水产品深加工智能制造与成套装备研究*

徐志明, 陈金成, 程 松, 陈 忠

上海电气集团自动化工程有限公司 上海 200023

1 研究背景

水产品是人类食品的主要来源之一。与畜禽蛋白相比,水产品蛋白肉质更嫩,氨基酸、维生素、矿物质等营养成分更丰富,更有利于人体健康。近年来,水产品在居民膳食结构中的比重不断提高。我国的水产品资源十分丰富,是全球水产品的主要生产国。2014年至2018年我国水产品产量如图1所示,2018年我国水产品产量约为6 458万t[1],占全球比重达36%。其中,水产品加工量约为2 157万t,占年总产量的33.4%。可见,水产品行业规模庞大,加工年总产值达4 000余亿元。

图1 2014年至2018年我国水产品产量

经过近几十年的发展,我国水产品加工技术和产品结构有很大进步,但横向比较,加工技术水平总体仍不高,主要体现在三个方面:① 水产品的加工量占总产量的比例较低,而日本、加拿大、美国等国占比达到60%以上[2];② 水产品深加工程度低,加工形式单一,同质竞争激烈;③ 我国出口水产品主要为初级产品,高附加值水产品的出口未形成规模优势,成本较东南亚国家高30%以上[2]。以上三方面造成我国水产品缺乏国际竞争力,大而不强,与世界水产大国的地位极不相称[3]。至2018年,我国的水产品加工能力仍不足总产量的45%,与其它水产大国相比差距明显,需要向内涵式发展方式转变。由此可见,水产品加工业在我国有着广阔的发展空间和市场前景。

水产品深加工技术与装备是水产业加工行业能够持续发展、转型升级的重要因素,连接了水产品行业的生产与市场。小龙虾是水产品中的一种典型品种,每年的消费量非常大。2013年至2018年,我国小龙虾产量由60万t增加至163万t,2018年产业总产值已达3 690亿元[4-5],成为世界最大的小龙虾生产国。小龙虾加工产品主要有虾仁、虾尾、原味整虾和调味整虾。目前,我国小龙虾的加工方式还处于从初加工逐步发展为初加工与深加工并举的阶段[6]。

针对我国水产品深加工工艺水平较低的现状,立足于从解决功能性要求的低层次提升为解决系统性要求的高层次,以小龙虾为例提出水产品深加工智能制造技术与成套装备架构,改进小龙虾速冻熟虾仁、速冻虾尾、速冻调味及原味整虾三种不同的深加工工艺,并且研制水产品深加工智能生产线及成套装备。

2 总体方案分析

2.1 目标

总体目标为打造水产品行业的智能工厂典范。经过对原料供应能力和投入经济性的分析,小龙虾智能深加工厂的原料处理产能为200 t/d。成品产能方面,速冻熟虾仁为6 t/d,速冻虾尾为25 t/d、速冻调味及原味整虾为100 t/d。同步建设先进的生产计划管理系统、过程控制管理系统、质量管理系统、人员管理系统、设备管理系统、效能管理系统、看板系统,实现小龙虾深加工智能工厂的数字化、信息化、智能化。

2.2 总体方案

小龙虾深加工智能工厂实现三种深加工工艺,对基本环节进行分解后,规划小龙虾深加工厂的智能化升级,目的是将生产设备的自动监控和数据互联,将自动导引车智能物流输送及调度系统、冷冻仓储管理系统、冷冻仓储控制系统、车间制造执行系统、企业资源计划管理系统等有机地集成至小龙虾深加工智能工艺过程中。

小龙虾深加工智能工厂的平面布局及物流走向如图2所示,用于实现速冻熟虾仁、速冻虾尾、速冻调味及原味整虾三种不同深加工工艺。

图2 小龙虾深加工智能工厂平面布局与物流走向

速冻熟虾仁工艺具体包括原材料挑选,蒸煮,冷却,人工去壳、去肠、去黄、分级,检验,漂洗、沥水,称重、装袋,真空封口,金属检测,速冻,装箱,冷藏。

速冻虾尾工艺具体包括原材料挑选,清洗,蒸煮,冷却,头尾分离,检验,冲洗、沥水,速冻,镀冰衣,速冻,称重、装袋、封口,金属检测,装箱,冷藏。

速冻调味及原味整虾工艺具体包括原材料挑选,清洗,蒸煮、油炸,冷却,分选,称重,加调味料,装袋、封口,金属检测,速冻,装箱,冷藏。

小龙虾深加工智能生产线的实施分为三个阶段,第一阶段为深加工设备升级研制及产线集成,第二阶段为各产线分步物联、线边智能物流及仓储建设,第三阶段为各产线智能升级,完成数字化和信息化生产线的搭建。

2.3 创新点

笔者研究小龙虾深加工智能制造技术和成套装备,并应用于湖北省和湖南省的小龙虾深加工智能生产线,将会建成全球首家进行小龙虾深加工的智能工厂。

结合小龙虾深加工的工艺特点,开发生产过程监控与数据采集系统、冷冻仓储管理系统、冷冻仓储控制系统、自动导引车智能物流输送及调度系统、车间制造执行系统、车间级工业通信网络、企业资源计划管理系统等,充分利用云计算、大数据等新一代信息技术,在保证信息安全的前提下,实现经营、管理和决策的智能优化。

用于小龙虾头尾分离的自动剥虾尾生产线综合运用视觉识别和高速进给控制技术,对小龙虾的状态、位置进行识别,并抓取小龙虾进行剥虾尾,有别于工业生产中固定零件的识别,带有显著的行业对象特点。

3 小龙虾深加工设备升级研制与产线集成

小龙虾深加工智能生产线生产的三类产品,其加工流程包含多个工艺环节。小龙虾深加工模式升级如图3所示。传统的小龙虾加工模式相对落后,加工企业仍然延用作坊式手工生产方式,技术装备的自动化程度低,企业生产技术水平较低,生产能耗和物耗偏高,生产效率低,产品质量差,档次低,加工成本高。采用传统加工模式,社会化生产组织和管理技术水平较低,缺乏先进的生产组织和管理系统的优化配置。

图3 小龙虾深加工模式升级

建设小龙虾深加工智能生产线,首先需要对传统生产设备进行智能升级,设备需要从原来的孤岛式、手动式、模拟式,升级为联线式、自动式、数字式,每一台设备都配置有独立的可编程序控制器控制单元和数据采集与控制接口,可以实现自动化生产设备与智能生产线数字化系统的无缝连接。通过网络实现蒸煮温度、冷冻温度、生产速度等重要参数的精确控制和设备状态的监控,进行实时设备故障诊断和能效管理。重要历史工艺参数可以保存在系统数据库中,需要使用时能够直接调用,减少重新调整设置的时间成本。

对设备进行智能升级以后,需要对设备进行集成,将原来孤岛式的设备集成为具备完整工艺的产线,再配置现代线边智能物流及立体仓储系统,实现各产线的分步物联。

小龙虾深加工智能工厂能够大幅提升各环节的工作效率,有效避免传统手工操作差错率高、效率低、时效性差等问题,可以实现原材料清洗、挑选、称重、速冻保鲜、蒸煮油炸、调味、包装、冷链运输等整个生产过程的标准化、规范化,保障产品品质,弱化人工依赖,实现产品的标准化、自动化生产。

4 自动剥虾尾生产线技术

自动剥虾尾生产线是小龙虾深加工智能生产线的核心设备。企业原本在每年小龙虾旺季招聘大量劳务人员来剥虾尾,通过人工方式分离小龙虾头尾,生产效率低下,造成人工成本占比较高。笔者将机器人视觉识别及在线抓取技术应用于小龙虾自动剥虾尾生产线。机器人视觉识别及抓取单元可以对在皮带上输送的小龙虾进行拍照识别,并由机器人抓取小龙虾放置于剥离夹具中。

视觉在线检测设备安装在生产线上,检测速度必须与高速生产线保持高度同步,实现高度同步的关键是图像检测的实时性[7]。图像检测过程分为图像获取、图像处理和瑕疵产品判断。图像获取的目的是得到高质量的可用于图像检测的二维图像,其流程如图4所示。

图4 图像获取流程

图像处理和瑕疵产品判断指对所获取的图像进行分析,判断图像是否符合预设的要求,不符合要求的二维图像判断为瑕疵产品,即烂虾。烂虾通过执行机构进行剔除,进而使合格产品和不合格产品自动分为两类。

在图像获取过程中,生产节拍较快,生产流水线需要对产品位置进行精确感知。安装传感器获取产品的工位信息后,开启相机,并完成拍照,获取产品图像。产品图像传送至产品图像分割与定位单元进行处理,定位出产品图像在整幅图像中的位置,计算出产品图像中心。

图像处理是在线视觉检测的关键,其核心是高速图像识别与匹配算法[8]。为了满足快速实时处理的要求,需要建立标准样本特征库,事先对标准样本图像进行学习,然后将被检测产品的图像与标准样本特征库中的图像进行对比,找出被检测产品图像特征与标准样本特征库中图像特征不相符的部分。若不相符的部分超出了规定范围,则可以判定为瑕疵产品。图像处理流程如图5所示,分为学习和实时检测两部分。

图5 图像处理流程

根据小龙虾深加工智能生产线的生产节拍指标,要求在线抓取设备具有动态特性高的特点[9],因此需尽量减轻结构的质量,减小惯性,在保证刚度和强度的前提下,实现尺寸、外形和拓扑结构优化。对于控制系统,要求具有良好的稳定性、响应速度和轨迹跟踪能力。

5 小龙虾深加工智能制造技术

小龙虾产业包括养殖、加工、餐饮服务三个方面,结合小龙虾深加工工艺的特点,将智能制造技术应用于小龙虾深加工智能生产线中,促进各类物流设备互联互通[10]。

针对小龙虾深加工行业的特点,笔者研制了冷冻仓储管理系统、冷冻仓储控制系统、自动导引车智能物流输送及调度系统、车间制造执行系统、企业资源计划管理系统等,并应用于湖北潜江和湖南岳阳两地,建立水产品深加工智能工厂。

适合水产品深加工工艺的冷冻仓储管理系统与冷冻仓储控制系统如图6所示,自动导引车智能物流输送及调度系统如图7所示。

图6 冷冻仓储管理系统与冷冻仓储控制系统

图7 自动导引车智能物流输送及调度系统

小龙虾深加工智能生产线由管理层、控制层、执行层三部分组成,如图8所示。管理层是一个软件系统,是系统的中枢,具有较强的数据处理能力和较高的智能性。控制层是系统的重要组成部分,接收来自管理层的指令,控制机械设备完成指令所传达的任务。控制层实时监控设备的状态,将监测的情况反馈至管理层,为管理层的调度决策提供参考。执行层由自动化机械设备组成,接收控制层的指令,控制设备执行各种操作。

图8 小龙虾深加工智能生产线框架

小龙虾深加工智能生产线需要进行大量数据信息的交换,这些数据信息不断传输和反馈,形成信息流。由此可见,系统网络结构需要能够迅速、正确、完整地收集、传送、储存、处理、分析数据信息,以便及时了解和掌握设备运行情况,做出决策,并协调各环节运行[11-12]。

通过对智能制造技术进行研究,建成后的小龙虾深加工智能生产线数字化、信息化系统可以实现九大功能。

(1) 计划管理。通过企业资源计划或手工订单获取生产需求信息,结合设备、人员、物料等信息对计划订单进行分解和调整,可以实现生产计划的灵活下达。

(2) 过程控制。通过对生产过程中人员、设备、物料等进行跟踪,可以实现派工、报工、生产可视化等功能。

(3) 设备组网。通过现场总线实现多种设备的联网,可以实时采集设备数据、生产工艺参数、设备运行信息。

(4) 设备管理。实时监控设备运行状态,收集报警信息,根据故障的严重等级将故障信息推送至对应的管理人员和修理维护人员。

(5) 效能管理。根据设备运行的负荷高低,监视设备的效能。

(6) 人员管理。实现基础数据配置,包括人员、角色、权限等,提高人员的管理效率。

(7) 质量管理。建立统一信息平台下的质量管理系统,及时反映车间生产质量状况,帮助管理人员对所有质量信息进行多层面多角度的统计、浏览,进而可以对质量控制全过程进行详细了解,并实施责任范围内的监督职能。

(8) 系统报表。能够对企业海量数据进行深入挖掘,结合企业的实际需要,为管理人员、各类技术人员提供统计分析报表。

(9) 看板系统。电子看板实时呈现所采集的生产数据,实现现场目视化管理。

6 结束语

小龙虾深加工智能制造技术与成套装备的实施有利于规范小龙虾加工工艺流程,实现生产过程的精细化管理和精确的成本核算体系,提高深加工设备的自动化程度和产品质量的一致性,减少原材料浪费损耗,降低生产过程的劳动生产力,实现产品的可追溯性,保证食品安全。

水产品深加工的智能制造与成套装备具有重要意义,将会带动水产品行业的发展,彻底改变水产品养殖、物流、消费等运营模式。未来,水产品加工将是技术和装备的竞争,引进先进加工装备,实现水产品就地加工,提高原料利用率,保证产品品质,是企业的发展趋势。笔者所研究的水产品深加工智能制造技术及成套装备可以提供借鉴和参考。