食品定量稱重包裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王萌

河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院（鄭州 450003）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們的生活水平得到大幅提高，奶粉、豆奶粉、核桃粉等食品消耗量逐年提升。在電子控制稱重器出現(xiàn)之前，食品生產(chǎn)企業(yè)通常采用人工稱重方式進(jìn)行稱重再完成包裝，這種稱重方式通常采用機(jī)械稱進(jìn)行靜態(tài)稱量。但這種稱重方式往往工作強(qiáng)度大，且稱重精度往往受人為因素影響，從而使得稱重質(zhì)量不高。

為了提高食品稱重效率和稱重精度，需要設(shè)計(jì)一款能夠自動(dòng)完成稱重包裝等工藝的動(dòng)態(tài)定量稱重系統(tǒng)。系統(tǒng)需要集機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)于一體，能夠自動(dòng)完成稱重，并能夠?qū)ΨQ重系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。稱重控制系統(tǒng)作為稱重系統(tǒng)的大腦，在食品配料過程中通常需要多個(gè)控制器協(xié)調(diào)完成稱重，從而要求稱重控制器能夠相互進(jìn)行通訊。食品稱重包裝環(huán)境通常比較惡劣且工作時(shí)間較長(zhǎng)，因此需要控制器中的硬件部分要求具有較高可靠性，能夠適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。因此，稱重系統(tǒng)中的控制器的控制精度直接決定稱重包裝產(chǎn)品的質(zhì)量。

為了提高稱重質(zhì)量，且保證稱重控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地在復(fù)雜多變的工作環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，設(shè)計(jì)一款基于PLC的食品稱重包裝控制系統(tǒng)，通過傳感器采集食品質(zhì)量，由PLC控制器完成判斷，最終完成食品的定量稱重包裝。

1 食品定量稱重系統(tǒng)

食品定量稱重包裝控制系統(tǒng)主要由定量稱重系統(tǒng)和自動(dòng)包裝系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。定量稱重單元主要由給料裝置、攜帶傳感器的稱斗、下料料斗及稱重控制器組成。其中，稱重控制器作為食品定量稱重系統(tǒng)核心，控制器的控制精度、控制方法及控制器靈敏度等對(duì)于稱重精度具有重要影響。定量稱重包裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

稱重控制器收到上位機(jī)下發(fā)的開始稱重指令后，稱重控制器向給料裝置A和B發(fā)出控制信號(hào)，料斗開始進(jìn)行粗給料快速下料，食品進(jìn)入到稱斗后，由稱斗中的稱重傳感器采集重量信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊傳送到控制器中。控制器通過比較當(dāng)前采集到的食品重量與目標(biāo)重量的偏差，當(dāng)偏差在一定范圍時(shí)，控制器對(duì)給料裝置A和B發(fā)出精給料信號(hào)開始進(jìn)行緩慢下料，通過緩慢下料進(jìn)行精確稱重。控制器在發(fā)出停止加料信號(hào)時(shí)，往往會(huì)有一部分食品剛脫離給料裝置，使得最終稱重大于目標(biāo)值。針對(duì)此情況通常通過控制器進(jìn)行判斷，在達(dá)到目標(biāo)值之前停止加料，下料落下傳感器測(cè)量值達(dá)到穩(wěn)定后，控制器再進(jìn)行偏差子判斷，控制精給料直到達(dá)到目標(biāo)重量。

圖1 定量稱重包裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)食品定量稱重包裝工藝流程及控制要求，采用基于PLC和觸摸屏的控制形式，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)主要組成為：

1) 核心控制器。核心控制器主要由松下PLC等模塊組成，PLC主要完成邏輯動(dòng)作指令下發(fā)，并采集傳感器傳送過來的模擬量信號(hào)，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制下料電機(jī)的動(dòng)作。

2) A/D采集模塊。AD采集模塊主要負(fù)責(zé)采集稱重傳感器信號(hào)，并通過轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并由PLC完成重量偏差計(jì)算。

3) 稱重傳感器。稱重傳感器主要負(fù)責(zé)測(cè)量稱量斗內(nèi)的食品重量，并將其傳送到A/D模塊中。

4) 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。由PLC發(fā)出電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，控制卸料電機(jī)動(dòng)作。

5) 觸摸屏。觸摸屏主要負(fù)責(zé)稱重包裝參數(shù)設(shè)置、部分命令下發(fā)、數(shù)據(jù)采集及故障監(jiān)控。

6) 顯示基板。顯示基板為觸摸屏冗余，主要作用同觸摸屏完全相同，在觸摸屏出現(xiàn)故障情況下同樣能夠采集數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)、下發(fā)運(yùn)轉(zhuǎn)指令。

為了精確采集食品重量，選用Z6FC3-100型傳感器，傳感器通過重力擠壓電阻，電阻發(fā)生應(yīng)變實(shí)現(xiàn)重量稱量。傳感器標(biāo)準(zhǔn)額定稱重為10 kg，為六線制接線方式。稱重系統(tǒng)中共采用4個(gè)傳感器，在A稱重器中和B稱重器中分別使用2個(gè)。傳感器接線示意圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

圖3 傳感器接線示意圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

食品定量稱重包裝控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)食品流量的精確控制，完成一次完整的稱重控制流程如圖4所示。通過觸摸屏啟動(dòng)按鈕；稱重系統(tǒng)開始運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)入安全回路確認(rèn)即稱料斗內(nèi)有無物料、卸料門是否處于關(guān)閉狀態(tài)，安全回路確認(rèn)通過后開始稱重。PLC控制器控制驅(qū)動(dòng)粗給料電電機(jī)和精給料電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而給料閥門打開，食品開始快速落入稱重料斗中。PLC檢測(cè)到食品重量達(dá)到一定值時(shí)，則關(guān)閉粗給料電機(jī)，精給料電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行放料，質(zhì)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，精給料電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，給料門全關(guān)閉，稱重結(jié)束。實(shí)際質(zhì)量超出目標(biāo)值上限時(shí)，稱重控制器再給出稱重結(jié)束信號(hào)后，進(jìn)行超出上限值報(bào)警。若實(shí)際值并未達(dá)到目標(biāo)值下限時(shí)，精給料電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行補(bǔ)料。

圖4 控制流程圖

為使稱重控制系統(tǒng)命令下發(fā)、數(shù)據(jù)采集顯示、故障信息提醒，基于人機(jī)觸摸屏開發(fā)相關(guān)人機(jī)交互系統(tǒng)。觸摸屏系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖5所示。主界面中包含部分運(yùn)轉(zhuǎn)按鈕、控制按鈕、運(yùn)行狀態(tài)顯示、完成包裝數(shù)量合格數(shù)量統(tǒng)計(jì)及其他一些界面。

圖5 運(yùn)行界面

4 結(jié)語

為提高食品定量稱量機(jī)械自動(dòng)化程度、提高企業(yè)生產(chǎn)效率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)一款基于PLC和觸摸屏相結(jié)合的定量稱重控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上給出控制系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)流程圖，結(jié)合稱量工藝及控制方式，設(shè)計(jì)人機(jī)觸摸屏畫面，通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)定量稱重系統(tǒng)命令下發(fā)、數(shù)據(jù)采集、故障顯示等。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)?？刂葡到y(tǒng)能夠顯著提高稱重系統(tǒng)自動(dòng)化程度，對(duì)提升食品稱量包裝企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義。