海參清洗剖切一體化設備設計

楊 勝,孫永軍,鞠文明,閆程振,李國正,王凱歌

(1 哈爾濱理工大學威海研究院,威海 264200;2 山東好當家海洋發展股份有限公司,威海 264200)

海參在自然狀態下,其外表覆蓋黏液,內部含有沙粒、內臟等,結構比較復雜[1]。目前國內剝離海參內臟的方式多為人工清洗和剖切,存在清洗不徹底、生產效率低、成本高且難以形成規模化生產等問題[2-3],對海參自動化加工設備需求日益迫切。

近年來許多學者進行了相關研究,徐文其等[4]設計了利用水槽底部噴出的壓縮空氣泡沫清洗海參的設備,但存在泡沫密度難以控制,并可能導致海參產生應激反應,出現吐腸現象,清洗后的海參品質無法得到保障。王宏宇[5]設計了一種利用滾刷清洗海參的裝置,該裝置雖然可以實現海參清洗與剖切,但需要對海參進行腌漬前處理操作,不能對活海參直接處理,此外,滾刷式清洗結構極易損傷海參疣足。日本關西地區多采用一款能夠完整取出海參內臟的注射式設備[6],該設備雖然可以保證海參加工質量,但操作煩瑣不適合流水線生產。總體上,現有海參清洗剖切設備存在清洗質量差、生產效率低等問題,對海參清洗與內臟剖切一體化設備研究相對較少[7]。

設計了一套新型海參清洗剖切一體化設備,該設備采用超聲波清洗海參外部黏液和內部砂子等雜質,利用輥子剖切裝置清理海參內臟,并使用PLC軟件搭建控制系統。該設備不但可實現活海參深度清洗與內臟剖切自動化處理,同時可保證海參體壁、內臟等完整性,有效保證海參加工質量。此外,設備有效提升勞動效率、降低勞動強度,具有重要的實際意義。

1 設備的整體方案設計

1.1 設備的功能設計

海參清洗剖切機主要功能是實現海參深度清洗及內臟剖切。此外,還要求其清洗裝置能實現海參大小分流,翻轉裝置能夠對海參腹部進行識別與翻轉。為滿足工廠自動化流水線處理海參的需求,該設備需滿足以下要求:機架應該具有良好的強度,滿足耐腐蝕要求;控制海參清洗和剖切節拍,確保清洗節拍大于剖切節拍;設備結構簡單,便于操作與維修;設備必須具備安全設施,包括緊急停按鈕和警報燈,以確保操作人員的安全[8]。

1.2 設備的結構方案設計

海參結構如圖1所示。從圖1a可以看出海參背部布滿疣足且表皮層帶有黏液易黏附沙礫等雜質。此外海參的腹部有白色觸須且內含有胃腸等器官,這些器官與體壁之間連接緊密,如圖1b所示[9]。

圖1 海參

針對海參結構特征與加工要求,設計方案如下:設備啟動后,PLC控制傳送帶輸送海參、超聲波清洗裝置深度清洗海參,分流板對海參大小進行分類;分類后的海參進入升降翻轉裝置前,通過工業相機拍照將海參信息錄入至PLC,PLC接收到信號后啟動翻轉裝置,使海參調整到均為腹部朝下狀態;到達剖切裝置后,輥筒與圓盤刀剖切海參內臟,最后內臟進入料盤并回收海參。所設計的海參清洗剖切設備結構如圖2所示。

圖2 海參清洗剖切設備

由圖2可知,海參清洗剖切一體化設備主要由清洗裝置、升降翻轉裝置和剖切裝置組成。

2 設備關鍵部件設計

2.1 清洗裝置

清洗裝置結構如圖3所示。其中清洗裝置主要由步進電機、PVC擋板式傳送帶[10]、加鹽裝置、超聲波發生器、高壓水霧噴頭、Y形分流板、6061型材支架組成。

圖3 清洗裝置結構圖

海參表面具有黏液、同時疣足易損壞,使用具有擋板的光滑傳送帶能夠有效防止海參傾斜移動時滑落并保證海參不破損[11-12],同時傳送帶傾斜度為45°。此外,為保證海參體表不被破壞,超聲波頻率穩定在40 kHz[13]。加鹽裝置進行實時監測,使水體鹽度保持在35‰左右,能夠有效清理海參體內泥沙,同時避免海參因鹽分過高發生吐腸反應[14]。高壓水霧噴頭對海參進行二次清洗,保證好的清潔度[15]。為方便后工序海參有序分類回收及提高剖切效率,使用Y形分流板將海參分為多種規格尺寸[16]。此外6061型材有效地降低了海水對支架的腐蝕[17]。

清洗裝置處理海參過程為:放置海參至傳送帶→超聲波發生器清理海參體表→加鹽器使海參吐沙→高壓水霧噴頭進行二次清洗→進入Y形分流板分流。

2.2 升降翻轉裝置

升降翻轉裝置主要由視覺相機、升降裝置和翻轉裝置組成,如圖4所示。升降裝置主要由步進電機、絲杠式剪叉機構組成;翻轉裝置由步進電機、主動輥筒、從動輥筒構成。

圖4 升降翻轉裝置結構圖

為方便后續剖切,所有海參腹部需為朝下狀態。采用視覺相機完成海參腹部狀態檢測,視覺相機將拍照腹部狀態實時傳輸至PLC[18],PLC控制升降翻轉裝置對腹部朝上或側向的海參進行翻轉[19-20],腹部朝下的海參不做處理。由于該裝置需連續、高頻率工作,則選用結構簡單、精度高、使用壽命長的絲杠和穩定性好的剪叉機構組成升降機構帶動上部翻轉機構上下移動。根據活海參尺寸來看,上下移動行程最大尺寸為60 mm。翻轉機構由步進電機控制輥筒對向轉動,以保證兩側海參朝不同方向翻轉[21],為了防止個別尺寸過大,海參翻轉過程中發生破損,輥子對向間隙為20 mm。

2.3 剖切裝置

剖切裝置主要由三相異步電動機、上輥筒、下輥筒、同步帶、圓盤刀、硬毛刷、料盤組成,如圖5所示。

圖5 剖切裝置結構圖

在該裝置中,利用同步帶使上輥筒同步轉動,實現海參勻速向后運動。下輥筒與上輥筒交叉分布,同時下輥筒對向轉動[22]。海參受到上下輥筒的擠壓,腹部在摩擦力的作用下展開,便于圓盤刀及硬毛刷剝離內臟[23-24],內臟進入料盤、同時回收海參。為保證海參能夠穩定前進、腹部充分展開,同時不因擠壓力過大而受到破壞,將上輥筒間距設置為20 mm,下輥筒間距設置為30 mm。

3 設備控制系統設計

3.1 控制要求

受外界因素干擾時,控制系統的穩定性由軟硬件的穩定性決定。控制系統的不穩定會導致設備運行的波動和停機,影響加工質量對企業造成經濟損失[25]。可利用可編程邏輯控制器(PLC)穩定性高的特點,來保證設備運行的穩定[26]。具體要求如下[27]:

(1)初始運行狀態。所有設備均處于初始狀態,通電后需按動啟動按鈕方可運行。

(2)自動清洗。能夠對鹽度進行實時檢測,并在鹽度未達標時進行自動加鹽;能夠根據海參的上料與否,控制超聲波發生器和高壓噴頭的啟動。

(3)自動翻轉與剖切。能夠對海參的腹部狀態進行識別并進行有選擇的翻轉;能夠對海參進行剖切、同時回收海參與內臟。

(4)自動停止機制。如果光電傳感器在20 s內未檢測到海參位置信息,設備將自動停止運行。

3.2 控制系統硬件設計

(1)清洗裝置。為使海參內外得到全面清洗,選用型號為57BYG250H-8的步進電機驅動傳送帶輸送海參。選用DEC-621鹽度傳感器,檢測清洗用水鹽度。選用E3F-5DN1-5L型對射式光電開關,檢測海參的位置。用于清洗的超聲波發生器,選型為KMD-M2。

(2)升降翻轉裝置。視覺相機選用型號為LT-USB5MP,對海參的正反進行識別。選用型號為IBT30-N15NA的接近開關,限定升降翻轉裝置升降距離。選用型號為J-5718HPG1040的步進電機,用于驅動翻轉。檢測海參位置的光電開關選型同清洗模塊選型。用于輔助下料的步進電機,選型為J-8618HPG10416。

(3)剖切裝置。驅動上下輥筒運行的三相異步電動機選型為Y90S-4(JB/T 10391—2002)。通過檢測圓盤刀和硬質毛刷與海參的距離以控制剖切和內臟剔除深度,其光電開關選型同清洗模塊選型。

針對上述對系統的功能設計和選型要求,在控制系統中,主模塊的輸入和輸出端子數量分別為24和16個,而擴展模塊則擁有共8個輸入和輸出端子。綜上所述,PLC選型為西門子的SIMATIC S7-200 SMART,其配備有32個輸入和24個輸出端子,主模塊選型為SMART 200 CPU ST40、擴展模塊選型為EM DT16、附件模塊選型為S-120-24[28-29]。系統的輸入輸出分配如表1所示。硬件系統架構[30]如圖6所示。

表1 PLC端口輸入輸出分配表

圖6 控制系統硬件配置框圖

3.3 控制系統軟件設計

海參清洗剖切一體化設備的控制流程如下[31]:按動啟動按鈕后,啟動指示燈亮,各機構開始運行。清洗裝置內鹽度傳感器實時監測水體的鹽度,當鹽度低于35‰時自動加鹽。光電開關檢測1 min內是否有海參通過,當有海參通過時,超聲波發生器和高壓噴頭工作。反之,停止工作。

視覺相機判別海參的腹部是否朝下,對腹部朝上或側立的海參進行翻轉。剖切機構的下輥筒運轉,將海參繃緊。上輥筒轉動,驅使海參被剖切。若整個裝置不發生斷電、無停止指令則各裝置繼續工作。反之,停止工作。當有裝置發生故障時,警示燈亮,裝置停止運行。反之,正常工作,控制流程圖,如圖7所示。

4 試驗與結果分析

4.1 試驗方法

為論證海參清洗剖切一體化設備的作業穩定性和加工效果,依據結構設計方案搭建樣機進行試驗,如圖8所示。試驗分兩階段進行,第一階段進行各因素加工效果試驗,第二階段進行與人工作業生產對比試驗。前階段為驗證整機系統和各裝置的適用性和可靠性,確定設備的運行最佳工藝參數,進行各因素獨立試驗,確定最佳工藝參數;以最佳工藝參數為基礎,進行生產實測,進一步驗證系統的穩定性及加工效果。

圖8 海參清洗剖切設備圖

4.2 最佳工藝參數試驗

設備清洗裝置傳送帶速度、剖切裝置上下輥筒間距是影響設備加工效率的主要因素且相互獨立。首先進行不同傳送帶速度對應清洗裝置清洗海參的試驗,每次試驗選用200只大小不等的活海參,不同傳送帶速度條件下海參破損情況、其他情況(海參無破損且雜質清理未達到要求)、清洗總時間,記錄如表2所示。

表2 海參清洗試驗統計表

根據表2試驗結果可知,清洗過程中的海參破損及其他情況的數量基本隨著傳送帶速度的提高而增加,而相應的合格數量也相應下降。5種傳送帶速度清洗后的不合格數量分別為15只、6只、21只、24只和27只,則相應的不合格率分別為7.5%、3%、10.5%、12%和13.5%,對應的清洗速度分別為2只/min、3只/min、4只/min、5只/min、6.6只/min。因此,清洗裝置選擇傳動帶速度為0.03 m/s時,對應不合格率3%最低、清洗速度3只/min較高,設備性能最佳。

選用經清洗裝置處理后的1 000只大小不等海參,分為5組進行剖切海參的試驗。在剖切裝置上下輥筒不同間距試驗條件下海參破損情況、其他情況(海參無破損且內臟清理未達到要求),如表3所示。

表3 海參剖切試驗統計表

試驗結果中,剖切過程中的海參破損的數量隨著上下輥筒間距變大而幾乎不變,說明輥筒間距對海參破損影響很小,可以忽略不計。其他情況記為剖切不合格數量分別為2只、3只、8只、11只和14只,相對應的不合格率分別為1%、1.5%、4%、5.5%和7%。因此,在剖切裝置中上下輥筒間距設置為30 mm時,剖切合格率達到最高。

4.3 設備與人工作業的對比試驗

生產對比試驗中挑選4人分別處理200只活海參與一臺海參清洗剖切一體化設備作業進行對比,其中設備工藝參數分別設置為:清洗裝置傳送帶速度0.03 m/s,剖切裝置上下輥筒間距30 mm,記錄各作業清洗合格率、剖切合格率等,試驗結果如表4所示。

表4 對比試驗統計表

試驗結果中,人工作業清洗、剖切、總平均合格率為95.5%、89%、85.02%,而設備對應為97%、98.5%、95.5%,前者各項明顯均低于后者,因此,設備的使用可提高清洗剖切質量。此外,人工作業平均總效率為30.75 只/h、設備總效率為70 只/h,表明設備極大地提高了海參加工效率。如果能夠使用設備代替人工,不但能提高效率和釋放勞動力,還可實現海參自動化批量加工。

5 討論

徐文其等[4]研究表明,使用氣泡清洗技術可以對活海參周圍身體進行有效、低損傷、全方位的洗滌,但通入清洗水體的氣流量難以控制,容易導致海參的清洗不合格率和損傷率提高。本研究選擇超聲波發生器不但能夠較好地控制清洗水的氣泡密度,同時與加鹽裝置的配合使用可以更好地保證海參內外深度清洗。范勇[10]研究表明,斜坡擋板式上料機構能有效解決臍橙輸送效率低、損傷率高等問題,該機構結構簡單、制造方便,綜合考慮海參在清洗裝置中作業特點,采用擋板式上料機構輸送海參。韓東銳等[32]研究表明,6061鋁合金對常溫海水具有較好的抗腐蝕性能,鑒于鋁型材加工方便且強度滿足要求,本研究采用6061鋁型材為設備支架。

呂興霜等[33]研究表明,海參是一種海洋棘皮動物,在清洗過程中容易受外部環境刺激產生輕微自溶,嚴重時吐腸等,故在清洗過程中存在破損或雜質清理不干凈。王宏宇[5]研究表明,曲柄搖桿式圓盤剖切裝置能夠清除海參內臟,但機構結構復雜、占用空間大,本研究采用電機直接驅動圓盤進行剖切內臟,結構緊湊、效率高。在剖切試驗過程中,由于海參大小不統一,上下輥筒間距固定,因此剖切過程中存在一定的破損率。盛景亮[34]研究表明,PLC技術可提升機械設備的自動化、智能化水平,提升生產效率,本研究采用SIMATIC S7-200 SMART實現設備自動化控制,對比試驗中設備的作業效率明顯高于人工作業效率。

6 結論

本研究設計的一款海參清洗剖切一體化設備,由清洗裝置、升降翻轉裝置、剖切裝置及PLC控制系統組成,能夠實現對新鮮海參進行清洗、剖切及收集功能。通過設備加工海參試驗論證,得出清洗裝置選擇傳送帶速度0.03 m/s,剖切裝置上下輥筒間距30 mm為設備最佳工藝參數,各因素之間是相互獨立的。研究表明,設備的清洗、剖切、總合格率分別為97%、98.5%、95.5%,且設備的作業效率是人工作業效率的2倍。說明該裝置結構合理、運行平穩、極大提高了工作效率,實現了海參清洗剖切一體化加工,為實現海參全程自動化加工打下基礎。

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