魷魚加工專用設備控制系統設計

曾紅， 邢宏偉， 陳志濤

（哈爾濱理工大學榮成學院，山東 榮成 264300）

0 引言

隨著海洋食品市場的不斷發展壯大，海洋食品加工機械也在日趨完善。魷魚是我國東南沿海產量較大的一種海洋食品。魷魚制成的食品種類很多，而在我國魷魚的生鮮食品加工自動化的程度相對較低。魷魚屬于軟體動物類，加工時難定位，原料易變形。為解決魷魚加工時的難點，對魷魚頭加工設備設計一套自動控制系統。通過自動控制系統對整個機構進行集成控制，實現了魷魚專用加工設備傳送機構、刀具執行機構、氣源控制機構的自動化運行，提高了海產品加工過程中的效率。

1 設備結構概述

魷魚專用加工設備是采用步進電機，帶動彎板鏈輪，使連接在彎板鏈條上的五等分魷魚頭托盤運動。當托盤到達預定位置，由空心五等分刀具將魷魚頭切成五等分，并將魷魚嘴從魷魚頭中取出。完成切割動作，托盤向前運動并將托盤中切割好的魷魚爪送至出料口，由落料裝置將魷魚爪從托盤取出。

圖1 Pro/E的機構運動模擬圖

2 步態、驅動系統設計

魷魚專用加工設備主要動作循環為：開啟啟動開關后，由1號工位檢測敏感元件［1］檢測刀桿限位開關是否到達指定位置。若刀桿不到達指定位置，氣缸將刀桿向上頂起送到指定位置。刀桿到達預定位置后，步進電機開始運轉，通過彎板鏈條將動托盤送至指定位置。2號工位檢測敏感元件檢測到托盤上定位基準塊，步進電機停止運轉。此時電磁閥通電，使氣缸帶動刀具及精確定位裝置一起運動，完成魷魚頭的切割及魷魚嘴的取出動作。切割動作的同時3號工位檢測敏感元件檢測刀具是否完成切割動作。完成切割動作發出信號，使電磁閥斷電，氣缸帶動刀具向上運動。刀具回程至1號工位處，步進電機重新運轉，帶動托盤繼續向前運動，從而實現其動作的循環。

圖2 工作流程圖

驅動系統由傳送系統與執行系統兩部分組成，由MCU進行集成控制。傳送系統由MCU控制步進電機驅動［2］，帶動彎板鏈條運動，使托盤在導軌上能夠平穩運動。步進電機由單獨外部供電系統進行供電，并安裝與其配套的電機驅動器模塊進行驅動。其工作電壓要穩定在35～40 V之間，就可提供轉動力矩為4 N·m的工作扭力。調節驅動器的細分與輸出電流大小來改變電機的運轉速度，以及電機的輸出轉矩。執行系統由檢測敏感元件與MCU配合使用，對氣缸的往復運動及刀具運動行程進行檢測與控制。

3 控制系統設計

3.1 電路設計

機械執行機構的動作需由電氣系統進行控制［3］。設備采用模塊化的設計，主控芯片采用STC89C52，使用MCU最小系統作為核心。設備采用0～50 V可調直流穩壓電源，MCU的I/O輸出口與3個金屬感應檢測敏感元件進行連接。可控電磁閥占用2個I/O輸出口，一對啟保停控制開關占用2個I/O輸出口，電機驅動器控制口占用4個I/O輸出口，電源占用2個I/O輸入口。

圖3 最小系統電路圖

3.2 控制原理

電氣控制原理是針對MCU控制系統算法［4］，檢測敏感元件在不同工位進行讀取信號，并傳遞到MCU完成計算過程，使設備按照規定流程完成相應動作。

3.2.1 控制系統算法

電機轉速由單位時間內獲取的脈沖數決定，單位脈沖乘以周期即可獲得一次工作循環中電機接收到的總脈沖數，電機以步進角形式轉動［5］。操作人員根據現場實際生產情況調節電機的運轉速度，以此滿足不同生產要求。

3.2.2 protues仿真

開發過程中使用Protues軟件進行仿真，主要由MCU最小系統、實驗樣機、OSC三個部分組成，根據OSC的波形周期及占空比來修改程序，同時檢測設備在不同波形下的工作狀態。

圖4 protues仿真

3.2.3 檢測模塊

設備采用LJ12A3-4-Z/EX檢測敏感元件，安裝到設備的刀具執行位置。檢測敏感元件共有VCC與OUT2個引腳。VCC引腳連接4.5～5 V電壓，OUT引腳為輸出信號端，常態為+5 V高電平，檢測到定位基準塊后產生低電平。MCU不斷地檢測I/O口的狀態來判斷執行機構是否到達指定位置，選擇不同輸出，實現電磁閥通斷電。

3.2.4 串口通信模塊

串口通信采用PL2303模塊，模塊為一種高度集成的RS232接口轉換器，將上位機的指令由COM端口輸出信號轉換為TTL電平，使MCU能夠接收到PC機傳輸的數據。

圖5 串口通信模塊電路圖

3.2.5 MCU接收數據模塊

上位機與MCU的通訊，采用串口通訊方式［6］。上位機將程序通過串口植入MCU，這個過程叫燒路。計算機只能識別自身的機器語言，即二進制數（只含0、1），MCU將接收到的程序間隔放入其程序存儲器中，通過調用不同數據，MCU做出不同響應。

4 程序編制

圖6 串口中斷流程圖

設置端口屬性：

打開串口

serialPort1.Open()；

設置串口號，波特率，校驗位，數據位，停止位：

serialPort1.PortName="COM1";

serialPort1.BaudRate=9600;

serialPort1.DataBits=8;

serialPort1.Parity=System.IO.Ports.Parit.None;

圖7 串口的打開與關閉流程圖

serialPort1.StopBits=System.IO.Ports.StopBits.One;

運用write函數發送數據：

Write（Convert.ToChar（0x03）,

Convert.ToChar（0x05），

Convert.ToChar（0x05））;

5 結語

本文論述的魷魚專用加工設備的控制系統，基于MCU控制系統，利用智能節點采集原始數據并與上位機進行通訊，針對魷魚專用加工設備進行控制。對步態動作進行優化，同時使用OSC進行可靠的通信實時性監測，保證控制系統能夠可靠運轉，從而實現魷魚生鮮食品的自動化生產。

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