低温环境下鲣鱼切割系统的分析与设计

梁静坤 谢鑫刚 李杰峰 于淑池

(1.海南热带海洋学院，海南 三亚 052722；2.唐山职业技术学院，河北 唐山 063004)

金枪鱼是各国远洋捕捞渔业的重要经济鱼种，具有很高的经济价值[1-2]，鲣鱼是金枪鱼围网的主要捕捞对象，捕获量大，价格昂贵，作为生食的高级鱼产品，鲣鱼在捕获后要求在-60 ℃及以下超低温进行贮藏，以保证其高品质[3]。目前，鲣鱼从捕捞到售卖的冷物流链环节一般包括捕捞、人工粗加工、速冻、超低温冷冻、解冻、分割、再冷冻、分销等。其切割方式主要有常温鲜鱼手动切割和冻鱼机械切割两种，手动切割发生在捕捞出水后，直接在船舶处理间进行冲洗、放血、去鱼鳃等加工，然后迅速送入-18 ℃速冻舱，再送入-60 ℃冷冻舱；冻鱼机械切割是指鲣鱼到达市场后，在低温机械分割间进行人工切割，期间经过船舶冷冻舱室、岸上冷链物流车、市场分货场地、分销商分属冷库等多个场地，存在多次温度波动，易导致冻结鲣鱼发生冰晶升华或重结晶等问题，对鱼肉风味、质地、营养价值有重要影响[4-7]，且低于5 ℃环境下的人工作业会导致一系列职业健康问题[8]。文章拟利用宽温型PLC设计一套能在-18 ℃低温环境下完成鲣鱼切割处理的模拟装置，旨在解决人工加工及多环节温度变化带来的问题，为多环节合一的低温自动切割系统的开发提供依据。

1 方案设计

1.1 系统组成

远洋金枪鱼围网渔船会配备渔获处理间、速冻舱和冷藏舱室，速冻舱温度为-18 ℃左右[9]，鱼类的初加工是在渔获处理间完成。在鲣鱼从处理间被送入速冻舱的过程中，需对其进行低温环境下的多功能快速切割。加工过程中，为了保证鲣鱼鱼肉的质量，快速放血、去腮由人工完成[10]，头尾处理、鱼身切割由切割装置完成。切割装置的设计包括控制单元和机械单元，系统由围网捕捞作业船舶供电，其基本功能如图1 所示。

1.2 控制要求

捕捞上来的鲣鱼经过人工处理后，由传送带送入系统切割处理流程，同时完成速冻。再由其他控制系统将切块传送至-60 ℃冷冻鱼舱，控制系统设计内容主要包括：

图1 功能框图Figure 1 Block diagram

(1) 系统监测、故障报警等功能。

(2) 鱼身的自动检测和传送控制。

(3) 可实现对鱼头、尾的单独处理；鱼身分段切割的横、纵模式可选，鱼块厚度可调。

2 控制系统设计

根据现代捕捞船速冻舱与鲣鱼的自身保鲜要求，控制系统要求能在-18 ℃环境中稳定工作。核心控制器选用宽温型PLC，鱼身检测等测量采用低温测距传感器，执行元件包括中间继电器、电机、推杆等机械设备。机械设备的设计尽量减轻切刀架重量，采用最高切断速度以及规划切刀轨迹[11]。为了保证设备低温下工作的稳定性，采用超低温润滑油，为了提高系统的可靠性，系统配有内部加热器[12]。

2.1 硬件设计

根据系统控制要求，本着操作简单，避免误操作的原则，设置自动和手动起停功能、横纵切和厚度等模式选择、鱼身位置检测功能，设备运行工作温度检测、报警等功能，确定输入输出设备I/O分配如表1所示，未设置的输入输出口可按需求进行功能扩展。

核心控制器选用西门子S7-200PLC宽温型模块，工作温度-25～+70 ℃，满足船舶速冻舱-18 ℃环境要求。采用广泛用于船舶及海洋设备的FLS-CH10低温激光测距传感器，检测鲣鱼的位置及鱼身长度，鲣鱼体长为243～733 mm，质量为300～9 165 g[13]，设备的运输带宽度等设置为1 000 mm，为控制器提供运输带起停及切刀选择提供输入信号，工作时激光测距传感器测量距离调制50 mm，-40～+50 ℃稳定工作，防水食品级材质，供电电压24～30 VDC，2.5 A，与PLC控制、船舶供电参数相符，电机功率3 kW，设备输入额定电压380 V三相电，切割厚度可调，默认刀距50 mm。

表1 部分I/O分配Table 1 Part I/O address allocation

2.2 软件设计

上位机界面设计包括启动、停止、工作状态指示、温度显示、工作模式选择等功能，参照金枪鱼市场需求纵向切段或横剖切片的食用特点，鱼身切割设定为横、纵切模式可选，鱼块厚度可根据订购者需求在一定范围内可调，其监控界面如图2所示。

切割控制设备上电自检后，基本程序控制流程如图3所示，切割时同时计数，软件同时设有急停、故障报警等处理功能，可以根据需求完成手动或自动操作。

2.3 机械结构

鲣鱼切割过程中鱼身的推送和夹紧及刀具调整采用液压传动机构，采用低凝点液压油[14]。机构的执行元件使用活塞式液压缸，由三位四通电磁换向阀控制液压缸推杆的伸出和退回。切掉头尾的鱼身随传送带移动，触碰到挡板后触发限位开关，电磁换向阀通电产生电磁吸力，电磁阀动作，液压推动活塞杆外伸。夹紧装置的一端为固定夹板，另一端为可自由活动的可调夹板，可调夹板的位移由液压缸推动，夹紧力的大小由液体压力调定。夹紧装置夹紧鱼身的开始和结束时间以及液压推杆的退回可由程序控制(开始计时时间可从限位开关动作的时刻计算，结束计时时间可由切断最大鱼身的时间设定)，直至完成横向切片。横向切开的鱼身继续传送，直至触碰到挡板触发至相应的限位开关时，对应的推杆开始推动鱼身移动，并由夹紧装置夹紧，直至鱼身切断完毕，夹紧装置松开同时液压推杆退回。

图2 监控界面Figure 2 Supervisory control system

图3 软件流程图Figure 3 Software flow chart

(1) 横向切刀和切断刀的旋转可通过各自的花键轴来带动，刀具的间距根据鱼身的尺寸可通过安装在花键轴上的液压缸进行调整。液压缸采用双伸出杆活塞缸，液压传动公式：

Q=Av，

(1)

式中：

Q——进入液压缸的液压油流量，mm3/s；

A——活塞缸的截面积，mm2；

v——活塞的移动速度，mm/s。

活塞缸的截面积公式：

A=π(D/2)2，

(2)

式中：

D——活塞缸直径，mm。

刀具的调整间距为：

ΔL=vt=[4Q/(πD2)]t，

(3)

式中：

ΔL——刀具调整间距，mm；

t——进入活塞缸液压油的持续时间(可由PLC程序设定，用来调整刀具间距的变化量)，s。

(2) 切片刀是切削机构的主控制部分，为了有效减少新鲜鱼肉的粘连，根据经验数据切刀的转速控制在2.5～3.0 r/s为宜,刀具的切削速度计算公式为：

V=fZn，

(4)

式中：

V——刀具的切削速度，mm/s；

f——刀具每齿切削的进给量，mm；

Z——刀具的齿数；

n——刀具的转速，r/s。

(3) 刀具的加工厚度也是需要考虑的一个参数，刀具加工宽度按式(5)计算，以8 mm为宜。

设定一个x,y,z坐标系见图4。

(5)

式中：

W——削切宽度，mm；

Wl——O1处左边的削切宽度，mm；

Wr——O1处右边的削切宽度，mm；

r——刀具半径，mm；

h——切削最大残余高度，mm；

Ry——沿y轴方向的表面法曲率半径，mm。

实际加工中|Ry|≫h，式(5)中h2、h3和h4可以忽略，刀具半径r可用有效工作半径re代替。

(6)

式中：

θ——刀具绕y轴方向旋转倾角角度，°；

ω——刀具绕z轴方向旋转转角角度，°。

则刀具加工宽度简化为[15]：

(7)

图5为机械结构设计示意图。

3 样机试验

为验证试验设计的可靠性，设置如下：① 试验场地选用当地海鲜冷库，模拟捕捞船的速冻舱，保持-18 ℃低温；② 控制模块密封，与切割模拟系统置于冷库入口处，触摸屏置于冷冻室外壁，试验目的主要是验证切割系统在低温环境下各模块功能是否实现；③ 由于鲣鱼主要分布在印度洋、太平洋和大西洋，市场上无法提供新鲜鱼标本，加工测试样本选用三亚崖州市场上形体和肉质与鲣鱼相似的新鲜马鲛鱼替代，鱼身长度约700 mm，最大宽度约120 mm，最大厚度约70 mm，切段厚度50 mm，便于切片食用，按照系统设置的功能进行头尾切除、鱼身切割、厚度调整等操作，测试系统温度检测、鱼身检测、参数选择、鱼身切割等功能是否正常运行，并与捕捞船人工的鲜鱼切割、冷库的机械切割在切割速度等方面进行比对分析，其切割块见图6，试验内容及结果见表2。

图4 加工带宽计算Figure 4 Calculation of cutting bandwidth

1、11、20.刀架 2、12. 限位开关 3、13.挡板 4、14、18、19. 驱动电机 5、15.传送带 6、16.气动推杆 7.横向切刀 8、17. 加紧装置 9.头尾切刀 10.可调切段刀图5 机械结构示意图Figure 5 Mechanical structure

图6 切割样品Figure 6 Cutting block section

表2 试验结果Table 2 Test results

在模拟速冻舱-18 ℃环境下，机械部分提前预热，监控部分、控制部分、机械部分均可持续正常运行，系统要求的各项功能均可实现。由表2可知，与常温的人工切刀和冷库环境下的人工机械切割相比，自动切割系统更适合低温工作环境，大批量作业，系统处理速度快，有利于鲣鱼的保鲜。但试验系统存在以下问题：① 自动切割系统去内脏、去鱼鳍等细节处理不容易实现自动控制；② 为了提高机械设备的可靠性，切割机械在低温环境中需要进行提前预热，初期的预热可能会对鱼的切面鲜度产生影响。

4 结论

针对多次温度波动引起鲣鱼鱼质劣化以及人工不适合长期在低温下大规模作业等问题，结合宽温型PLC设计了一种低温环境下鲣鱼自动切割处理系统。该系统可依照市场需求灵活设置切割方式、切块大小、头尾处理等模式，并在-18 ℃低温下进行连续切割工作，经试验比对，其效果明显。利用该系统可形成包括捕捞、人工粗加工、速冻(同步切割)、超低温冷冻、分销等环节的新的远洋捕捞冷链物流，有效缩减了鲣鱼的冷链环节，为鲣鱼的冷链保鲜提供了一种快速的低温加工模式。加上后期的快速保鲜及塑封处理，有效地减少了冷冻食品在冷链物流中，特别是在疫情阶段多次暴露引发的污染机率。后续可将低温自动切割控制系统移植到大型捕捞船上进行实验验证，并进一步研究切刀面温度对鱼身保鲜的影响，切割控制系统去除鱼鳍和内脏的细节控制技术等。

感谢食品工程学院、海南蔚蓝海洋食品有限公司的大力支持。