許海波，趙錫和，陳遠輝，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構(gòu)組成，通過變頻電機帶動，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構(gòu)，將前頭尾分選異常的魚剔除掉，判斷正確則進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)計算機以及觸摸屏為控制核心，結(jié)合工業(yè)相機、變頻調(diào)速電機、步進電機、氣缸等執(zhí)行元件，并引入機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轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)上述各加工工序的最佳匹配；②機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 大屏端的遠程監(jiān)控功能，進一步保證食品加工的食品安全性，設(shè)備維護控制的方便快捷性，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、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)方式進行詳細介紹。

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，頭尾分選提升電機啟動，將原料魚送至頭尾分選振動盤，頭尾分選振動電機按照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)相機對傳送帶上流過的魚進行實時拍照，由工控機內(nèi)模板匹配控制算法對拍攝到的魚進行頭尾判斷；若檢測到魚體頭尾反向，工業(yè)相機控制板則向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，避免其進入下一道加工工序。

在判定魚頭尾定向正確以后，工控機內(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)行機構(gòu)完成魚的腹背定向，同時經(jīng)腹背定向機構(gòu)上的步進電機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。其中腹背定向機構(gòu)的步進電機由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電機轉(zhuǎn)速高低，通過控制脈沖方向輸出口可控制步進電機的正反轉(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、腹背定向后進入到去鱗、去內(nèi)臟與去頭裝置。首先進行的是魚開肚去內(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)控與遠程監(jiān)控的界面，通過界面可以較好地進行報警信息查詢、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 遠程系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計

遠程監(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)備各邏輯動作進行操作，也可以跳轉(zhuǎn)至其他操作頁面。通過手機APP 端、手機微信小程序端、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。