摘要：針對目前國內家禽屠宰凈膛作業(yè)中自動化程度低、設備配套性差、凈膛破損率較高等問題，設計了一套小型智能化家禽低內臟破損率凈膛流水線系統(tǒng)。系統(tǒng)由家禽凈膛流水線裝置、夾取式凈膛機械手、觸覺系統(tǒng)、光電傳感器和PLC控制器組成，可實現(xiàn)家禽屠宰過程中的自動化凈膛。以光電傳感器的觸發(fā)信號作為家禽的到位信號，通過PLC控制系統(tǒng)發(fā)出的高速脈沖信號控制凈膛流水線的運動和精確定位、機械手爪的張合以及機械臂的往復運動；利用EM235模塊將實時采集到的機械手爪內壁壓力傳感器上的壓力信號傳輸到PLC中，一旦壓力值達到壓力閾值8.22N時，機械手爪即反轉一定角度后再掏膛，從而降低內臟破損率。試驗結果表明：單個機械手的凈膛效率約為100只/h；平均凈膛率為86.95%，內臟平均破損率為20%。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)智能化地低內臟破損率家禽凈膛，且性能穩(wěn)定，操作簡單。

　　關鍵詞：控制系統(tǒng)分析；智能控制；壓力傳感器；家禽凈膛；流水線；PLC

　　在中國，禽肉類產品深受居民的喜愛，其消費量占總肉類消費量的25%以上。中國家禽業(yè)經過數十年的發(fā)展，已逐漸由傳統(tǒng)的農戶散養(yǎng)、活禽交易模式過渡到規(guī)?；B(yǎng)殖、集中定點屠宰模式。這種轉變既能降低家禽食品安全隱患，為市場提供高質量產品，也有利于集中監(jiān)管，從而保障家禽業(yè)健康持續(xù)的發(fā)展。但與此同時這也對中國家禽屠宰加工提出了更高的要求，家禽屠宰取內臟作業(yè)作為家禽屠宰生產線中一道關鍵的工序，也是目前中國家禽屠宰加工生產過程中實現(xiàn)自動化與機械化程度最低的工序之一。國外早在20世紀初就開始進行家禽屠宰加工裝備的研究，經過一個世紀的發(fā)展，自動掏膛技術在國外已經日漸完善，并逐漸應用于禽類的屠宰加工生產中，取代了人工作業(yè)。而中國由于起步較晚，屠宰加工取內臟作業(yè)還處于研究階段，目前仍依靠人工輔助流水線完成，效率低、工作環(huán)境差且人工成本高。僅有少數企業(yè)從國外引進成套設備，投資大，設備維護昂貴，且由于國內外對家禽內臟飲食習慣的差異，進口的掏膛設備并不能完全適用于國內家禽屠宰加工當中。因此，隨著家禽規(guī)?；B(yǎng)殖技術的普及，中國家禽屠宰加工裝備亟需形成相應規(guī)模化的產業(yè)鏈。

　　規(guī)模化養(yǎng)殖為家禽提供了標準的飼養(yǎng)模式，使得同一批次同一品種的禽體長成后的大小基本均勻一致，這為家禽自動掏膛作業(yè)提供了有利的條件。挖取式、扒取式和夾取式這3種是目前研究較多的應用于家禽屠宰掏膛中的機械手。本文提出并設計了一種全自動的智能家禽凈膛流水線控制系統(tǒng)，以PLC為控制器，以光電傳感器的觸發(fā)信號作為家禽到達指定凈膛位置的到位信號，以壓力傳感器構成觸覺感知系統(tǒng)，根據家禽內臟大小，實時控制凈膛力度，降低凈膛過程中內臟的破損率，從而達到智能化自動掏取家禽內臟作業(yè)的目的。

　　凈膛流水線系統(tǒng)整體如圖1所示。該系統(tǒng)包括家禽凈膛流水線裝置、試驗臺、機械臂、機械手爪、觸覺系統(tǒng)、光電傳感器以及由計算機和PLC組成的控制系統(tǒng)。其中觸覺系統(tǒng)由安裝在機械手指內壁的壓力傳感器及相應的采集電路組成。

　　上位機通過USB轉RS485通信電纜將相應控制指令發(fā)送給PLC，PLC根據接收到的指令控制各機械結構的既定運動，完成對流水線的精確運動控制，機械臂、機械手爪的凈膛動作控制，并在凈膛過程中實時采集凈膛壓力值，控制凈膛力度，實現(xiàn)家禽凈膛的自動化。

　　1.2.1  家禽凈膛流水線的設計

　　凈膛流水線整體設計為環(huán)型，由支架支撐，傳動方式為同步帶傳送，由步進電機、減速機、直線導軌、圓弧導軌、底板、同步帶主動輪、同步帶從動輪、同步帶、滑臺、家禽固定裝置和支架組成。步進電機的輸出軸與減速機固定通過聯(lián)軸器與同步帶主動輪連接，直線導軌和圓弧導軌拼接后通過螺栓固定在環(huán)形底板，滑臺與同步帶之間通過卡槽固定，家禽固定裝置與滑臺之間通過螺栓連接。整體結構圖如圖2所示。

圖1  家禽凈膛流水線系統(tǒng)裝置圖

　　凈膛流水線圓弧導軌直徑為400mm，主動輪與從動輪中心距為800mm，考慮到家禽的體型，流水線上等間距設計了6個滑臺（每2個滑臺間距為476mm）。同步帶設計為雙面齒同步帶，一面與帶輪上的齒嚙合，一面與滑臺嚙合，家禽采用倒掛的方式固定在家禽固定裝置上。系統(tǒng)啟動后，凈膛流水線同步帶帶齒與帶輪的齒槽相嚙合傳遞動力，帶動滑臺在導軌上運行，使得家禽也能隨之在環(huán)型導軌上運動，形成流水線。

　　1.2.2  凈膛機械手的設計

　　系統(tǒng)的機械臂與機械手爪共同構成家禽的凈膛機械手裝置。機械臂設計為三維空間下直角坐標型機械臂，運動軌跡為空間直角坐標系下X軸、Y軸、Z軸方向上的直線運動，各軸運動最大行程分別為300、600、400mm；凈膛機械手爪設計為對稱結構，4根機械手指兩兩對稱，形成一定的包容空間。凈膛機械手的結構示意圖如圖3所示。

圖3  機械手爪和機械臂結構圖

　　機械手爪通過螺栓固定后安裝在機械臂X軸方向的滑臺上，設置好機械臂各軸以及機械手爪的行程參數和初始位置。系統(tǒng)工作時，機械臂Y軸帶動機械手爪前后運動，機械手爪通過機械手指張開或抓緊，實現(xiàn)家禽凈膛。

　　1.2.3  步進電機與驅動器

　　根據系統(tǒng)中各凈膛機械裝置的負載需求，在節(jié)約成本的前提下選取符合要求的步進電機?？紤]到系統(tǒng)中各步進電機的相數、額定轉矩、控制精度等要求，選擇型號為信捷DP508系列驅動器來驅動系統(tǒng)各步進電機的運動。系統(tǒng)中各電機具體型號及相應參數如表1所示。

表1  步進電機主要技術參數

　　另外，凈膛流水線和步進電機間選用型號為PX86N024S0的行星減速機，傳動比為24：1，用來匹配轉速和傳遞轉矩。

　　機械手爪的4根手指為上下左右對稱式分布，其中上下2根手指在抓取內臟時由于受到重力因素的影響，測得的壓力與實際的壓力值會有差異。因此只將壓力傳感器安裝在機械手爪的左右2只手指內壁，凈膛時，一旦左右2根手指中任意1個壓力傳感器測得的壓力值達到設定的壓力閾值，機械手會立即停止抓緊。本系統(tǒng)選取RFP系列薄膜壓力傳感器及相應的轉換模塊，額定電壓為5V，量程為0～2kg。

　　實驗室環(huán)境下對傳感器進行標定，分別將2個壓力傳感器的標定數據繪制成電壓-壓力圖并進行擬合，圖4為標定后測得的電壓-壓力擬合曲線圖，圖中實線和虛線分別代表各傳感器電壓-壓力的實際對應曲線和擬合后的對應曲線，擬合的多項式公式也如圖中所示。

　　1.4  PLC控制系統(tǒng)選型

　　PLC在整個家禽凈膛流水線系統(tǒng)中起到核心控制作用。本系統(tǒng)選用西門子S7-200系列PLC（CPU226DC/DC/DC）作為控制器，再加上模擬量輸入/輸出擴展模塊（EM235）、定位模塊（EM253）共同構成控制及壓力采集系統(tǒng)的硬件裝置。PLC與各模塊間通過自帶的專用擴展電纜線連接。控制系統(tǒng)與外部設備電路接線示意圖如圖5所示。

圖4  壓力傳感器電壓-壓力擬合曲線

　　光電傳感器的發(fā)光器可以發(fā)出光束，當家禽通過并擋住光束時，會有部分光反射到接收器。此時光電傳感器會輸出高電平，PLC接收到上升沿后控制系統(tǒng)的下一步動作。本系統(tǒng)選用鑫社電氣M18漫反射型光電傳感器，光電傳感器與主電路接線如圖6所示。

圖6  光電傳感器接線圖

　　經過反復調試發(fā)現(xiàn)，當機械手爪的中心與流水線上夾具中心的連線垂直于豎直作業(yè)面時，最有利于機械手深入家禽腹腔凈膛作業(yè)，系統(tǒng)將此位置定義為流水線的標準凈膛位置。因此試驗前，調整好光電傳感器位置，并通過EM253模塊與光電傳感器配合確保每次凈膛時，流水線都能停在標準凈膛位置處。

　　控制系統(tǒng)軟件設計主要包括人機交互界面程序設計和控制器PLC的程序設計。系統(tǒng)工作流程如圖7所示。上位機發(fā)出一個啟動命令給控制器PLC，系統(tǒng)啟動后，家禽凈膛流水線開始工作并輸送家禽。當檢測到光電傳感器觸發(fā)信號上升沿時，流水線會立即減速至低速運行，檢測到光電傳感器信號下降沿后，表明家禽已被輸送至指定凈膛位置；PLC接收信號后，流水線即暫停運動。同時機械臂Y軸從原點前進，當前進至接近家禽內臟時，Y軸減速直至到達家禽內臟處后停止運動；隨后機械手爪開始抓取內臟，凈膛過程中安裝在機械手爪末端的壓力傳感器實時監(jiān)測機械手爪對內臟施加的壓力。當壓力值到達預設壓力閾值時，機械手爪張開適當角度，以減少內臟的破損；若壓力值始終小于壓力閾值，機械手爪會執(zhí)行完初始設定步數，然后機械臂后退并掏出內臟。機械臂Y軸接近原點時會減速直至回到原點位置；此時機械手爪張開使內臟脫落，同時給PLC發(fā)出一個信號，使流水線重新啟動，重復這一凈膛流程，從而實現(xiàn)家禽凈膛的全自動化過程。

圖7  系統(tǒng)流程圖

　　PLC程序是在STEP7-Micro/WINV4.0編程軟件中通過梯形圖進行開發(fā)。控制系統(tǒng)程序根據功能可分為機械手爪及機械臂控制模塊、凈膛流水線控制模塊以及壓力采集模塊，由控制系統(tǒng)設計需要，PLC的I/O口分配如下表2所示。

表2  輸入輸出分配

　　2.1.1  機械手爪及機械臂控制模塊

　　S7-200系列PLC有2個高速脈沖發(fā)生器，執(zhí)行脈沖輸出指令（PLS指令）時可輸出高速脈沖串（PTO），實現(xiàn)對機械臂Y軸以及機械手爪的運動控制。機械手爪和機械臂Y軸上分別安裝有手爪張開到位、前后限位開關，規(guī)定了系統(tǒng)的工作原點，其中機械臂Y軸靠近前、后限位開關處還分別安裝有2個減速開關，控制機械臂接近停止位置時的速度，實現(xiàn)機械臂的軟停止，保護限位開關。機械臂Y軸凈膛時的運動軌跡如圖8所示。

　　注：v 為家禽傳輸速度，t 為家禽傳輸時間。

圖8  機械臂Y 軸運動軌跡

　　2.1.2  凈膛流水線控制模塊

　　凈膛流水線的運動由西門子定位模塊EM253控制完成。將家禽的標準凈膛位置在系統(tǒng)中設置為參考點，調用“POSx_RSEEK”子程序，檢測到光電傳感器輸出上升沿時，流水線會立即由高速降到設置的低速運行，當光電傳感器輸出下降沿時，尋找參考點結束，流水線停在凈膛位置。EM253的尋參功能可以提高系統(tǒng)凈膛時的定位精度。尋找參考點軌跡如圖9所示。

圖9  尋找參考點運動軌跡

　　2.1.3  壓力采集模塊

　　系統(tǒng)用EM235模塊的2路輸入通道（AIW0和AIW2）分別連接2個壓力轉換模塊，用來采集機械手爪左右2根手指上的電壓信號。以其中一路AIW0為例，壓力傳感器量程為0～2kg，輸出的電壓范圍為0～5V，經A/D轉換后，數值范圍為0～32000，呈線性關系，可見每伏特對應的A/D值為32000/5=6400。因此，當數字量為D時，假設壓力為V，那么AIW0的數值轉換為實際電壓值的計算公式為

　　V=D/6400      （1）

　　又根據圖4中壓力傳感器的電壓-壓力擬合公式，可以計算出機械手爪對家禽內臟實際的壓力值，并在程序中實時監(jiān)控。

　　VS2013（Microsoft Visual Studio 2013）是Windows環(huán)境下廣泛采用的軟件開發(fā)平臺，系統(tǒng)的家禽自動凈膛軟件使用VS2013基于MFC（Microsoft Foundation Class）開發(fā)。主界面如圖10所示，主要有3部分組成，分別是通訊調試、手動模式、自動模式。通訊調試模塊存在兩個文本編輯框，分別是“發(fā)送輸入”和“接受顯示”，點擊“發(fā)送”時，可以將“發(fā)送輸入”文本框的內容發(fā)送給PLC，通訊模塊主要用于與PLC程序聯(lián)合進行調試使用。手動模式則分為3部分，分別是“Y軸前進”、“Y軸后退”，“手爪夾緊”、“手爪張開”，“流水線正轉”、“流水線反轉”，自動模式則是通過3個按鈕來實現(xiàn)，分別是“自動啟動”、“急停”、“復位”，其中急停按鈕也可以作為手動模式的停止按鈕。上位機通過通信將指令發(fā)送給PLC，PLC接收到相應的指令后，會完成相應的運動軌跡。

圖10  人機交互界面設計

　　試驗材料選取農貿市場宰殺的新鮮肉雞，試驗前，購買60只肉雞，在經過浸燙、去毛、放血等處理步驟后并完整保留內臟，肉雞的質量大多分布在1.20kg～1.70kg之間，將60只肉雞隨機分為3組，每組各20只，分別命名為A組、B組、C組。

　　3.2  試驗測試指標

　　試驗所考察的指標主要為家禽的凈膛率和掏出內臟的破損率。其中凈膛率R公式如下：

　　式中M為掏出內臟的質量，g；m為殘留在家禽腹腔中的內臟質量，g。

　　而由于肝臟質地脆弱，且其附在內臟表面，凈膛時與機械手接觸面積最大。因此本試驗將肝臟是否破損作為衡量掏出內臟破損的指標。掏出內臟中肝臟出現(xiàn)破裂或表面有裂痕記為1，肝臟完整且無裂痕則記為0。

　　3.3.1  壓力閥值的確定

　　為了不破壞內臟的可食用性，需保證家禽凈膛率的同時降低凈膛過程中內臟的破損率。系統(tǒng)以A組為本試驗對象，測量凈膛時機械手從原始張開狀態(tài)到最大程度抓緊時，安裝在機械手內壁的2個壓力傳感器中的最大值。對測得的20組壓力值取平均值，確定為本試驗的凈膛壓力閾值Fx。如表3所示，最終壓力閾值Fx確定為8.22N。

　　3.3.2  家禽凈膛試驗設計

　　以B組和C組為試驗對象。將壓力閾值在系統(tǒng)中設置為8.22N。C組作為對照組，在手動模式下調整好家禽的凈膛位置使之處于標準凈膛位置處后，使流水線處于靜止狀態(tài)下試驗。而B組在系統(tǒng)程序自動模式下進行，設單個機械手的凈膛效率為η（只/h），則

表3  測定壓力閾值試驗

　　式中t1為機械手對單只家禽的凈膛時間，約為30s/只（不同內臟質量的家禽，凈膛時間略有差異）；l為2個滑臺的間距；v為家禽的傳輸速度，根據系統(tǒng)實際負載與穩(wěn)定運行的需求，將v設定為105mm/s，此時系統(tǒng)的凈膛效率約為100只h。

　　試驗時，分別測定B組和C組中每只試驗家禽的凈膛率，并對所得的20組凈膛率數據取平均值，記為平均凈膛率；統(tǒng)計B組和C組凈膛過程中試驗家禽的肝臟破損情況，將肝臟破損出現(xiàn)的次數占20組數據中的比例記為內臟的破損率。對比B組和C組中各試驗指標，考察流水線的運行是否對家禽的凈膛效果以及內臟的破損率有影響。

　　3.4  試驗結果與分析

　　流水線電機在運行狀態(tài)下，B組平均凈膛率為86.95%，經過統(tǒng)計，B組試驗對象中，有4組肝臟出現(xiàn)破損，破損率為20%。具體數據如表4所示。

表4  流水線運行狀態(tài)下凈膛試驗

　　注：表中0表示內臟無破損，1表示內臟有破損，下同。

　　如下表5所示，在流水線靜止狀態(tài)下對C組家禽進行凈膛試驗，試驗可得平均凈膛率為88.09%，且掏出內臟中沒有出現(xiàn)肝臟破損情況。

　　試驗結果表明：就凈膛率而言，與靜態(tài)凈膛相比，流水線運行時的動態(tài)凈膛率僅降低了1.14個百分點，對凈膛效果影響不大；就破損率而言，動態(tài)凈膛時內臟破損情況出現(xiàn)4次，高于流水線靜止狀態(tài)下凈膛試驗中的0次。這說明流水線的運轉對內臟的破損率有一定的影響。這是因為：1）凈膛時，不能根據禽體內臟的大小進行自動調整；2）流水線在運轉過程中不是絕對平穩(wěn)；3）家禽在傳輸時內臟會發(fā)生輕微移位，尤其是肝臟，附著在內臟表面，更易在傳輸時受到擾動發(fā)生位置偏移，所以凈膛時偏離了設定的凈膛位置而出現(xiàn)內臟破損情況。

表5  流水線靜止狀態(tài)下凈膛試驗

　　4  結論

　　該系統(tǒng)以PLC為核心控制器，以光電傳感器的觸發(fā)信號作為家禽的到位信號，以壓力傳感器作為觸覺系統(tǒng)，并以基于MFC開發(fā)的人機交互界面作為控制界面，設計了一套小型智能化家禽低內臟破損率凈膛流水線系統(tǒng)。在夾取式機械手的基礎上，對凈膛流水線的機械結構進行了設計，并實現(xiàn)了系統(tǒng)的整體控制，且結構合理，運行穩(wěn)定，操作方便。試驗結果表明，家禽凈膛流水線穩(wěn)定工作時，單個機械手的凈膛效率約為100只/h，家禽的整體凈膛率為86.95%，整體破損率為20%，與靜態(tài)凈膛試驗相比，凈膛率差別不大，但破損率有所上升，總體符合預期設計要求。

　　后續(xù)研究中，可以測試家禽的肝臟在凈膛過程中的應力—應變結果，根據結果進一步調整機械手凈膛動作，以期達到更好的凈膛效果和提高凈膛效率。