低溫環境下鰹魚切割系統的分析與設計

梁靜坤 謝鑫剛 李杰峰 于淑池

(1.海南熱帶海洋學院，海南 三亞 052722；2.唐山職業技術學院，河北 唐山 063004)

金槍魚是各國遠洋捕撈漁業的重要經濟魚種，具有很高的經濟價值[1-2]，鰹魚是金槍魚圍網的主要捕撈對象，捕獲量大，價格昂貴，作為生食的高級魚產品，鰹魚在捕獲后要求在-60 ℃及以下超低溫進行貯藏，以保證其高品質[3]。目前，鰹魚從捕撈到售賣的冷物流鏈環節一般包括捕撈、人工粗加工、速凍、超低溫冷凍、解凍、分割、再冷凍、分銷等。其切割方式主要有常溫鮮魚手動切割和凍魚機械切割兩種，手動切割發生在捕撈出水后，直接在船舶處理間進行沖洗、放血、去魚鰓等加工，然后迅速送入-18 ℃速凍艙，再送入-60 ℃冷凍艙；凍魚機械切割是指鰹魚到達市場后，在低溫機械分割間進行人工切割，期間經過船舶冷凍艙室、岸上冷鏈物流車、市場分貨場地、分銷商分屬冷庫等多個場地，存在多次溫度波動，易導致凍結鰹魚發生冰晶升華或重結晶等問題，對魚肉風味、質地、營養價值有重要影響[4-7]，且低于5 ℃環境下的人工作業會導致一系列職業健康問題[8]。文章擬利用寬溫型PLC設計一套能在-18 ℃低溫環境下完成鰹魚切割處理的模擬裝置，旨在解決人工加工及多環節溫度變化帶來的問題，為多環節合一的低溫自動切割系統的開發提供依據。

1 方案設計

1.1 系統組成

遠洋金槍魚圍網漁船會配備漁獲處理間、速凍艙和冷藏艙室，速凍艙溫度為-18 ℃左右[9]，魚類的初加工是在漁獲處理間完成。在鰹魚從處理間被送入速凍艙的過程中，需對其進行低溫環境下的多功能快速切割。加工過程中，為了保證鰹魚魚肉的質量，快速放血、去腮由人工完成[10]，頭尾處理、魚身切割由切割裝置完成。切割裝置的設計包括控制單元和機械單元，系統由圍網捕撈作業船舶供電，其基本功能如圖1 所示。

1.2 控制要求

捕撈上來的鰹魚經過人工處理后，由傳送帶送入系統切割處理流程，同時完成速凍。再由其他控制系統將切塊傳送至-60 ℃冷凍魚艙，控制系統設計內容主要包括：

圖1 功能框圖Figure 1 Block diagram

(1) 系統監測、故障報警等功能。

(2) 魚身的自動檢測和傳送控制。

(3) 可實現對魚頭、尾的單獨處理；魚身分段切割的橫、縱模式可選，魚塊厚度可調。

2 控制系統設計

根據現代捕撈船速凍艙與鰹魚的自身保鮮要求，控制系統要求能在-18 ℃環境中穩定工作。核心控制器選用寬溫型PLC，魚身檢測等測量采用低溫測距傳感器，執行元件包括中間繼電器、電機、推桿等機械設備。機械設備的設計盡量減輕切刀架重量，采用最高切斷速度以及規劃切刀軌跡[11]。為了保證設備低溫下工作的穩定性，采用超低溫潤滑油，為了提高系統的可靠性，系統配有內部加熱器[12]。

2.1 硬件設計

根據系統控制要求，本著操作簡單，避免誤操作的原則，設置自動和手動起停功能、橫縱切和厚度等模式選擇、魚身位置檢測功能，設備運行工作溫度檢測、報警等功能，確定輸入輸出設備I/O分配如表1所示，未設置的輸入輸出口可按需求進行功能擴展。

核心控制器選用西門子S7-200PLC寬溫型模塊，工作溫度-25～+70 ℃，滿足船舶速凍艙-18 ℃環境要求。采用廣泛用于船舶及海洋設備的FLS-CH10低溫激光測距傳感器，檢測鰹魚的位置及魚身長度，鰹魚體長為243～733 mm，質量為300～9 165 g[13]，設備的運輸帶寬度等設置為1 000 mm，為控制器提供運輸帶起停及切刀選擇提供輸入信號，工作時激光測距傳感器測量距離調制50 mm，-40～+50 ℃穩定工作，防水食品級材質，供電電壓24～30 VDC，2.5 A，與PLC控制、船舶供電參數相符，電機功率3 kW，設備輸入額定電壓380 V三相電，切割厚度可調，默認刀距50 mm。

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

2.2 軟件設計

上位機界面設計包括啟動、停止、工作狀態指示、溫度顯示、工作模式選擇等功能，參照金槍魚市場需求縱向切段或橫剖切片的食用特點，魚身切割設定為橫、縱切模式可選，魚塊厚度可根據訂購者需求在一定范圍內可調，其監控界面如圖2所示。

切割控制設備上電自檢后，基本程序控制流程如圖3所示，切割時同時計數，軟件同時設有急停、故障報警等處理功能，可以根據需求完成手動或自動操作。

2.3 機械結構

鰹魚切割過程中魚身的推送和夾緊及刀具調整采用液壓傳動機構，采用低凝點液壓油[14]。機構的執行元件使用活塞式液壓缸，由三位四通電磁換向閥控制液壓缸推桿的伸出和退回。切掉頭尾的魚身隨傳送帶移動，觸碰到擋板后觸發限位開關，電磁換向閥通電產生電磁吸力，電磁閥動作，液壓推動活塞桿外伸。夾緊裝置的一端為固定夾板，另一端為可自由活動的可調夾板，可調夾板的位移由液壓缸推動，夾緊力的大小由液體壓力調定。夾緊裝置夾緊魚身的開始和結束時間以及液壓推桿的退回可由程序控制(開始計時時間可從限位開關動作的時刻計算，結束計時時間可由切斷最大魚身的時間設定)，直至完成橫向切片。橫向切開的魚身繼續傳送，直至觸碰到擋板觸發至相應的限位開關時，對應的推桿開始推動魚身移動，并由夾緊裝置夾緊，直至魚身切斷完畢，夾緊裝置松開同時液壓推桿退回。

圖2 監控界面Figure 2 Supervisory control system

圖3 軟件流程圖Figure 3 Software flow chart

(1) 橫向切刀和切斷刀的旋轉可通過各自的花鍵軸來帶動，刀具的間距根據魚身的尺寸可通過安裝在花鍵軸上的液壓缸進行調整。液壓缸采用雙伸出桿活塞缸，液壓傳動公式：

Q=Av，

(1)

式中：

Q——進入液壓缸的液壓油流量，mm3/s；

A——活塞缸的截面積，mm2；

v——活塞的移動速度，mm/s。

活塞缸的截面積公式：

A=π(D/2)2，

(2)

式中：

D——活塞缸直徑，mm。

刀具的調整間距為：

ΔL=vt=[4Q/(πD2)]t，

(3)

式中：

ΔL——刀具調整間距，mm；

t——進入活塞缸液壓油的持續時間(可由PLC程序設定，用來調整刀具間距的變化量)，s。

(2) 切片刀是切削機構的主控制部分，為了有效減少新鮮魚肉的粘連，根據經驗數據切刀的轉速控制在2.5～3.0 r/s為宜,刀具的切削速度計算公式為：

V=fZn，

(4)

式中：

V——刀具的切削速度，mm/s；

f——刀具每齒切削的進給量，mm；

Z——刀具的齒數；

n——刀具的轉速，r/s。

(3) 刀具的加工厚度也是需要考慮的一個參數，刀具加工寬度按式(5)計算，以8 mm為宜。

設定一個x,y,z坐標系見圖4。

(5)

式中：

W——削切寬度，mm；

Wl——O1處左邊的削切寬度，mm；

Wr——O1處右邊的削切寬度，mm；

r——刀具半徑，mm；

h——切削最大殘余高度，mm；

Ry——沿y軸方向的表面法曲率半徑，mm。

實際加工中|Ry|?h，式(5)中h2、h3和h4可以忽略，刀具半徑r可用有效工作半徑re代替。

(6)

式中：

θ——刀具繞y軸方向旋轉傾角角度，°；

ω——刀具繞z軸方向旋轉轉角角度，°。

則刀具加工寬度簡化為[15]：

(7)

圖5為機械結構設計示意圖。

3 樣機試驗

為驗證試驗設計的可靠性，設置如下：① 試驗場地選用當地海鮮冷庫，模擬捕撈船的速凍艙，保持-18 ℃低溫；② 控制模塊密封，與切割模擬系統置于冷庫入口處，觸摸屏置于冷凍室外壁，試驗目的主要是驗證切割系統在低溫環境下各模塊功能是否實現；③ 由于鰹魚主要分布在印度洋、太平洋和大西洋，市場上無法提供新鮮魚標本，加工測試樣本選用三亞崖州市場上形體和肉質與鰹魚相似的新鮮馬鮫魚替代，魚身長度約700 mm，最大寬度約120 mm，最大厚度約70 mm，切段厚度50 mm，便于切片食用，按照系統設置的功能進行頭尾切除、魚身切割、厚度調整等操作，測試系統溫度檢測、魚身檢測、參數選擇、魚身切割等功能是否正常運行，并與捕撈船人工的鮮魚切割、冷庫的機械切割在切割速度等方面進行比對分析，其切割塊見圖6，試驗內容及結果見表2。

圖4 加工帶寬計算Figure 4 Calculation of cutting bandwidth

1、11、20.刀架 2、12. 限位開關 3、13.擋板 4、14、18、19. 驅動電機 5、15.傳送帶 6、16.氣動推桿 7.橫向切刀 8、17. 加緊裝置 9.頭尾切刀 10.可調切段刀圖5 機械結構示意圖Figure 5 Mechanical structure

圖6 切割樣品Figure 6 Cutting block section

表2 試驗結果Table 2 Test results

在模擬速凍艙-18 ℃環境下，機械部分提前預熱，監控部分、控制部分、機械部分均可持續正常運行，系統要求的各項功能均可實現。由表2可知，與常溫的人工切刀和冷庫環境下的人工機械切割相比，自動切割系統更適合低溫工作環境，大批量作業，系統處理速度快，有利于鰹魚的保鮮。但試驗系統存在以下問題：① 自動切割系統去內臟、去魚鰭等細節處理不容易實現自動控制；② 為了提高機械設備的可靠性，切割機械在低溫環境中需要進行提前預熱，初期的預熱可能會對魚的切面鮮度產生影響。

4 結論

針對多次溫度波動引起鰹魚魚質劣化以及人工不適合長期在低溫下大規模作業等問題，結合寬溫型PLC設計了一種低溫環境下鰹魚自動切割處理系統。該系統可依照市場需求靈活設置切割方式、切塊大小、頭尾處理等模式，并在-18 ℃低溫下進行連續切割工作，經試驗比對，其效果明顯。利用該系統可形成包括捕撈、人工粗加工、速凍(同步切割)、超低溫冷凍、分銷等環節的新的遠洋捕撈冷鏈物流，有效縮減了鰹魚的冷鏈環節，為鰹魚的冷鏈保鮮提供了一種快速的低溫加工模式。加上后期的快速保鮮及塑封處理，有效地減少了冷凍食品在冷鏈物流中，特別是在疫情階段多次暴露引發的污染機率。后續可將低溫自動切割控制系統移植到大型捕撈船上進行實驗驗證，并進一步研究切刀面溫度對魚身保鮮的影響，切割控制系統去除魚鰭和內臟的細節控制技術等。

感謝食品工程學院、海南蔚藍海洋食品有限公司的大力支持。