魚(yú)體回轉(zhuǎn)式分級(jí)機(jī)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

朱燁 洪揚(yáng) 江濤

摘要：魚(yú)體分級(jí)篩選是一種有效避免種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)、提高魚(yú)體存活率的方法，但由于國(guó)內(nèi)缺乏先進(jìn)設(shè)備，生產(chǎn)中大多以人工作業(yè)為主。針對(duì)人工操作存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、魚(yú)體損傷等問(wèn)題，研制了一種以S7-200 SMART系列PLC（programmable logic controller）為處理器、結(jié)合多步進(jìn)電機(jī)和觸摸屏界面開(kāi)發(fā)的魚(yú)體分級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用變頻調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速可調(diào)的功能;采用限寬調(diào)節(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)體大小自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。運(yùn)用STEP 7-Micro/WIN SMART編程軟件完成控制程序的編寫(xiě)，借助SIMATIC WinCC flexible 2008完成觸摸屏界面開(kāi)發(fā)，運(yùn)用以太網(wǎng)通信完成觸摸屏界面對(duì)多步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)限寬調(diào)節(jié)功能。性能測(cè)試表明，在額定電壓（380 V）下，主回轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)行速度可在0～50 Hz范圍內(nèi)調(diào)速，限寬可調(diào)范圍為0～40 mm，可將4種不同大小的魚(yú)進(jìn)行分級(jí)。在設(shè)定寬度下，魚(yú)體的準(zhǔn)確率在±90.0%。該控制系統(tǒng)性能可靠，適合在漁業(yè)養(yǎng)殖中推廣。

關(guān)鍵詞：魚(yú);分級(jí)篩選;S7-200 SMART PLC;步進(jìn)電機(jī);以太網(wǎng)通信;界面開(kāi)發(fā)

中圖分類號(hào)：TP273? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1002-1302（2020）06-0204-05

隨著我國(guó)養(yǎng)殖工程技術(shù)的迅猛發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)朝著精細(xì)化的方向不斷發(fā)展。在水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中，魚(yú)群內(nèi)生長(zhǎng)不均衡是個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，主要表現(xiàn)為殘食[1-3]、食物競(jìng)爭(zhēng)[4-6]等。通過(guò)魚(yú)類分級(jí)篩選可以有效避免種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，提高了魚(yú)成活率;且市場(chǎng)商品是根據(jù)魚(yú)體大小分類，也可方便將幼魚(yú)和商品魚(yú)分級(jí)。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段對(duì)魚(yú)類分級(jí)所做的研究還不是很充分，以往的手工操作不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且由于魚(yú)類轉(zhuǎn)移速度緩慢以及操作過(guò)程中對(duì)魚(yú)體的損傷和對(duì)魚(yú)群的驚嚇等，還會(huì)帶來(lái)較高的死亡率且無(wú)法精準(zhǔn)快速地分級(jí)[7]。Johnsons在1983年設(shè)計(jì)了一種安裝在地拉網(wǎng)中用以分離鮭魚(yú)的系統(tǒng)，但分離系統(tǒng)笨重，會(huì)引起魚(yú)體損傷[8];國(guó)內(nèi)早期邱洪奎等研究的活魚(yú)分級(jí)器[9]采用多斗分級(jí)裝置，不間斷分級(jí)，但它要更換篩底，操作不便，自動(dòng)化程度低;王志勇等研究的魚(yú)類質(zhì)量自動(dòng)分級(jí)裝置，采用水平式調(diào)節(jié)輥間距模式篩選幼魚(yú)，雖然減少勞動(dòng)力，但存在魚(yú)易脫水和魚(yú)體損傷等缺陷，不利于現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[10];鄭國(guó)富等通過(guò)改變網(wǎng)箱中柵格間距實(shí)現(xiàn)魚(yú)類分級(jí)，可操作性大，但靈敏度不高[11]。因此，為了滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖需求，且要確保分級(jí)高效、減少魚(yú)體損傷，設(shè)計(jì)基于魚(yú)體厚度回轉(zhuǎn)式帶水精準(zhǔn)分級(jí)機(jī)?，F(xiàn)以回轉(zhuǎn)式分級(jí)機(jī)為研究載體，通過(guò)SMART 700 IE觸摸屏界面的開(kāi)發(fā)，通過(guò)以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)觸摸屏界面與2臺(tái)SMART系列ST30 PLC進(jìn)行信息傳輸[12-13]，運(yùn)用USS協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC與V20變頻器通訊[14]，實(shí)現(xiàn)對(duì)主回轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，完成分級(jí)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

回轉(zhuǎn)式魚(yú)體分級(jí)機(jī)由變頻器調(diào)速系統(tǒng)、絲杠導(dǎo)軌和步進(jìn)電機(jī)限寬調(diào)距系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

它的主要原理是首先將電動(dòng)推桿調(diào)到設(shè)定的高度，變頻電機(jī)帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸則帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)組件轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)組件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)推桿帶動(dòng)凸輪調(diào)節(jié)擋板1下壓，同時(shí)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)下降，推動(dòng)彈簧推桿機(jī)構(gòu)，改變內(nèi)部活動(dòng)門(mén)的開(kāi)度;其中電動(dòng)推桿（步進(jìn)電機(jī)）有4個(gè)，凸輪調(diào)節(jié)擋板1有3個(gè)，當(dāng)?shù)?個(gè)凸輪調(diào)到設(shè)定高度，凸輪可保證當(dāng)前高度，之后調(diào)節(jié)高度是在之前調(diào)節(jié)高度基礎(chǔ)上繼續(xù)調(diào)節(jié);凸輪調(diào)節(jié)擋板2上移，帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)上升，推動(dòng)彈簧推桿機(jī)構(gòu)，使得內(nèi)部活動(dòng)門(mén)復(fù)位。

回轉(zhuǎn)式魚(yú)體分級(jí)機(jī)控制系統(tǒng)，主要由變頻器、回轉(zhuǎn)電機(jī)、2 臺(tái) ST30 PLC、SMART 700IE 觸摸屏界面、交換機(jī)、4個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、4個(gè)步進(jìn)電機(jī)、接近開(kāi)關(guān)等組成，控制系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

在控制系統(tǒng)中，觸摸屏界面主要實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、步進(jìn)電機(jī)的調(diào)距控制;PLC主要通過(guò)控制變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制;接近開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的采集與處理功能;交換機(jī)主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的以太網(wǎng)通信。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用 S7-200 SMART系列PLC作為核心控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、步進(jìn)電機(jī)的控制以及接近開(kāi)關(guān)信號(hào)處理等功能，根據(jù)實(shí)際需要，系統(tǒng)采用晶體管輸出型CPU ST30 模塊，該模塊包含18DI、12DO，模塊集成3路頻率可達(dá)100 kHz高速脈沖輸出，支持 PWM/PTO輸出方式以及多種運(yùn)動(dòng)模式，可控制步進(jìn)電機(jī)的位置和速度。集成以太網(wǎng)端口實(shí)現(xiàn)程序的下載、調(diào)試以及其他設(shè)備進(jìn)行通信。

觸摸屏界面采用 SMART 700 IE V3觸摸屏，該觸摸屏具有工業(yè)以太網(wǎng)接口和RS485接口，可通過(guò)觸摸屏控制面板完成和PLC通信。同時(shí)可借助交換機(jī)實(shí)現(xiàn)多個(gè)PLC的通信。

限寬系統(tǒng)主要由絲杠導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，步進(jìn)電機(jī)采用57系列步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器采用SMD3506M[15]，該驅(qū)動(dòng)器可達(dá) 128 細(xì)分，電流可達(dá)4.5 A，噪音小，運(yùn)行較為平穩(wěn)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入端接線方式是分別將驅(qū)動(dòng)器中PUL-、DIR-連接到控制系統(tǒng)的地端;脈沖輸入信號(hào)接 PUL+端，方向信號(hào)接DIR+端，PLC輸出信號(hào)須要串聯(lián) 2 kΩ限流電阻。

變頻器調(diào)速主要由變頻器和主回轉(zhuǎn)電機(jī)組成，變頻器采用SINAMICS V20，經(jīng)濟(jì)、可靠且易于使用，選用功率為0.55 kW，主回轉(zhuǎn)電機(jī)選用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，功率為0.37 kW，轉(zhuǎn)矩為2.5 N·m，變頻電機(jī)通風(fēng)機(jī)為0.03 kW。

控制系統(tǒng)的硬件接線圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括觸摸屏界面組態(tài)和 PLC程序編寫(xiě)，然后對(duì)觸摸屏上參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)主回轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，以及對(duì)4臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度和方向進(jìn)行控制，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。