Măcelarul de fier, care este utilizat în mod obișnuit în industria de prelucrare a peștelui pentru tăierea capului de pește, este cunoscut a fi ineficient și risipitor, iar calitatea produsului rezultat poate fi inacceptabilă pentru piețele de înaltă calitate. Am dezvoltat două proiecte îmbunătățite ale mașinilor măcelărie de fier pentru tăierea peștelui. Cele două mașini sunt similare, cu excepția modelului tăietorului și a tipurilor de actuatoare utilizate. Dezvoltarea unei mașini este prezentată aici. Mașina, care utilizează o varietate de senzori, actuatoare și hardware pentru interfața și controlul componentelor, funcționează cu ajutorul unui sistem dedicat de control de supraveghere. O arhitectură stratificată a fost utilizată pentru sistem. Are mai multe module bazate-pe cunoștințe pentru îndeplinirea sarcinilor, cum ar fi monitorizarea mașinii, reglarea controllerului, condiționarea mașinii și evaluarea calității produselor.

10.4.1 Nevoile de tehnologie

Prelucrarea peștelui, o industrie multimiliardară în dolari numai în America de Nord, utilizează în mare parte tehnologie învechită. Deșeurile utile de carne de pește în timpul prelucrării, care atinge o medie de aproximativ 5%, devin din ce în ce mai preocupante din motive precum diminuarea stocurilor de pește și creșterea costurilor de producție. Datorită naturii sezoniere a industriei, nu este rentabilă să menținem o forță de muncă cu înaltă calificare pentru a îndeplini sarcini de prelucrare a peștelui și pentru a opera și a întreține utilajele de prelucrare. Datorită creșterii costurilor produselor din pește, precum și gusturilor și nevoilor diverse ale consumatorului, problemele privind calitatea produselor și produsele-la-cerere capătă importanță. Pentru a rezolva aceste nevoi și preocupări, tehnologia de prelucrare a peștelui ar trebui actualizată, astfel ca sarcinile cerute să poată fi realizate într-o manieră mai eficientă și mai flexibilă.

O mașină denumită Iron Butcher, care a fost proiectată inițial la sfârșitul secolului și nu a suferit modificări majore, este utilizată pe scară largă în industria prelucrării peștelui pentru efectuarea operațiunilor de tăiere a capului a diferitelor specii de somon. Peștii sunt puși manual pe un transportor în mișcare la un capăt al mașinii. La capătul de alimentare al mașinii este prevăzută o pereche de pini, în raport cu care peștele trebuie poziționat manual pe banda rulantă. Dar, întrucât viteza de alimentare tipică este de 2 pești/s, poziționarea manuală exactă este irealizabilă. În schimb, un mecanism mecanic de indexare este folosit pentru poziționarea automată. Componenta principală a acestui mecanism este o pedală indexor, care cade pe corpul peștelui. Indexorul permite reglarea mai fină a poziției laterale a unui pește în raport cu lama tăietorului. Mecanismul de indexare se deplasează în diagonală de-a lungul transportorului, pe o ghidare de transport și este condus de același servomotor ca și pentru transportor. În consecință, indexorul se deplasează cu aceeași viteză în direcția de mișcare a transportorului. În plus, indexorul are, de asemenea, o mișcare laterală spre marginea tăietorului, având în vedere mișcarea diagonală totală. În timpul acestei mișcări laterale, pedala indexor alunecă deasupra corpului de pește, până când ajunge cu clavicula pe placa branhială a peștelui. Ulterior, datorită acestei atingeri, pedala indexor împinge întregul pește lateral spre lama tăietoare, realizând astfel acțiunea de poziționare necesară. Chiar înainte ca peștele să ajungă la tăietor, pedala indexor se ridică și începe mișcarea de întoarcere de-a lungul căii de transport. Cuțitul rotativ al tăietorului, apoi, se prinde de capul peștelui.

Mecanismul simplu de indexare al măcelarului de fier, deși robust din punct de vedere mecanic, poate duce la două tipuri comune de eroare de poziționare. Rezultă o „eroare de supraalimentare” dacă pedala indexor atinge într-o anumită locație a corpului de pește înainte de a ajunge la claviculă. Aceasta ar putea rezulta din cauza unei avarii externe sau a altei neuniformități structurale pe corpul peștelui. În consecință, peștele ar fi împins prea mult în direcția laterală în raport cu freza. Tăierea ulterioară ar fi risipitoare, îndepărtând cu capul o bucată de carne valoroasă. Rezultă o „eroare de sub-alimentare” dacă pedala indexor alunecă deasupra claviculei și a plăcii branhiale sau împinge prea mult într-o placă branhială moale sau deteriorată. În acest caz, o parte din cap ar fi reținută cu corpul peștelui după tăiere. Astfel de pești trebuie tăiați manual într-o operațiune ulterioară, iar acest lucru ar reprezenta o reducere a ratei de producție și o risipă a forței de muncă. Un alt neajuns al măcelarului de fier este calitatea slabă a tăieturii chiar și cu o poziționare precisă. Factorii care contribuie primar sunt clari. Peștii se mișcă continuu, nu intermitent, cu transportorul și nu sunt staționari în timpul procesului de tăiere. De asemenea, tăietorul rotativ de înaltă inerție are un capăt exterior ascuțit, care mai întâi agăță peștele și apoi completează o tăietură de tip ghilotină. Efectul combinat al inerției tăietorului, al cuplării și al mișcării peștelui în timpul tăierii este o tăietură neregulată cu stres și deformare excesive. Aceasta va duce la o calitate mai scăzută a produsului.

Motivat de potențialul de îmbunătățire al acestei mașini convenționale, în special privind reducerea deșeurilor, productivitate și flexibilitatea producției, un proiect a fost întreprins de noi pentru a dezvolta o mașină inovatoare pentru tăierea peștelui. Mașina a fost proiectată, integrată, testată și rafinată. Rezultatele testelor au arătat performanțe satisfăcătoare. Noul măcelar de fier are următoarele caracteristici importante:

1. Acuratețe înaltă de tăiere: obținută folosind dispozitive mecanice de prindere, poziționatoare, instrumente și senzori asociați, actuatoare și controllere, care au fost proiectate și integrate în mod corespunzător în mașină.

2. Calitatea produsului îmbunătățită: obținută prin tăiere de înaltă acuratețe și, de asemenea, prin proiectări mecanice care nu duc la deteriorarea produsului în timpul manipulării și procesării, împreună cu un sistem de evaluare și control de calitate, care monitorizează performanța mașinii, determină calitatea produsului, și face automat ajustări corective.

3. Creșterea productivității și eficienței: obținută printr-o funcționare exactă și risipa scăzută, cu reducerea atât a timpului de oprire, cât și a nevoii de reprocesare a peștilor slab prelucrați.

4. Automatizare flexibilă: necesită mai puțini lucrători pentru operare și întreținere decât numărul necesar pentru o mașină convențională, ceea ce este posibil datorită capacităților de auto-monitorizare, reglare, reorganizare și operare oarecum autonomă, ca urmare a unor componente, instrumentație avansate, și a sistemului de control inteligent și ierarhic de supraveghere a mașinii.

10.4.2 Proiectare finală

Având în vedere obiectivele specifice, am conceput prototipul industrial prezentat în figura 10.3. Această mașină are trei subsisteme principale: (1) sistemul transportor, (2) sistemul pneumatic, (3) și sistemul hidraulic. Funcțiile lor sunt de a muta peștele, de a poziționa freza în planul de poziționare orizontal, respectiv de a tăia peștele. O reprezentare schematică a mașinii este prezentată în figura 10.10.

În funcționarea normală a mașinii, un lucrător plasează un somon pe masa de alimentare, care se află la un capăt al mașinii, cu capul îndreptat către tăietor și cu burta orientată departe de direcția mișcării transportorului. Masa de alimentare permite somonului să alunece în jos pe patul transportor, care transportă peștele de la capătul mesei de alimentare la freză. Transportorul, condus de un motor AC, indexează peștele într-o manieră intermitentă. O imagine a fiecărui pește, obținută folosind o cameră digitală (CCD = dispozitiv de cuplare cu sacina), este procesată pentru a determina caracteristicile geometrice, care la rândul lor stabilesc locația corectă de tăiere. O unitate de acționare hidraulică cu două axe poziționează freza în consecință, iar lama de tăiere este acționată cu un actuator pneumatic. Detectarea poziției manipulatorului hidraulic se face folosind traductoare de deplasare magnetostrictive liniare, care au o rezoluție de 0,025 mm atunci când sunt utilizate cu un convertor analogic-digital (ADC) de 12 biți. Un set de șase traductoare de presiune de calibru sunt instalate pentru a măsura presiunea fluidului în părțile laterale ale capului și tijei fiecărui cilindru hidraulic, precum și în liniile de alimentare. Un sistem imagistic de nivel înalt determină calitatea tăierii, în funcție de care se pot face ajustări on-line, la parametrii sistemului de control, astfel încât să îmbunătățească performanța procesului. Sistemul de control are o structură ierarhică, cu control direct convențional la nivelul componentelor (nivel scăzut) și un sistem inteligent de monitorizare și control la nivel superior.

Modulul de viziune primară al mașinii este responsabil pentru detectarea rapidă și exactă a poziției branhiale a unui pește pe baza unei imagini a peștelui, capturată de camera CCD primară. Acest modul este situat în gazda mașinii și este format dintr-o cameră CCD, o placă IEEE 1394 pentru acapararea imaginilor, un comutator de declanșare pentru detectarea unui pește pe transportor și o placă de achiziție de date NI FPGA (DAQ) pentru comunicarea de date analogice și digitale între computer de control și manipulatorul electrohidraulic. Modulul de viziune secundară este responsabil pentru achiziția și procesarea informațiilor vizuale referitoare la calitatea peștilor prelucrați care părăsește ansamblul tăietor. Acest modul funcționează ca un senzor inteligent în furnizarea de feedback al informațiilor de nivel-înalt la modulul de control al software-ului. Hardware și software asociate cu acest modul sunt o cameră CCD la capătul de ieșire pentru apucarea imaginilor peștilor prelucrați și un modul dezvoltat de procesare a imaginilor bazat pe NI LabVIEW pentru analiza datelor vizuale. Camera CCD achiziționează imagini cu pește procesat sub controlul direct al computerului gazdă, ceea ce determină momentul adecvat de declanșare a camerei prin cronometrarea duratei pentru finalizarea operației de tăiere. Imaginea este apoi capturată de software-ul modulului de procesare a imaginii pentru prelucrarea ulterioară. În acest caz, însă, procesarea imaginii este realizată pentru a extrage informații de nivel înalt, cum ar fi calitatea peștelui prelucrat.

FIGURA 10.11 Arhitectura sistemului de control

10.4.3.1 Consola de control a motorului

Consola de control a motorului (MCC) este o cutie de alimentare care controlează alimentarea la pompa hidraulică. Acest lucru este necesar deoarece curentul este foarte mare (aproximativ 40 A) la pornirea motorului. Figura 10.12 prezintă componentele cutiei MCC, iar tabelul 10.6 oferă numele componentelor.

Figura 10.13 prezintă schema de cablare a MCC. Folosește un sistem de alimentare trifazat (208 V, 60 A, 60 Hz) și conține un comutator principal, un buton E-stop și un comutator cu 2-căi. Comutatorul cu 2-căi este utilizat pentru a selecta control manual sau control computer al pompei hidraulice.

FIGURA 10.12 Cutia MCC

10.4.3.2 Cutie de joncțiuni

Cutia de joncțiuni prezentată în figura 10.14 este interfața dintre computer și mașină. Oferă ± 5 V, ± 15 V și ± 42 mA pentru a acționa servovalvele și pentru a alimenta traductoarele de poziție și presiune.

O componentă importantă a cutiei de joncțiuni este generatorul de semnal de curent care este necesar de servovalva hidraulică, deoarece curenții cuprinși între -42 și 42 mA sunt necesari pentru servovalve, în timp ce semnalul de ieșire furnizat de PC (placa de achiziție a datelor NI) este o tensiune cuprinsă între -10 și 10 V.

10.4.4 Sistem hidraulic

Figura 10.15 prezintă o diagramă schematică a sistemului hidraulic. Sistemul conține o pompă hidraulică, un manipulator electrohidraulic (masă de tăiere) cu două grade de libertate (x și y) și două traductoare de poziție (pentru direcții x și y).

TABEL 10.6 Componentele panoului de control Breakdown pentru 36 kW, 575 VAC

10.4.4.1 Parametrii fizici ai mesei de tăiere

• Masa de mișcare în direcția x Mx = 32,7 kg
• Masa de mișcare în direcția y My = 55,7 kg
• Cursa maximă a pistoanelor L = 2 in. = 5,08 × 10^-2 m
• Volumul furtunurilor care conectează supapa la cilindrul x Vox = 8,9 × 10^-5 m³
• Volumul furtunurilor care conectează supapa la cilindrul y Voy = 1,14 × 10^-5 m³
• Diametrul alezajului pistonului Dbore = 1,5 in. = 3,81 × 10^-2m
• Diametrul tijei pistonului Drod = 1 in. = 2,54 × 10^-2 m

10.4.4.2 Parametri cu piston hidraulic

• Aria laterală a pistonului A1 = 1.140 × 10^-3 m²
• Aria A2 a tijei pistonului A2 = 6.333 × 10^-4 m²
• Raportul ariilor γ = A1/A2 = 1,8

10.4.4.3 Servovalve de reglare a debitului

Model: MCV113A6109

• Presiunea de alimentare = 3000 psi
• Presiunea de întoarcere = atmosferică la 300 psi
• Puterea debitului = 10 gpm (38 L/min) pe baza căderii de presiune de 1000 psi și semnalul de intrare nominal
• Presiune de nul = 50% din presiunea de alimentare
• Scurgeri neutre = mai puțin de 0,85 gpm (constând din fluxul static în etajul pilot plus scurgeri neuronale din etajul al doilea cu scădere de presiune de 1000 ps și orificii de ieșire blocate)

FIGURA 10.14 Cutia de joncțiuni

FIGURA 10.15 Schema sistemului hidraulic

• Histerezis = 5% din rata semnalului de intrare, maxim
• Creșterea presiunii cu ieșire blocată = mai mare de 80% din presiunea de alimentare cu 4% din creșterea nominală a semnalului de intrare
• Răspuns în frecvență = 18 Hz (−3 dB lățime de bandă)
• Se recomandă semnal PWM (dacă este utilizat) cu o frecvență mai mare de 500 Hz
• Filtrare = filtru de presiune în linie de 10 microni

10.4.4.4 Supape pilot

Model: MCV101A1412

Patru pini, dintre care doi sunt folosiți (A și B)
Curent nominal maxim de curgere = 42 mA
Rezistența bobinei 100 Ω

10.4.4.5 Traductoare de poziție

Sunt utilizate traductoare de deplasare magnetostrictive liniare Temposonic ™ II (vezi Capitolul 6). Model nr. TTRCU0020; Cursa = 2.0 in. Senzorul poate funcționa continuu la presiune de până la 3000 psi.

10.4.5 Sistem pneumatic

Filtrele pneumatice au următoarele specificații:

• Presiunea de intrare: max. 150 psig
• Presiune de ieșire: max. 150 psig
• Temperatură: 125° F max

Lubrifiantul are următoarele specificații:

• Presiune de intrare: max. 250 psig
• Temperatură: 175° F max

10.4.6 Analiza economică

Analiza economică implică o evaluare cost-beneficiu și va necesita calcularea perioadei de rambursare. Cifrele privind investiția inițială, numărul de persoane înlocuite cu o mașină nouă și economiile salariale corespunzătoare, creșterea productivității datorită noii tehnologii, rata inflației, rata impozitului corporativ și cheltuielilor de exploatare precum utilitățile, întreținerea și asigurarea sunt necesare pentru o analiză a acest tip. Prin cunoștințele noastre despre industria de prelucrare a peștelui și detalii despre noua mașină, sunt utilizate următoarele date reprezentative:

Investiția inițială pe o mașină = 100.000 USD
Cheltuielile companiei pentru pornirea mașinii = 10.000 USD
Venituri din primul an:
Economii salariale datorate lucrătorilor înlocuiți = 20.000 USD
Venituri crescute datorită productivității mai mari = 50.000 USD

S-a presupus că ar fi nevoie de doar patru lucrători pe o mașină nouă, în timp ce 6 lucrători sunt necesari pentru măcelarul de fier mai vechi. Se presupune și un sezon de procesare de 3 luni. Creșterea productivității dată aici este în principal din recuperarea crescută a cărnii.

Cheltuieli de exploatare pentru primul an (întreținere, utilități, asigurări etc.) = 20.000 USD

Parametri economici:

Rata inflației = 5%
Rata impozitului corporatist = 25%
Credit fiscal pentru cheltuielile de capital = 10%
Cu un orizont de planificare de 5 ani, presupuneți o rată de depreciere = 20%

În continuare, se completează un tabel al fluxurilor de numerar, așa cum se arată în tabelul 10.7, pentru datele prezentate aici.

Rata interna de returnare:

Luând în considerare că riscul de rambursare este mai mare pentru anii următori din momentul investiției inițiale, ecuația aplicabilă este

unde

C este costul inițial al noii tehnologii
Si reprezintă economiile nete de numerar în cel de-al i-lea an
n este durata de proiectare (orizontul de planificare sau perioada de amortizare)
r este rata internă de rambursare

Atunci, din tabelul fluxurilor de numerar (Tabelul 10.7) pentru o instalație a mașinii și folosind Ecuația 10.7 avem

TABEL 10.7 Tabelul fluxurilor de numerar ($) pentru o instalare a mașinii

Soluția pentru r poate fi obținută iterativ. Se obține o valoare aproximativă pentru r

Prin urmare,

sau rapr = 0,6. O valoare mai exactă pentru r ar fi 0,5465. Acum, folosind r = 0,55, perioada de rambursare, definită ca 1/r, este de aproximativ 1,8 ani. O perioadă de rambursare mai mică de 2 ani, așa cum se prevede în această analiză, este destul de acceptabilă pentru industria de prelucrare a peștelui.

O versiune simplificată a ecuației 10.7, dată de

este frecvent utilizat în prezicerea perioadei de rambursare. Această abordare nu poate fi pe deplin justificată, deoarece cifra de economii neta Si nu este constantă pe durata vieții contabile a mașinii, așa cum este clar din tabelul 10.7.

10.4.7 Aplicație în rețea

Cu obiectivul de a monitoriza și controla procesul industrial din locații îndepărtate, am dezvoltat o arhitectură de rețea universală, atât hardware cât și software. Infrastructura dezvoltată este destinată să funcționeze optim pe o bază Fast Ethernet (100Base-T) unde fiecare dispozitiv de rețea are nevoie doar de placa de interfață de rețea cu costuri reduse (NIC=network interface card). Figura 10.16 prezintă o arhitectură hardware simplificată care leagă în rețea două mașini (mașina de procesare-pește și un robot industrial). Fiecare mașină este conectată direct la serverul său individual de control, care gestionează comunicarea în rețea între proces și server-Web, achiziția de date, trimițând semnale de control la proces și executarea legilor de control la nivel scăzut. Serverul de control al mașinii de prelucrare-pește conține una sau mai multe plăci de achiziție a datelor, care au ADC, DAC, I/O digitale grabber-e de cadre pentru procesarea imaginilor.

Camere video și microfoane sunt plasate în locații strategice pentru a capta semnale audio și video în direct, permițând utilizatorului de la distanță să vadă și să asculte o instalație de proces și să comunice cu personalul de cercetare local. Camera selectată în aplicație este camera color Panasonic Model KXDP702 cu pan/tilt/zoom 21× (PTZ) încorporate, care poate fi controlată printr-un protocol standard de comunicare RS-232C. Mai multe camere pot fi conectate într-un mod de inel la Serverul de transmisie video. Pentru capturarea și codificarea fluxului audio-video (AV) de la cameră, placa PCI Winnov Videum 1000 este instalată pe serverul de streaming-video. Poate captura semnale video la o rezoluție maximă de 640×480 la 30 fps (cadre pe sec.), cu o compresie hardware care reduce semnificativ supraîncărcările de calcul ale serverului de streaming video. Fiecare placă de captare AV poate suporta o singură intrare AV. Prin urmare, trebuie să fie instalate mai multe plăci.

FIGURA 10.16 Arhitectură hardware de rețea pentru sistemul de procesare a peștelui