對蝦分級機控制系統設計

李珊珊+袁永偉+孔德剛+楊淑華

摘要： 針對目前國內對蝦手工分級精度差、效率低等現狀，主要對對蝦分級機的分級控制系統進行了設計，將PLC、觸摸屏、傳感器及步進電機控制等技術應用于控制系統。為了實現不同尺寸規格對蝦的高精度分級，采用了分級輥中心距雙向自動調節系統，輥軸兩排通過PLC控制與步進電機驅動調節輥軸間隙，采用在觸摸屏上依次輸入3類不同數值的高位電機與低位電機脈沖數的方式，能夠實現高精度、高效率的對蝦分級，實現對蝦分級的全自動控制。

關鍵詞： 分級機；自動控制；PLC；觸摸屏；對蝦

中圖分類號： S226.5 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）03-0410-03

對蝦營養豐富，廣受青睞[1]。隨著經濟發展，我國對蝦養殖業發展迅速，2013年各種蝦類年總產量約160萬t[2]。由于對蝦市場需求量的增加，使對蝦以粗加工為主向精加工和深加工轉型，因此各種食品加工設備必不可少，而分級銷售可有效提高質量等級化、包裝規格化程度[3]，故對分級設備的研究尤為重要。對蝦的主要品質因素有質構、風味、外觀等，其中重量是較受青睞的直觀衡量因素[4-5]。故需根據對蝦規格研制分級設備，針對對蝦外形和重量進行分級。

國外對對蝦分級設備的研究已達較高水平，但國內研制能力相對薄弱，主要依靠手工分級，效率及精度較低，且不能保證產品質量和衛生，但引進國外設備價格昂貴。目前對蝦分級設備主要有質量式、光電式、外形尺寸式[6]等。質量式分級機雖分級精度高但需逐個測量，效率差，進行自動上料電器元件多，不適合多水環境使用；光電式分級機主要用于機械化谷物加工；尺寸式分級機根據對蝦外形特征分級，易于操作、價格便宜，但分級間隙及轉速需手動調節，影響了分級精度，增加了操作難度。

為此，在引進國外先進技術和降低成本的基礎上，對對蝦的物理特性進行研究，設計了尺寸式輥式[7]對蝦分級機的分級控制系統，該系統通過PLC控制調節分級輥的中心距，利用調節輥軸間隙的大小完成不同體厚對蝦的分級，最終實現了對蝦高效率、高精度分級。

1 對蝦分級機總體結構及工作原理

1.1 總體結構設計

自動化對蝦分級機應能根據對蝦體質量、體厚度等因素自動完成兩輥間隙的調節?？膳鋫淝逑囱b置、前輸送裝置、對蝦分散與定向裝置和成品輸送裝置，集清洗、輸送、分級于一體。其整體結構見圖1。

對蝦分級機分為清洗模塊、輸送模塊、分散定向模塊、分級模塊及成品輸送模塊。清洗模塊包括進水管、儲蝦池和出水管3部分。輸送模塊包括入料輸送帶、輸送輥和電機3部分，輸送帶表面裝有擋板，避免大傾角傳送引起對蝦滑落。分散與定向模塊由不同直徑的分散定向輪、電機、定向槽等組成，使堆疊的對蝦依據分級輥的方向分散排列。分級模塊是為了實現不同尺寸規格的對蝦分級，主要由5對分級輥、鏈傳動裝置和電機組成，其中每對分級輥由固定輥和活動輥交替分布。分級輸送裝置是為了使對蝦按不同規格輸送到相應位置，主要包括5條出料輸送帶、傳動部分和電機。

1.2 工作原理分析

將鮮活對蝦倒入儲蝦池中，在低溫下使其迅速眩暈，電機帶動輸送帶傳動翻攪池中對蝦完成清洗，并把部分對蝦輸送至分級輥上方，通過打散定向輪分散定向，定向后的對蝦通過導料板落在間隙逐漸變大的階梯形分級輥上，由于重力與反向輥軸推力作用，對蝦將沿分級輥下滑至合適間隙下落到相應的出料輸送帶上，由輸送帶將其輸送至預定位置實現分級。分級精度主要取決于分級輥間中心距和輥的階梯精度，利用PLC與步進電機控制兩輥間的中心距，提高了對蝦分級精度和效率，實現了自動化分級。

2 分級控制系統的設計

2.1 分級控制系統的硬件設計

依據對蝦分級機的工作要求，綜合考慮多方面因素，控制系統選用的設備及對應型號見表1。

其硬件接線圖見圖2。

分級控制系統整體采用PLC控制，通過2個步進電機驅動器分別控制高位與低位步進電機的轉動圈數。為了保證高精度要求，在步進電機輸出軸上利用編碼器計數，以實現對輥軸間隙的精確控制。各項參數通過觸摸屏輸入。控制系統原理圖見圖3。

2.1.1 PLC的硬件設計 PLC的選型需綜合考慮工藝流程及應用要求。分級控制系統需要6個輸入端口、5個輸出端口，且須有高速脈沖輸出功能。最終選用DVP-SS2系列PLC進行控制。系統的輸入端子包括2個正限位開關、2個負限位開關、2個原點復位開關；輸出端子包括高位步進電機方向和速度、低位步進電機方向和速度、手動/自動控制。由表2可知PLC的輸入、輸出分配情況。

2.1.2 輥軸設計 由于市場上出售的多為中等規格對蝦，故輥軸的外形設計以中等規格作為參照。綜合考慮分級設備體積及輥軸剛度等因素，初擬輥軸可對整批對蝦進行6級分級，分別為≤25尾/500 g、26～30尾/500 g、31～35尾/500 g、36～40尾/500 g、41～50尾/500 g和≥51尾/500 g 6個等級。通過對對蝦參數的分析，得出相鄰等級對蝦體厚度差值的平均值為0.91 mm，考慮到加工工藝性和磨損等因素，最終確定分選道的階梯為1.0 mm，即分級輥階梯為0.5 mm，輥軸的5階直徑為120～124 mm。通過大量試驗得出調整好輥軸間隙后最優的工藝參數是輥軸直徑為120 mm、轉速為70 r/min、傾角為25°，在此參數組合下分級精度和效率均最高。

2.2 控制系統的軟件設計

主要包括2個部分：PLC的軟件設計與觸摸屏的軟件設計。

2.2.1 PLC的軟件設計 采用Delta ISPSoft環境，在梯形圖下通過調用子程序對各項控制任務進行模塊化編程[8-9]，便于程序讀取及調試。由系統參數的初始化、手動/自動調節、高位電機定位控制、低位電機定位控制等模塊組成。

PLC需要完成的控制功能有：（1）實現與上位機的數據交換。（2）裝機前調試好原點位置，通過原點復位開關，在每次分級機啟動前實現精確復位；通過限位開關限制活動輥移動的極限位置。需注意的是原點與負限位之間的距離須小于兩輥之間的最小間隙以避免兩輥相撞；正限位方向須保證活動輥不撞到機架。（3）依據需分級的對蝦規格確定最佳分級間隙，快速、精確地實現對蝦的等級定位。（4）實現手動/自動2種控制模式。手動調節時，系統須具有微調功能；自動調節時，通過PLC輸出脈沖數分別控制高位電機與低位電機的轉速，步進電機帶動滾珠絲杠轉動，絲杠螺母帶動調節板移動，最終實現固定輥與活動輥中心距的調節，完成對蝦分級?？刂瞥绦蛄鞒桃妶D4。

2.2.2 觸摸屏的軟件設計 觸摸屏采用EasyBuilder8000軟件進行畫面編輯，通過RS232接口與PLC連接，可實現上下載數據、在線監控、設定參數等操作。主菜單界面見圖5。通過觸碰相應按鈕即可完成相關動作。

《鮮活對蝦購銷規范SB/T10524》規定對蝦規格按每 500 g 對蝦所含個數分為2～3、4～6、7～9、10～12 等16個等級，要求每一等級對蝦中不符合該級別要求的數量應≤10%，但應符合次一級規格要求[10]。綜合考慮各項因素，為了提高分級精度，觸摸屏上設有3類高位電機和低位電機的脈沖輸入窗口。觸碰相應位置，通過觸摸屏上彈出的鍵盤即可實現脈沖數輸入，完成分級。在分類1后面輸入脈沖數后，初步實現對蝦的6級分級，較大對蝦在第6級全部落下；通過分類2

對較大對蝦繼續進行6級分級，在第6級中，所有大對蝦全部落下；通過分類3繼續分級，實現剩余對蝦的6級分級。通過觸摸屏的相關操作，最終可實現18級對蝦分級，完全滿足了不同尺寸對蝦的分級要求，實現了對蝦的高精度分級。

3 結果與分析

將控制裝置安裝在對蝦分級樣機上，對分級輥中心距進行調節試驗。輥排兩端采用PLC控制與步進電機驅動，并通過編碼器反饋給PLC，實現兩輥中心距雙向自動調節，依據對蝦不同批次尺寸差異，自動調節分級輥兩端間隙，達到所需的分級數與分級精度。

試驗方法為在觸摸屏上依次輸入3種不同數值的高位電機與低位電機脈沖數，實現對整批對蝦的分級。試驗材料為從水產市場隨機購買的≤50尾/kg、51～60尾/kg、61～70尾/kg、71～80尾/kg、81～100尾/kg和≥101尾/kg 6種不同規格的對蝦，每種規格180尾，按照每組30尾隨機分成6小組，將每小組的30尾組合到1組，共6大組，然后對6組對蝦進行分級處理，分級精度與效率的數據（表3）。為了確保試驗準確性，連續購買30 d同種規格對蝦進行試驗，記錄試驗數據（圖6）。通過數據分析，可以看出采用分級輥中心距雙向自動調節系統，分級精度及效率均較高，分級精度≥95%，分級效率>1 050 g/s。

4 結論

結合當前國內對蝦手工分級效率低、精度差等問題，設計了1種雙輥式對蝦分級機的分級控制系統。

（1）系統以PLC作為控制核心，綜合運用了傳感器、PLC、觸摸屏、步進控制等技術，采用分級輥中心距雙向自動調節系統，輥排兩端通過PLC控制與步進電機驅動，實現了輥軸間隙的調節。

（2）通過觸摸屏依次對3類不同數值的高位電機與低位電機脈沖數進行輸入，方便了操作，可以實現對蝦不同尺寸規格的分級。試驗結果表明，分級精度及效率均較高，實現了對蝦分級的全自動控制。

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