水產(chǎn)品深加工智能制造與成套裝備研究*

徐志明, 陳金成, 程 松, 陳 忠

上海電氣集團(tuán)自動(dòng)化工程有限公司 上海 200023

1 研究背景

水產(chǎn)品是人類食品的主要來源之一。與畜禽蛋白相比,水產(chǎn)品蛋白肉質(zhì)更嫩,氨基酸、維生素、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分更豐富,更有利于人體健康。近年來,水產(chǎn)品在居民膳食結(jié)構(gòu)中的比重不斷提高。我國的水產(chǎn)品資源十分豐富,是全球水產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國。2014年至2018年我國水產(chǎn)品產(chǎn)量如圖1所示,2018年我國水產(chǎn)品產(chǎn)量約為6 458萬t[1],占全球比重達(dá)36%。其中,水產(chǎn)品加工量約為2 157萬t,占年總產(chǎn)量的33.4%。可見,水產(chǎn)品行業(yè)規(guī)模龐大,加工年總產(chǎn)值達(dá)4 000余億元。

圖1 2014年至2018年我國水產(chǎn)品產(chǎn)量

經(jīng)過近幾十年的發(fā)展,我國水產(chǎn)品加工技術(shù)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有很大進(jìn)步,但橫向比較,加工技術(shù)水平總體仍不高,主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:① 水產(chǎn)品的加工量占總產(chǎn)量的比例較低,而日本、加拿大、美國等國占比達(dá)到60%以上[2];② 水產(chǎn)品深加工程度低,加工形式單一,同質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)激烈;③ 我國出口水產(chǎn)品主要為初級(jí)產(chǎn)品,高附加值水產(chǎn)品的出口未形成規(guī)模優(yōu)勢(shì),成本較東南亞國家高30%以上[2]。以上三方面造成我國水產(chǎn)品缺乏國際競(jìng)爭(zhēng)力,大而不強(qiáng),與世界水產(chǎn)大國的地位極不相稱[3]。至2018年,我國的水產(chǎn)品加工能力仍不足總產(chǎn)量的45%,與其它水產(chǎn)大國相比差距明顯,需要向內(nèi)涵式發(fā)展方式轉(zhuǎn)變。由此可見,水產(chǎn)品加工業(yè)在我國有著廣闊的發(fā)展空間和市場(chǎng)前景。

水產(chǎn)品深加工技術(shù)與裝備是水產(chǎn)業(yè)加工行業(yè)能夠持續(xù)發(fā)展、轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要因素,連接了水產(chǎn)品行業(yè)的生產(chǎn)與市場(chǎng)。小龍蝦是水產(chǎn)品中的一種典型品種,每年的消費(fèi)量非常大。2013年至2018年,我國小龍蝦產(chǎn)量由60萬t增加至163萬t,2018年產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值已達(dá)3 690億元[4-5],成為世界最大的小龍蝦生產(chǎn)國。小龍蝦加工產(chǎn)品主要有蝦仁、蝦尾、原味整蝦和調(diào)味整蝦。目前,我國小龍蝦的加工方式還處于從初加工逐步發(fā)展為初加工與深加工并舉的階段[6]。

針對(duì)我國水產(chǎn)品深加工工藝水平較低的現(xiàn)狀,立足于從解決功能性要求的低層次提升為解決系統(tǒng)性要求的高層次,以小龍蝦為例提出水產(chǎn)品深加工智能制造技術(shù)與成套裝備架構(gòu),改進(jìn)小龍蝦速凍熟蝦仁、速凍蝦尾、速凍調(diào)味及原味整蝦三種不同的深加工工藝,并且研制水產(chǎn)品深加工智能生產(chǎn)線及成套裝備。

2 總體方案分析

2.1 目標(biāo)

總體目標(biāo)為打造水產(chǎn)品行業(yè)的智能工廠典范。經(jīng)過對(duì)原料供應(yīng)能力和投入經(jīng)濟(jì)性的分析,小龍蝦智能深加工廠的原料處理產(chǎn)能為200 t/d。成品產(chǎn)能方面,速凍熟蝦仁為6 t/d,速凍蝦尾為25 t/d、速凍調(diào)味及原味整蝦為100 t/d。同步建設(shè)先進(jìn)的生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)、過程控制管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、效能管理系統(tǒng)、看板系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)小龍蝦深加工智能工廠的數(shù)字化、信息化、智能化。

2.2 總體方案

小龍蝦深加工智能工廠實(shí)現(xiàn)三種深加工工藝,對(duì)基本環(huán)節(jié)進(jìn)行分解后,規(guī)劃小龍蝦深加工廠的智能化升級(jí),目的是將生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)互聯(lián),將自動(dòng)導(dǎo)引車智能物流輸送及調(diào)度系統(tǒng)、冷凍倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)、冷凍倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)、車間制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源計(jì)劃管理系統(tǒng)等有機(jī)地集成至小龍蝦深加工智能工藝過程中。

小龍蝦深加工智能工廠的平面布局及物流走向如圖2所示,用于實(shí)現(xiàn)速凍熟蝦仁、速凍蝦尾、速凍調(diào)味及原味整蝦三種不同深加工工藝。

圖2 小龍蝦深加工智能工廠平面布局與物流走向

速凍熟蝦仁工藝具體包括原材料挑選,蒸煮,冷卻,人工去殼、去腸、去黃、分級(jí),檢驗(yàn),漂洗、瀝水,稱重、裝袋,真空封口,金屬檢測(cè),速凍,裝箱,冷藏。

速凍蝦尾工藝具體包括原材料挑選,清洗,蒸煮,冷卻,頭尾分離,檢驗(yàn),沖洗、瀝水,速凍,鍍冰衣,速凍,稱重、裝袋、封口,金屬檢測(cè),裝箱,冷藏。

速凍調(diào)味及原味整蝦工藝具體包括原材料挑選,清洗,蒸煮、油炸,冷卻,分選,稱重,加調(diào)味料,裝袋、封口,金屬檢測(cè),速凍,裝箱,冷藏。

小龍蝦深加工智能生產(chǎn)線的實(shí)施分為三個(gè)階段,第一階段為深加工設(shè)備升級(jí)研制及產(chǎn)線集成,第二階段為各產(chǎn)線分步物聯(lián)、線邊智能物流及倉儲(chǔ)建設(shè),第三階段為各產(chǎn)線智能升級(jí),完成數(shù)字化和信息化生產(chǎn)線的搭建。

2.3 創(chuàng)新點(diǎn)

筆者研究小龍蝦深加工智能制造技術(shù)和成套裝備,并應(yīng)用于湖北省和湖南省的小龍蝦深加工智能生產(chǎn)線,將會(huì)建成全球首家進(jìn)行小龍蝦深加工的智能工廠。

結(jié)合小龍蝦深加工的工藝特點(diǎn),開發(fā)生產(chǎn)過程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、冷凍倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)、冷凍倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)引車智能物流輸送及調(diào)度系統(tǒng)、車間制造執(zhí)行系統(tǒng)、車間級(jí)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)資源計(jì)劃管理系統(tǒng)等,充分利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù),在保證信息安全的前提下,實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)、管理和決策的智能優(yōu)化。

用于小龍蝦頭尾分離的自動(dòng)剝蝦尾生產(chǎn)線綜合運(yùn)用視覺識(shí)別和高速進(jìn)給控制技術(shù),對(duì)小龍蝦的狀態(tài)、位置進(jìn)行識(shí)別,并抓取小龍蝦進(jìn)行剝蝦尾,有別于工業(yè)生產(chǎn)中固定零件的識(shí)別,帶有顯著的行業(yè)對(duì)象特點(diǎn)。

3 小龍蝦深加工設(shè)備升級(jí)研制與產(chǎn)線集成

小龍蝦深加工智能生產(chǎn)線生產(chǎn)的三類產(chǎn)品,其加工流程包含多個(gè)工藝環(huán)節(jié)。小龍蝦深加工模式升級(jí)如圖3所示。傳統(tǒng)的小龍蝦加工模式相對(duì)落后,加工企業(yè)仍然延用作坊式手工生產(chǎn)方式,技術(shù)裝備的自動(dòng)化程度低,企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平較低,生產(chǎn)能耗和物耗偏高,生產(chǎn)效率低,產(chǎn)品質(zhì)量差,檔次低,加工成本高。采用傳統(tǒng)加工模式,社會(huì)化生產(chǎn)組織和管理技術(shù)水平較低,缺乏先進(jìn)的生產(chǎn)組織和管理系統(tǒng)的優(yōu)化配置。

圖3 小龍蝦深加工模式升級(jí)

建設(shè)小龍蝦深加工智能生產(chǎn)線,首先需要對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行智能升級(jí),設(shè)備需要從原來的孤島式、手動(dòng)式、模擬式,升級(jí)為聯(lián)線式、自動(dòng)式、數(shù)字式,每一臺(tái)設(shè)備都配置有獨(dú)立的可編程序控制器控制單元和數(shù)據(jù)采集與控制接口,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備與智能生產(chǎn)線數(shù)字化系統(tǒng)的無縫連接。通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)蒸煮溫度、冷凍溫度、生產(chǎn)速度等重要參數(shù)的精確控制和設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控,進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)備故障診斷和能效管理。重要?dú)v史工藝參數(shù)可以保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中,需要使用時(shí)能夠直接調(diào)用,減少重新調(diào)整設(shè)置的時(shí)間成本。

對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能升級(jí)以后,需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行集成,將原來孤島式的設(shè)備集成為具備完整工藝的產(chǎn)線,再配置現(xiàn)代線邊智能物流及立體倉儲(chǔ)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)各產(chǎn)線的分步物聯(lián)。

小龍蝦深加工智能工廠能夠大幅提升各環(huán)節(jié)的工作效率,有效避免傳統(tǒng)手工操作差錯(cuò)率高、效率低、時(shí)效性差等問題,可以實(shí)現(xiàn)原材料清洗、挑選、稱重、速凍保鮮、蒸煮油炸、調(diào)味、包裝、冷鏈運(yùn)輸?shù)日麄€(gè)生產(chǎn)過程的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化,保障產(chǎn)品品質(zhì),弱化人工依賴,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化生產(chǎn)。

4 自動(dòng)剝蝦尾生產(chǎn)線技術(shù)

自動(dòng)剝蝦尾生產(chǎn)線是小龍蝦深加工智能生產(chǎn)線的核心設(shè)備。企業(yè)原本在每年小龍蝦旺季招聘大量勞務(wù)人員來剝蝦尾,通過人工方式分離小龍蝦頭尾,生產(chǎn)效率低下,造成人工成本占比較高。筆者將機(jī)器人視覺識(shí)別及在線抓取技術(shù)應(yīng)用于小龍蝦自動(dòng)剝蝦尾生產(chǎn)線。機(jī)器人視覺識(shí)別及抓取單元可以對(duì)在皮帶上輸送的小龍蝦進(jìn)行拍照識(shí)別,并由機(jī)器人抓取小龍蝦放置于剝離夾具中。

視覺在線檢測(cè)設(shè)備安裝在生產(chǎn)線上,檢測(cè)速度必須與高速生產(chǎn)線保持高度同步,實(shí)現(xiàn)高度同步的關(guān)鍵是圖像檢測(cè)的實(shí)時(shí)性[7]。圖像檢測(cè)過程分為圖像獲取、圖像處理和瑕疵產(chǎn)品判斷。圖像獲取的目的是得到高質(zhì)量的可用于圖像檢測(cè)的二維圖像,其流程如圖4所示。

圖4 圖像獲取流程

圖像處理和瑕疵產(chǎn)品判斷指對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行分析,判斷圖像是否符合預(yù)設(shè)的要求,不符合要求的二維圖像判斷為瑕疵產(chǎn)品,即爛蝦。爛蝦通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行剔除,進(jìn)而使合格產(chǎn)品和不合格產(chǎn)品自動(dòng)分為兩類。

在圖像獲取過程中,生產(chǎn)節(jié)拍較快,生產(chǎn)流水線需要對(duì)產(chǎn)品位置進(jìn)行精確感知。安裝傳感器獲取產(chǎn)品的工位信息后,開啟相機(jī),并完成拍照,獲取產(chǎn)品圖像。產(chǎn)品圖像傳送至產(chǎn)品圖像分割與定位單元進(jìn)行處理,定位出產(chǎn)品圖像在整幅圖像中的位置,計(jì)算出產(chǎn)品圖像中心。

圖像處理是在線視覺檢測(cè)的關(guān)鍵,其核心是高速圖像識(shí)別與匹配算法[8]。為了滿足快速實(shí)時(shí)處理的要求,需要建立標(biāo)準(zhǔn)樣本特征庫,事先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣本圖像進(jìn)行學(xué)習(xí),然后將被檢測(cè)產(chǎn)品的圖像與標(biāo)準(zhǔn)樣本特征庫中的圖像進(jìn)行對(duì)比,找出被檢測(cè)產(chǎn)品圖像特征與標(biāo)準(zhǔn)樣本特征庫中圖像特征不相符的部分。若不相符的部分超出了規(guī)定范圍,則可以判定為瑕疵產(chǎn)品。圖像處理流程如圖5所示,分為學(xué)習(xí)和實(shí)時(shí)檢測(cè)兩部分。

圖5 圖像處理流程

根據(jù)小龍蝦深加工智能生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍指標(biāo),要求在線抓取設(shè)備具有動(dòng)態(tài)特性高的特點(diǎn)[9],因此需盡量減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,減小慣性,在保證剛度和強(qiáng)度的前提下,實(shí)現(xiàn)尺寸、外形和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化。對(duì)于控制系統(tǒng),要求具有良好的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和軌跡跟蹤能力。

5 小龍蝦深加工智能制造技術(shù)

小龍蝦產(chǎn)業(yè)包括養(yǎng)殖、加工、餐飲服務(wù)三個(gè)方面,結(jié)合小龍蝦深加工工藝的特點(diǎn),將智能制造技術(shù)應(yīng)用于小龍蝦深加工智能生產(chǎn)線中,促進(jìn)各類物流設(shè)備互聯(lián)互通[10]。

針對(duì)小龍蝦深加工行業(yè)的特點(diǎn),筆者研制了冷凍倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)、冷凍倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)引車智能物流輸送及調(diào)度系統(tǒng)、車間制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源計(jì)劃管理系統(tǒng)等,并應(yīng)用于湖北潛江和湖南岳陽兩地,建立水產(chǎn)品深加工智能工廠。

適合水產(chǎn)品深加工工藝的冷凍倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)與冷凍倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)如圖6所示,自動(dòng)導(dǎo)引車智能物流輸送及調(diào)度系統(tǒng)如圖7所示。

圖6 冷凍倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)與冷凍倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)

圖7 自動(dòng)導(dǎo)引車智能物流輸送及調(diào)度系統(tǒng)

小龍蝦深加工智能生產(chǎn)線由管理層、控制層、執(zhí)行層三部分組成,如圖8所示。管理層是一個(gè)軟件系統(tǒng),是系統(tǒng)的中樞,具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和較高的智能性。控制層是系統(tǒng)的重要組成部分,接收來自管理層的指令,控制機(jī)械設(shè)備完成指令所傳達(dá)的任務(wù)。控制層實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài),將監(jiān)測(cè)的情況反饋至管理層,為管理層的調(diào)度決策提供參考。執(zhí)行層由自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備組成,接收控制層的指令,控制設(shè)備執(zhí)行各種操作。

圖8 小龍蝦深加工智能生產(chǎn)線框架

小龍蝦深加工智能生產(chǎn)線需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)信息的交換,這些數(shù)據(jù)信息不斷傳輸和反饋,形成信息流。由此可見,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要能夠迅速、正確、完整地收集、傳送、儲(chǔ)存、處理、分析數(shù)據(jù)信息,以便及時(shí)了解和掌握設(shè)備運(yùn)行情況,做出決策,并協(xié)調(diào)各環(huán)節(jié)運(yùn)行[11-12]。

通過對(duì)智能制造技術(shù)進(jìn)行研究,建成后的小龍蝦深加工智能生產(chǎn)線數(shù)字化、信息化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)九大功能。

(1) 計(jì)劃管理。通過企業(yè)資源計(jì)劃或手工訂單獲取生產(chǎn)需求信息,結(jié)合設(shè)備、人員、物料等信息對(duì)計(jì)劃訂單進(jìn)行分解和調(diào)整,可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃的靈活下達(dá)。

(2) 過程控制。通過對(duì)生產(chǎn)過程中人員、設(shè)備、物料等進(jìn)行跟蹤,可以實(shí)現(xiàn)派工、報(bào)工、生產(chǎn)可視化等功能。

(3) 設(shè)備組網(wǎng)。通過現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備的聯(lián)網(wǎng),可以實(shí)時(shí)采集設(shè)備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行信息。

(4) 設(shè)備管理。實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),收集報(bào)警信息,根據(jù)故障的嚴(yán)重等級(jí)將故障信息推送至對(duì)應(yīng)的管理人員和修理維護(hù)人員。

(5) 效能管理。根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的負(fù)荷高低,監(jiān)視設(shè)備的效能。

(6) 人員管理。實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置,包括人員、角色、權(quán)限等,提高人員的管理效率。

(7) 質(zhì)量管理。建立統(tǒng)一信息平臺(tái)下的質(zhì)量管理系統(tǒng),及時(shí)反映車間生產(chǎn)質(zhì)量狀況,幫助管理人員對(duì)所有質(zhì)量信息進(jìn)行多層面多角度的統(tǒng)計(jì)、瀏覽,進(jìn)而可以對(duì)質(zhì)量控制全過程進(jìn)行詳細(xì)了解,并實(shí)施責(zé)任范圍內(nèi)的監(jiān)督職能。

(8) 系統(tǒng)報(bào)表。能夠?qū)ζ髽I(yè)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘,結(jié)合企業(yè)的實(shí)際需要,為管理人員、各類技術(shù)人員提供統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。

(9) 看板系統(tǒng)。電子看板實(shí)時(shí)呈現(xiàn)所采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)目視化管理。

6 結(jié)束語

小龍蝦深加工智能制造技術(shù)與成套裝備的實(shí)施有利于規(guī)范小龍蝦加工工藝流程,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的精細(xì)化管理和精確的成本核算體系,提高深加工設(shè)備的自動(dòng)化程度和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性,減少原材料浪費(fèi)損耗,降低生產(chǎn)過程的勞動(dòng)生產(chǎn)力,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可追溯性,保證食品安全。

水產(chǎn)品深加工的智能制造與成套裝備具有重要意義,將會(huì)帶動(dòng)水產(chǎn)品行業(yè)的發(fā)展,徹底改變水產(chǎn)品養(yǎng)殖、物流、消費(fèi)等運(yùn)營(yíng)模式。未來,水產(chǎn)品加工將是技術(shù)和裝備的競(jìng)爭(zhēng),引進(jìn)先進(jìn)加工裝備,實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)品就地加工,提高原料利用率,保證產(chǎn)品品質(zhì),是企業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。筆者所研究的水產(chǎn)品深加工智能制造技術(shù)及成套裝備可以提供借鑒和參考。