基于PLC的蟹籠漁船誘餌填盒與塞籠自動化流水線方案設計

陳 勇，鄭雄勝，林鐘衛

(浙江海洋大學海洋工程裝備學院，浙江 舟山 316000)

美國、日本的壺籠捕撈技術開始于20紀60年代[1]，中國蟹籠捕撈技術于20紀80年代末才開始從韓國引進[2]。雖然起步晚，但是隨著捕撈裝備的發展，捕撈產量也在逐年增長。據《中國漁業統計年鑒(2020)》[3]數據顯示，2012—2019年中國梭子蟹產量總體呈上升趨勢，由2012年的366 207 t增長至2019年458 380 t，增幅為20.1%，浙江、江蘇、福建為主要產區。在誘捕餌料方面，國外使用的主要有魷魚、海豹脂肪、海豹骨肉[4]、鯖魚、青魚頭[5]等，中國蟹籠漁船的誘捕餌料主要使用廉價且便于儲存的冰凍小青魚，使用過程中，工序多，需要大量人力，效率低、強度大。

在前期研究[6]的基礎上，研發了一種實現餌料使用自動化的流水線生產方案，并通過Pro/ENGINEER Wildfire5.0進行了流水線的結構設計建模與原理分析。采用GX works3語法檢測與程序在線測試模擬功能，在理論上驗證了程序的完整性與可行性[7]，為后期的樣機試驗提供了有效保障。

1 流水線基本結構與工作原理

1.1 基本結構

蟹籠漁船誘捕餌料自動切塊填盒與塞籠流水線(以下簡稱“流水線”)的機械結構采用Pro/ENGINEER Wildfire5.0進行設計建模[10]，主要包括破冰分離裝置、切塊裝置、自動合蓋裝置和自動塞籠裝置，具體結構與工位排布如圖1所示，同時設計了流水線所需要的輔具，并進行改進，主要包括分離式餌料盒，新型囊袋式蟹籠。

1.2 工作原理

流水線的工作流程為：工人將冰凍餌料塊從冰箱內取出放進破冰分離裝置破碎腔內，動鄂與定鄂之間的咬合將餌料塊破碎分離為小青魚與冰塊兩個部分，小青魚通過濾網經轉筒輸送裝置輸送至切塊裝置內進行均勻切塊，冰塊則通過濾網掉落到滑道內滑出[6]。切塊后的餌料塊通過擋板式皮帶線輸送至分道式皮帶線上，同時，由于皮帶的摩擦力餌料塊被分別帶入各個通道內；餌料塊進入通道后經過3排彈簧擋板被迫使其緊挨排列，當排列的餌料塊達到一定量后彈簧擋板被推開，餌料塊則繼續前進至填盒處停止并等待填餌；空餌料盒經過轉盤篩選上料與挖孔式皮帶線的傳送到達填餌處開始準備填餌，分道式流水線電機步進2個餌料塊的距離，餌料塊則通過落料孔掉入餌料盒內，填餌工序完成。填餌完成后，餌料盒經過自動合蓋裝置完成合蓋，餌料盒由于重力通過V型滑道掉落在餌料盒擋板式皮帶線上被輸送至自動塞籠處掉落在擋片上等待塞籠；60 s后蟹籠流水線開始啟動，工人將囊袋式蟹籠按照定位柱與定位繩方向對齊后放入皮帶線上的橡膠圈內固定流走。當蟹籠流至光電開關處時，流水線停止，夾緊氣缸開始夾緊蟹籠，擋片被推開餌料盒掉落在囊袋口上。當餌料盒檢測傳感器檢測到下方有餌料盒時，自動塞籠氣缸下壓帶動柔性壓棒將餌料盒擠入蟹籠，即塞籠工序完成，具體流程如圖2所示。

1.3 主要機構設計

1.3.1 自動塞籠裝置

自動塞籠裝置由蟹籠皮帶線、夾緊氣缸、自動塞籠氣缸、傳感器、擋筒、擋片等構成(圖3)。該裝置主要為了實現餌料盒的自動塞籠，是整個流水線的關鍵部分；在設計過程中需要攻克許多難題，如在不改變原有功能的基礎上重新設計可塞入式蟹籠、蟹籠口與柔性壓棒的準確定位等。該裝置設計了一種新型的蟹籠(圖4)，打破了傳統的餌料塞入方式。該裝置具體工作流程為：裝入餌料塊的餌料盒被擋板式皮帶線與V型滑道輸送至自動塞籠處被擋片擋住，等待塞籠；蟹籠起拔過程中最后一個工序的工人將蟹籠按照定位柱、定位繩一致方向將囊袋式蟹籠放入固定橡膠圈內進行定位；電機轉動帶動蟹籠向前，當蟹籠走到光電開關處，蟹籠停止，夾緊氣缸將蟹籠夾緊定位；最后自動塞籠氣缸下壓，帶動柔性壓棒將餌料盒通過囊袋口擠入蟹籠內后，夾緊氣缸與自動塞籠氣缸復位，蟹籠流走，經過計數器感應后加1計數，最后塞餌后的蟹籠被堆籠工人取下堆進蟹籠倉等待下籠。

2 流水線控制系統設計

2.1 控制流程與邏輯圖

流水線由3個步進電機、4個普通電機、光電開關與計數器、磁性開關、電磁閥等多種控制元件共同控制(圖5)。主要控制流程：工人按下啟動按鈕后破碎分離裝置、轉筒輸送裝置、餌料塊擋板式流水皮帶線電機1、2、3同時啟動，冰凍餌料塊經過破碎分離與切塊被擋板式皮帶線輸送至分道式皮帶線前段。此時分道式皮帶線電機10開始啟動，餌料塊被輸送至末端光電開關6處停止并等待空餌料盒上料。在餌料塊等待過程中，挖孔式皮帶線電機7開始啟動并通過空餌料盒自動上料裝置將空餌料盒輸送至填餌光電開關9處停止，接著分道式皮帶線開始步進2個餌料塊的距離，餌料塊掉落至餌料盒內，填餌完成。填餌完成后，挖孔式流水線步進3個餌料盒距離走至自動合蓋處進行合蓋后，電機12開始啟動，餌料盒被輸送至自動塞籠處的擋片上等待塞籠。60 s后蟹籠流水線電機18開始啟動，蟹籠流至光電開關15處蟹籠流水線停止后，左右夾緊氣缸14、16開始對蟹籠進行夾緊定位。當餌料盒檢測傳感器檢測到柔性壓棒下存在餌料盒時，自動塞籠氣缸17下壓并帶動柔性壓棒將餌料盒擠入蟹籠，接著夾緊氣缸與自動塞籠氣缸復位，蟹籠流走經計數器13處計數加1，自動塞籠工序完成。整個控制過程中如出現餌料盒蓋料箱無餌料盒蓋、餌料盒料箱無餌料盒、柔性壓棒下無餌料盒、氣缸進與退不到位、吸嘴破真空等異常情況時，系統停止并報警提示，待人工處理后按啟動按鈕繼續工作。圖6為控制系統邏輯圖。

2.2 流水線氣動控制系統設計

2.2.1 氣動控制系統元件及功能

能源元件：1個氣泵，為自動合蓋裝置與塞籠裝置的各個氣缸提供壓力。

執行元件：5個雙作用單桿氣缸，分別用于推送、吸嘴與壓桿的升降、蟹籠的夾緊定位、餌料盒蓋的下壓合蓋、餌料盒的自動塞籠。

控制元件與輔助元件：5個二位四通電磁換向閥、2個二位二通電磁換向閥、11個單向節流閥、1個真空壓力開關、1個減壓閥、1個單向閥、1個壓力表、1個空氣組合件、1個真空發生器等[11]。

2.2.2 氣動控制系統原理設計

餌料盒自動合蓋裝置與塞籠裝置的氣動控制系統動作執行氣缸共包括5個雙作用氣缸，3個橫向運動，2個垂直運動，分別用于蟹籠夾緊定位、餌料盒的合蓋、餌料盒的塞籠、自動合蓋氣缸的推送，1個吸盤用于吸取餌料盒蓋，具體原理如圖7所示[11-12]。

2.2.3 流水線氣動控制原理

流水線氣動控制包括自動塞籠裝置氣缸控制、吸盤控制、自動合蓋氣缸控制。控制原理：自動合蓋氣缸5進到位后，吸嘴開始吸取餌料蓋，當吸嘴達到真空狀態后合蓋氣缸復位，推送氣缸4將自動合蓋氣缸5推到餌料盒正上方后，自動合蓋氣缸再次進到位，將餌料盒蓋合上，最后吸盤放氣，自動合蓋氣缸與推送氣缸全部復位，即完成吸蓋、合蓋動作。當傳感器檢測蟹籠到位時，夾緊左右氣缸開始夾緊蟹籠定位，當餌料盒檢測傳感器檢測柔性壓棒下有餌料盒時，自動塞籠氣缸進到位，餌料盒被柔性壓棒下壓擠入蟹籠，最后執行氣缸全部復位，即自動塞籠工序完成。

表1 電磁鐵狀態與氣缸動作表

整個氣動控制系統所用的控制閥均為電磁換向閥，主要通過電磁鐵的得與失電與PLC一起實現整個流水線執行氣缸的動作順序控制。根據控制設計要求電磁閥磁鐵與真空壓力開關的壓力傳感器的狀態與氣缸的動作狀態對照見表1[13]。

2.3 PLC選型

根據整個控制系統的邏輯流程設計與I/O口分配，PLC共需要25個輸入端，24個輸出端，同時為滿足能夠控制步進電機等使用要求且留有適度余量的端口選擇32輸入/輸出端口的PLC基本滿足使用要求，由于是用于流水線控制要求控制精度高、可靠性強，故綜合考慮選擇三菱FX5U-64MT/ES型號PLC[19]。

2.4 I/O分配表與接線圖

2.4.1 I/O分配表

控制系統選用三菱FX5U-64MT/ES型號PLC作為主控制元件，由于控制過程需要考慮基本的按鈕操作、氣缸的進退控制、物料的感應控制、步進電機的脈沖量控制等，因此根據控制要求共需要占用24個輸出端口，用于啟動、停止、急停等基本操作按鈕控制、磁性開關檢測氣缸的進退是否到位控制、傳感器檢測、計數器計數等，25個輸出端口，用于氣缸的動作執行、步進電機的運轉、三色燈的指示等。根據邏輯控制流程圖的控制要求對I/O分配見表2。

表2 I/O分配表

2.4.2 PLC接線圖元件選用

蟹籠餌料自動切塊填盒塞籠采用三菱FX5U-64MT/ES型號PLC控制，整個控制系統共需要25個輸入端口，24個輸出端口。控制元件及其作用：

(1)計數器1個，用于蟹籠餌料完成塞籠后生產計數，便于統計生產效率；(2)磁性開關10個，用于檢測氣缸進與退是否到位，防止下壓不到位導致餌料盒漏合蓋或蟹籠餌料塞入不到位導致漏裝；(3)真空傳感器1個，用于吸嘴檢測真空與破真空，防止餌料盒蓋吸取不到位導致漏合蓋，3個吸嘴同時破真空表示物料，電機復位，等待操作工上料；(4)二位四通電磁換向閥5個，用于整個生產過程中各個氣缸的上下、左右、前后的動作控制，二位二通電磁換向閥2個，用于吸盤的吸氣與放氣；(5)光電開關3個，分別用于檢測蟹籠、餌料盒、餌料塊是否到位；(6)光電傳感器1個，用于提示餌料盒料箱內是否無料；(7)三色燈1個，用于系統啟動、復位、報警信號的指示。

2.5 控制系統程序的設計

流水線控制程序采用GX works3使用局部標簽功能分板塊進行編寫，主體程序主要包括自動切塊控制、自動合蓋控制、自動塞籠控制、報警處理、程序初始化、模式選擇、三色燈報警等10個板塊，共計1 035步。整個流水線共使用控制元件包括光電開關、傳感器、磁性開關、壓力傳感器、電機、計數器、電磁換向閥，其中，電機包括5個伺服電機、3個普通電機，伺服電機采用絕對坐標進行編程，脈沖量使用DDAD指令觸摸屏輸入方式，以便后續根據生產情況靈活修改脈沖量。程序在編輯過程中難點在于實現3個吸嘴吸蓋不到位與料箱無料的判斷、餌料在自動填裝過程中的用量控制、蟹籠的定位以及自動塞籠過程的位置精準控制等。由于流水線執行元件較多，控制程序復雜且對控制的穩定性要求高，所以流水線的報警功能必須全面覆蓋，防錯防呆措施必須全面考慮在控制程序內。因此，對于流水線在生產過程中氣缸的進退不到位、料箱的料是否為空、吸嘴是否漏吸、餌料盒或者蟹籠是否到位、緊急事故急停與暫停等，都需要準確監控，對于異常情況均通過三色燈報警方式提示操作工，編程過程中均需要考慮在內。

2.6 觸摸屏人機界面設計

流水線觸摸屏人機界面設計使用MCGS嵌入版組態環境軟件進行創建。界面主要包括按鈕操作、界面切換、當前報警信息3個模塊，其中，按鈕操作包括啟動、暫停、急停、復位，界面切換包括模式選擇、參數設置(主要是步進電機脈沖量)、信號交互、報警LOG等，同時顯示當前生產數量、生產效率等[28]。

3 控制程序在線測試與項目研究分析

3.1 控制程序在線模擬測試

流水線控制程序主要通過兩種途徑進行驗證。第一步，在GX works3工具欄中轉換-程序語法檢查-全部程序部件檢查中進行程序編寫語法的初步檢查測試，檢測時長約3 s，檢查結果為包括主程序1 035步、位置讀取程序427步未發現報錯選項，程序語序語法驗證合格。第二步，通過再次使用GX works3軟件調試中的模擬調試功能進行在線模擬測試[7]，首先將系統參數、CPU參數、模塊參數、程序文件、全局標簽設置文件寫入后未發現寫入性錯誤問題，然后開始進行在線測試，整個測試過程共用時5 s。在線測試結果：測試過程中未出現錯誤信號提示，各端口通斷順序正常，系統run指示燈為綠燈，且各控制元件執行順序與流水線控制順序相符合[26-31]，因此驗證了程序的完整性與可行性。從以上兩種途徑的驗證結果來看，該控制程序符合流水線運作的控制要求，對于后期在蟹籠漁船上進行樣機試驗提供了保障。

3.2 項目研究的優缺點分析

通過模擬測試，對蟹籠漁船的餌料使用自動化提供了一套加工生產、控制方案，為餌料使用實現自動化提供了可能性。該項目研究在理論上實現了餌料盒的自動塞籠，打破了傳統的餌料手動塞取方式，同時設計了一種新型的囊袋式蟹籠，提高了蟹籠漁船的生產效率與操作便捷性。但是，由于項目目前處于理論研究后期階段，樣機的制作材料均處于準備階段，因此，控制系統設計程序無法完成樣機試驗及相關數據獲取，只能通過GX works3軟件進行理論上程序的完整性與正確性檢測，樣機的試制與試驗將在下一個階段進行系統開展。

4 結語

該流水線加工方案的提出為蟹籠漁船餌料使用實現自動化生產提供了理論依據并創造了有利條件，同時設計了一種新型囊袋式蟹籠，打破了傳統的餌料塞入方式；控制系統使用GX works3進行編程，并通過在線程序語法檢查功能與在線模擬測試功能兩種驗證方式分別進行在線檢測與驗證，結果表明，程序測試過程中未發生語法以及功能指令錯誤，系統run指示燈為綠燈，從而驗證了控制程序的完整性與可行性，為后期整個流水線樣機試制和試驗驗證提供了參考。

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