扇貝苗規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計裝置的設(shè)計研究

盧宏博, 李明智, 李尚遠(yuǎn), 孫天澤, 曲春虎, 曲文龍

(大連海洋大學(xué)大學(xué)生“蔚藍(lán)”科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地, 遼寧 大連 116023)

扇貝養(yǎng)殖方式主要有底播和浮筏兩種[1], 但近年隨著底播技術(shù)的快速發(fā)展[2], 大部分企業(yè)為了保證底播貝苗的成活率, 采用了“大規(guī)格、優(yōu)質(zhì)苗”海上收購、底播一體化的作業(yè)模式, 因此, 貝苗規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計都必須在海上完成, 是一項數(shù)量大、強(qiáng)度高、時間緊的工作。目前, 海上收購貝苗的規(guī)格的分級計數(shù)統(tǒng)計還主要以人工為主, 屬于勞動密集型,且統(tǒng)計誤差大, 同時貝苗在分級篩選過程中貝苗干露現(xiàn)象嚴(yán)重[3], 影響貝苗底播的成活率。

如何提高貝苗分級統(tǒng)計的準(zhǔn)確性和統(tǒng)計的速度,已是決定能否提高底播效率及底播貝苗成活率的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 就此國內(nèi)外研究者基于機(jī)械結(jié)構(gòu)和計算機(jī)視覺技術(shù)對扇貝的分級篩選裝置進(jìn)行了大量設(shè)計研究。楊淑華等[4]研發(fā)出基于扇貝殼長進(jìn)行分級的對輥式扇貝分級機(jī), 實現(xiàn)了貝苗的定向、解決了貝苗堆積和卡頓問題, 為扇貝分級奠定了基礎(chǔ)。方曉燕等[5]采用機(jī)械傳動和螺旋振動篩孔分級結(jié)構(gòu), 研究出新型扇貝振動分級機(jī), 其振動裝置是根據(jù)電磁振動給料機(jī)而設(shè)計, 分級精度較高, 但對工作環(huán)境的穩(wěn)定性要求較高?？椎聞偟萚6]結(jié)合扇貝的殼體結(jié)構(gòu)特征, 基于螺旋槽結(jié)構(gòu)研制出了一種螺旋對輥式扇貝分級機(jī),其分級效率在400 kg/h 以上, 分級精度大于96%。但螺旋對輥式扇貝分級機(jī), 在分級過程中, 一定程度上會使貝殼碎裂, 導(dǎo)致外套膜裸露在殼外, 造成病貝、死貝[7]。與此同時, 計算機(jī)視覺技術(shù)也已應(yīng)用在水產(chǎn)各領(lǐng)域[8-13]。在利用計算機(jī)視覺技術(shù)研發(fā)的貝苗規(guī)格識別機(jī)方面, 郭常友等[14]用OPTA 算法和邊界追蹤算法完成扇貝的定位和尺寸識別, 但只能對單個扇貝有效的自動分級分類, 實際應(yīng)用受限。楊曉光等[15]基于YCRCB 色彩空間與大津法相對扇貝進(jìn)行分割,并提出了一種基于扇貝角質(zhì)層特征的扇貝尺寸測量方法, 其測量誤差小于1 mm。王帥[16]應(yīng)用Canny 算子進(jìn)行圖像邊緣檢測, 采取Mamdani 模糊推理模型,建立模糊分類器進(jìn)行識別和分級, 達(dá)到定位、跟蹤和分級的目的。上述基于計算機(jī)視覺技術(shù)的識別裝置對工作環(huán)境要求高, 海水對電路的腐蝕及船舶的晃動等客觀因素直接影響統(tǒng)計的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

本文結(jié)合底播產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)要求, 綜合考慮了扇貝苗規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計裝置的工作效率、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和機(jī)械結(jié)構(gòu)對貝苗損傷程度等方面的因素,最終確定了以光電傳感為基礎(chǔ)的具有規(guī)格識別和計數(shù)統(tǒng)計等功能的扇貝苗分級篩選裝置, 該裝置在最大限度減小破損的情況下, 實現(xiàn)高精度分級與計數(shù),提高了扇貝底播效率。

1 裝置總體結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1 所示, 扇貝苗規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計裝置主要由初級分揀機(jī)構(gòu)、差速排隊傳送裝置和規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)3 部分組成。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic of the whole machine

其中初級分揀機(jī)構(gòu)由落貝口、入料口、分揀平臺、振動排序結(jié)構(gòu)等組成, 完成貝苗的初級篩選排隊,即篩除規(guī)格小于3 mm 貝苗和混帶雜質(zhì)。差速排隊傳送裝置由同步齒輪傳送帶、差速波紋板、配有 OPG 6GN10K 型齒輪減速器的OPG 61K200RGN-CF 交流電機(jī)、導(dǎo)接桶等組成, 實現(xiàn)貝苗的差速排隊傳送。規(guī)格識別與統(tǒng)計系統(tǒng)由PLC、CX6080 框型光電傳感器、數(shù)顯打印裝置等組成, 主要完成規(guī)格識別和計數(shù)統(tǒng)計工作要求及結(jié)果的輸出。

貝苗規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計裝置的工作原理是利用初級分揀機(jī)構(gòu)和差速排隊傳送裝置完成貝苗第一階段的處理, 和利用光電傳感技術(shù)進(jìn)行規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計完成貝苗的第二階段處理, 統(tǒng)計結(jié)果由數(shù)顯打印裝置呈現(xiàn), 工作原理如圖2 所示。

2 關(guān)鍵機(jī)械部件設(shè)計

規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計裝置整機(jī)寬度應(yīng)小于470 mm,考慮到裝置各機(jī)械部件的布置問題, 最終確定裝置寬為260 mm。

圖2 工作原理圖Fig. 2 Schematic of the working principle

2.1 初級分揀機(jī)構(gòu)

分揀平臺和振動排隊裝置共同組成初級分揀機(jī)構(gòu)。其中分揀平臺寬230 mm, 總長1 130 mm, 有效分揀區(qū)長度780 mm, 分揀區(qū)的分揀篩孔孔徑[17-18]為28 mm, 分揀篩孔布置形式為45°錯排[19-20]。完成篩除小于30 mm 貝苗、病貝死貝和雜質(zhì)。振動排隊機(jī)構(gòu)由入料口、限貝口、排隊擋板、振動篩網(wǎng)4 部分組成。入料口底部有寬40 mm, 高25 mm 的限貝口(防止貝苗1 次從入料口涌出, 造成排序的混亂)是貝苗排隊的關(guān)鍵, 限貝口限制出貝速度橫向每次出貝個數(shù)不超過2 個, 縱向不超過3 個, 且限貝口的高、寬可調(diào)節(jié), 因此可限數(shù)釋放不同規(guī)格級別的貝苗,提高裝置的普適性。排隊擋板固定在振動機(jī)帶動的(在振動排序運(yùn)動的前提下, 保證振幅不高于排序擋板高度)振動篩網(wǎng)上, 實現(xiàn)在排隊擋板和機(jī)械振動的作用下, 貝苗的排隊。振動的環(huán)境刺激因子刺激開殼貝苗的閉殼肌, 使其閉殼, 貝苗的閉殼提高了分級計數(shù)準(zhǔn)確性以及降低了分級計數(shù)過程中對貝苗的傷害。

2.2 差速排隊傳送裝置

差速排隊傳送裝置, 主要由差速波紋板、同步齒輪傳送帶(長800 mm、寬230 mm, 同步齒輪傳送帶目的為防止冬季傳動輪結(jié)冰打滑)、交流電機(jī)(功率200 W、齒輪減速器6GN 10 K)等組成。設(shè)計差速排隊傳送裝置的目的在于保證貝苗以逐一相互分離的狀態(tài)進(jìn)入光電傳感器, 而貝苗是否以該狀態(tài)進(jìn)入光電傳感器是貝苗差速傳送能否實現(xiàn)的關(guān)鍵, 因此, 差速波紋板的布置形式將成為差速排隊傳送的關(guān)鍵。

如圖3 所示, 差速波紋板以左到右分別編號為1、2、3 號, 依據(jù)實驗結(jié)果, 確定差速排隊傳送裝置的最佳布置參數(shù)為: 差速波紋板長250 mm, 1、3 號波紋擋板間距有280 mm, 1、2 號波紋擋板間距有140 mm, 使差速空間和排隊效率提高。1 號差速波紋擋板與傳送方向夾角為θ1, 2號差速波紋擋板與傳送帶方向夾角為θ2, 李明智等[20]研究表明:“當(dāng)θ1=45°、θ2=30°時, 貝苗碰到差速排隊擋板后貝苗處于不堆積的先減速后加速運(yùn)動模式,實現(xiàn)差速和相鄰兩貝苗距離拉開”。依據(jù)產(chǎn)業(yè)要求,θ1、θ2角度可通過調(diào)節(jié)桿實現(xiàn)聯(lián)調(diào), 調(diào)節(jié)范圍為±5°, 可提高不同規(guī)格級貝苗的差速排隊的效率。貝苗在傳送動力F的作用下與半徑為3 mm(與貝殼邊沿角質(zhì)層紋路相似)的波紋板碰撞, 貝苗將繞其中心在運(yùn)動中旋轉(zhuǎn), 且轉(zhuǎn)動軸垂直于碰撞平面[21-22]。從而使貝苗相互分離且避免了傳送過程中卡貝、堵塞現(xiàn)象的出現(xiàn)。3 號差速波紋擋板為貝苗限位擋板, 與傳送帶方向夾角θ3為30°, 實現(xiàn)貝苗下落前位置的調(diào)整, 確保貝苗下落范圍在光電傳感器的檢測范圍內(nèi)。

圖3 差速排隊傳送裝置結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of the differential queuing transmission device

2.3 姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于貝苗經(jīng)過光電傳感器時對光通路的遮擋姿態(tài), 因此姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是保證統(tǒng)計結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵機(jī)械部件。如圖4 所示, 姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在居傳送帶末端5 cm處, 是由1 段直行板和1 段弧形板(最大弦長80 mm、弧度為20o 與貝苗殼體弧度相近似)組成的凹型仿生扇貝外輪廓形態(tài)板。

如圖4 所示, 為姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)的過程。貝苗與凹形擋板碰撞后的運(yùn)動狀態(tài), 由實驗結(jié)果得知, 傳送帶的傳輸速度為0.8 m/s, 即貝苗離開傳送帶的平拋速度為0.8 m/s, 根據(jù)碰撞能量恢復(fù)系數(shù)理論[23-25], 碰撞后水平速度及水平反彈速度均趨于0, 因此在碰撞后瞬間貝苗緊貼凹形擋板且只受重力, 在重力的作用下貝苗沿凹形擋板自由下落且保持自由落體運(yùn)動狀態(tài)經(jīng)過光電傳感器, 姿態(tài)符合規(guī)格識別貝苗姿態(tài)要求。

圖4 姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及調(diào)節(jié)過程Fig. 4 Attitude adjustment mechanism and adjustment process

3 規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計

規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)控制核心是光電傳感器和可編程控制器件(PLC), 其執(zhí)行系統(tǒng)信息的采集、處理及傳輸數(shù)據(jù)等功能[26-29]。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)規(guī)格識別與計數(shù)的工作要求, 綜合考慮裝置穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和環(huán)境等多方面因素, 規(guī)格識別與計數(shù)系統(tǒng)選用的設(shè)備及對應(yīng)型號見表1。

表1 系統(tǒng)設(shè)備表Tab. 1 Equipment table

規(guī)格識別與計數(shù)系統(tǒng)整體采用PLC 控制, 通過數(shù)顯打印裝置對結(jié)果顯示和打印。光電傳感器型號為CX6080 框型傳感器, 外形尺寸為18 mm × 124 mm ×181.5 mm, 工作環(huán)境溫度為–20～+65℃ , 保護(hù)等級IP64(防塵、防止飛濺的水侵入), 殼體材質(zhì)為鋁合金。PLC有6 個輸入端口、4 個輸出端口, 且輸入使用高速計數(shù)器, 由表 2 可知 PLC 的輸入、輸出分配情況。

表2 I/O 分配表Tab. 2 I/O allocation table

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過三菱公司開發(fā)的GX Developer version 8.86Q軟件環(huán)境下, 使用梯形圖進(jìn)行邏輯編程, RS485 通訊具有組網(wǎng)容易和通信距離長具有很強(qiáng)的抗干擾能力。系統(tǒng)編程使用的GX-Developer 功能非常穩(wěn)定, 包括項目管理, 程序輸入, 編譯鏈接, 模擬和調(diào)試。

其主要功能如下：大小比較區(qū)間、大小識別區(qū)間和計數(shù)區(qū)間對貝苗分級計數(shù)并由打印模塊打印將分級結(jié)果生成表格并打印。GX-Developer 性能穩(wěn)定,主要功能如下:

(1) 可識別的線符號在GX-Developer 中, 建立相關(guān)的注釋數(shù)據(jù), 編譯鏈接, 并設(shè)置寄存器數(shù)據(jù)列表語言和SFC 符號以開發(fā)PLC 程序[30]。

(2) 創(chuàng)建程序并將項目以相應(yīng)格式存儲在相應(yīng)位置, 該格式可以通過打印機(jī)輸出數(shù)據(jù)。

(3) 該程序通過串口可實現(xiàn)與PLC 進(jìn)行通訊,發(fā)送文件, 監(jiān)控系統(tǒng)操作以系統(tǒng)功能測試。

(4) 該程序最終可以從PLC 仿真調(diào)試中脫機(jī)調(diào)試。

3.3 規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計的實現(xiàn)

3.3.1 規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計原理

為了實現(xiàn)貝苗的精準(zhǔn)分級, 本文采用貝苗經(jīng)過光電傳感器的時間間隔來實現(xiàn)貝苗規(guī)格的識別。梯形圖如圖5 所示。即假設(shè)貝苗以恒速度v垂直下過經(jīng)過光電傳感器, 每一個扇貝經(jīng)過光電傳感器時,會得到瞬時時刻T0和Ti, 此時, 貝苗的規(guī)格可表示為:H=v(Ti–T0), 其數(shù)量可通過光電開關(guān)閉合次數(shù)計算得來。

圖5 規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計梯形圖Fig. 5 Trapezoidal diagram of specification identification and counting statistics

目前所有物理量中時間是實現(xiàn)測量精度最高的物理量, 因此其他物理量可轉(zhuǎn)化為時間進(jìn)行測量。為實現(xiàn)貝苗的精準(zhǔn)分級, 本文采用讀取貝苗經(jīng)過光幕的時間間隔來實現(xiàn)貝苗規(guī)格的識別, 即假設(shè)貝苗以垂直自由下落經(jīng)過光幕, 會得到時間間隔T, 貝苗規(guī)格可表示為H=V1T+ 0.5AT2(V1為扇貝進(jìn)入光幕初速度為已知參數(shù),A為重力加速度≈9.8 m/s2)簡化后H= (V1+ 4.9T)T, 其數(shù)量通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為開關(guān)量并記錄。

貝苗精準(zhǔn)分級基于光電效應(yīng)原理, 當(dāng)貝苗進(jìn)入框型光幕區(qū)域接收端檢測到光通量的變化, 傳感器將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)化為攜帶時間信息的電信號, 再將攜帶時間信息的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為實現(xiàn)貝苗高頻率精確計數(shù), 采用PLC 高速計數(shù)器避免掃描周期對高頻率計數(shù)結(jié)果造成干擾。

3.3.2 規(guī)格識別與計數(shù)程序

當(dāng)扇貝進(jìn)入光幕的一刻起, 經(jīng)光電效應(yīng)得到數(shù)字量信號通過光幕傳感器傳遞給PLC, X001 軟元件上電計數(shù)器C0計數(shù)一次(如圖5a), 特殊繼電器M8000 常通發(fā)送C0計數(shù)器數(shù)據(jù)至寄存器D200。當(dāng)扇貝離開光幕的一刻觸發(fā)X1 下沿(如圖5b), 執(zhí)行區(qū)間比較指令zcp 將源數(shù)據(jù)D170 中儲存的時間間隔信息t 與源數(shù)據(jù)Ka和Kb(Kb>Ka)進(jìn)行比較, 當(dāng)t

試驗方法: 本試驗在實驗室進(jìn)行, 在試驗中, 取上述3 種規(guī)格貝苗各100 個, 依據(jù)影響扇貝苗規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計裝置的準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素的最佳參數(shù)范圍, 建立5 因素4 水平的正交試驗設(shè)計[31-32],如表3 所示, 確定裝置的最佳的工作組合結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4 材料與方法

試驗所用貝苗來自獐子島海區(qū)。貝苗分級規(guī)格分別為25～29、30～35、>35 mm。

由單因素影響實驗確定了影響扇貝苗規(guī)格識別

表3 分級正交試驗的因素及水平Tab. 3 Factors and levels of grading orthogonal experimental

5 結(jié)果與分析

依據(jù)因素水平表4 知, 建立5 因素4 水平的實驗設(shè)計, 可選用L25(45)[33]的正交表, 同時采用SPSS25 分析軟件對正交試驗進(jìn)行極差分析, 分析結(jié)果見表2。表中,ki為各因素在i水平下的平均分選精度ki=Ki/n(式中Ki(i=1, 2, 3, …,n)為各因素在i水平下的分選精度總和),R為各因素的極差。

表4 計數(shù)正交設(shè)計L25(45)試驗結(jié)果Tab. 4 Counting results of orthogonal design L25(45)

續(xù)表

由表2 可知, 最佳工藝參數(shù)組合為A3B2C3D2E3, 即入料口尺寸為4 cm×2.5 cm, 傳送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速125 r·min–1,姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)弧度20°, 姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)距傳送帶末端距離4 cm, 規(guī)格識別秒數(shù)間隔為17 ms、25 ms。各因素對裝置設(shè)別計數(shù)準(zhǔn)確率影響次序依次為: 規(guī)格識別秒數(shù)間隔>姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)距傳送帶末端距離>傳送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速>入料口尺寸。

因?qū)嶒灥玫淖罴压に噮?shù)組合不在表4 已作的裝置工藝參數(shù)組合范圍內(nèi), 因此為驗證最佳工藝參數(shù)組合的合理性, 分別對規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計裝置最佳工藝參數(shù)組合A3B2C3D2E3作3 次驗證性試驗,驗證實驗結(jié)果: 平均識別計數(shù)準(zhǔn)確率為94.4%, 明顯高于目前已作的規(guī)格識別與計數(shù)裝置工藝參數(shù)組合的最高準(zhǔn)確率, 故A3B2C3D2E3方案, 組合的工藝參數(shù)合理。

6 結(jié)論

本文對目前底播的作業(yè)模式分析調(diào)研, 針對底播扇貝苗種海上規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計用工量大、勞動強(qiáng)度高、工作效率低及統(tǒng)計誤差大等問題, 設(shè)計出基于PLC 的貝苗規(guī)格識別與計數(shù)統(tǒng)計裝置。

通過對貝苗規(guī)格識別與計數(shù)裝置工藝參數(shù)的優(yōu)化與驗證, 最終確定最佳工藝參數(shù)組合為: 入料口尺寸為40 mm×25 mm, 傳送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速125 r·min–1,姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)弧度20°, 姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)距傳送帶末端距離40 mm, 規(guī)格識別秒數(shù)間隔為17 ms、25 ms。各因素對裝置設(shè)別計數(shù)準(zhǔn)確率影響次序依次為: 規(guī)格識別秒數(shù)間隔>姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)距傳送帶末端距離>傳送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速>入料口尺寸, 裝置工作的平均準(zhǔn)確性為95%±5%可滿足扇貝分級計數(shù)作業(yè)的實際生產(chǎn)需求, 實現(xiàn)高精度分級與計數(shù), 提高了扇貝底播的效率, 降低了對貝苗的破損, 實現(xiàn)貝苗海上收購、底播一體化。

本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的費(fèi)時費(fèi)力、效率低、誤差大的人工作業(yè)模式相比, 存在以下優(yōu)勢: 采用PLC 進(jìn)行系統(tǒng)控制, 分級精度高, 計數(shù)效率高, 適用范圍廣、人工需求少、分級計數(shù)專業(yè)化、多功能一體化等, 推動了水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域向高程度自動化方向發(fā)展, 同時在不規(guī)則物體識別辦法上做出了新的嘗試。