扇貝苗規格識別與計數統計裝置的設計研究

盧宏博, 李明智, 李尚遠, 孫天澤, 曲春虎, 曲文龍

(大連海洋大學大學生“蔚藍”科技創新創業基地, 遼寧 大連 116023)

扇貝養殖方式主要有底播和浮筏兩種[1], 但近年隨著底播技術的快速發展[2], 大部分企業為了保證底播貝苗的成活率, 采用了“大規格、優質苗”海上收購、底播一體化的作業模式, 因此, 貝苗規格識別與計數統計都必須在海上完成, 是一項數量大、強度高、時間緊的工作。目前, 海上收購貝苗的規格的分級計數統計還主要以人工為主, 屬于勞動密集型,且統計誤差大, 同時貝苗在分級篩選過程中貝苗干露現象嚴重[3], 影響貝苗底播的成活率。

如何提高貝苗分級統計的準確性和統計的速度,已是決定能否提高底播效率及底播貝苗成活率的關鍵環節, 就此國內外研究者基于機械結構和計算機視覺技術對扇貝的分級篩選裝置進行了大量設計研究。楊淑華等[4]研發出基于扇貝殼長進行分級的對輥式扇貝分級機, 實現了貝苗的定向、解決了貝苗堆積和卡頓問題, 為扇貝分級奠定了基礎。方曉燕等[5]采用機械傳動和螺旋振動篩孔分級結構, 研究出新型扇貝振動分級機, 其振動裝置是根據電磁振動給料機而設計, 分級精度較高, 但對工作環境的穩定性要求較高?？椎聞偟萚6]結合扇貝的殼體結構特征, 基于螺旋槽結構研制出了一種螺旋對輥式扇貝分級機,其分級效率在400 kg/h 以上, 分級精度大于96%。但螺旋對輥式扇貝分級機, 在分級過程中, 一定程度上會使貝殼碎裂, 導致外套膜裸露在殼外, 造成病貝、死貝[7]。與此同時, 計算機視覺技術也已應用在水產各領域[8-13]。在利用計算機視覺技術研發的貝苗規格識別機方面, 郭常友等[14]用OPTA 算法和邊界追蹤算法完成扇貝的定位和尺寸識別, 但只能對單個扇貝有效的自動分級分類, 實際應用受限。楊曉光等[15]基于YCRCB 色彩空間與大津法相對扇貝進行分割,并提出了一種基于扇貝角質層特征的扇貝尺寸測量方法, 其測量誤差小于1 mm。王帥[16]應用Canny 算子進行圖像邊緣檢測, 采取Mamdani 模糊推理模型,建立模糊分類器進行識別和分級, 達到定位、跟蹤和分級的目的。上述基于計算機視覺技術的識別裝置對工作環境要求高, 海水對電路的腐蝕及船舶的晃動等客觀因素直接影響統計的準確性和穩定性。

本文結合底播產業的生產要求, 綜合考慮了扇貝苗規格識別與計數統計裝置的工作效率、準確性、穩定性和機械結構對貝苗損傷程度等方面的因素,最終確定了以光電傳感為基礎的具有規格識別和計數統計等功能的扇貝苗分級篩選裝置, 該裝置在最大限度減小破損的情況下, 實現高精度分級與計數,提高了扇貝底播效率。

1 裝置總體結構與工作原理

如圖1 所示, 扇貝苗規格識別與計數統計裝置主要由初級分揀機構、差速排隊傳送裝置和規格識別與計數統計系統3 部分組成。

圖1 整機結構示意圖Fig. 1 Schematic of the whole machine

其中初級分揀機構由落貝口、入料口、分揀平臺、振動排序結構等組成, 完成貝苗的初級篩選排隊,即篩除規格小于3 mm 貝苗和混帶雜質。差速排隊傳送裝置由同步齒輪傳送帶、差速波紋板、配有 OPG 6GN10K 型齒輪減速器的OPG 61K200RGN-CF 交流電機、導接桶等組成, 實現貝苗的差速排隊傳送。規格識別與統計系統由PLC、CX6080 框型光電傳感器、數顯打印裝置等組成, 主要完成規格識別和計數統計工作要求及結果的輸出。

貝苗規格識別與計數統計裝置的工作原理是利用初級分揀機構和差速排隊傳送裝置完成貝苗第一階段的處理, 和利用光電傳感技術進行規格識別與計數統計完成貝苗的第二階段處理, 統計結果由數顯打印裝置呈現, 工作原理如圖2 所示。

2 關鍵機械部件設計

規格識別與計數統計裝置整機寬度應小于470 mm,考慮到裝置各機械部件的布置問題, 最終確定裝置寬為260 mm。

圖2 工作原理圖Fig. 2 Schematic of the working principle

2.1 初級分揀機構

分揀平臺和振動排隊裝置共同組成初級分揀機構。其中分揀平臺寬230 mm, 總長1 130 mm, 有效分揀區長度780 mm, 分揀區的分揀篩孔孔徑[17-18]為28 mm, 分揀篩孔布置形式為45°錯排[19-20]。完成篩除小于30 mm 貝苗、病貝死貝和雜質。振動排隊機構由入料口、限貝口、排隊擋板、振動篩網4 部分組成。入料口底部有寬40 mm, 高25 mm 的限貝口(防止貝苗1 次從入料口涌出, 造成排序的混亂)是貝苗排隊的關鍵, 限貝口限制出貝速度橫向每次出貝個數不超過2 個, 縱向不超過3 個, 且限貝口的高、寬可調節, 因此可限數釋放不同規格級別的貝苗,提高裝置的普適性。排隊擋板固定在振動機帶動的(在振動排序運動的前提下, 保證振幅不高于排序擋板高度)振動篩網上, 實現在排隊擋板和機械振動的作用下, 貝苗的排隊。振動的環境刺激因子刺激開殼貝苗的閉殼肌, 使其閉殼, 貝苗的閉殼提高了分級計數準確性以及降低了分級計數過程中對貝苗的傷害。

2.2 差速排隊傳送裝置

差速排隊傳送裝置, 主要由差速波紋板、同步齒輪傳送帶(長800 mm、寬230 mm, 同步齒輪傳送帶目的為防止冬季傳動輪結冰打滑)、交流電機(功率200 W、齒輪減速器6GN 10 K)等組成。設計差速排隊傳送裝置的目的在于保證貝苗以逐一相互分離的狀態進入光電傳感器, 而貝苗是否以該狀態進入光電傳感器是貝苗差速傳送能否實現的關鍵, 因此, 差速波紋板的布置形式將成為差速排隊傳送的關鍵。

如圖3 所示, 差速波紋板以左到右分別編號為1、2、3 號, 依據實驗結果, 確定差速排隊傳送裝置的最佳布置參數為: 差速波紋板長250 mm, 1、3 號波紋擋板間距有280 mm, 1、2 號波紋擋板間距有140 mm, 使差速空間和排隊效率提高。1 號差速波紋擋板與傳送方向夾角為θ1, 2號差速波紋擋板與傳送帶方向夾角為θ2, 李明智等[20]研究表明:“當θ1=45°、θ2=30°時, 貝苗碰到差速排隊擋板后貝苗處于不堆積的先減速后加速運動模式,實現差速和相鄰兩貝苗距離拉開”。依據產業要求,θ1、θ2角度可通過調節桿實現聯調, 調節范圍為±5°, 可提高不同規格級貝苗的差速排隊的效率。貝苗在傳送動力F的作用下與半徑為3 mm(與貝殼邊沿角質層紋路相似)的波紋板碰撞, 貝苗將繞其中心在運動中旋轉, 且轉動軸垂直于碰撞平面[21-22]。從而使貝苗相互分離且避免了傳送過程中卡貝、堵塞現象的出現。3 號差速波紋擋板為貝苗限位擋板, 與傳送帶方向夾角θ3為30°, 實現貝苗下落前位置的調整, 確保貝苗下落范圍在光電傳感器的檢測范圍內。

圖3 差速排隊傳送裝置結構Fig. 3 Structure of the differential queuing transmission device

2.3 姿態調節機構

規格識別與計數統計結果的準確性取決于貝苗經過光電傳感器時對光通路的遮擋姿態, 因此姿態調節機構是保證統計結果準確的關鍵機械部件。如圖4 所示, 姿態調節機構固定在居傳送帶末端5 cm處, 是由1 段直行板和1 段弧形板(最大弦長80 mm、弧度為20o 與貝苗殼體弧度相近似)組成的凹型仿生扇貝外輪廓形態板。

如圖4 所示, 為姿態調節機構進行姿態調節的過程。貝苗與凹形擋板碰撞后的運動狀態, 由實驗結果得知, 傳送帶的傳輸速度為0.8 m/s, 即貝苗離開傳送帶的平拋速度為0.8 m/s, 根據碰撞能量恢復系數理論[23-25], 碰撞后水平速度及水平反彈速度均趨于0, 因此在碰撞后瞬間貝苗緊貼凹形擋板且只受重力, 在重力的作用下貝苗沿凹形擋板自由下落且保持自由落體運動狀態經過光電傳感器, 姿態符合規格識別貝苗姿態要求。

圖4 姿態調節機構及調節過程Fig. 4 Attitude adjustment mechanism and adjustment process

3 規格識別與計數統計系統的開發設計

規格識別與計數統計系統控制核心是光電傳感器和可編程控制器件(PLC), 其執行系統信息的采集、處理及傳輸數據等功能[26-29]。

3.1 系統硬件設計

根據規格識別與計數的工作要求, 綜合考慮裝置穩定性、準確性和環境等多方面因素, 規格識別與計數系統選用的設備及對應型號見表1。

表1 系統設備表Tab. 1 Equipment table

規格識別與計數系統整體采用PLC 控制, 通過數顯打印裝置對結果顯示和打印。光電傳感器型號為CX6080 框型傳感器, 外形尺寸為18 mm × 124 mm ×181.5 mm, 工作環境溫度為–20～+65℃ , 保護等級IP64(防塵、防止飛濺的水侵入), 殼體材質為鋁合金。PLC有6 個輸入端口、4 個輸出端口, 且輸入使用高速計數器, 由表 2 可知 PLC 的輸入、輸出分配情況。

表2 I/O 分配表Tab. 2 I/O allocation table

3.2 系統軟件設計

通過三菱公司開發的GX Developer version 8.86Q軟件環境下, 使用梯形圖進行邏輯編程, RS485 通訊具有組網容易和通信距離長具有很強的抗干擾能力。系統編程使用的GX-Developer 功能非常穩定, 包括項目管理, 程序輸入, 編譯鏈接, 模擬和調試。

其主要功能如下：大小比較區間、大小識別區間和計數區間對貝苗分級計數并由打印模塊打印將分級結果生成表格并打印。GX-Developer 性能穩定,主要功能如下:

(1) 可識別的線符號在GX-Developer 中, 建立相關的注釋數據, 編譯鏈接, 并設置寄存器數據列表語言和SFC 符號以開發PLC 程序[30]。

(2) 創建程序并將項目以相應格式存儲在相應位置, 該格式可以通過打印機輸出數據。

(3) 該程序通過串口可實現與PLC 進行通訊,發送文件, 監控系統操作以系統功能測試。

(4) 該程序最終可以從PLC 仿真調試中脫機調試。

3.3 規格識別與計數統計的實現

3.3.1 規格識別與計數統計原理

為了實現貝苗的精準分級, 本文采用貝苗經過光電傳感器的時間間隔來實現貝苗規格的識別。梯形圖如圖5 所示。即假設貝苗以恒速度v垂直下過經過光電傳感器, 每一個扇貝經過光電傳感器時,會得到瞬時時刻T0和Ti, 此時, 貝苗的規格可表示為:H=v(Ti–T0), 其數量可通過光電開關閉合次數計算得來。

圖5 規格識別與計數統計梯形圖Fig. 5 Trapezoidal diagram of specification identification and counting statistics

目前所有物理量中時間是實現測量精度最高的物理量, 因此其他物理量可轉化為時間進行測量。為實現貝苗的精準分級, 本文采用讀取貝苗經過光幕的時間間隔來實現貝苗規格的識別, 即假設貝苗以垂直自由下落經過光幕, 會得到時間間隔T, 貝苗規格可表示為H=V1T+ 0.5AT2(V1為扇貝進入光幕初速度為已知參數,A為重力加速度≈9.8 m/s2)簡化后H= (V1+ 4.9T)T, 其數量通過光電效應轉化為開關量并記錄。

貝苗精準分級基于光電效應原理, 當貝苗進入框型光幕區域接收端檢測到光通量的變化, 傳感器將光強變化轉化為攜帶時間信息的電信號, 再將攜帶時間信息的模擬信號轉化為數字信號輸入 PLC進行數據處理。為實現貝苗高頻率精確計數, 采用PLC 高速計數器避免掃描周期對高頻率計數結果造成干擾。

3.3.2 規格識別與計數程序

當扇貝進入光幕的一刻起, 經光電效應得到數字量信號通過光幕傳感器傳遞給PLC, X001 軟元件上電計數器C0計數一次(如圖5a), 特殊繼電器M8000 常通發送C0計數器數據至寄存器D200。當扇貝離開光幕的一刻觸發X1 下沿(如圖5b), 執行區間比較指令zcp 將源數據D170 中儲存的時間間隔信息t 與源數據Ka和Kb(Kb>Ka)進行比較, 當t

試驗方法: 本試驗在實驗室進行, 在試驗中, 取上述3 種規格貝苗各100 個, 依據影響扇貝苗規格識別與計數統計裝置的準確性的關鍵因素的最佳參數范圍, 建立5 因素4 水平的正交試驗設計[31-32],如表3 所示, 確定裝置的最佳的工作組合結構參數。

4 材料與方法

試驗所用貝苗來自獐子島海區。貝苗分級規格分別為25～29、30～35、>35 mm。

由單因素影響實驗確定了影響扇貝苗規格識別

表3 分級正交試驗的因素及水平Tab. 3 Factors and levels of grading orthogonal experimental

5 結果與分析

依據因素水平表4 知, 建立5 因素4 水平的實驗設計, 可選用L25(45)[33]的正交表, 同時采用SPSS25 分析軟件對正交試驗進行極差分析, 分析結果見表2。表中,ki為各因素在i水平下的平均分選精度ki=Ki/n(式中Ki(i=1, 2, 3, …,n)為各因素在i水平下的分選精度總和),R為各因素的極差。

表4 計數正交設計L25(45)試驗結果Tab. 4 Counting results of orthogonal design L25(45)

續表

由表2 可知, 最佳工藝參數組合為A3B2C3D2E3, 即入料口尺寸為4 cm×2.5 cm, 傳送帶電機轉速125 r·min–1,姿態調節機構弧度20°, 姿態調節機構距傳送帶末端距離4 cm, 規格識別秒數間隔為17 ms、25 ms。各因素對裝置設別計數準確率影響次序依次為: 規格識別秒數間隔>姿態調節機構距傳送帶末端距離>傳送帶電機轉速>入料口尺寸。

因實驗得的最佳工藝參數組合不在表4 已作的裝置工藝參數組合范圍內, 因此為驗證最佳工藝參數組合的合理性, 分別對規格識別與計數統計裝置最佳工藝參數組合A3B2C3D2E3作3 次驗證性試驗,驗證實驗結果: 平均識別計數準確率為94.4%, 明顯高于目前已作的規格識別與計數裝置工藝參數組合的最高準確率, 故A3B2C3D2E3方案, 組合的工藝參數合理。

6 結論

本文對目前底播的作業模式分析調研, 針對底播扇貝苗種海上規格識別與計數統計用工量大、勞動強度高、工作效率低及統計誤差大等問題, 設計出基于PLC 的貝苗規格識別與計數統計裝置。

通過對貝苗規格識別與計數裝置工藝參數的優化與驗證, 最終確定最佳工藝參數組合為: 入料口尺寸為40 mm×25 mm, 傳送帶電機轉速125 r·min–1,姿態調節機構弧度20°, 姿態調節機構距傳送帶末端距離40 mm, 規格識別秒數間隔為17 ms、25 ms。各因素對裝置設別計數準確率影響次序依次為: 規格識別秒數間隔>姿態調節機構距傳送帶末端距離>傳送帶電機轉速>入料口尺寸, 裝置工作的平均準確性為95%±5%可滿足扇貝分級計數作業的實際生產需求, 實現高精度分級與計數, 提高了扇貝底播的效率, 降低了對貝苗的破損, 實現貝苗海上收購、底播一體化。

本系統與傳統的費時費力、效率低、誤差大的人工作業模式相比, 存在以下優勢: 采用PLC 進行系統控制, 分級精度高, 計數效率高, 適用范圍廣、人工需求少、分級計數專業化、多功能一體化等, 推動了水產養殖領域向高程度自動化方向發展, 同時在不規則物體識別辦法上做出了新的嘗試。