活魚(yú)近距離轉(zhuǎn)運(yùn)稱(chēng)重計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王志勇,馮書(shū)慶,諶志新,湯濤林

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)鮮活水產(chǎn)品的需求與日俱增，從生產(chǎn)場(chǎng)所到水產(chǎn)品加工場(chǎng)所對(duì)水產(chǎn)品的鮮度、品質(zhì)要求越來(lái)越高。目前，中國(guó)國(guó)內(nèi)95%的淡水魚(yú)以鮮活方式流通，銷(xiāo)往全國(guó)各地。淡水活魚(yú)在生產(chǎn)流通過(guò)程中的生產(chǎn)成本、流通效率、流通成本以及質(zhì)量和安全成為影響淡水活魚(yú)流通的重要因素。淡水活魚(yú)流通主要由活魚(yú)養(yǎng)殖、運(yùn)輸、暫養(yǎng)、裝卸、分銷(xiāo)環(huán)節(jié)組成[1-4]。目前，國(guó)內(nèi)大中型水庫(kù)或湖泊捕魚(yú)后，從捕獲場(chǎng)所將產(chǎn)品移送至岸上基本是通過(guò)船載，從船上將產(chǎn)品稱(chēng)至其他運(yùn)輸工具基本是使用傳統(tǒng)的抄網(wǎng)或塑料筐等，人工稱(chēng)重后裝入活魚(yú)車(chē)。不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，還容易導(dǎo)致魚(yú)體損傷或死亡[5-6]。因此，如何利用機(jī)械化作業(yè)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)漁業(yè)生產(chǎn)安全、高效，成為亟須解決的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外先后針對(duì)池塘或網(wǎng)箱養(yǎng)殖研發(fā)了機(jī)械化活魚(yú)起捕設(shè)備，作業(yè)方式通過(guò)皮帶式或鏈斗式提升裝置將活魚(yú)輸送到活魚(yú)運(yùn)輸車(chē)，或者通過(guò)吸魚(yú)泵抽吸起捕，一般與卡車(chē)配套使用，構(gòu)成活動(dòng)式起捕裝置[7-11]。針對(duì)需要轉(zhuǎn)運(yùn)的活魚(yú)規(guī)格較大(平均體質(zhì)量10 kg以上)，用于起捕活魚(yú)的真空吸魚(yú)泵主要依靠國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格比較昂貴?；诖?，研制了有別于上述裝備的一種斗式機(jī)械化提升和滑槽輸送裝置，實(shí)現(xiàn)活魚(yú)機(jī)械化裝卸、自動(dòng)稱(chēng)重計(jì)量系統(tǒng)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

活魚(yú)近距離轉(zhuǎn)運(yùn)稱(chēng)重計(jì)量系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)”)主要功能有機(jī)械化轉(zhuǎn)運(yùn)、過(guò)程自動(dòng)稱(chēng)重計(jì)量?？傮w結(jié)構(gòu)由滑槽輸送裝置、魚(yú)斗提升和翻倒裝置及魚(yú)體稱(chēng)重計(jì)數(shù)裝置組成。主要部件包括2個(gè)進(jìn)魚(yú)滑槽、2套提升設(shè)備、1套自動(dòng)稱(chēng)重計(jì)量和統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)和1個(gè)主滑槽(圖1)。

工作原理：利用抄網(wǎng)將活魚(yú)放入進(jìn)魚(yú)滑槽，進(jìn)魚(yú)滑槽底端開(kāi)有漏魚(yú)孔，在水流作用下，魚(yú)下滑到中間漏魚(yú)孔，經(jīng)轉(zhuǎn)接槽進(jìn)入到提升魚(yú)斗中，在魚(yú)斗裝魚(yú)過(guò)程中，魚(yú)斗隨護(hù)欄保持于水中，確保魚(yú)不離水。魚(yú)斗和升降框沿主架導(dǎo)軌上下移動(dòng)，當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)提升到一定高度后，氣缸控制魚(yú)斗翻轉(zhuǎn)，魚(yú)進(jìn)入主滑槽內(nèi)。在主滑槽前端底部安裝有稱(chēng)重計(jì)量裝置，通過(guò)滑槽吊臂將活魚(yú)送至運(yùn)輸車(chē)[12-18]。

圖1 活魚(yú)近距離轉(zhuǎn)運(yùn)稱(chēng)重計(jì)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

技術(shù)參數(shù)：主架長(zhǎng)L=1.5 m，寬B=1.0 m，高H=6.5 m，進(jìn)魚(yú)滑槽≥13 m；單魚(yú)斗最大起魚(yú)量300 kg；空壓機(jī)排氣量250 L/min，排氣壓力≤1.6 MPa；卷?yè)P(yáng)機(jī)提升速度 15 m/min，最大起重量500 kg；儲(chǔ)氣罐容積1.5 m3，工作壓力0.8 MPa；平臺(tái)高度差Δh=(400±200) mm，傳送距離Δl≤13.5 m。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

稱(chēng)重計(jì)量系統(tǒng)的控制部分選用Siemens S7-200型PLC。自動(dòng)、手動(dòng)兩種控制模式可以滿足不同工況需要。PLC作為系統(tǒng)的核心控制器件，集成開(kāi)、停機(jī)控制、運(yùn)行流程控制、電源裝置狀態(tài)量的采集、位置信號(hào)采集、設(shè)置和顯示參數(shù)、邏輯計(jì)算、與電子稱(chēng)重計(jì)量裝置通信等功能。上位機(jī)采用研華I5 4G工控機(jī)，除了具備抗沖擊、防塵、防輻射等特點(diǎn)外還提供豐富的IO擴(kuò)展，上位機(jī)與PLC采用TCP/IP通信協(xié)議通過(guò)以太網(wǎng)接口進(jìn)行通訊，上位機(jī)與電子臺(tái)秤則通過(guò)二次儀表提供的RS232串口連接進(jìn)行通訊。此外，上位機(jī)與打印設(shè)備則采用并口連接通訊。所有硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器部件全部通過(guò)連接PLC，最終與PC端軟件實(shí)施交互通訊，從而完成活魚(yú)的自動(dòng)稱(chēng)重計(jì)量與輸送控制。

2.1 硬件設(shè)計(jì)及分析

系統(tǒng)硬件控制主要包括電源總開(kāi)關(guān)、水泵、空壓機(jī)、提升卷?yè)P(yáng)機(jī)，系統(tǒng)控制原理如圖2所示。系統(tǒng)硬件主要由PLC、變頻器、光電傳感器、限位開(kāi)關(guān)、繼電器等組成，輸入部分由伸縮氣缸、限位開(kāi)關(guān)組成；輸出部分由起升電機(jī)、翻倒魚(yú)斗、上/下閘門(mén)等組成，完成活魚(yú)提升、翻倒及選擇，輸入輸出端子功能如表1所示。

圖2 系統(tǒng)電氣控制原理圖

系統(tǒng)控制流程如下：開(kāi)機(jī)后進(jìn)行空載試驗(yàn)，確認(rèn)卷?yè)P(yáng)機(jī)、行程開(kāi)關(guān)正常，并在靜止?fàn)顟B(tài)下將電子臺(tái)秤歸零。測(cè)試急停開(kāi)關(guān)，無(wú)異常再向下進(jìn)行，否則立即停止。轉(zhuǎn)運(yùn)前，調(diào)節(jié)主滑槽的傾斜度以適應(yīng)運(yùn)輸車(chē)輛的高度差，選擇3號(hào)或4號(hào)氣缸工作保持下閘門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)，開(kāi)啟前確認(rèn)閘門(mén)對(duì)應(yīng)的提升斗已就位。提升斗內(nèi)裝滿合適重量活魚(yú)后，開(kāi)啟1號(hào)或2號(hào)卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行提升，同時(shí)關(guān)閉3號(hào)或4號(hào)氣缸，主架上設(shè)有行程開(kāi)關(guān)，升降框和魚(yú)斗提升到指定位置會(huì)自動(dòng)停止。魚(yú)斗提升到指定位置后PLC控制1號(hào)或2號(hào)氣缸進(jìn)行翻倒作業(yè)，翻倒活魚(yú)之前保持5號(hào)氣缸處于上閘關(guān)閉狀態(tài)，以方便靜止后活魚(yú)稱(chēng)重計(jì)量。為保證稱(chēng)重計(jì)量精度，在計(jì)算機(jī)確認(rèn)重量讀數(shù)前，暫停提升架關(guān)聯(lián)的一切操作。稱(chēng)重完成后，開(kāi)啟5號(hào)氣缸提升閘門(mén)，水閥輔助沖水，同時(shí)將升降框及魚(yú)斗下降復(fù)位，活魚(yú)從主滑槽上部滑下，進(jìn)入岸上的活魚(yú)運(yùn)輸車(chē)上盛魚(yú)裝置，主滑槽末端采用可伸縮設(shè)計(jì)，方便調(diào)節(jié)主滑槽到運(yùn)輸車(chē)距離。

表1 輸入輸出地址功能表

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)分為PLC端和上位機(jī)端，PLC端基于西門(mén)子S7-200梯形圖程序，主要完成硬件時(shí)序邏輯控制、開(kāi)關(guān)自鎖互鎖控制等，包括沖水閥門(mén)開(kāi)關(guān)、魚(yú)斗傾倒氣缸開(kāi)關(guān)、魚(yú)斗升降開(kāi)關(guān)等電子器件的直接操控，系統(tǒng)控制流程如圖3所示。上位機(jī)操作界面設(shè)計(jì)基于LabVIEW平臺(tái)編寫(xiě)，該平臺(tái)能與整個(gè)硬件系統(tǒng)無(wú)縫連接。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要完成對(duì)PLC控制器的操作及參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)監(jiān)控、與電子臺(tái)秤通訊控制、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)操作、報(bào)表輸出打印等功能。軟件使用Windows XP，Windows7操作系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)選用Access 2010。Windows操作系統(tǒng)集成了各種向?qū)Ш蜕善鞴ぞ?，支持本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。數(shù)據(jù)庫(kù)主要對(duì)輸送的活魚(yú)數(shù)量、活魚(yú)質(zhì)量等數(shù)據(jù)作日常記錄和儲(chǔ)存[19-21]。

圖3 系統(tǒng)控制流程

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該活魚(yú)近距離轉(zhuǎn)運(yùn)稱(chēng)重計(jì)量系統(tǒng)在千島湖淳魚(yú)養(yǎng)殖基地安裝使用，根據(jù)岸上活魚(yú)車(chē)位置高度，主滑槽出魚(yú)口離躉船甲板高度設(shè)計(jì)為2.6 m，出口高度可以通過(guò)手動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)適當(dāng)調(diào)整，主滑槽入魚(yú)口離甲板高度4.0 m，使主滑槽斜度能夠保證活魚(yú)平緩下滑，減小沖擊。卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)動(dòng)滑輪提升魚(yú)斗，由于起升距離較短，為減少魚(yú)類(lèi)跳動(dòng)，魚(yú)斗提升選用慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)(額定速度小于20 m/min)，起升過(guò)程中護(hù)欄沿導(dǎo)軌上下滑動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音小，工作安全可靠，可以在控制室自動(dòng)化操作。提升卷?yè)P(yáng)機(jī)帶有自動(dòng)剎車(chē)，能在上升和下降過(guò)程中的不同位置安全實(shí)現(xiàn)自鎖。魚(yú)斗翻倒采用氣缸控制，翻倒平穩(wěn)。系統(tǒng)稱(chēng)重誤差率小于0.5%，日均轉(zhuǎn)運(yùn)量12 t，提高了活魚(yú)近距離轉(zhuǎn)運(yùn)效率。另外，在活魚(yú)近距離轉(zhuǎn)運(yùn)稱(chēng)重計(jì)量過(guò)程中，只有在活魚(yú)提升和稱(chēng)重過(guò)程中會(huì)短時(shí)離開(kāi)水，由于時(shí)間很短，對(duì)活魚(yú)影響很小。

在該系統(tǒng)使用之前，活魚(yú)由湖邊暫養(yǎng)網(wǎng)箱運(yùn)到岸上運(yùn)輸車(chē)，轉(zhuǎn)運(yùn)工作全部由人力完成，僅岸基抬魚(yú)工作就需要6組12個(gè)人工連續(xù)工作6 h完成，效率很低、工作量大、人力成本非常高，采用該裝置后，人力投入減少約70%，提高了活魚(yú)轉(zhuǎn)運(yùn)流通效率[22-25]。

4 結(jié)論

活魚(yú)近距離轉(zhuǎn)運(yùn)稱(chēng)重計(jì)量系統(tǒng)主要針對(duì)靠岸網(wǎng)箱或船載活魚(yú)轉(zhuǎn)運(yùn)到岸基或碼頭運(yùn)輸車(chē)，轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程需時(shí)較短，轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中無(wú)需供氧裝置。轉(zhuǎn)運(yùn)輸送過(guò)程魚(yú)道采用不銹鋼滑槽及帶水滑行，魚(yú)體鮮活無(wú)損。系統(tǒng)采用PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，電子儀器自動(dòng)稱(chēng)重計(jì)量和統(tǒng)計(jì)，提高了機(jī)械設(shè)備的控制精度及可靠性，提高了工作時(shí)效，減少了人為統(tǒng)計(jì)疏失。整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程機(jī)械化操作，改變了傳統(tǒng)漁業(yè)生產(chǎn)作業(yè)模式。但也存在一些不足之處，如當(dāng)湖中水位過(guò)低時(shí)，需要移位躉船來(lái)適應(yīng)岸上活魚(yú)車(chē)位置，后續(xù)將在現(xiàn)有稱(chēng)重計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，將活魚(yú)提升架以及主滑槽設(shè)計(jì)成可升降式結(jié)構(gòu)，消除躉船受水位變化的影響，進(jìn)一步提升該系統(tǒng)的適用性和高效性。另外，活魚(yú)稱(chēng)重計(jì)量過(guò)程可以考慮采用模糊視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，在稱(chēng)重計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中增添魚(yú)體條數(shù)自動(dòng)計(jì)量功能，解決進(jìn)、出魚(yú)數(shù)量登記的問(wèn)題，進(jìn)一步豐富數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，并為今后開(kāi)展魚(yú)體輪廓、重量視覺(jué)識(shí)別技術(shù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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