t[1],占全球比重達36%。其中,水產品加工量約為2 157萬t,占年總產量的33.4%。可見,水產品行業(yè)規(guī)模龐大,加工年總產值達4 000余億元。

圖1 2014年至2018年我國水產品產量

經(jīng)過近幾十年的發(fā)展,我國水產品加工技術和產品結構有很大進步,但橫向比較,加工技術水平總體仍不高,主要體現(xiàn)在三個方面:① 水產品的加工量占總產量的比例較低,而日本、加拿大、美國等國占比達到60%以上[2];② 水產品深加工程度低,加工形式單一,同質競爭激烈;③ 我國出口水產品主要為初級產品,高附加值水產品的出口未形成規(guī)模優(yōu)勢,成本較東南亞國家高30%以上[2]。以上三方面造成我國水產品缺乏國際競爭力,大而不強,與世界水產大國的地位極不相稱[3]。至2018年,我國的水產品加工能力仍不足總產量的45%,與其它水產大國相比差距明顯,需要向內涵式發(fā)展方式轉變。由此可見,水產品加工業(yè)在我國有著廣闊的發(fā)展空間和市場前景。

水產品深加工技術與裝備是水產業(yè)加工行業(yè)能夠持續(xù)發(fā)展、轉型升級的重要因素,連接了水產品行業(yè)的生產與市場。小龍蝦是水產品中的一種典型品種,每年的消費量非常大。2013年至2018年,我國小龍蝦產量由60萬t增加至163萬t,2018年產業(yè)總產值已達3 690億元[4-5],成為世界最大的小龍蝦生產國。小龍蝦加工產品主要有蝦仁、蝦尾、原味整蝦和調味整蝦。目前,我國小龍蝦的加工方式還處于從初加工逐步發(fā)展為初加工與深加工并舉的階段[6]。

針對我國水產品深加工工藝水平較低的現(xiàn)狀,立足于從解決功能性要求的低層次提升為解決系統(tǒng)性要求的高層次,以小龍蝦為例提出水產品深加工智能制造技術與成套裝備架構,改進小龍蝦速凍熟蝦仁、速凍蝦尾、速凍調味及原味整蝦三種不同的深加工工藝,并且研制水產品深加工智能生產線及成套裝備。

2 總體方案分析

2.1 目標

總體目標為打造水產品行業(yè)的智能工廠典范。經(jīng)過對原料供應能力和投入經(jīng)濟性的分析,小龍蝦智能深加工廠的原料處理產能為200 t/d。成品產能方面,速凍熟蝦仁為6 t/d,速凍蝦尾為25 t/d、速凍調味及原味整蝦為100 t/d。同步建設先進的生產計劃管理系統(tǒng)、過程控制管理系統(tǒng)、質量管理系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、效能管理系統(tǒng)、看板系統(tǒng),實現(xiàn)小龍蝦深加工智能工廠的數(shù)字化、信息化、智能化。

2.2 總體方案

小龍蝦深加工智能工廠實現(xiàn)三種深加工工藝,對基本環(huán)節(jié)進行分解后,規(guī)劃小龍蝦深加工廠的智能化升級,目的是將生產設備的自動監(jiān)控和數(shù)據(jù)互聯(lián),將自動導引車智能物流輸送及調度系統(tǒng)、冷凍倉儲管理系統(tǒng)、冷凍倉儲控制系統(tǒng)、車間制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)等有機地集成至小龍蝦深加工智能工藝過程中。

小龍蝦深加工智能工廠的平面布局及物流走向如圖2所示,用于實現(xiàn)速凍熟蝦仁、速凍蝦尾、速凍調味及原味整蝦三種不同深加工工藝。

圖2 小龍蝦深加工智能工廠平面布局與物流走向

速凍熟蝦仁工藝具體包括原材料挑選,蒸煮,冷卻,人工去殼、去腸、去黃、分級,檢驗,漂洗、瀝水,稱重、裝袋,真空封口,金屬檢測,速凍,裝箱,冷藏。

速凍蝦尾工藝具體包括原材料挑選,清洗,蒸煮,冷卻,頭尾分離,檢驗,沖洗、瀝水,速凍,鍍冰衣,速凍,稱重、裝袋、封口,金屬檢測,裝箱,冷藏。

速凍調味及原味整蝦工藝具體包括原材料挑選,清洗,蒸煮、油炸,冷卻,分選,稱重,加調味料,裝袋、封口,金屬檢測,速凍,裝箱,冷藏。

小龍蝦深加工智能生產線的實施分為三個階段,第一階段為深加工設備升級研制及產線集成,第二階段為各產線分步物聯(lián)、線邊智能物流及倉儲建設,第三階段為各產線智能升級,完成數(shù)字化和信息化生產線的搭建。

2.3 創(chuàng)新點

筆者研究小龍蝦深加工智能制造技術和成套裝備,并應用于湖北省和湖南省的小龍蝦深加工智能生產線,將會建成全球首家進行小龍蝦深加工的智能工廠。

結合小龍蝦深加工的工藝特點,開發(fā)生產過程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、冷凍倉儲管理系統(tǒng)、冷凍倉儲控制系統(tǒng)、自動導引車智能物流輸送及調度系統(tǒng)、車間制造執(zhí)行系統(tǒng)、車間級工業(yè)通信網(wǎng)絡、企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)等,充分利用云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術,在保證信息安全的前提下,實現(xiàn)經(jīng)營、管理和決策的智能優(yōu)化。

用于小龍蝦頭尾分離的自動剝蝦尾生產線綜合運用視覺識別和高速進給控制技術,對小龍蝦的狀態(tài)、位置進行識別,并抓取小龍蝦進行剝蝦尾,有別于工業(yè)生產中固定零件的識別,帶有顯著的行業(yè)對象特點。

3 小龍蝦深加工設備升級研制與產線集成

小龍蝦深加工智能生產線生產的三類產品,其加工流程包含多個工藝環(huán)節(jié)。小龍蝦深加工模式升級如圖3所示。傳統(tǒng)的小龍蝦加工模式相對落后,加工企業(yè)仍然延用作坊式手工生產方式,技術裝備的自動化程度低,企業(yè)生產技術水平較低,生產能耗和物耗偏高,生產效率低,產品質量差,檔次低,加工成本高。采用傳統(tǒng)加工模式,社會化生產組織和管理技術水平較低,缺乏先進的生產組織和管理系統(tǒng)的優(yōu)化配置。

圖3 小龍蝦深加工模式升級

建設小龍蝦深加工智能生產線,首先需要對傳統(tǒng)生產設備進行智能升級,設備需要從原來的孤島式、手動式、模擬式,升級為聯(lián)線式、自動式、數(shù)字式,每一臺設備都配置有獨立的可編程序控制器控制單元和數(shù)據(jù)采集與控制接口,可以實現(xiàn)自動化生產設備與智能生產線數(shù)字化系統(tǒng)的無縫連接。通過網(wǎng)絡實現(xiàn)蒸煮溫度、冷凍溫度、生產速度等重要參數(shù)的精確控制和設備狀態(tài)的監(jiān)控,進行實時設備故障診斷和能效管理。重要歷史工藝參數(shù)可以保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中,需要使用時能夠直接調用,減少重新調整設置的時間成本。

對設備進行智能升級以后,需要對設備進行集成,將原來孤島式的設備集成為具備完整工藝的產線,再配置現(xiàn)代線邊智能物流及立體倉儲系統(tǒng),實現(xiàn)各產線的分步物聯(lián)。

小龍蝦深加工智能工廠能夠大幅提升各環(huán)節(jié)的工作效率,有效避免傳統(tǒng)手工操作差錯率高、效率低、時效性差等問題,可以實現(xiàn)原材料清洗、挑選、稱重、速凍保鮮、蒸煮油炸、調味、包裝、冷鏈運輸?shù)日麄€生產過程的標準化、規(guī)范化,保障產品品質,弱化人工依賴,實現(xiàn)產品的標準化、自動化生產。

4 自動剝蝦尾生產線技術

自動剝蝦尾生產線是小龍蝦深加工智能生產線的核心設備。企業(yè)原本在每年小龍蝦旺季招聘大量勞務人員來剝蝦尾,通過人工方式分離小龍蝦頭尾,生產效率低下,造成人工成本占比較高。筆者將機器人視覺識別及在線抓取技術應用于小龍蝦自動剝蝦尾生產線。機器人視覺識別及抓取單元可以對在皮帶上輸送的小龍蝦進行拍照識別,并由機器人抓取小龍蝦放置于剝離夾具中。

視覺在線檢測設備安裝在生產線上,檢測速度必須與高速生產線保持高度同步,實現(xiàn)高度同步的關鍵是圖像檢測的實時性[7]。圖像檢測過程分為圖像獲取、圖像處理和瑕疵產品判斷。圖像獲取的目的是得到高質量的可用于圖像檢測的二維圖像,其流程如圖4所示。

圖4 圖像獲取流程

圖像處理和瑕疵產品判斷指對所獲取的圖像進行分析,判斷圖像是否符合預設的要求,不符合要求的二維圖像判斷為瑕疵產品,即爛蝦。爛蝦通過執(zhí)行機構進行剔除,進而使合格產品和不合格產品自動分為兩類。

在圖像獲取過程中,生產節(jié)拍較快,生產流水線需要對產品位置進行精確感知。安裝傳感器獲取產品的工位信息后,開啟相機,并完成拍照,獲取產品圖像。產品圖像傳送至產品圖像分割與定位單元進行處理,定位出產品圖像在整幅圖像中的位置,計算出產品圖像中心。

圖像處理是在線視覺檢測的關鍵,其核心是高速圖像識別與匹配算法[8]。為了滿足快速實時處理的要求,需要建立標準樣本特征庫,事先對標準樣本圖像進行學習,然后將被檢測產品的圖像與標準樣本特征庫中的圖像進行對比,找出被檢測產品圖像特征與標準樣本特征庫中圖像特征不相符的部分。若不相符的部分超出了規(guī)定范圍,則可以判定為瑕疵產品。圖像處理流程如圖5所示,分為學習和實時檢測兩部分。

圖5 圖像處理流程

根據(jù)小龍蝦深加工智能生產線的生產節(jié)拍指標,要求在線抓取設備具有動態(tài)特性高的特點[9],因此需盡量減輕結構的質量,減小慣性,在保證剛度和強度的前提下,實現(xiàn)尺寸、外形和拓撲結構優(yōu)化。對于控制系統(tǒng),要求具有良好的穩(wěn)定性、響應速度和軌跡跟蹤能力。

5 小龍蝦深加工智能制造技術

小龍蝦產業(yè)包括養(yǎng)殖、加工、餐飲服務三個方面,結合小龍蝦深加工工藝的特點,將智能制造技術應用于小龍蝦深加工智能生產線中,促進各類物流設備互聯(lián)互通[10]。

針對小龍蝦深加工行業(yè)的特點,筆者研制了冷凍倉儲管理系統(tǒng)、冷凍倉儲控制系統(tǒng)、自動導引車智能物流輸送及調度系統(tǒng)、車間制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)等,并應用于湖北潛江和湖南岳陽兩地,建立水產品深加工智能工廠。

適合水產品深加工工藝的冷凍倉儲管理系統(tǒng)與冷凍倉儲控制系統(tǒng)如圖6所示,自動導引車智能物流輸送及調度系統(tǒng)如圖7所示。

圖6 冷凍倉儲管理系統(tǒng)與冷凍倉儲控制系統(tǒng)

圖7 自動導引車智能物流輸送及調度系統(tǒng)

小龍蝦深加工智能生產線由管理層、控制層、執(zhí)行層三部分組成,如圖8所示。管理層是一個軟件系統(tǒng),是系統(tǒng)的中樞,具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和較高的智能性?？刂茖邮窍到y(tǒng)的重要組成部分,接收來自管理層的指令,控制機械設備完成指令所傳達的任務?？刂茖訉崟r監(jiān)控設備的狀態(tài),將監(jiān)測的情況反饋至管理層,為管理層的調度決策提供參考。執(zhí)行層由自動化機械設備組成,接收控制層的指令,控制設備執(zhí)行各種操作。

圖8 小龍蝦深加工智能生產線框架

小龍蝦深加工智能生產線需要進行大量數(shù)據(jù)信息的交換,這些數(shù)據(jù)信息不斷傳輸和反饋,形成信息流。由此可見,系統(tǒng)網(wǎng)絡結構需要能夠迅速、正確、完整地收集、傳送、儲存、處理、分析數(shù)據(jù)信息,以便及時了解和掌握設備運行情況,做出決策,并協(xié)調各環(huán)節(jié)運行[11-12]。

通過對智能制造技術進行研究,建成后的小龍蝦深加工智能生產線數(shù)字化、信息化系統(tǒng)可以實現(xiàn)九大功能。

(1) 計劃管理。通過企業(yè)資源計劃或手工訂單獲取生產需求信息,結合設備、人員、物料等信息對計劃訂單進行分解和調整,可以實現(xiàn)生產計劃的靈活下達。

(2) 過程控制。通過對生產過程中人員、設備、物料等進行跟蹤,可以實現(xiàn)派工、報工、生產可視化等功能。

(3) 設備組網(wǎng)。通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)多種設備的聯(lián)網(wǎng),可以實時采集設備數(shù)據(jù)、生產工藝參數(shù)、設備運行信息。

(4) 設備管理。實時監(jiān)控設備運行狀態(tài),收集報警信息,根據(jù)故障的嚴重等級將故障信息推送至對應的管理人員和修理維護人員。

(5) 效能管理。根據(jù)設備運行的負荷高低,監(jiān)視設備的效能。

(6) 人員管理。實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)配置,包括人員、角色、權限等,提高人員的管理效率。

(7) 質量管理。建立統(tǒng)一信息平臺下的質量管理系統(tǒng),及時反映車間生產質量狀況,幫助管理人員對所有質量信息進行多層面多角度的統(tǒng)計、瀏覽,進而可以對質量控制全過程進行詳細了解,并實施責任范圍內的監(jiān)督職能。

(8) 系統(tǒng)報表。能夠對企業(yè)海量數(shù)據(jù)進行深入挖掘,結合企業(yè)的實際需要,為管理人員、各類技術人員提供統(tǒng)計分析報表。

(9) 看板系統(tǒng)。電子看板實時呈現(xiàn)所采集的生產數(shù)據(jù),實現(xiàn)現(xiàn)場目視化管理。

6 結束語

小龍蝦深加工智能制造技術與成套裝備的實施有利于規(guī)范小龍蝦加工工藝流程,實現(xiàn)生產過程的精細化管理和精確的成本核算體系,提高深加工設備的自動化程度和產品質量的一致性,減少原材料浪費損耗,降低生產過程的勞動生產力,實現(xiàn)產品的可追溯性,保證食品安全。

水產品深加工的智能制造與成套裝備具有重要意義,將會帶動水產品行業(yè)的發(fā)展,徹底改變水產品養(yǎng)殖、物流、消費等運營模式。未來,水產品加工將是技術和裝備的競爭,引進先進加工裝備,實現(xiàn)水產品就地加工,提高原料利用率,保證產品品質,是企業(yè)的發(fā)展趨勢。筆者所研究的水產品深加工智能制造技術及成套裝備可以提供借鑒和參考。