АВТОМАТИЗАЦИЯ СОРТИРОВОЧНО-УПАКОВОЧНОЙ ЛИНИИ РЫБНОЙ ПРОДУКЦИИ НА ОСНОВЕ ЦВЕТОВОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ

AUTOMATION OF FISH PRODUCTS SORTING AND PACKAGING LINE BASED ON COLOR IDENTIFICATION

Povalyukhin Aleksey Alekseevich

Student, Department of Control Systems, Kamchatka State Technical University,

Russia, Petropavlovsk-Kamchatsky

АННОТАЦИЯ

Рассмотрена задача автоматизации участка сортировки и групповой упаковки готовой продукции на береговых рыбоперерабатывающих предприятиях Камчатского края. Предложена структура автоматизированной системы управления линией, отличающаяся последовательной трёхпостовой схемой с цветовой идентификацией коробок по полимерной обмотке. Система включает возвратный конвейер с кантователем для обработки нераспознанных коробок и модули термоусадочной упаковки. Приведено описание алгоритма на языке релейно-контактных схем. Расчётная производительность составляет до 10 кор./мин, ожидаемая доля ошибок пересортицы - менее 0,5 %.

ABSTRACT

The problem of automating the sorting and group packaging area at coastal fish processing enterprises of the Kamchatka Territory is considered. The structure of an automated line control system is proposed, featuring a sequential three-post scheme with color identification of boxes by polymer wrapping. The system includes a return conveyor with a turn-over device for handling unrecognized boxes and shrink-film packaging modules. The algorithm description in Ladder Diagram language is given. The estimated capacity is up to 10 boxes/min, the expected sorting error rate is below 0.5%.

Ключевые слова: автоматизация; сортировка; упаковка; рыбная продукция; цветовая идентификация; ПЛК; релейно-контактные схемы.

Keywords: automation; sorting; packaging; fish products; color identification; PLC; ladder diagram.

Рыбная отрасль Камчатского края даёт свыше 30 % общероссийского вылова водных биоресурсов. В регионе работает более 180 береговых перерабатывающих предприятий, значительная часть которых относится к категории средних и малых заводов с суточной производительностью от 50 до 100 тонн готовой продукции. На таких предприятиях первичная переработка сырья - разделка, филетирование, заморозка - уже механизирована и автоматизирована. Однако завершающие операции: распределение коробок с продукцией по заказам, групповая упаковка и подготовка к отгрузке - по-прежнему выполняются силами грузчиков. Именно этот участок становится узким местом, сдерживающим общую скорость работы завода [1, с. 156].

Ручная сортировка коробок с замороженной рыбой имеет несколько серьёзных недостатков. При интенсивности потока свыше восьми коробок в минуту утомляемость работников приводит к тому, что до 5 % коробок попадают не в те партии. Для торговых сетей такая ошибка оборачивается возвратом товара и штрафными санкциями. Бригада из четырёх-шести человек способна обрабатывать шесть-восемь коробок в минуту, что недостаточно в пик лососёвой путины, когда объём переработки вырастает втрое. Кроме того, найти сезонных рабочих в отдалённых посёлках побережья становится всё труднее, а доставка вахтовиков обходится дорого [2, с. 18].

Перечисленные проблемы подталкивают предприятия к внедрению автоматических сортировочных систем. Однако прямое копирование решений из других отраслей пищевой промышленности даёт плохие результаты. Коробка, только что вынутая из морозильной камеры с температурой минус 25 °C, в тёплом цехе мгновенно покрывается слоем инея и конденсата. Оптические сканеры и камеры машинного зрения перестают работать через несколько минут после включения: объективы запотевают, подсветка даёт блики на мокрой поверхности, контраст этикетки падает. Поэтому нужен подход, устойчивый именно к таким условиям [3, с. 42].

В настоящей работе предлагается построить сортировочную линию на основе цветовой идентификации. Суть метода в том, что на участке упаковки каждую коробку обматывают стретч-плёнкой определённого цвета. Красная плёнка означает, что внутри горбуша, синяя - кета, зелёная - минтай. Плёнка выполняет сразу две функции: защищает коробку от влаги и служит цветовым маркером. Поскольку обмотка покрывает коробку со всех сторон, датчик видит цвет независимо от того, как коробка легла на конвейер. Это выгодно отличает данный способ от наклеек или краски, которые могут оказаться снизу и не попасть в поле зрения датчика. Гладкая поверхность плёнки к тому же частично самоочищается от инея при вибрации на конвейере [4, с. 113].

Линия спроектирована по последовательной трёхпостовой схеме. Вдоль главного конвейера один за другим расположены три поста. Каждый пост состоит из цветового датчика и пневматического толкателя. Первый датчик настроен на красный цвет, второй - на синий, третий - на зелёный. Когда коробка проезжает под датчиком, он сравнивает цвет плёнки с эталонным значением. Если цвет совпал, датчик выдаёт дискретный сигнал. Контроллер, получив этот сигнал, выжидает короткую паузу - ровно столько, сколько нужно коробке, чтобы переместиться от датчика до толкателя, - и подаёт команду на пневмораспределитель. Толкатель выдвигается и сталкивает коробку с главного конвейера в боковой рукав. Если цвет не совпал, датчик молчит, толкатель остаётся в исходном положении, а коробка едет дальше к следующему посту [5, с. 30].

Такая схема имеет преимущество перед централизованной, где один датчик распознаёт цвет, а несколько толкателей ждут команды на сброс. В централизованной схеме нужен энкодер для отслеживания положения коробки и сложная программа трекинга. В последовательной схеме логика каждого поста сводится к простому условию «свой - чужой». Настройка датчика на один цвет уменьшает риск ложных срабатываний. При выходе из строя одного поста два других продолжают работать - линия не останавливается полностью, что критически важно в разгар путины [2, с. 20].

Для обработки коробок, не распознанных ни одним датчиком, в конце линии установлен кантователь - механизм, переворачивающий коробку на 180 градусов. После переворота коробка попадает на возвратный конвейер, который проходит под главным и доставляет её обратно на вход линии. При повторном прохождении датчики снова пытаются считать цвет. Если вторая попытка тоже неудачна, контроллер направляет коробку в накопитель «Ручной контроль». Оператор проверяет её визуально и принимает окончательное решение. Такая двухуровневая система минимизирует потери и не требует немедленного вмешательства персонала при единичных сбоях [3, с. 46].

После того как коробка попала в свой рукав, она поступает в накопитель. Каждый из трёх рукавов рассчитан на размещение до восьми коробок. Счёт ведётся по сигналам датчика на входе рукава. Как только число коробок достигает заданной величины, контроллер блокирует дальнейшую подачу в этот рукав и запускает цикл групповой упаковки. Группа коробок подаётся в термоусадочный модуль, где оборачивается рукавной полиэтиленовой плёнкой и проходит через нагревательную камеру. Плёнка усаживается, формируя плотный транспортный блок, который затем перемещается на европаллету [1, с. 280].

Аппаратная основа линии - программируемый логический контроллер с дискретными входами и выходами. Выбор сделан в пользу отечественной модели - ОВЕН ПЛК210. Причина не только в цене, которая в полтора-два раза ниже импортных аналогов. Для камчатского предприятия критически важна доступность запасных частей и простота замены. Если контроллер или датчик выходит из строя в разгар путины, ждать доставки из центральных регионов или из-за границы неделями нельзя. Датчики цвета применены с дискретным выходом PNP-типа, они настраиваются на один цвет и выдают сигнал «да/нет». Этого достаточно для надёжного различения трёх цветов - красного, синего и зелёного, которые хорошо разделены спектрально [6, с. 55].

Пневматические толкатели выбраны с ходом 400 мм, что соответствует ширине стандартной коробки 320 мм с запасом на безопасное смещение. Управление толкателями осуществляется через электромагнитные пневмораспределители с катушками на 24 В. Привод конвейеров - мотор-редукторы с частотными преобразователями, позволяющими плавно регулировать скорость движения. Связь ПЛК с диспетчерским уровнем завода организована по протоколу Modbus TCP через промышленную сеть Ethernet [6, с. 59].

Программное обеспечение контроллера реализовано на языке релейно-контактных схем (LD) в среде CodeSys 3.5. Выбор этого языка обусловлен тем, что задача сортировки по своей природе дискретна: есть сигнал от датчика - есть команда на толкатель. Алгоритм одного поста сортировки в терминах LD выглядит следующим образом. Цепь начинается с нормально открытого контакта, связанного с входом от цветового датчика. Последовательно с ним включён нормально закрытый контакт блокировки, который размыкается, когда накопитель данного цвета заполнен. Далее стоит таймер с задержкой на включение, выдержка которого равна времени перемещения коробки от датчика до толкателя. По истечении выдержки замыкается контакт таймера, и напряжение подаётся на катушку выхода, управляющую пневмораспределителем. Параллельно срабатывает счётчик, который увеличивает своё значение на единицу. Когда счётчик достигает уставки, замыкается его контакт, и сигнал блокировки подаётся обратно в цепь, запрещая дальнейшие срабатывания толкателя до завершения цикла упаковки. Аналогичные цепи, но с разными привязками входов и выходов, запрограммированы для второго и третьего постов [7, с. 36].

Для управления кантователем и возвратным конвейером в программе предусмотрен отдельный участок. Если ни один из трёх датчиков не сработал в течение времени прохождения коробкой всей зоны сортировки, включается механизм кантователя и двигатель возвратного конвейера. Одновременно инкрементируется счётчик циклов. При значении счётчика, равном единице, коробка после переворота возвращается на вход. При значении два - коробка направляется в ручной контроль, а счётчик сбрасывается [7, с. 38].

Расчётная производительность линии составляет до 10 коробок в минуту. Эта цифра получена исходя из скорости конвейера 12 м/мин и расстояния между коробками 0,8 м. Для сравнения: ручная сортировка на том же участке даёт 6-8 коробок в минуту. Ожидаемая доля ошибок пересортицы - менее 0,5 %. В это значение заложена вероятность отказа датчика (около 0,1 % по паспортным данным) с поправкой на двукратный проход через кантователь. Сокращение персонала с 4-6 до 1-2 операторов даёт экономию фонда оплаты труда порядка двух миллионов рублей в год. Срок окупаемости линии при использовании отечественной компонентной базы оценивается в полтора-два года [8, с. 49].

Таким образом, предлагаемая сортировочно-упаковочная линия решает ключевую проблему береговых заводов Камчатки - автоматизацию завершающего этапа обработки продукции. Простота конструкции, устойчивость к инею и конденсату, применение доступной отечественной компонентной базы и понятный алгоритм управления делают это решение пригодным для внедрения на средних и малых предприятиях без привлечения дорогостоящих зарубежных специалистов. Дальнейшим направлением работы может стать расширение цветовой палитры за счёт использования датчиков с аналоговым выходом, что позволит увеличить число сортируемых видов продукции без изменения конструкции линии.

Список литературы:

1. Бредихин С.А., Бредихин А.С. Технологическое оборудование рыбоперерабатывающих производств. - М.: Лань, 2020. - 384 с.
2. Журавлева С.В., Глушкова Н.В. Анализ уровня автоматизации береговых рыбозаводов Камчатского края // Вестник КамчатГТУ. - 2021. - № 55. - С. 14-22.
3. Иванов П.А., Сидоров В.М. Способы обработки нераспознанных единиц продукции на конвейерных линиях // Автоматизация в промышленности. - 2023. - № 4. - С. 41-48.
4. Иванов П.А. Применение цветовой идентификации для сортировки замороженной продукции // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК. - 2023. - № 1. - С. 112-118.
5. Глушкова Н.В. Анализ конфигураций сортировочных конвейерных систем для пищевых производств // Вестник КамчатГТУ. - 2021. - № 58. - С. 28-34.
6. Зылев А.О. Интеграция локальных АСУ в диспетчерскую сеть предприятия: протоколы и архитектура // Информационные технологии в управлении. - 2021. - № 3. - С. 55-62.
7. Ефимов А.О. Реализация алгоритмов сортировки на языке LD для контроллеров ОВЕН // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2023. - № 2. - С. 33-40.
8. Петров В.С. Экономическая эффективность автоматизации сортировочных участков рыбоперерабатывающих заводов Дальнего Востока // Экономика и управление. - 2022. - № 9. - С. 45-52.