魚體回轉式分級機自動控制設計與試驗

朱燁 洪揚 江濤

摘要：魚體分級篩選是一種有效避免種內競爭、提高魚體存活率的方法，但由于國內缺乏先進設備，生產中大多以人工作業為主。針對人工操作存在勞動強度大、魚體損傷等問題，研制了一種以S7-200 SMART系列PLC（programmable logic controller）為處理器、結合多步進電機和觸摸屏界面開發的魚體分級自動控制系統。該系統采用變頻調速技術，實現對轉速可調的功能;采用限寬調節技術，實現對魚體大小自動調節功能。運用STEP 7-Micro/WIN SMART編程軟件完成控制程序的編寫，借助SIMATIC WinCC flexible 2008完成觸摸屏界面開發，運用以太網通信完成觸摸屏界面對多步進電機的運動控制，實現限寬調節功能。性能測試表明，在額定電壓（380 V）下，主回轉電機運行速度可在0～50 Hz范圍內調速，限寬可調范圍為0～40 mm，可將4種不同大小的魚進行分級。在設定寬度下，魚體的準確率在±90.0%。該控制系統性能可靠，適合在漁業養殖中推廣。

關鍵詞：魚;分級篩選;S7-200 SMART PLC;步進電機;以太網通信;界面開發

中圖分類號：TP273? 文獻標志碼：A? 文章編號：1002-1302（2020）06-0204-05

隨著我國養殖工程技術的迅猛發展，水產養殖產業朝著精細化的方向不斷發展。在水產養殖過程中，魚群內生長不均衡是個熱點問題，主要表現為殘食[1-3]、食物競爭[4-6]等。通過魚類分級篩選可以有效避免種內競爭，提高了魚成活率;且市場商品是根據魚體大小分類，也可方便將幼魚和商品魚分級。

國內現階段對魚類分級所做的研究還不是很充分，以往的手工操作不僅費時、費力，且由于魚類轉移速度緩慢以及操作過程中對魚體的損傷和對魚群的驚嚇等，還會帶來較高的死亡率且無法精準快速地分級[7]。Johnsons在1983年設計了一種安裝在地拉網中用以分離鮭魚的系統，但分離系統笨重，會引起魚體損傷[8];國內早期邱洪奎等研究的活魚分級器[9]采用多斗分級裝置，不間斷分級，但它要更換篩底，操作不便，自動化程度低;王志勇等研究的魚類質量自動分級裝置，采用水平式調節輥間距模式篩選幼魚，雖然減少勞動力，但存在魚易脫水和魚體損傷等缺陷，不利于現代養殖業的發展[10];鄭國富等通過改變網箱中柵格間距實現魚類分級，可操作性大，但靈敏度不高[11]。因此，為了滿足水產養殖需求，且要確保分級高效、減少魚體損傷，設計基于魚體厚度回轉式帶水精準分級機。現以回轉式分級機為研究載體，通過SMART 700 IE觸摸屏界面的開發，通過以太網通信，實現觸摸屏界面與2臺SMART系列ST30 PLC進行信息傳輸[12-13]，運用USS協議實現PLC與V20變頻器通訊[14]，實現對主回轉電機轉速控制，完成分級機控制系統的設計。

1 控制系統結構及原理

回轉式魚體分級機由變頻器調速系統、絲杠導軌和步進電機限寬調距系統、電氣控制系統等組成，其系統結構示意圖如圖1所示。

它的主要原理是首先將電動推桿調到設定的高度，變頻電機帶動主軸轉動，主軸則帶動旋轉組件轉動，當旋轉組件轉動時，電動推桿帶動凸輪調節擋板1下壓，同時帶動凸輪機構下降，推動彈簧推桿機構，改變內部活動門的開度;其中電動推桿（步進電機）有4個，凸輪調節擋板1有3個，當第1個凸輪調到設定高度，凸輪可保證當前高度，之后調節高度是在之前調節高度基礎上繼續調節;凸輪調節擋板2上移，帶動凸輪機構上升，推動彈簧推桿機構，使得內部活動門復位。

回轉式魚體分級機控制系統，主要由變頻器、回轉電機、2 臺 ST30 PLC、SMART 700IE 觸摸屏界面、交換機、4個步進電機驅動器、4個步進電機、接近開關等組成，控制系統總體框架如圖2所示。

在控制系統中，觸摸屏界面主要實現對回轉電機的轉速控制、步進電機的調距控制;PLC主要通過控制變頻器實現對回轉電機轉速控制，控制步進電機驅動器實現對步進電機的運動控制;接近開關控制信號的采集與處理功能;交換機主要實現設備間的以太網通信。

2 系統硬件設計

采用 S7-200 SMART系列PLC作為核心控制。實現對回轉電機的轉速控制、步進電機的控制以及接近開關信號處理等功能，根據實際需要，系統采用晶體管輸出型CPU ST30 模塊，該模塊包含18DI、12DO，模塊集成3路頻率可達100 kHz高速脈沖輸出，支持 PWM/PTO輸出方式以及多種運動模式，可控制步進電機的位置和速度。集成以太網端口實現程序的下載、調試以及其他設備進行通信。

觸摸屏界面采用 SMART 700 IE V3觸摸屏，該觸摸屏具有工業以太網接口和RS485接口，可通過觸摸屏控制面板完成和PLC通信。同時可借助交換機實現多個PLC的通信。

限寬系統主要由絲杠導軌、步進電機和步進電機驅動器組成，步進電機采用57系列步進電機，驅動器采用SMD3506M[15]，該驅動器可達 128 細分，電流可達4.5 A，噪音小，運行較為平穩。步進電機驅動器輸入端接線方式是分別將驅動器中PUL-、DIR-連接到控制系統的地端;脈沖輸入信號接 PUL+端，方向信號接DIR+端，PLC輸出信號須要串聯 2 kΩ限流電阻。

變頻器調速主要由變頻器和主回轉電機組成，變頻器采用SINAMICS V20，經濟、可靠且易于使用，選用功率為0.55 kW，主回轉電機選用變頻調速三相異步電動機，功率為0.37 kW，轉矩為2.5 N·m，變頻電機通風機為0.03 kW。

控制系統的硬件接線圖如圖3所示。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括觸摸屏界面組態和 PLC程序編寫，然后對觸摸屏上參數進行設置，實現對主回轉電機轉速控制，以及對4臺步進電機的運行速度和方向進行控制，保證系統穩定可靠地運行。