小型智能化家禽低內臟破損率凈膛流水線設計

熊利榮，羅舒豪，王樹才

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小型智能化家禽低內臟破損率凈膛流水線設計

熊利榮，羅舒豪，王樹才

（華中農業大學工學院，武漢 430070）

針對目前國內家禽屠宰凈膛作業中自動化程度低、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。系統由家禽凈膛流水線裝置、夾取式凈膛機械手、觸覺系統、光電傳感器和PLC控制器組成，可實現家禽屠宰過程中的自動化凈膛。以光電傳感器的觸發信號作為家禽的到位信號，通過PLC控制系統發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8.22 N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%。該系統能夠實現智能化地低內臟破損率家禽凈膛，且性能穩定，操作簡單。

控制系統分析；智能控制；壓力傳感器；家禽凈膛；流水線；PLC

0 引 言

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[1]。中國家禽業經過數十年的發展，已逐漸由傳統的農戶散養、活禽交易模式過渡到規?；B殖、集中定點屠宰模式[2]。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，也有利于集中監管，從而保障家禽業健康持續的發展[3]。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自動化與機械化程度最低的工序之一[4-6]。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[7]。而中國由于起步較晚，屠宰加工取內臟作業還處于研究階段，目前仍依靠人工輔助流水線完成，效率低、工作環境差且人工成本高。僅有少數企業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[8-9]。因此，隨著家禽規?；B殖技術的普及，中國家禽屠宰加工裝備亟需形成相應規?；漠a業鏈。

規?；B殖為家禽提供了標準的飼養模式，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提供了有利的條件[10]。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[11-13]。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，以PLC為控制器，以光電傳感器的觸發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，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的目的。

1 流水線及控制系統硬件設計

1.1 系統結構與組成

凈膛流水線系統整體如圖1所示。該系統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、光電傳感器以及由計算機和PLC組成的控制系統。其中觸覺系統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，實現家禽凈膛的自動化。

1.2 凈膛裝置機械部分結構設計

1.2.1 家禽凈膛流水線的設計

凈膛流水線整體設計為環型，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裝置圖

1. 直線導軌 2. 圓弧導軌 3. 同步帶從動輪 4. 同步帶 5. 滑臺 6. 家禽固定裝置 7. 底板 8. 同步帶主動輪 9. 減速機 10. 步進電機 11. 支架

凈膛流水線圓弧導軌直徑為400 mm，主動輪與從動輪中心距為800 mm，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476 mm）。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型導軌上運動，形成流水線。

1.2.2 凈膛機械手的設計

系統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軸、軸、軸方向上的直線運動，各軸運動最大行程分別為300、600、400 mm；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。系統工作時，機械臂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，實現家禽凈膛。

1.2.3 步進電機與驅動器

根據系統中各凈膛機械裝置的負載需求，在節約成本的前提下選取符合要求的步進電機[14]?？紤]到系統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各步進電機的運動。系統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。

1.3 觸覺控制系統設計

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[15]。本系統選取RFP系列薄膜壓力傳感器及相應的轉換模塊，額定電壓為5 V，量程為0～2 kg。

實驗室環境下對傳感器進行標定[16]，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控制系統選型

PLC在整個家禽凈膛流水線系統中起到核心控制作用。本系統選用西門子S7-200系列PLC（CPU226 DC/ 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的硬件裝置[17-19]。PLC與各模塊間通過自帶的專用擴展電纜線連接?？刂葡到y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

圖5 系統電路接線示意圖

1.5 光電傳感器選型及安裝

光電傳感器的發光器可以發出光束，當家禽通過并擋住光束時，會有部分光反射到接收器[20]。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的下一步動作。本系統選用鑫社電氣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

經過反復調試發現，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面時，最有利于機械手深入家禽腹腔凈膛作業，系統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。

2 控制系統軟件設計

控制系統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。系統工作流程如圖7所示。上位機發出一個啟動命令給控制器PLC，系統啟動后，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。同時機械臂軸從原點前進，當前進至接近家禽內臟時，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，機械手爪會執行完初始設定步數，然后機械臂后退并掏出內臟。機械臂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，從而實現家禽凈膛的全自動化過程。

圖7 系統流程圖

2.1 PLC控制程序設計

PLC程序是在STEP7-Micro/WIN V4.0編程軟件中通過梯形圖進行開發[21-22]?？刂葡到y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個高速脈沖發生器，執行脈沖輸出指令（PLS指令）時可輸出高速脈沖串（PTO），實現對機械臂軸以及機械手爪的運動控制[23-24]。機械手爪和機械臂軸上分別安裝有手爪張開到位、前后限位開關，規定了系統的工作原點，其中機械臂軸靠近前、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，實現機械臂的軟停止，保護限位開關。機械臂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。

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凈膛時的定位精度[25-26]。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0～2 kg，輸出的電壓范圍為0～5 V，經/轉換后，數值范圍為0～32 000，呈線性關系，可見每伏特對應的/值為32 000/5=6 400。因此，當數字量為時，假設壓力為，那么AIW0的數值轉換為實際電壓值的計算公式為

＝/6 400 （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，并在程序中實時監控。

2.2 人機交互界面設計

VS 2013（Microsoft Visual Studio 2013）是Windows環境下廣泛采用的軟件開發平臺，系統的家禽自動凈膛軟件使用VS2013基于MFC（Microsoft Foundation Class）開發[27]。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“發送輸入”和“接受顯示”，點擊“發送”時，可以將“發送輸入”文本框的內容發送給PLC，通訊模塊主要用于與PLC程序聯合進行調試使用。手動模式則分為3部分，分別是“軸前進”、“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，分別是“自動啟動”、“急?！?、“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送給PLC，PLC接收到相應的指令后，會完成相應的運動軌跡[28]。

圖10 人機交互界面設計

3 系統測試及試驗設計

3.1 試驗材料

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1.20 kg～1.70 kg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。其中凈膛率公式如下：

式中為掏出內臟的質量，g；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[29]。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 家禽流水線自動凈膛試驗

3.3.1 壓力閾值的確定

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。系統以A組為本試驗對象，測量凈膛時機械手從原始張開狀態到最大程度抓緊時，安裝在機械手內壁的2個壓力傳感器中的最大值[30]。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F。如表3所示，最終壓力閾值F確定為8.22 N。

3.3.2 家禽凈膛試驗設計

以B組和C組為試驗對象。將壓力閾值在系統中設置為8.22 N。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下試驗。而B組在系統程序自動模式下進行，設單個機械手的凈膛效率為（只/h），則

表3 測定壓力閾值試驗

式中1為機械手對單只家禽的凈膛時間，約為30 s/只（不同內臟質量的家禽，凈膛時間略有差異）；為2個滑臺的間距；為家禽的傳輸速度，根據系統實際負載與穩定運行的需求，將設定為105 mm/s，此時系統的凈膛效率約為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下，B組平均凈膛率為86.95%，經過統計，B組試驗對象中，有4組肝臟出現破損，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。

Note: In table, 0 indicates no damage to viscera, and 1 indicates damage to viscera, the same below.

如下表5所示，在流水線靜止狀態下對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肝臟破損情況。

試驗結果表明：就凈膛率而言，與靜態凈膛相比，流水線運行時的動態凈膛率僅降低了1.14個百分點，對凈膛效果影響不大；就破損率而言，動態凈膛時內臟破損情況出現4次，高于流水線靜止狀態下凈膛試驗中的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；3）家禽在傳輸時內臟會發生輕微移位，尤其是肝臟，附著在內臟表面，更易在傳輸時受到擾動發生位置偏移，所以凈膛時偏離了設定的凈膛位置而出現內臟破損情況。

表5 流水線靜止狀態下凈膛試驗

4 結 論

該系統以PLC為核心控制器，以光電傳感器的觸發信號作為家禽的到位信號，以壓力傳感器作為觸覺系統，并以基于MFC開發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。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，并實現了系統的整體控制，且結構合理，運行穩定，操作方便。試驗結果表明，家禽凈膛流水線穩定工作時，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。

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Design of assembly line for small intelligent poultry eviscerated with low visceral damage rate

Xiong Lirong, Luo Shuhao, Wang Shucai

(430070,)

Aiming at the problems of low automation, poor equipment matching and high damage rate in the domestic poultry slaughtering operation, we designed a small intelligent control system for the eviscerated assembly line of poultry. The system consists of poultry eviscerated assembly line, clamping manipulator, mechanical arm, tactile system, photoelectric sensor and PLC controller, which can realize automatic eviscerating in the process of poultry slaughter.On the basis of the mechanical arm and the mechanical paw, we have conceived and designed the structure of the eviscerated assembly line device.The eviscerated assembly line is designed as a ring type, and the poultry is fixed on the poultry fixing device by hanging upside down. The synchronous belt drives the slide table to run on the guide rail so that the poultry can follow the loop guide rail to form an assembly line. The synchronous belt drives the slide table to run on the guide rail so that the poultry can follow the loop guide rail to form an assembly line.The system takes the trigger signal of the photoelectric sensor as the signal of the poultry have been in place, when the rising edge of the photoelectric sensor signal is detected, the EM253 module immediately controls the assembly line from high speed to low speed. When the falling edge of the photoelectric sensor signal is detected, the assembly line stops and waits for evisceration of the manipulator. The CPU226 provides two high-speed pulse outputs (Q0.0 and Q0.1) to control the speed of the two stepping motors on the-axis of mechanical arm and the mechanical paw, which can realize reciprocating motion of the mechanical arm and tension of the mechanical paw. During the net eviscerating process, the pressure sensors installed on the manipulator paws monitor the pressure exerted by the manipulator paw on the viscera in real time. The EM235 module transmits the pressure signal collected in real time to the PLC, once the pressure value reaches the pressure threshold of 8.22 N, the manipulator paw reverses a certain angle to reduce the damage rate of the internal organs. The human-computer interaction interface of the system mainly consists of three parts: Communication debugging, manual mode, and automatic mode. The automatic mode is realized by three buttons, namely “auto start”, “emergency stop” and “reset”, and the emergency stop button can also be used as the stop button of the manual mode. In order to test the stability of the system and the eviscerating effect on poultry, 60 chickens were randomly divided into 3 groups, 20 in each group, named group A, group B and group C. Group A was used to determine the pressure threshold, group B was tested under the steady operation of the assembly line, and group C, as the control group, was tested under the static state of the assembly line. The test indicators were the evisceration rate and breakage rate of poultry. The results of test showed that the control system can realize automatic evisceration of poultry, with stable performance and simple operation. The operating efficiency of a single manipulator is about 100 pieces/h, the average evisceration rate was 86.95% and the average breakage rate of visceral was 20%.Compared with entrails test in static state, the evisceration rate has little difference, but the breakage rate has increased, which generally meets the expected design requirements.

control system analysis; intelligent control; pressure sensors;evisceration of poultry; assembly line; PLC

2018-09-28

2019-01-07

國家科技支撐計劃項目（2015BAD19B00）；中央高?；究蒲袠I務費專項基金資助（2662016PY069）

熊利榮，副教授，主要從事農業電氣化與自動化研究。Email：bearlgj@webmail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.036

S24

A

1002-6819(2019)-05-0294-08

熊利榮，羅舒豪，王樹才. 小型智能化家禽低內臟破損率凈膛流水線設計[J]. 農業工程學報，2019，35(5)：294－301.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.036 http://www.tcsae.org

Xiong Lirong, Luo Shuhao, Wang Shucai. Design of assembly line for small intelligent poultry eviscerated with low visceral damage rate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(5): 294－301. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.036 http://www.tcsae.org