对虾分级机控制系统设计

李珊珊+袁永伟+孔德刚+杨淑华

摘要： 针对目前国内对虾手工分级精度差、效率低等现状，主要对对虾分级机的分级控制系统进行了设计，将PLC、触摸屏、传感器及步进电机控制等技术应用于控制系统。为了实现不同尺寸规格对虾的高精度分级，采用了分级辊中心距双向自动调节系统，辊轴两排通过PLC控制与步进电机驱动调节辊轴间隙，采用在触摸屏上依次输入3类不同数值的高位电机与低位电机脉冲数的方式，能够实现高精度、高效率的对虾分级，实现对虾分级的全自动控制。

关键词： 分级机；自动控制；PLC；触摸屏；对虾

中图分类号： S226.5 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）03-0410-03

对虾营养丰富，广受青睐[1]。随着经济发展，我国对虾养殖业发展迅速，2013年各种虾类年总产量约160万t[2]。由于对虾市场需求量的增加，使对虾以粗加工为主向精加工和深加工转型，因此各种食品加工设备必不可少，而分级销售可有效提高质量等级化、包装规格化程度[3]，故对分级设备的研究尤为重要。对虾的主要品质因素有质构、风味、外观等，其中重量是较受青睐的直观衡量因素[4-5]。故需根据对虾规格研制分级设备，针对对虾外形和重量进行分级。

国外对对虾分级设备的研究已达较高水平，但国内研制能力相对薄弱，主要依靠手工分级，效率及精度较低，且不能保证产品质量和卫生，但引进国外设备价格昂贵。目前对虾分级设备主要有质量式、光电式、外形尺寸式[6]等。质量式分级机虽分级精度高但需逐个测量，效率差，进行自动上料电器元件多，不适合多水环境使用；光电式分级机主要用于机械化谷物加工；尺寸式分级机根据对虾外形特征分级，易于操作、价格便宜，但分级间隙及转速需手动调节，影响了分级精度，增加了操作难度。

为此，在引进国外先进技术和降低成本的基础上，对对虾的物理特性进行研究，设计了尺寸式辊式[7]对虾分级机的分级控制系统，该系统通过PLC控制调节分级辊的中心距，利用调节辊轴间隙的大小完成不同体厚对虾的分级，最终实现了对虾高效率、高精度分级。

1 对虾分级机总体结构及工作原理

1.1 总体结构设计

自动化对虾分级机应能根据对虾体质量、体厚度等因素自动完成两辊间隙的调节。可配备清洗装置、前输送装置、对虾分散与定向装置和成品输送装置，集清洗、输送、分级于一体。其整体结构见图1。

对虾分级机分为清洗模块、输送模块、分散定向模块、分级模块及成品输送模块。清洗模块包括进水管、储虾池和出水管3部分。输送模块包括入料输送带、输送辊和电机3部分，输送带表面装有挡板，避免大倾角传送引起对虾滑落。分散与定向模块由不同直径的分散定向轮、电机、定向槽等组成，使堆叠的对虾依据分级辊的方向分散排列。分级模块是为了实现不同尺寸规格的对虾分级，主要由5对分级辊、链传动装置和电机组成，其中每对分级辊由固定辊和活动辊交替分布。分级输送装置是为了使对虾按不同规格输送到相应位置，主要包括5条出料输送带、传动部分和电机。

1.2 工作原理分析

将鲜活对虾倒入储虾池中，在低温下使其迅速眩晕，电机带动输送带传动翻搅池中对虾完成清洗，并把部分对虾输送至分级辊上方，通过打散定向轮分散定向，定向后的对虾通过导料板落在间隙逐渐变大的阶梯形分级辊上，由于重力与反向辊轴推力作用，对虾将沿分级辊下滑至合适间隙下落到相应的出料输送带上，由输送带将其输送至预定位置实现分级。分级精度主要取决于分级辊间中心距和辊的阶梯精度，利用PLC与步进电机控制两辊间的中心距，提高了对虾分级精度和效率，实现了自动化分级。

2 分级控制系统的设计

2.1 分级控制系统的硬件设计

依据对虾分级机的工作要求，综合考虑多方面因素，控制系统选用的设备及对应型号见表1。

其硬件接线图见图2。

分级控制系统整体采用PLC控制，通过2个步进电机驱动器分别控制高位与低位步进电机的转动圈数。为了保证高精度要求，在步进电机输出轴上利用编码器计数，以实现对辊轴间隙的精确控制。各项参数通过触摸屏输入。控制系统原理图见图3。

2.1.1 PLC的硬件设计 PLC的选型需综合考虑工艺流程及应用要求。分级控制系统需要6个输入端口、5个输出端口，且须有高速脉冲输出功能。最终选用DVP-SS2系列PLC进行控制。系统的输入端子包括2个正限位开关、2个负限位开关、2个原点复位开关；输出端子包括高位步进电机方向和速度、低位步进电机方向和速度、手动/自动控制。由表2可知PLC的输入、输出分配情况。

2.1.2 辊轴设计 由于市场上出售的多为中等规格对虾，故辊轴的外形设计以中等规格作为参照。综合考虑分级设备体积及辊轴刚度等因素，初拟辊轴可对整批对虾进行6级分级，分别为≤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个等级。通过对对虾参数的分析，得出相邻等级对虾体厚度差值的平均值为0.91 mm，考虑到加工工艺性和磨损等因素，最终确定分选道的阶梯为1.0 mm，即分级辊阶梯为0.5 mm，辊轴的5阶直径为120～124 mm。通过大量试验得出调整好辊轴间隙后最优的工艺参数是辊轴直径为120 mm、转速为70 r/min、倾角为25°，在此参数组合下分级精度和效率均最高。

2.2 控制系统的软件设计

主要包括2个部分：PLC的软件设计与触摸屏的软件设计。

2.2.1 PLC的软件设计 采用Delta ISPSoft环境，在梯形图下通过调用子程序对各项控制任务进行模块化编程[8-9]，便于程序读取及调试。由系统参数的初始化、手动/自动调节、高位电机定位控制、低位电机定位控制等模块组成。

PLC需要完成的控制功能有：（1）实现与上位机的数据交换。（2）装机前调试好原点位置，通过原点复位开关，在每次分级机启动前实现精确复位；通过限位开关限制活动辊移动的极限位置。需注意的是原点与负限位之间的距离须小于两辊之间的最小间隙以避免两辊相撞；正限位方向须保证活动辊不撞到机架。（3）依据需分级的对虾规格确定最佳分级间隙，快速、精确地实现对虾的等级定位。（4）实现手动/自动2种控制模式。手动调节时，系统须具有微调功能；自动调节时，通过PLC输出脉冲数分别控制高位电机与低位电机的转速，步进电机带动滚珠丝杠转动，丝杠螺母带动调节板移动，最终实现固定辊与活动辊中心距的调节，完成对虾分级。控制程序流程见图4。

2.2.2 触摸屏的软件设计 触摸屏采用EasyBuilder8000软件进行画面编辑，通过RS232接口与PLC连接，可实现上下载数据、在线监控、设定参数等操作。主菜单界面见图5。通过触碰相应按钮即可完成相关动作。

《鲜活对虾购销规范SB/T10524》规定对虾规格按每 500 g 对虾所含个数分为2～3、4～6、7～9、10～12 等16个等级，要求每一等级对虾中不符合该级别要求的数量应≤10%，但应符合次一级规格要求[10]。综合考虑各项因素，为了提高分级精度，触摸屏上设有3类高位电机和低位电机的脉冲输入窗口。触碰相应位置，通过触摸屏上弹出的键盘即可实现脉冲数输入，完成分级。在分类1后面输入脉冲数后，初步实现对虾的6级分级，较大对虾在第6级全部落下；通过分类2

对较大对虾继续进行6级分级，在第6级中，所有大对虾全部落下；通过分类3继续分级，实现剩余对虾的6级分级。通过触摸屏的相关操作，最终可实现18级对虾分级，完全满足了不同尺寸对虾的分级要求，实现了对虾的高精度分级。

3 结果与分析

将控制装置安装在对虾分级样机上，对分级辊中心距进行调节试验。辊排两端采用PLC控制与步进电机驱动，并通过编码器反馈给PLC，实现两辊中心距双向自动调节，依据对虾不同批次尺寸差异，自动调节分级辊两端间隙，达到所需的分级数与分级精度。

试验方法为在触摸屏上依次输入3种不同数值的高位电机与低位电机脉冲数，实现对整批对虾的分级。试验材料为从水产市场随机购买的≤50尾/kg、51～60尾/kg、61～70尾/kg、71～80尾/kg、81～100尾/kg和≥101尾/kg 6种不同规格的对虾，每种规格180尾，按照每组30尾随机分成6小组，将每小组的30尾组合到1组，共6大组，然后对6组对虾进行分级处理，分级精度与效率的数据（表3）。为了确保试验准确性，连续购买30 d同种规格对虾进行试验，记录试验数据（图6）。通过数据分析，可以看出采用分级辊中心距双向自动调节系统，分级精度及效率均较高，分级精度≥95%，分级效率>1 050 g/s。

4 结论

结合当前国内对虾手工分级效率低、精度差等问题，设计了1种双辊式对虾分级机的分级控制系统。

（1）系统以PLC作为控制核心，综合运用了传感器、PLC、触摸屏、步进控制等技术，采用分级辊中心距双向自动调节系统，辊排两端通过PLC控制与步进电机驱动，实现了辊轴间隙的调节。

（2）通过触摸屏依次对3类不同数值的高位电机与低位电机脉冲数进行输入，方便了操作，可以实现对虾不同尺寸规格的分级。试验结果表明，分级精度及效率均较高，实现了对虾分级的全自动控制。

参考文献：

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