國內畜禽加工裝備與發達國家差距較大,如何提高智能化水平?

2019/8/20 8:06:26    農業機械

  

文 丨 楊 璐[1,2],劉佳琦[1,2],周海波[1,2],潘 滿[3],吳海華[3]

1.天津理工大學天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室

2.機電工程國家級實驗教學示範中心(天津理工大學)

3.中國農業機械化科學研究院

目前我國是世界上肉類生産與消費的第一大國,肉類工業在國民經濟中占據十分重要的地位。國家統計局數據顯示,2017年我國肉類總産量達8654.43萬t,約占全世界的1/4。

但我國畜禽肉類生産成本較高,屠宰行業分散,集中度不高,發展水平相對較低,小型、半機械化加工方式占大多數,生産效率低,生産成本升高。

智能化裝備可在生産過程中降低人工成本、加快生産效率、保證肉質安全和提高肉品品質能,且成套性強,可對加工過程有序化排列、連續性生産,保證每個環節等對産品信息可追溯的實現。

在這方面,歐美企業具有先進的技術並得以産業化應用,而我國在畜禽加工過程中使用智能裝備還相對較少。隨著國家工業化、信息化、城鎮化和農業現代化的推進,畜禽加工智能裝備産業也將進入創新驅動發展的時期。

本文綜述了當前智能化裝備在畜禽屠宰、分割和分級等加工過程中的研發與應用現狀,介紹了國內外相關企業智能裝備研發産業化情況,爲畜禽加工智能化裝備研究提供參考。

智能化屠宰設備

智能屠宰裝備是針對畜禽屠宰過程中的工序而設計研發的。當前智能化屠宰設備主要由丹麥、德國、荷蘭、澳大利亞和新西蘭等國家生産。

1. 畜禽屠宰擊暈方式

在畜禽屠宰擊暈的方式上,主要有機械電擊暈和二氧化碳窒暈兩種。

20世紀70年代,荷蘭研發了手動電擊暈棍,但擊暈方式效率較低,目前主要作爲輔助配套設備應用。由荷蘭STORK公司生産的米達斯型全自動低壓高頻電擊暈機比較先進,可實現3點式自動擊暈。德國BANSS公司BRT設備上的伺服驅動線性導向系統可實現輸送機系統和機運裝置完全同步進行。

STORK米達斯

70年代中期,丹麥了研發二氧化碳致暈系統,但存在成本高、耗時長等缺點,目前,SFK公司生産的Frontmatec二氧化碳窒暈系統可與自動傳送帶結合使用,在保證實現生豬快速窒暈同時,可有效避免應激反應的情況出現。

2. 屠宰脫毛設備

荷蘭MPS公司生産了生豬去毛工序設備:Q-線蒸汽燙毛隧道和Q-線Tarzan打毛機。Q-線蒸汽燙毛隧道通過溫度控制系統及熱交換器,通過調整時間、溫度等參數來取得最佳效果,打毛效率可達200~1600頭/h,但主要采用的是人工輔助半自動化生産線。

BANSS公司設計的DDM240-2-2型設備可實現豬體打毛達240頭/h,並且可實現燙毛到打毛之間全封閉轉移,其針對牛、馬剝皮的BE系列設備,適合安裝到連續、間歇式的屠宰設備中。SFK公司研制的APE4機器人可在脫毛工序後完成自動化切腹、去除內髒。但其加工範圍有限(1.5~2.1 m),不能滿足體型差異化較大的胴體加工。

3. 羊胴體自動化加工設備

羊胴體自動化加工主要集中在澳大利亞和新西蘭,西澳大利亞大學研發的魔法剪羊毛機器人,通過仿生機械手和電容傳感器,使得加工效果要優于人工加工。新西蘭研發了一種從致暈到胴體分割的半自動化生産線,需人工配合做切割之前的准備工作。

智能化分割設備

1. 畜胴體分割設備

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濟甯興隆TZ-ZPB160

在畜胴體分割方面,丹麥SFK公司研制包括自動生豬切背(APF7)、劈半(APS65)設備的胴體分割生産線。可沿脊椎分離鳍狀骨實現切背,其使用的腹腔內導向、背部滾輪,可爲自動剔骨等後續工序保證精度質量。

Attec公司研發的分割機器人可將豬胴體分割成前、中、後3段。丹麥SKF研發的豬自動切割線,生産能力可達100~15000頭/h,並且可處理體型偏差較大的胴體。

GUIRE Gregory 提出了自動化牛胴體切割機器人,自動化程度高但加工速度慢,並且具有較高的設備成本,CSRO實驗室通過引入機器視覺與改進刀具的切割方式,實現了頭部肉類分割。

ALITAVILI M提出利用高壓水槍切割肉類,在利用高壓水槍切開肉的同時向切口處攝入壓縮空氣,以保證肉切口處的潔淨。

我國濟甯興隆食品機械制造有限公司自主研發的TZ-ZPB160豬體自動劈半機,采用數控、機電儀一體化技術,實現了整個作業過程的自動化,在一定程度上填補了國內技術空白。

2. 家禽胴體分割設備

Meyn Flex plus

家禽胴體分割方面,目前國外已經實現全自動化聯合作業,如荷蘭Meyn研發的Vent自動掏膛取內髒系統,以及STORK公司研發的Nu-Tech Nuova自動取內髒系統。Meyn隨後研發的Flex plus切割生産線可基于視覺與在線技術稱量、可適用多品種在線分級,提供了更高的生産靈活性。

國內近些年部分單位開展了自動淨膛設備的研發。企業與研究人員對此尤爲重視,吉林艾克斯公司研發了一種以空間凸輪爲控制機構,同時具備夾取式與挖取式的自動掏膛機,並于2012年成功研制我國第1條L-10000型智能化家禽自動掏膛生産線。此外,扒取式家禽自動去內髒機、三指三關節家禽自動淨膛末端執行器機構等也有一定研究。

智能化分級設備

肉類分級系統是指將不同畜禽肉類按品質進行劃分和判定,通過肉類分級可規範生産和引導消費,可保證優質優價的市場規律,有利于肉類産品向高質量的方向發展。

FOSS公司開發了一種名爲FOODScan的分析儀,它使用近紅外技術來確定肉類的幾個參數,如水分、蛋白質和脂肪含量。但該分析儀使用的方法是破壞性的,需在檢測前將肉粉碎。

Fat-O-Meater(FOM)

1. 豬胴體分級設備

研究發現,對于豬肉分級,豬胴體背膘厚度、眼肌肉的厚度和豬胴體的整體瘦肉具備一定的相關性,在此基礎上丹麥SFK公司開發的Meater Fat Automatic(MFA)和Fat-O-Meater(FOM)可進行自動檢測並對背膘厚度相同體重不同的豬進行區分。

加拿大Destron公司研發的PG-100瘦肉率測定儀通過脂肪與瘦肉光反射率差異測量出豬胴體的肌肉和脂肪層厚度,以此來預測瘦肉率,但測試發現MFA探針在惡略環境易損壞且不利于更換。

新西蘭Hennessy公司研發的Hennessy Grading Probe(HGP)與FOM原理相同,但HGP具有更高的測量精准度,同時還突破了顔色識別的問題,從而檢測出PSE肉。隨著計算機技術的發展,FOM和HGP測定的瘦肉率預測模型存入計算機,在後續測量過程中可直接快速獲取豬胴體瘦肉率,世界各國也基于FOM和HGP發布本國的豬胴體等級劃分標准。

中國農業機械化科學研究院開發了包括信號采集、傳輸、執行的適合中小型企業的家畜胴體自動分級系統,並成功應用于家畜加工生産線。

隨著超聲波技術的應用,日本的Tokyo KeiKi公司研制了LS-1000、CS-3000設備,可在線對脂肪含量進行測量,並測量大理石紋理。

20世紀90年代,丹麥SFK公司設計了名爲AUTOFOM的自動超聲波掃描設備,利用脈沖超聲波讀取數據,通過掃描豬的背部,能對每頭豬胴體的3200個點的背膘厚度和肌肉厚度進行快速測量,過程快速且結果精准,速度可達1150頭/h,其對背膘厚度和肌肉厚度預測的精確度要高于PG-100。

CSB-IMAGE-MEATER

2003年,德國CSB公司Kasel在機器視覺的基礎上生産了CSB-IMAGE-MEATER生豬影像分級儀,運用醫用高清攝像頭對屠宰胴體取樣,通過數字圖像處理識別動物型體結構,運算出所含肉量與其他數據指標,基本實現了高准確性、快速性和無接觸性的分級要求。

近年來,研究人員在便攜式無損檢測設備儀器方面取得了新的研究進展,德國Key根據紅色光譜範圍非常合適肉質拉曼光譜的激發,設計了基于移動計算機的手持拉曼系統,可檢測出肉質的腐壞程度,可將微生物數據與實測拉曼光譜進行關聯同時分析,但其設備的可便攜程度不高。目前也有不少有關便攜式檢測設備的研發。

2. 牛胴體分級設備

牛胴體自動化分級的主流技術主要基于機器視覺和圖像處理技術。

德國生産的CSB-Fuzzy Meater基于機器視覺技術通過對肉色、脂肪色、大理石花紋的識別可有效測量牛分割肉質量和背膘厚度,但該設備無法在多種指標的基礎上判定牛肉綜合品質。加拿大生産的CVS牛肉影像分級設備可判定牛分割肉眼肌切面大理石花紋等級和預測牛分割肉産量,但無法識別肉色和脂肪色。

由美國科羅拉多州立大學聯合開發的Beefcam設備,可通過檢測眼肌顔色來判定牛肉嫩度,但其所檢測牛肉嫩度的指標並不全面,以致影響分級評判精度。美國農業部RMS公司開發的VIAScan可滿足大型生産線加工需求,但其在食用品質與口感預測方面仍需進一步加強。

丹麥SFK研發的BCC在線牛胴體分級系統,基于多視圖立體成像(完整的3D圖像)分析脂肪覆蓋率,將牛胴體加工智能化提升至新的高度。

3. 羊胴體分級設備

20世紀80年代,相繼研發出了許多可同時側量背膘厚度與眼肌厚度並能自動記錄數據的儀器,可用于羊胴體自動分級的電子探針儀器主要有Hennesy Grading Probe、AUS-Meat Sheep Probe、Sweden FTC Lamb Probe和RuakuraGR lamb Probe,可對羊胴體進行客觀的質量分級。

相比歐美成熟的自動化分級裝備,我國的羊胴體分級産業化應用還處于空白。中國農業機械化科學研究院采用氣動道岔、撥輪裝置、傳感器系統和自動控制系統設計了氣動式自動分級系統,可實現在線分級並能滿足1000~2000只/班的加工生産線要求。

4. 禽胴體分級設備

在當前肉品生産加工企業,爲追求生産效率與成本,胴體在線自動化加工勢在必行,荷蘭Meyn公司生産的家禽視覺分級設備,可與分割生産線或去骨生産線集成使用,實現全線自動化作業。該公司生産的家禽分級系統基于機器視覺技術,通過對比家禽腹部和背部顔色可同時實現質量和重量的分級。

Linco視覺分級

丹麥Linco公司生産的質量分級系統通過對禽體四周進行圖像采集,在分級的同時可以統計羽毛殘留、表皮破損等缺陷。

國內青島興儀電子設備有限公司研發的家禽稱重分級裝備,可根據檢測裝置檢測的重量進行自動分級擺放,無需人工參與,可應用于産業化。吉林艾克斯公司開發了4種稱重分級生産線,可實現多級別、智能化的在線分級,生産效率可達1萬只/h。

生産過程智能化系統平台

通過在生産車間設備、環節植入數據采集芯片、傳感器,對設備、工藝、生産參數等數據進行實時采集、監控、分析、統計、診斷和保養等,可實現ERP(Enterprise Resource Planning)管理。

目前吉林艾克斯公司已經可以將數據通過遠程控制方式進行雲儲存、雲計算,在監控中在線進行遠程分析與診斷,還可以進行遠程培訓指導設備操作與維修。

除此之外,還有基于分級管理報送數據的生豬屠宰監管技術系統,與ZigBee網絡相融合的無線射頻識別系統,肉雞産業技術體系生産監測與産品質量可追溯平台等。

發展趨勢

目前,隨著信息化、智能化技術的發展和滲透應用,對于畜禽加工行業將是一次變革性創新,其不僅會促進畜禽加工領域的發展,更會實現畜禽産業的全面進步。

1. 設備類型標准化、多樣化

在當前的畜禽加工過程中,生産設備之間不同標准,是當前設備不能實現全過程自動化、智能化作業的主要原因之一,在未來的研發過程中,應根據畜禽加工過程工序進行設備標准的制定,達成工藝與裝備配套,以實現有序化排列連續性生産。

面對不同應用場合與肉類本身的差異化問題,需要生産設備具備相當的智能和柔性生産能力,以適應複雜的非結構環境。因此,開發多樣化的設備尤爲重要。將穩定成熟的技術與設計應用于多環境、多對象的多樣化設備,可實現人工便攜使用,又可在線穩定使用。

2. 設備智能集成化水平提高

當前國內外應用在畜禽加工産業的智能設備主要解決單一環節智能作業需求,未來應朝向智能加工生産線應用發展。當前畜禽生産加工過程中設備的種類、智能化程度的不同制約著生産效率與衛生安全。

爲實現畜禽屠宰加工規模化生産、智能化過程管理,提高設備的智能集成化水平十分重要。通過在生産車間設備、環節植入數據采集芯片、傳感器,對設備、工藝和生産參數等數據進行實時采集、監控等,可實現建立生産信息管理系統,對畜禽生産加工環節進行實時管理。實現裝備與管理智能化,更利于全程品質及安全管控。