朱 燁，徐 皓，江 濤，洪 揚，張現廣，徐宏治，邢精珠

(1 中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；2上海海洋大學工程學院，上海 201306)

草魚(Ctenopharyngodonidellus)作為中國傳統(tǒng)的四大淡水魚之一，因其肉質鮮嫩，廣受消費者喜愛，已成為淡水養(yǎng)殖的主導品種之一。但是草魚抗病力低，病害問題一直存在，影響魚上市的數量，造成魚價格的波動，同時也影響到養(yǎng)殖戶的利益。接種疫苗已成為必不可少的環(huán)節(jié)，也已成為現代國際水產養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)范性生產標準要求[1-4]。接種疫苗可準確控制疫苗劑量，并且疫苗受環(huán)境的影響小，是魚類免疫技術的理想方法[5-6]。目前，國內的魚用疫苗注射大部分采用人工注射，其特點是勞動強度大、人工成本高。梁仍昊[7]對魚苗自動注射機理與關鍵機構進行研究，實現草魚魚苗側翻成功率為96.7%，完成疫苗自動注射系統(tǒng)的初步設計。李東東[8]利用機器視覺技術獲取魚苗形狀參數，注射成功率為84.6%。朱燁等[9]將分形理論和BP算法相結合，為魚類疫苗注射提供一個很好的識別方法。國外最早的疫苗注射裝置由挪威研究開發(fā)并投入使用，隨著后期不斷的技術創(chuàng)新，以及機器視覺等技術的提升，魚苗注射量可達每小時10 000～20 000條，注射效率不斷提高[10-12]。但由于其注射裝置機械結構繁多，成本較高，后期維護不便，故難以在國內推廣使用。

本研究研發(fā)了一種草魚魚體識別及連續(xù)自動注射系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有魚體自動調頭，魚腹、魚鰭準確判別，魚苗精準撥動以及自動對準正確部位進行疫苗注射等功能。

1 系統(tǒng)組成

草魚疫苗注射系統(tǒng)主要由魚苗離散裝置、魚苗調頭裝置、識別裝置、撥桿裝置、注射滑臺調節(jié)裝置、自動注射裝置、淋水裝置等組成(圖1)。

圖1 草魚疫苗注射系統(tǒng)結構圖

1.1 離散裝置

離散裝置由集魚斗、電機、離散輪、槽等部分組成，如圖2所示。離散輪的圓周上等距分布7個槽。槽的容量設計為正好可以容納一條長度為100～120 mm的草魚苗，以防止2條及以上的魚苗重疊進入離散傳送帶。集魚斗與水平面之間存在約5°的夾角。電機帶動離散輪轉動，魚苗在重力以及水流的作用下向離散輪靠攏。由于離散輪槽容積的限制，最終只有一只魚苗進入離散輪槽。同時離散裝置垂直于離散傳送帶，使得魚苗落入離散傳送帶的姿態(tài)為平行于離散傳送帶行進的方向。

圖2 魚苗離散裝置

1.2 魚苗調頭裝置

魚苗注射的部位選在魚鰭部靠近魚頭的位置。為減少后續(xù)注射工序中注射工位的動作調整次數，在注射前需要將魚的姿態(tài)統(tǒng)一調整為魚頭朝前。在運行過程中，魚苗自離散傳送帶的末端跌入掉頭過渡圓弧，與圓弧面接觸之前在豎直方向上存在一個自由落體運動。由于魚體的質量分布不均勻，根據魚苗形態(tài)學分析，用懸掛法[13-14]測定魚體的重心位置，多次測量可得在魚體的長度和寬度方向上，其重心偏向于魚腹。因此，在下落過程中魚體發(fā)生偏轉，最終使得重心一端靠下。

1.3 識別裝置

1.3.1 測量光柵

通過一組測量光柵和一組色度識別傳感器，獲取草魚在有序輸送過程中的長度、色度信息。魚苗體長100～120 mm，體厚10～15 mm，選用現有最小光點距2.5 mm、32個光點的測量光柵傳感器。測量方法如圖3所示，傳輸帶以2 m/s的速度將魚苗送入識別區(qū)，當魚頭碰到測量光柵[15-17]時開始計時，這時測量光柵一直處于接通狀態(tài)，有電壓值輸出，直到測量光柵斷開，輸出電壓為0 V，表示魚苗離開識別區(qū)，得到魚苗通過光柵的時間，進而計算出魚苗的長度信息。遮擋光束的位置信號與模擬量輸出電壓的對應關系為：

圖3 測量光柵

(1)

式中：V1—遮擋光束位置對應的模擬量值，V；l—遮擋光束的個數；L—測量光柵光軸總數，共32個；V0—量程模擬量輸出電壓，10 V。

1.3.2 色度識別傳感器

色度識別是指被識別物體的色度與設定的色度進行比較，當兩個色度在一定的誤差范圍內相吻合時輸出的檢測結果[18-19]。識別過程中，由于草魚魚鰭部位和魚腹部位的色度信息比較明顯，可以用色度識別傳感器來識別魚腹和魚鰭的狀態(tài)信息。色度識別傳感器接線圖見圖4。

圖4 色度識別傳感器接線圖

使用DC 12～24 V，NPN開關量輸出，工作環(huán)境的白熾燈最大為20 000 Lx，日光最大為30 000 Lx。BS-501的檢測準確度為千分之一，反應時間mark模式為50 μs。色度識別傳感器安裝在測量光柵邊上(圖3)，當色度識別傳感器掃描到魚體時，將傳感器內部設定的顏色參數與魚體色度信息進行對比，如果參數相同則輸出信號為1，相反則輸出信號為0。然后將識別的信號傳到工位判別系統(tǒng)，控制撥桿對魚苗進行多工位協(xié)調注射。

色度識別率的計算公式：

(2)

式中：α—色度傳感器識別魚苗準確率；n—色度傳感器判定正確魚苗數，條；N—色度傳感器掃描魚苗數，條。

1.4 撥桿裝置

撥桿裝置主要是由半圓形旋轉撥桿、步進電機、步進電機驅動器、步進電機控制器等組成(圖5)。當魚苗在傳輸過程中，工位判別傳感器識別魚苗信號，并將信號傳給步進電機控制器，步進電機控制器發(fā)送脈沖和方向信號，驅動步進電機運行一圈，即半圓形的旋轉撥桿擺動一圈，將魚苗擺入注射區(qū)。傳感器判別率計算公式為：

圖5 撥桿裝置

(3)

式中：β—工位判別傳感器正確率；m—工位判別傳感器判定正確魚苗數，條；M—工位判別傳感器掃描魚苗數，條。

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號時，步進電機則按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為步距角)，通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時也可以控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速和定位的目的[20]。

步進電機控制器選用YBD_MC01型控制器，該控制器有8種控制模式，根據撥桿系統(tǒng)控制要求，選擇上電回零模式和定長模式。上電回零模式是指當控制器上電后，步進電機自動校準，運行至初始位置；定長模式是指當魚苗通過工位判別傳感器時，步進電機控制器發(fā)送脈沖和方向信號，驅動步進電機運行一圈(將魚體擺入注射區(qū))。步進電機控制器接線如圖6所示。

圖6 步進電機控制器接線圖

1.5 注射位置調節(jié)裝置

通過測量光柵可得到魚體長度，通過控制注射滑臺的移動長度及注射位置對魚苗的相應位置進行注射。注射位置調節(jié)計算過程：傳輸帶以一定速度v帶動魚苗向前移，從碰到測量光柵開始計時，到離開測量光柵停止計時，計時時間可通過中央處理器PLC編程得到為t，則魚苗的長度(mm)為：s=v×t。由于注射魚苗位置大小為100～120 mm，注射位置可調距離為0～10 mm，根據魚苗注射位置和草魚長度相關性較好，呈線性相關[8]，建立線性模型：

(4)

式中：x—魚苗注射位置，mm；s—魚苗長度，mm。

1.6 注射裝置

注射裝置是將進入注射區(qū)的魚苗按順序進行疫苗注射的機構。采用氣動注射的形式，按序完成壓板下壓、注射針頭插入、注射活塞推動、注射針頭回收、注射活塞回收、壓板松開、滑臺打開、滑臺閉合的注射動作。注射準確率計算公式：

(5)

式中：δ—氣動注射系統(tǒng)動作準確率；g—魚苗準確注射數，條；G—進入注射區(qū)魚苗總數，條。

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制方案設計

首先對魚體進行麻醉，再通過吸捕裝置將魚苗輸送至離散裝置進行魚苗分離，然后根據魚體重心不同自動調頭翻身，運用一組測量光柵和一組色度傳感器，獲取魚苗在有序輸送過程中的魚長、色度信息，中央處理單元根據獲取的上述信息與預設值進行對比，判斷魚長、背鰭的位置是否符合要求。不符合要求的魚苗沿輸送裝置返回魚池，符合要求的通過撥桿裝置從傳輸帶上撥入打針通道進行有序注射，注射后的魚苗釋放至已注射魚池中。系統(tǒng)方案流程見圖7。

圖7 系統(tǒng)方案流程圖

2.2 硬件選型

系統(tǒng)PLC選用SIEMENS Smart200型[21-22]，其中CPU為ST60型(36點輸入，24點輸出)；開關電源輸入24V DC；觸摸屏選用SIEMENS Smart 1000IE v3；工位判別選用G12A-M1002/1型常開對射傳感器，撥桿裝置選用57BYGH1.8°步進電機，控制器型號為YBD_MC01，傳輸帶電機型號為86BYGH260-4504A-ZK15。

2.3 軟件設計

2.3.1 觸摸屏界面

系統(tǒng)采用可控界面西門子觸摸屏，觸摸屏與PLC之間采用TCP/IP通訊協(xié)議，觸摸屏界面軟件采用Wincc Flexible Smart v3組態(tài)軟件[23]編寫，存放于觸摸屏內存中，主要實現設備參數、運行動態(tài)參數等的輸入、讀取和顯示。在疫苗注射界面中，數據信息可在控制面板中顯示及相關操作。從上位機中輸入數字信號，直接送入PLC的輸入端，最后在上位機中顯示信號值。由于控制系統(tǒng)采用虛擬的開關，減少了外部開關和中間繼電器，操作方便。

2.3.2 系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)主要由PLC控制模塊編程實現，通過記錄各工位傳感器的位置信號及撥桿的位置狀態(tài)，自動控制氣動元件的動作順序，實現精準注射。其PLC的I/O口接線如圖8所示。

圖8 PLC接線圖

工位1動作流程，當魚體通過工位判別1(I0.3)時，觸發(fā)撥桿1(Q0.4)動作，此時撥桿1輸出位(Q0.4)，外接24 V小型繼電器線圈，常開觸點接步進電機控制器X1，撥桿可按設定的方向擺動一定距離；注射滑臺調節(jié)系統(tǒng)，根據計算的魚體長度信息，通過對應關系得到滑臺移動距離，然后控制系統(tǒng)發(fā)送一定量的脈沖信號(Q0.0)和方向信號(Q0.2)，注射滑臺移動對應距離；魚體擺進注射區(qū)后，控制系統(tǒng)控制對應電磁閥，順序控制壓魚板1(Q1.2)下壓，注射針頭1(Q1.3)插入，注射活塞1(Q1.4)推動，注射針頭1(Q1.3)收回，注射活塞1(Q1.4)回收，壓魚板1(Q1.2)松開，滑臺1(Q1.5)打開，滑臺1(Q1.5)閉合。工位2、工位3動作流程如工位1。

3 系統(tǒng)試驗及數據分析

3.1 注射滑臺試驗

不同長度的魚苗，因注射位置不同需要調節(jié)滑臺位置，滑臺可調距離為0～10 mm，魚體長度為100～120 mm，隨機選擇1條魚苗，測量并記錄魚體長度，通過魚苗傳輸裝置，經過測量光柵，記錄計算的魚體長度，同時測量并記錄注射滑臺的移動距離，隨機試驗8次。根據測量魚體長度與計算魚體長度，對滑臺移動距離進行試驗(表1)。

表1 移動距離

測量魚體長度和計算魚體長度有誤差，這是由于魚體尾部扁平，小于測量光柵的光間距2.5 mm，故在實際運行過程中滑臺移動距離有可能會小于應移動距離。

3.2 注射試驗

系統(tǒng)有3條通道，魚體長度為100～120 mm，隨機選擇幾十條魚苗進行試驗，試驗6次，通過魚苗傳輸裝置，經過測量光柵，魚體識別，再到連續(xù)魚苗注射。對色度識別率、選別率、注射時間、注射準確率等參數進行分析(表2)。

表2 試驗數據

表2可得，試驗中色度識別率存在誤差，平均色度識別率為98.3%，這是由于在識別過程中，個別魚體顏色存在差異，導致在色度識別中存在一定的誤差；同時在傳輸過程中，魚苗的位置狀態(tài)發(fā)生改變也會導致色度無法判別；選別率和色度識別率的影響因素相同，因為色度識別在魚苗選別之前，所以當色度識別存在錯誤或者誤識別時會對選別率有一定的影響；同時，試驗中魚苗間距離太小或魚體首尾重疊也會導致選別錯誤，正常情況下魚苗間距大于50 mm，選別正確率高；注射速率為0.250條/s，符合注射要求；試驗中準確注射率達100%，證明魚苗在注射通道內，氣動注射動作準確。

3.3 暫養(yǎng)試驗

通過試驗對魚苗的存活情況進行驗證。試驗分為4組，魚苗體長100～120 mm。以丁香酚為主要成分的麻醉劑，用量為1.5 mL兌水20 L，即質量濃度約0.007 5%。魚苗經麻醉1 h后注射0.9%的生理鹽水，注射后放入30 L清水中進行蘇醒，并暫養(yǎng)3周，觀察其存活情況。由試驗結果(表3)可知，注射深度2 mm可保證注射的藥劑不發(fā)生溢出且對魚苗的傷害較小。對注射疫苗的草魚暫養(yǎng)觀察一段時間，發(fā)現魚苗存活率達98.8%，狀態(tài)良好。

表3 注射草魚苗暫養(yǎng)試驗

4 結論

研制的魚用疫苗自動注射裝置，以100～120 mm長的草魚苗為自動注射對象，開展活魚注射試驗，并將注射生理鹽水的魚苗暫養(yǎng)3周，發(fā)現存活率為98.8%。試驗得，單邊3工位注射產量為900尾/h。草魚疫苗自動注射系統(tǒng)在試驗中達到預期效果，初步掌握了魚苗的高效連續(xù)注射技術。系統(tǒng)性能尚有進一步提高的必要，如在識別過程中可以加多組色度傳感器，取平均信號，提高識別率；另外，可研發(fā)簡易視覺系統(tǒng)進行魚苗判別，進一步提高識別率，還可以增加雙邊多工位注射組，提高效率。

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