基于PLC的蟹笼渔船诱饵填盒与塞笼自动化流水线方案设计

陈 勇，郑雄胜，林钟卫

(浙江海洋大学海洋工程装备学院，浙江 舟山 316000)

美国、日本的壶笼捕捞技术开始于20纪60年代[1]，中国蟹笼捕捞技术于20纪80年代末才开始从韩国引进[2]。虽然起步晚，但是随着捕捞装备的发展，捕捞产量也在逐年增长。据《中国渔业统计年鉴(2020)》[3]数据显示，2012—2019年中国梭子蟹产量总体呈上升趋势，由2012年的366 207 t增长至2019年458 380 t，增幅为20.1%，浙江、江苏、福建为主要产区。在诱捕饵料方面，国外使用的主要有鱿鱼、海豹脂肪、海豹骨肉[4]、鲭鱼、青鱼头[5]等，中国蟹笼渔船的诱捕饵料主要使用廉价且便于储存的冰冻小青鱼，使用过程中，工序多，需要大量人力，效率低、强度大。

在前期研究[6]的基础上，研发了一种实现饵料使用自动化的流水线生产方案，并通过Pro/ENGINEER Wildfire5.0进行了流水线的结构设计建模与原理分析。采用GX works3语法检测与程序在线测试模拟功能，在理论上验证了程序的完整性与可行性[7]，为后期的样机试验提供了有效保障。

1 流水线基本结构与工作原理

1.1 基本结构

蟹笼渔船诱捕饵料自动切块填盒与塞笼流水线(以下简称“流水线”)的机械结构采用Pro/ENGINEER Wildfire5.0进行设计建模[10]，主要包括破冰分离装置、切块装置、自动合盖装置和自动塞笼装置，具体结构与工位排布如图1所示，同时设计了流水线所需要的辅具，并进行改进，主要包括分离式饵料盒，新型囊袋式蟹笼。

1.2 工作原理

流水线的工作流程为：工人将冰冻饵料块从冰箱内取出放进破冰分离装置破碎腔内，动鄂与定鄂之间的咬合将饵料块破碎分离为小青鱼与冰块两个部分，小青鱼通过滤网经转筒输送装置输送至切块装置内进行均匀切块，冰块则通过滤网掉落到滑道内滑出[6]。切块后的饵料块通过挡板式皮带线输送至分道式皮带线上，同时，由于皮带的摩擦力饵料块被分别带入各个通道内；饵料块进入通道后经过3排弹簧挡板被迫使其紧挨排列，当排列的饵料块达到一定量后弹簧挡板被推开，饵料块则继续前进至填盒处停止并等待填饵；空饵料盒经过转盘筛选上料与挖孔式皮带线的传送到达填饵处开始准备填饵，分道式流水线电机步进2个饵料块的距离，饵料块则通过落料孔掉入饵料盒内，填饵工序完成。填饵完成后，饵料盒经过自动合盖装置完成合盖，饵料盒由于重力通过V型滑道掉落在饵料盒挡板式皮带线上被输送至自动塞笼处掉落在挡片上等待塞笼；60 s后蟹笼流水线开始启动，工人将囊袋式蟹笼按照定位柱与定位绳方向对齐后放入皮带线上的橡胶圈内固定流走。当蟹笼流至光电开关处时，流水线停止，夹紧气缸开始夹紧蟹笼，挡片被推开饵料盒掉落在囊袋口上。当饵料盒检测传感器检测到下方有饵料盒时，自动塞笼气缸下压带动柔性压棒将饵料盒挤入蟹笼，即塞笼工序完成，具体流程如图2所示。

1.3 主要机构设计

1.3.1 自动塞笼装置

自动塞笼装置由蟹笼皮带线、夹紧气缸、自动塞笼气缸、传感器、挡筒、挡片等构成(图3)。该装置主要为了实现饵料盒的自动塞笼，是整个流水线的关键部分；在设计过程中需要攻克许多难题，如在不改变原有功能的基础上重新设计可塞入式蟹笼、蟹笼口与柔性压棒的准确定位等。该装置设计了一种新型的蟹笼(图4)，打破了传统的饵料塞入方式。该装置具体工作流程为：装入饵料块的饵料盒被挡板式皮带线与V型滑道输送至自动塞笼处被挡片挡住，等待塞笼；蟹笼起拔过程中最后一个工序的工人将蟹笼按照定位柱、定位绳一致方向将囊袋式蟹笼放入固定橡胶圈内进行定位；电机转动带动蟹笼向前，当蟹笼走到光电开关处，蟹笼停止，夹紧气缸将蟹笼夹紧定位；最后自动塞笼气缸下压，带动柔性压棒将饵料盒通过囊袋口挤入蟹笼内后，夹紧气缸与自动塞笼气缸复位，蟹笼流走，经过计数器感应后加1计数，最后塞饵后的蟹笼被堆笼工人取下堆进蟹笼仓等待下笼。

2 流水线控制系统设计

2.1 控制流程与逻辑图

流水线由3个步进电机、4个普通电机、光电开关与计数器、磁性开关、电磁阀等多种控制元件共同控制(图5)。主要控制流程：工人按下启动按钮后破碎分离装置、转筒输送装置、饵料块挡板式流水皮带线电机1、2、3同时启动，冰冻饵料块经过破碎分离与切块被挡板式皮带线输送至分道式皮带线前段。此时分道式皮带线电机10开始启动，饵料块被输送至末端光电开关6处停止并等待空饵料盒上料。在饵料块等待过程中，挖孔式皮带线电机7开始启动并通过空饵料盒自动上料装置将空饵料盒输送至填饵光电开关9处停止，接着分道式皮带线开始步进2个饵料块的距离，饵料块掉落至饵料盒内，填饵完成。填饵完成后，挖孔式流水线步进3个饵料盒距离走至自动合盖处进行合盖后，电机12开始启动，饵料盒被输送至自动塞笼处的挡片上等待塞笼。60 s后蟹笼流水线电机18开始启动，蟹笼流至光电开关15处蟹笼流水线停止后，左右夹紧气缸14、16开始对蟹笼进行夹紧定位。当饵料盒检测传感器检测到柔性压棒下存在饵料盒时，自动塞笼气缸17下压并带动柔性压棒将饵料盒挤入蟹笼，接着夹紧气缸与自动塞笼气缸复位，蟹笼流走经计数器13处计数加1，自动塞笼工序完成。整个控制过程中如出现饵料盒盖料箱无饵料盒盖、饵料盒料箱无饵料盒、柔性压棒下无饵料盒、气缸进与退不到位、吸嘴破真空等异常情况时，系统停止并报警提示，待人工处理后按启动按钮继续工作。图6为控制系统逻辑图。

2.2 流水线气动控制系统设计

2.2.1 气动控制系统元件及功能

能源元件：1个气泵，为自动合盖装置与塞笼装置的各个气缸提供压力。

执行元件：5个双作用单杆气缸，分别用于推送、吸嘴与压杆的升降、蟹笼的夹紧定位、饵料盒盖的下压合盖、饵料盒的自动塞笼。

控制元件与辅助元件：5个二位四通电磁换向阀、2个二位二通电磁换向阀、11个单向节流阀、1个真空压力开关、1个减压阀、1个单向阀、1个压力表、1个空气组合件、1个真空发生器等[11]。

2.2.2 气动控制系统原理设计

饵料盒自动合盖装置与塞笼装置的气动控制系统动作执行气缸共包括5个双作用气缸，3个横向运动，2个垂直运动，分别用于蟹笼夹紧定位、饵料盒的合盖、饵料盒的塞笼、自动合盖气缸的推送，1个吸盘用于吸取饵料盒盖，具体原理如图7所示[11-12]。

2.2.3 流水线气动控制原理

流水线气动控制包括自动塞笼装置气缸控制、吸盘控制、自动合盖气缸控制。控制原理：自动合盖气缸5进到位后，吸嘴开始吸取饵料盖，当吸嘴达到真空状态后合盖气缸复位，推送气缸4将自动合盖气缸5推到饵料盒正上方后，自动合盖气缸再次进到位，将饵料盒盖合上，最后吸盘放气，自动合盖气缸与推送气缸全部复位，即完成吸盖、合盖动作。当传感器检测蟹笼到位时，夹紧左右气缸开始夹紧蟹笼定位，当饵料盒检测传感器检测柔性压棒下有饵料盒时，自动塞笼气缸进到位，饵料盒被柔性压棒下压挤入蟹笼，最后执行气缸全部复位，即自动塞笼工序完成。

表1 电磁铁状态与气缸动作表

整个气动控制系统所用的控制阀均为电磁换向阀，主要通过电磁铁的得与失电与PLC一起实现整个流水线执行气缸的动作顺序控制。根据控制设计要求电磁阀磁铁与真空压力开关的压力传感器的状态与气缸的动作状态对照见表1[13]。

2.3 PLC选型

根据整个控制系统的逻辑流程设计与I/O口分配，PLC共需要25个输入端，24个输出端，同时为满足能够控制步进电机等使用要求且留有适度余量的端口选择32输入/输出端口的PLC基本满足使用要求，由于是用于流水线控制要求控制精度高、可靠性强，故综合考虑选择三菱FX5U-64MT/ES型号PLC[19]。

2.4 I/O分配表与接线图

2.4.1 I/O分配表

控制系统选用三菱FX5U-64MT/ES型号PLC作为主控制元件，由于控制过程需要考虑基本的按钮操作、气缸的进退控制、物料的感应控制、步进电机的脉冲量控制等，因此根据控制要求共需要占用24个输出端口，用于启动、停止、急停等基本操作按钮控制、磁性开关检测气缸的进退是否到位控制、传感器检测、计数器计数等，25个输出端口，用于气缸的动作执行、步进电机的运转、三色灯的指示等。根据逻辑控制流程图的控制要求对I/O分配见表2。

表2 I/O分配表

2.4.2 PLC接线图元件选用

蟹笼饵料自动切块填盒塞笼采用三菱FX5U-64MT/ES型号PLC控制，整个控制系统共需要25个输入端口，24个输出端口。控制元件及其作用：

(1)计数器1个，用于蟹笼饵料完成塞笼后生产计数，便于统计生产效率；(2)磁性开关10个，用于检测气缸进与退是否到位，防止下压不到位导致饵料盒漏合盖或蟹笼饵料塞入不到位导致漏装；(3)真空传感器1个，用于吸嘴检测真空与破真空，防止饵料盒盖吸取不到位导致漏合盖，3个吸嘴同时破真空表示物料，电机复位，等待操作工上料；(4)二位四通电磁换向阀5个，用于整个生产过程中各个气缸的上下、左右、前后的动作控制，二位二通电磁换向阀2个，用于吸盘的吸气与放气；(5)光电开关3个，分别用于检测蟹笼、饵料盒、饵料块是否到位；(6)光电传感器1个，用于提示饵料盒料箱内是否无料；(7)三色灯1个，用于系统启动、复位、报警信号的指示。

2.5 控制系统程序的设计

流水线控制程序采用GX works3使用局部标签功能分板块进行编写，主体程序主要包括自动切块控制、自动合盖控制、自动塞笼控制、报警处理、程序初始化、模式选择、三色灯报警等10个板块，共计1 035步。整个流水线共使用控制元件包括光电开关、传感器、磁性开关、压力传感器、电机、计数器、电磁换向阀，其中，电机包括5个伺服电机、3个普通电机，伺服电机采用绝对坐标进行编程，脉冲量使用DDAD指令触摸屏输入方式，以便后续根据生产情况灵活修改脉冲量。程序在编辑过程中难点在于实现3个吸嘴吸盖不到位与料箱无料的判断、饵料在自动填装过程中的用量控制、蟹笼的定位以及自动塞笼过程的位置精准控制等。由于流水线执行元件较多，控制程序复杂且对控制的稳定性要求高，所以流水线的报警功能必须全面覆盖，防错防呆措施必须全面考虑在控制程序内。因此，对于流水线在生产过程中气缸的进退不到位、料箱的料是否为空、吸嘴是否漏吸、饵料盒或者蟹笼是否到位、紧急事故急停与暂停等，都需要准确监控，对于异常情况均通过三色灯报警方式提示操作工，编程过程中均需要考虑在内。

2.6 触摸屏人机界面设计

流水线触摸屏人机界面设计使用MCGS嵌入版组态环境软件进行创建。界面主要包括按钮操作、界面切换、当前报警信息3个模块，其中，按钮操作包括启动、暂停、急停、复位，界面切换包括模式选择、参数设置(主要是步进电机脉冲量)、信号交互、报警LOG等，同时显示当前生产数量、生产效率等[28]。

3 控制程序在线测试与项目研究分析

3.1 控制程序在线模拟测试

流水线控制程序主要通过两种途径进行验证。第一步，在GX works3工具栏中转换-程序语法检查-全部程序部件检查中进行程序编写语法的初步检查测试，检测时长约3 s，检查结果为包括主程序1 035步、位置读取程序427步未发现报错选项，程序语序语法验证合格。第二步，通过再次使用GX works3软件调试中的模拟调试功能进行在线模拟测试[7]，首先将系统参数、CPU参数、模块参数、程序文件、全局标签设置文件写入后未发现写入性错误问题，然后开始进行在线测试，整个测试过程共用时5 s。在线测试结果：测试过程中未出现错误信号提示，各端口通断顺序正常，系统run指示灯为绿灯，且各控制元件执行顺序与流水线控制顺序相符合[26-31]，因此验证了程序的完整性与可行性。从以上两种途径的验证结果来看，该控制程序符合流水线运作的控制要求，对于后期在蟹笼渔船上进行样机试验提供了保障。

3.2 项目研究的优缺点分析

通过模拟测试，对蟹笼渔船的饵料使用自动化提供了一套加工生产、控制方案，为饵料使用实现自动化提供了可能性。该项目研究在理论上实现了饵料盒的自动塞笼，打破了传统的饵料手动塞取方式，同时设计了一种新型的囊袋式蟹笼，提高了蟹笼渔船的生产效率与操作便捷性。但是，由于项目目前处于理论研究后期阶段，样机的制作材料均处于准备阶段，因此，控制系统设计程序无法完成样机试验及相关数据获取，只能通过GX works3软件进行理论上程序的完整性与正确性检测，样机的试制与试验将在下一个阶段进行系统开展。

4 结语

该流水线加工方案的提出为蟹笼渔船饵料使用实现自动化生产提供了理论依据并创造了有利条件，同时设计了一种新型囊袋式蟹笼，打破了传统的饵料塞入方式；控制系统使用GX works3进行编程，并通过在线程序语法检查功能与在线模拟测试功能两种验证方式分别进行在线检测与验证，结果表明，程序测试过程中未发生语法以及功能指令错误，系统run指示灯为绿灯，从而验证了控制程序的完整性与可行性，为后期整个流水线样机试制和试验验证提供了参考。

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