鱼初加工生产线自动化控制系统设计与研发

许海波，赵锡和，陈远辉，郭子淳，王水传，黄家怿

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；2.广东弘科机械研究开发有限公司，广东 广州 510555）

0 引言

中国是淡水鱼类养殖生产大国，截止2019 年年底，全国鱼类养殖总量为2 708.61 万t，其中淡水鱼养殖总量为2 548.03 万t，占全国鱼类养殖总量的94.07%，占整个淡水养殖总量的84.55%。淡水产品加工量为558.17 万t，占整个淡水养殖总量的18.52%，国内鱼类养殖生产量大，整体加工率偏低，加工需求迫切，如何实现鱼自动高效加工成为鱼加工生产线控制系统研究领域亟待解决的问题之一[1-2]。

鱼糜、鱼罐头、鱼干等鱼产品的生产制造均离不开鱼前期的去鳞、开肚、去内脏等初加工，鱼初加工自动化水平将大大影响鱼产品的生产效率与经济效益[3]。传统的鱼初加工设备多以手工操作为主，自动化程度较低，某些设备将鱼去鳞、开肚去内脏、切头等多个加工工序分多台设备单独手动控制，甚至在加工之前的头尾定向、腹背定向等工序仍未实现自动化控制，整个鱼初加工工序衔接性差，人工干预程度较高，劳动强度大，生产效率低，加工的产品容易受环境、微生物等影响。此外，设备控制系统多以控制加工单种类型鱼为主，人机交互程度欠佳[3-5]。针对传统鱼初加工设备控制系统存在的局限性，广东省现代农业装备研究所设计研发了鱼自动化初加工流水线，可实现鱼头尾定向、腹背定向、去鳞、开肚、去内脏、去头等全自动高效控制。

1 鱼初加工工艺流程及自动化控制关键技术

1.1 鱼初加工生产工艺流程

鱼初加工生产工艺流程如图1 所示，输送带首先将原料鱼匀速输送至头尾定向装置，头尾定向装置主要由水平偏心振动机构组成，通过变频电机带动，利用鱼体重心位置偏头部的特征，实现鱼体头尾自动定向。其次通过腹背定向前输送带的限制将鱼以单条的方式传送至鱼头尾、腹背判断视觉检测区域，在视觉检测区域首先判断头尾定向是否正确，若不正确则启动剔除气缸机构，将前头尾分选异常的鱼剔除掉，判断正确则进入鱼腹背定向视觉检测，通过视觉判定腹背方向，启动对应气缸的伸缩，完成鱼体的自动化腹背定向。完成鱼头尾、腹背定向的鱼随后进入下一级的喂料装置，实现鱼的自动化开肚、高压水去内脏、去鳞以及去头等初加工工序。

1.2 鱼初加工线自动化控制关键技术点

鱼自动化初加工流水线以可编程逻辑控制器PLC、工业计算机以及触摸屏为控制核心，结合工业相机、变频调速电机、步进电机、气缸等执行元件，并引入机器视觉模板匹配算法、工业物联网网关组态技术，其控制的关键技术点在于：①如何灵活控制各电机转速，实现上述各加工工序的最佳匹配；②机器视觉模板匹配算法如何清晰地抓拍流水线上高速流动的鱼体，准确高效地判定鱼体的头尾与腹背方向并将判定结果反馈至控制器，从而控制各执行机构的对应动作；③基于工业级物联网网关云组态技术如何实现对整个加工流水线的微信小程序端、网页端、PC 大屏端的远程监控功能，进一步保证食品加工的食品安全性，设备维护控制的方便快捷性，实现设备控制系统的柔性化设计理念。

2 鱼初加工线自动化控制系统设计

2.1 控制系统硬件设计及实现

控制系统硬件部分主要以西门子S7-1200 可编程逻辑控制器PLC 及其数字量输入输出模块、昆仑通态TPC1061Ti 触摸屏、工控机、物联网网关为控制器，其控制系统硬件整体架构如图2 所示。通过全集成自动化TIA 博途软件平台，配合PEOFINET 工业以太网网络通讯，实现鱼的头尾定向、腹背定向、开肚去内脏、去鳞、去头等全集成自动化控制[6-7]。下面将对主要控制部分的实现方式进行详细介绍。

2.1.1 鱼头尾定向控制实现

鱼头尾定向工作主要由鱼加工线头尾定向部分的装置完成。头尾定向装置主要由原料提升单元以及偏心圆盘振动单元组成，该装置主要由2 个变频电机驱动。其控制过程如下：首先通过TIA 博途软件建立起主控制器PLC 与变频器之间的主从通讯关系，该部分程序块如图3 所示，然后通过图4 所示程序块给变频器输入控制参数，控制变频电机的对应转速，其参数主要通过HMI 组态界面设定。当按下头尾定向启动按钮的时候，头尾分选提升电机启动，将原料鱼送至头尾分选振动盘，头尾分选振动电机按照HMI 给定的频率驱动偏心圆盘振动单元，利用鱼体重心部位偏头部的特征，实现鱼的自动化头尾分选，并经传送带传至下一级处理装置。

2.1.2 鱼腹背定向控制实现

为避免鱼头尾定向腹背定向失误引发产品加工不良的事故，将机器视觉监测技术引入鱼腹背定向控制系统，整体实施方案如图5 所示[8-9]。头尾定向完成的鱼经传送带以单条排列的方式送至鱼腹背定向装置，工业相机对传送带上流过的鱼进行实时拍照，由工控机内模板匹配控制算法对拍摄到的鱼进行头尾判断；若检测到鱼体头尾反向，工业相机控制板则向PLC 输入端口发送1 个高电平信号，PLC 检测到该信号后，通过数字量输出端口控制剔除气缸伸缩阀，将该头尾分选失败的鱼剔除出去，避免其进入下一道加工工序。

在判定鱼头尾定向正确以后，工控机内模板匹配算法马上对其腹背方向做出判定，当监测到鱼背部朝左或者朝右后，工业相机控制板向PLC 对应数字量输入端口反馈左右信号，PLC 收到该信号后，经内部控制器延时一定时间，启动腹背翻转气缸伸缩阀，由腹背翻转气缸带动对应执行机构完成鱼的腹背定向，同时经腹背定向机构上的步进电机传送带将完成头尾定向与腹背定向的鱼送至下一级加工工序。鱼头尾、腹背视觉监测视觉效果如图6 所示。其中腹背定向机构的步进电机由PLC 对应的脉冲频率输出口以及脉冲方向输出口控制，通过脉冲频率输出口控制脉冲频率大小可控制步进电机转速高低，通过控制脉冲方向输出口可控制步进电机的正反转，对应参数与控制指令可通过HMI 监控界面给定。

2.1.3 鱼去内脏、去鳞与去头控制实现

鱼完成头尾、腹背定向后进入到去鳞、去内脏与去头装置。首先进行的是鱼开肚去内脏加工，其步骤如下：①通过与鱼肚底部接触的传送带以及2 条与鱼身平行夹带的相对运动，将前面定位好的鱼自动送入机器内部。②当被夹带送入的鱼腹部经过其底下高速旋转的开肚刀锯的时候，利用鱼肚与固定的高速旋转刀锯的相对运动将鱼肚剖开。③仿生夹具扩膛结构将鱼肚撑开，高压水泵将水喷射至鱼肚内侧，将内脏冲洗干净，完成鱼的开肚去内脏加工。然后进行的是鱼去鳞加工，在鱼身两侧固定安装有去鳞毛刷，通过夹带带动鱼身与毛刷做相对运动，同时结合高压水，完成鱼去鳞加工工序。最后进行的是鱼去头加工，夹带带动鱼体向前运动，当光电开关检测到鱼体的时候，由PLC 控制器延时一定时间，启动去头切刀气缸伸出阀，由气缸带动高速旋转的刀锯，将鱼头切落，完成鱼的去头加工工序。所有执行机构逻辑动作及其设备运行状态监控均由PLC 数字量输入输出口控制完成。

2.2 鱼加工线软件设计与实现

传统的鱼初加工设备控制系统仅是通过外部开关按键操作加工，缺少人机交互界面，系统信息化程度欠佳。针对这种情况，开发了包含本地监控与远程监控的界面，通过界面可以较好地进行报警信息查询、各开关按钮操作、系统参数设置与调用等，更加利于系统整体监控，提高了系统的柔性化。

2.2.1 本地系统监控界面设计

本地系统监控界面是基于昆仑通态TPC7062Ti触摸屏开发，该屏搭载高性能Cortex-A8 CPU，系统运行频率高达600 MHz，通过PROFINET 工业以太网与PLC 建立实时通讯。图7 所示是本地系统主监控界面，通过该界面可以方便地完成观测加工线实时报警信息、操作加工线关键动作、设置主要加工参数等功能，还可以简单直观地监测到鱼加工线的主要运行状态，通过该界面可以进入到其他操作界面，比如，单击界面配方参数设置按钮，可以转到图8 所示的鱼加工配方参数界面，通过该界面，可以针对不同类型鱼的初加工过程中主要配方参数进行调试并保存，控制系统适用于各种类型鱼的加工。

2.2.2 远程系统监控界面设计

远程监控系统采用分层设计原理，总体架构如图9 所示，主要分为感知层、通信层、存储层以及应用层。工业物联网网关通与鱼加工线的主控制器PLC 通过PROFINET 以太网方式建立连接，实现鱼头尾定向、腹背定向、开肚、去内脏、去鳞以及去头加工信息监控。网关内带4G 网络通讯，通过MQTT 协议以及云平台服务器实现数据的打包上传与下发[10]。

针对不同客户群体的需求，开发了Web 端界面、手机APP 端界面以及微信小程序端界面。各监控界面展现的内容风格一致，均可以实现设备报警信息实时获取、配方参数设置、设备主要运行状态监控等功能，内部建立不同用户等级，各用户等级通过账号密码登录，执行系统管理员赋予的不同权限。图10 所示是鱼加工线远程系统主监控界面，通过该界面，可以清晰地监测到设备的整体运行状态，单击界面相应按钮可对设备各逻辑动作进行操作，也可以跳转至其他操作页面。通过手机APP 端、手机微信小程序端、电脑Web端可以实时监控设备加工状态，极大地提高了食品加工安全监控力度。

3 结语

本文介绍了鱼初加工工艺流程及其自动化控制关键技术，并给出了鱼初加工线自动化控制系统软硬件结构设计与实现的方案。该系统实现了鱼初加工全集成自动化控制，节省了大量的劳动力，对于不同规格种类的鱼，系统只需选择并下载不同压装配方参数即可，具备较高的柔性化设计理念。经初步试验分析与现场应用表明，该鱼初加工线控制系统运行稳定，有效提高了生产效率与经济效益，市场应用前景广阔，对于其他水产品初加工设备也具有一定的参考价值。