冰凍雜魚切塊機精準自動控制技術研究

朱 燁， 江 濤， 洪 揚， 陳 超， 倪 琦

(1 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海，200092； 2 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點試驗室，上海，200092)

冰凍雜魚切塊機精準自動控制技術研究

朱 燁1， 江 濤1， 洪 揚2， 陳 超2， 倪 琦1

(1 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海，200092； 2 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點試驗室，上海，200092)

為提高漁業(yè)養(yǎng)殖效率，改變現(xiàn)有雜魚塊不平整和破碎率較高等缺點，研制了一種自動化程度較高的冰凍雜魚切塊機。采用變頻調(diào)速技術，以通用串行通信接口通訊協(xié)議實現(xiàn)西門子PLC與MM440變頻器通訊，用普通齒輪減速電機進行雜魚切塊寬度調(diào)節(jié)，用測距傳感器進行精確測距，對射式光電計數(shù)器進行切塊計數(shù)。通過PLC控制變頻器參數(shù)，設置減速電機的運行參數(shù)，再運用PLC與上位機之間的串口通訊，實現(xiàn)良好的人機交互，從而完成切塊機精準自動控制。性能測試結(jié)果顯示，在額定電壓400 V條件下，切塊速度25～35塊/min，可將600 mm×400 mm×80 mm的雜魚板切成寬60～90 mm，寬度可調(diào)；空載狀態(tài)下，功率0.26 kW，負載運行時的轉(zhuǎn)速、功率、扭矩成正比。在指定寬度下，切塊精度為±5%，切塊個數(shù)準確。研究表明，該控制系統(tǒng)可靠，適合在沿海漁業(yè)養(yǎng)殖中應用推廣。

切塊機；變頻調(diào)速；PLC；步進電機；光電計數(shù)器

牙鲆(Paralichthysolivaceus)主要棲息在淺海的沙質(zhì)海底，以捕食小魚蝦為主。牙鲆前期人工養(yǎng)殖仍需要投喂冰鮮雜魚塊，目前主要通過人工用鍘刀或家用菜刀把冰凍雜魚板切成條塊，耗時耗力，效率低下。本文研發(fā)的冰凍雜魚切塊機，以自動化機械代替人工，提高作業(yè)效率，降低成本。目前，與冰凍雜魚切塊技術相關的研究較少，如：馬鈴薯種薯自動切塊機[1]采用圖像識別技術對芽眼識別進行研究，但其控制系統(tǒng)中未采用觸摸屏，控制性能不高；面團切塊機[2]采用傳感器等裝置，運用可編程控制器統(tǒng)一控制，但機械結(jié)構(gòu)復雜，未采用觸摸屏；檸檬切塊機[3]采用獨特刀具組合件，可處理較大尺寸水果，衛(wèi)生水平提高，但機械設計較復雜；多功能果蔬鮮切機[4]采用離心切削法，方便拆裝刀具，可連續(xù)喂料。相關專利包括豬肉切塊機[5]、冷鮮肉切塊機[6]等。

目前市場上較多的成品切塊設備有凍肉切塊機、魚肉切塊機等，多數(shù)用于食品加工。其中冰凍雜魚切塊機械自動化程度較低，切塊不平整。針對實際需求，本文設計了全自動冰凍雜魚切塊機。

1 主要結(jié)構(gòu)

冰凍雜魚切塊機由步進電機調(diào)距系統(tǒng)、變頻器調(diào)速系統(tǒng)、計數(shù)器系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成(圖1)。

1.1步進電機調(diào)距系統(tǒng)

由于步進電機[7]具有精度高、慣性小、工作可靠的特點，在開環(huán)控制系統(tǒng)中能快速、準確地實現(xiàn)動作，因此被廣泛應用[8-9]。本系統(tǒng)選擇了普通齒輪減速電機(57BYGH1.8°)，在魚塊進料方向設計了彈性擋塊，通過調(diào)節(jié)前后位置來調(diào)整魚塊寬帶，同時還有對魚塊進行緩沖、防止魚塊被切碎的作用。實際切塊調(diào)距的數(shù)學模型如下圖2所示。

圖1 冰凍雜魚切塊機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of frozen fish cutting machine

圖2 電機調(diào)距數(shù)學模型Fig.2 Mathematical model of motor control

圖中：G為雜魚塊的重量(N)；FN為支持力(N)；F為壓力(N)；T為彈簧的彈力(N)；f為摩擦力(N)；μ為摩擦系數(shù)；r為彈簧變形量(mm)；α為傾斜角度；d為步進電機的調(diào)節(jié)距離(mm)。

根據(jù)受力分析可得[10]

(1)

f=μFN

(2)

彈簧變形量[11]：

(3)

C=D/d1

(4)

式中：n為彈簧有效圈數(shù)(圈)；D為彈簧中徑(mm)；d1為材料直徑(mm)；F為彈簧的工作負載(N)；C為旋繞比；G1為切變模量(MPa)。

在試驗中，測量得到G=180N，α=45°，冰在鐵上摩擦系數(shù)μ=0.027，可求出彈簧工作負載F=127.3N，彈簧的彈力T=123.9N，由于采用三組彈簧支撐，所以單個彈簧的彈力T1=T/3。根據(jù)設計查詢彈簧材料，得到參數(shù)n=5.5，d1=2mm,D=25mm,G1=79 GPa,求得r=22.5mm。

計算值與實際值存在誤差，原因是由于摩擦系數(shù)為純冰塊，雜魚塊的摩擦系數(shù)可能會偏大，若摩擦系數(shù)變大則計算的彈簧變形量會減小。通過計算可知，彈簧變形量和彈簧工作負載F成正比。然而，F(xiàn)是一個變量，經(jīng)過理論計算，可得：

(5)

式中：ρ為冰塊的密度；a、b、c分別為雜魚塊的長、寬、高；g為重力加速度；F1為第一次彈簧工作負載；Fn為第n次彈簧工作負載。根據(jù)條件可知，彈簧變形量數(shù)學模型為：

r=0.127(Fn-282.24a)

(6)

設定運行距離的參數(shù)數(shù)值傳送給PLC，經(jīng)過其內(nèi)部數(shù)據(jù)處理[12]，將移動脈沖信號、方向信號和速度信號給步進電機驅(qū)動器，由驅(qū)動器控制步進電機。設計長度為(60～90 mm)。

1.2變頻調(diào)速系統(tǒng)

根據(jù)設計，需要自由選擇切塊頻率，降低設備故障率，延長設備壽命，并且考慮節(jié)能特點。選用西門子變頻器MM440進行變頻電機調(diào)速。根據(jù)異步電機轉(zhuǎn)速公式[13]為

(7)

電機旋轉(zhuǎn)磁場極對數(shù)p是一定的，電機轉(zhuǎn)速n和頻率f1成正比，而轉(zhuǎn)差率s是人為定義的，通過改變頻率即可改變轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速原理。PLC與變頻器調(diào)速控制方式有好多種，比較實用的有固定頻率控制和二進制編碼選擇控制[14]。本文應用變頻器的USS協(xié)議進行通訊[15-17]。在編程軟件中，應用指令庫支持USS協(xié)議，可實現(xiàn)對變頻器的編程。然后再進行變頻器主要參數(shù)設定，相關參數(shù)相配合，實現(xiàn)變頻調(diào)速功能。西門子變頻器可作為一種很好的通信鏈路[18]，可提高可靠性、減少接線和開發(fā)費用、降低成本。調(diào)速范圍為(25～35塊/min)。

1.3計數(shù)器系統(tǒng)

電傳感器檢測模式有對射式、反射板式、聚焦式等[19]通過可靠性和防水性對比，本系統(tǒng)采用對射式，其檢測物體不受檢測背景和被測物顏色的影響，測距遠，防水性能好，檢測距離0～10 m。由于沿海地區(qū)環(huán)境較惡劣，運用其他計數(shù)方式可能會出現(xiàn)失靈或不準確的現(xiàn)象。在設計中也考慮到特殊情況，如兩塊雜魚塊出現(xiàn)連續(xù)遮擋會導致計數(shù)不準確，因此在程序設計中，當超過一定時間則計數(shù)為兩塊。計數(shù)器安裝在出料斗兩側(cè)(圖3)。

圖3 對射式檢測模式Fig.3 Correlative detection mode

1.4電氣控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要采用PLC為控制核心，以液晶觸摸屏為人機交互窗口，并結(jié)合相應軟件、變頻裝置、計數(shù)傳感器、測距傳感器、步進電機及相應的執(zhí)行元器件對冰凍雜魚切塊機進行自動控制。

2 工作原理

首先將冰凍的雜魚板(規(guī)格為600 mm×400 mm×80 mm)，平整地放入切塊機入口處，然后從觸摸屏輸入切塊長度，調(diào)節(jié)范圍為(60～90 mm)；切塊速度調(diào)節(jié)范圍為(25 ～35 塊/min)。切塊機按照設定的速度轉(zhuǎn)動，將大的雜魚塊切成設定寬度的雜魚塊，切塊數(shù)量可通過觸摸屏顯示。當重新設定新的寬度時，按下復位按鈕，步進電機回到初始位置，重新設置切塊長度。如果發(fā)生切塊機切不動魚塊，或者魚塊不從出料口出料等突發(fā)情況，可按下緊停按鈕，切塊機停止運行。

3 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)由硬件和軟件組成，控制系統(tǒng)原理[20]見圖4。

3.1硬件選型

選用SIEMENS S7-200，其中CPU為224XP型(14點輸入，10點輸出)；開關電源輸入120/230V AC，輸出24V/5A DC；觸摸屏選用SIEMENS Smart 700IE，觸摸屏與PLC之間通訊采用RS485口。變頻器選用西門子MM440，功率1.5 kW。PLC與變頻器之間采用UUS通訊。步進電機選用57BYGH1.8°，計數(shù)器為G12A-M1002/1型常開對射傳感器，測距傳感器為SW-LD50A型。

3.2軟件設計

3.2.1 觸摸屏界面設計

控制系統(tǒng)軟件分為觸摸屏界面和系統(tǒng)控制兩部分。觸摸屏界面軟件采用WINCC Flexible 2008組態(tài)軟件[21]編寫，存放于觸摸屏內(nèi)存中，實現(xiàn)設備參數(shù)、運行動態(tài)參數(shù)等的輸入、讀取和顯示。在冰凍雜魚切塊機制作中，切塊機的急停保護操作可在控制面板中進行。從上位機中輸入數(shù)字信號，直接送入PLC輸入端，最后在上位機中顯示信號值。由于控制系統(tǒng)采用虛擬開關，減少了開關和中間繼電器，接線布局清晰，操作方便。

圖4 自動控制系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of automatic control system

3.2.2 系統(tǒng)軟件設計

在控制系統(tǒng)中，需要協(xié)調(diào)變頻、調(diào)距、計數(shù)三者的相互關系，編寫程序(表1)。

表1 PLC的I/O口分布Tab.1 Distribution of I/O in PLC

將程序設置的參數(shù)和對應的點相互對接，再用通信線將PLC與變頻器連接進行USS協(xié)議通訊。精確調(diào)距技術是主要研究內(nèi)容。每次切塊長度要求保持一致，當每次雜魚塊切完后，剩下的雜魚塊重量會減少，則切塊距離需要重新校準。使用數(shù)學模型計算得到每次彈簧的變形量，得到步進電機可調(diào)距離，再運用測距傳感器進行測量反饋，從觸摸屏界面中顯示測量距離，從而保證切塊長度準確。PLC產(chǎn)生800個脈沖，步進電機帶動絲桿，絲桿運行一圈的距離為4 mm，根據(jù)需要行走的距離s，PLC發(fā)送的脈沖則為200×s。

在軟件分析過程中，考慮到起始點的問題，加入限位開關作為初始點定位。試驗過程中，切塊長度可以通過改變步進電機正反轉(zhuǎn)進行調(diào)節(jié)，運行轉(zhuǎn)速可以通過改變變頻器頻率進行調(diào)節(jié)。

4 系統(tǒng)試驗及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)方案設計和分析，搭建系統(tǒng)并進行試驗。電機選用四級變頻減速電機，功率1.1 kW，減速機傳動比55.5，額定扭矩420 N·m。設置好切塊長度和切塊速度，變頻電機就會帶動高強度凸輪，驅(qū)動硬質(zhì)不銹鋼刀具做上下切塊動作。

4.1測試性能分析

試驗中進行了空載和負載運行參數(shù)比較。負載運行時，電流瞬時變大，功率升高，原因是電動機負載和電流成正比，其扭矩也會增大。在轉(zhuǎn)速25 塊/min狀態(tài)下，空載運行功率很小，在切冰凍雜魚的瞬間，功率變大。整個試驗過程都在額定電流、額定轉(zhuǎn)矩下完成。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 冰凍雜魚切塊機性能試驗Tab.2 Frozen fish cutting machine performance test

4.2切塊寬度分析

試驗結(jié)束后得到表3數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，設定寬度和測量寬度相差不大，相差最大的為3 mm，原因是彈簧補償不夠。雖然在調(diào)距中加入補償，但由于雜魚塊大小不同、形狀不規(guī)則、底部不平整，導致中間雜魚塊寬度誤差會稍大，導致實際結(jié)果有誤差(誤差率±5%)。但對投喂飼料來講，可滿足實際需要。

表3 冰凍雜魚塊寬度測量Tab.3 Width measurement of frozen fish fillet

5 結(jié)論

冰凍雜魚切塊機不僅大幅降低勞動力，節(jié)約勞動成本，而且提高了工作效率。采用變頻調(diào)速、步進調(diào)距、光電計數(shù)等技術，實現(xiàn)了速度可調(diào)范圍(25～35塊/min)，切塊條狀長度可選(60～90 mm)，光電計數(shù)準確的功能。試驗過程中，在額定工作電壓400 V條件下運行，切塊平整、誤差率為±5%，可以連續(xù)進行運行，設備安全可靠。在未來遠洋養(yǎng)殖牧場中，冰凍雜魚切塊機可用于切塊整齊、形狀規(guī)則的小方塊鮮活飼料，進行投飼。

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Researchonaccurateautomaticcontroltechnologyoffrozenfishcuttingmachine

ZHUYe1,JIANGTao1,HONGYang2,CHENChao2,NIQi1

(1FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China; 2KeyLaboratoryofFisheryEquipmentandEngineering,MinistryofAgriculture,Shanghai200092,China)

In order to improve the efficiency of fishery breeding and overcome such shortcomings of existing fish fillets as out of flatness and high breakage rate, a frozen fish cutting machine with high degree of automation is developed. Frequency control technology is applied to realize communication between Siemens PLC and MM440 frequency converter via communication protocol of general serial communication interface, general gear reducer motor is used for width adjustment of fish fillets, distance measurement sensor is used for accurate distance measurement, and correlative photoelectric counter is used for fish fillet counting. PLC is used to control the parameters of frequency converter and set operating parameters of reducer motor, and serial communication between PLC and upper computer is applied to realize good human-computer interaction, thus completing accurate automatic control of the cutting machine. The performance test results show that when the rated voltage is 400 V, the cutting speed is 25-35 fillets/min; fish board of 600 mm×400 mm×80 mm may be cut into an adjustable width of 60-90 mm; in unloaded state, the power is 0.26 kW, and the speed, power and torque are directly proportional during load run. When the width is designated, the cutting precision is ±5% and the number of fillets is accurate. The research shows that the control system is reliable and suitable for the application in coastal fishery breeding.

cutting machine; frequency control; PLC; stepper motor; photoelectric counter

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.05.009

2017-06-05

國家鲆鰈類產(chǎn)業(yè)技術體系(CARS-50-G04);中國水產(chǎn)科學研究院基本科研業(yè)務費專項(2017LKY046)

朱燁(1990—)，男，碩士研究生，研究方向：漁業(yè)儀器自動化。E-mail：zhuye@fmiri.ac.cn

江濤(1969—)，男，研究員，研究方向：漁業(yè)機械儀器設計。E-mail：jiangtao@fmiri.ac.cn

TP29

A

1007-9580(2017)05-045-06