塊狀食品封裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周曉娟

河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院（鄭州 450018）

中國(guó)對(duì)包裝食品需求量巨大，面對(duì)日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，其競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈，隨著食品包裝行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)食品封裝機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化程度和智能化程度也提出更高要求。中國(guó)大多數(shù)食品包裝企業(yè)仍然依賴人工完成，人工包裝不僅增加勞動(dòng)力，增加企業(yè)生產(chǎn)成本，次品率也在不斷增高，還會(huì)對(duì)食品造成二次污染，從而嚴(yán)重制約食品加工生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展[1-3]。

根據(jù)食品形態(tài)不同，食品包裝通常分為固態(tài)包裝、液體包裝、粉末包裝等，其中塊狀食品又是最為常見的食品包裝。在塊狀食品中，食品形狀各異，如圓形糖果類包裝、方形餅干類包裝等。

針對(duì)塊狀食品包裝，中國(guó)食品加工企業(yè)所使用的食品封裝機(jī)械仍然大部分依賴國(guó)外進(jìn)口。國(guó)外所使用的封裝機(jī)控制系統(tǒng)又具有保護(hù)性，大多采用專用芯片開發(fā)[4-6]，這樣的封裝機(jī)通常價(jià)格較高，且具有依賴性，不利于國(guó)內(nèi)食品包裝行業(yè)發(fā)展。

為了提高國(guó)產(chǎn)食品封裝機(jī)的自動(dòng)化程度、智能化程度及控制系統(tǒng)的可移植性，針對(duì)塊狀食品封裝機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一套基于可編程控制器PLC和觸摸屏相結(jié)合的塊狀食品封裝機(jī)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有控制精度高，包裝速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度和智能化程度高的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于提升中國(guó)食品包裝行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 塊狀食品封裝機(jī)結(jié)構(gòu)及工藝流程

1.1 塊狀食品封裝機(jī)結(jié)構(gòu)

塊狀食品封裝機(jī)主要由薄膜傳送輥、塊狀食品傳送機(jī)構(gòu)、制袋成型器、橫封裝置、縱封裝置、橫封切斷裝置、成品輸出計(jì)數(shù)等裝置組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.1.1 薄膜傳送輥

薄膜傳送輥主要完成塊狀食品包裝塑料薄膜傳送工作，封裝機(jī)在工作過程中縱封裝置與薄膜傳送輥相互配合，能夠有效避免塑料薄膜在定位包裝過程中產(chǎn)生誤差。

1.1.2 塊狀食品傳送機(jī)構(gòu)

塊狀食品傳送裝置主要由鏈條和鏈條撥叉組成，鏈條的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)撥叉運(yùn)動(dòng)，撥叉又會(huì)帶動(dòng)物料向前運(yùn)動(dòng)。

1.1.3 制袋成型器

制袋成型器主要由底部導(dǎo)板和前葉片組成，制袋成型器可以根據(jù)塑料薄膜的高度和寬度進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，能夠?qū)⑵戒伒乃芰媳∧ぶ苯又谱鞒纱w，在制袋的同時(shí)，塊狀食品也進(jìn)入到料袋中將其包裹起來(lái)。

1.1.4 縱封機(jī)構(gòu)

縱封機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)將制袋成型后的塑料進(jìn)行縱向加熱封合，并牽引塑料薄膜向前運(yùn)動(dòng)。

1.1.5 撫平裝置

撫平裝置主要是將制袋成型后的袋體以及其中的塊狀食品進(jìn)行撫平，以保證下一個(gè)工藝流程的順利進(jìn)行。

1.1.6 橫封切斷裝置

橫封切斷裝置是由兩片加熱切刀組成，通過加熱切刀完成袋體風(fēng)頭表面的加熱并形成紋理，然后將塑料薄膜進(jìn)行切割。

1.1.7 輸出計(jì)量裝置

裝置主要負(fù)責(zé)對(duì)成品進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，通過統(tǒng)計(jì)可以計(jì)算出該封裝機(jī)的生產(chǎn)效率。

1.2 生產(chǎn)工藝

圖2 工藝流程

塊狀食品封裝機(jī)是一種枕式三伺服封裝機(jī)，能夠自動(dòng)形成袋體成型、食品填充、封口、切割、統(tǒng)計(jì)等工序。食品封裝機(jī)的拉伸膜和對(duì)食品物料的傳送通過機(jī)械結(jié)構(gòu)連接進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)，通過光電傳感器和色標(biāo)追蹤傳感器分別對(duì)物料和薄膜的位置進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，通過成型器完成薄膜成型加工，并經(jīng)過縱封、橫封等加熱裝置后完成2個(gè)方向的熱封，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到切割位置時(shí)由切刀對(duì)袋體進(jìn)行橫向切割，包裝產(chǎn)品經(jīng)過統(tǒng)計(jì)檢測(cè)裝置后對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，食品完成包裝。包裝工藝流程如圖2所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

包裝控制系統(tǒng)硬件主要包括可編程控制器PLC、人機(jī)觸摸屏、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、溫度控制器等?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

塊狀食品封裝機(jī)控制系統(tǒng)通過人機(jī)觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)傳遞與操控，系統(tǒng)下位機(jī)為PLC。封裝機(jī)在工作之前由操作人員通過人機(jī)觸摸屏將參數(shù)設(shè)置到PLC數(shù)據(jù)寄存器中，然后PLC控制器則控制多軸伺服電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)各自的功能。通過控制物料輸送電機(jī)控制撥叉鏈條運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)品向前輸送。通過控制薄膜牽引軸實(shí)現(xiàn)塑料薄膜的牽引，由縱封軸電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)縱封牽引實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝薄膜的縱向封合。各電機(jī)的編碼器將各軸的位移和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)并反饋到PLC主機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)控制軸的實(shí)時(shí)控制并根據(jù)反饋值實(shí)現(xiàn)對(duì)位置和轉(zhuǎn)速的精確控制。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 PLC選型

在項(xiàng)目開發(fā)過程中，需要對(duì)控制方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)方案選取PLC控制器，PLC機(jī)外部端口及串行通信端口都應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)化、集成化的[7-9]。

根據(jù)食品封裝機(jī)的包裝工藝流程及控制要求，同時(shí)考慮控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、功能可擴(kuò)展性，選用歐姆龍CP1H系列PLC，CPU為CP1H-XA，該款PLC擁有20K的程序存儲(chǔ)量和16K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，擁有4路模擬量輸入和2路模擬量輸出，20路數(shù)字量輸入和14路數(shù)字量輸出，內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)多軸同步控制。

2.2 觸摸屏

觸摸屏又稱為人機(jī)交互系統(tǒng)，可以通過畫面中的組態(tài)按鈕取代機(jī)械式按鈕。觸摸屏通過接收一些輸入信號(hào)，將此信號(hào)通過串口通信傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)中，此外觸摸屏能夠?qū)LC中的數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行變更，進(jìn)而完成PLC參數(shù)的設(shè)置。此外觸摸屏還擁有一個(gè)重要的功能，通過觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)封裝機(jī)故障信息的監(jiān)控，通過觸摸屏將封裝機(jī)發(fā)生的故障及將要發(fā)生的故障快速地顯示在觸摸屏故障畫面中，為車間監(jiān)控人員提供重要的參考信息，為生產(chǎn)計(jì)劃提供可靠依據(jù)。

試驗(yàn)選擇威綸通觸摸屏MT6070IH，該款PLC能夠?qū)崿F(xiàn)多款PLC通信，通訊口擁有一個(gè)RS-232串口，該串口主要用于程序下載，而另一個(gè)串口RS-232主要與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，該款觸摸屏采用EB8000軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，能夠輕松完成復(fù)雜畫面的組態(tài)?？梢赃M(jìn)行在線模擬測(cè)試，從而為開發(fā)節(jié)省了時(shí)間。

2.3 伺服系統(tǒng)

圖4 伺服系統(tǒng)接線

伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器主要通過接收PLC發(fā)出的高速脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)結(jié)合使用，通過伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)封裝機(jī)各軸的定位與速度控制。選用的伺服為松下MINAS-A5伺服電機(jī)MDME152GCH，伺服驅(qū)動(dòng)器為MDDHT5540。伺服系統(tǒng)接線如圖4所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC軟件流程圖

軟件流程圖是根據(jù)塊狀食品封裝機(jī)系統(tǒng)的功能要求，對(duì)PLC程序的執(zhí)行順序進(jìn)行規(guī)劃，設(shè)計(jì)出軟件的功能塊，按照一定的順序執(zhí)行程序。軟件流程圖是進(jìn)行設(shè)計(jì)程序的基礎(chǔ)和前提，可以有效指導(dǎo)程序編寫，提高程序編寫速度、降低程序錯(cuò)誤率。根據(jù)流程圖編寫的程序邏輯性強(qiáng)、功能強(qiáng)大。

封裝機(jī)控制系統(tǒng)PLC程序采用歐姆龍公司CXProgrammer編程軟件進(jìn)行梯形圖編程，編程軟件能夠完成項(xiàng)目程序的建立、編輯、調(diào)試及數(shù)據(jù)監(jiān)控，同時(shí)具有完善的注釋功能方便程序的可讀性，大幅提高程序的靈活開發(fā)及系統(tǒng)維護(hù)更新。塊狀食品封裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

3.2 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏界面是人與機(jī)械設(shè)備進(jìn)行信息交互的重要窗口，通過觸摸屏界面可對(duì)封裝機(jī)發(fā)送控制命令，同時(shí)可以通過數(shù)據(jù)監(jiān)控的方式對(duì)封裝機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，為封裝機(jī)的良好運(yùn)行提供重要保證。觸摸屏界面流程如圖6所示[10]。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的封裝機(jī)人機(jī)界面主要包括初始化界面、操控界面、報(bào)警界面。觸摸屏界面設(shè)計(jì)效果如圖7所示。

圖6 觸摸屏界面流程

圖7 觸摸屏界面

3.2.1 初始界面

初始界面主要包括2個(gè)，一個(gè)為程序版本記錄界面，另一個(gè)為語(yǔ)言設(shè)置界面。程序版本是為了記錄PLC和觸摸屏程序的版本號(hào)，方便后期程序升級(jí)換代。

3.2.2 操控界面

操控界面包括手動(dòng)操作、運(yùn)行畫面、計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)、參數(shù)設(shè)置等多個(gè)畫面。

3.2.3 報(bào)警界面

報(bào)警界面主要為了記錄封裝機(jī)當(dāng)前故障和預(yù)置故障，并顯示出故障發(fā)生的具體事件及發(fā)生此故障的具體原因。

4 結(jié)語(yǔ)

以塊狀食品封裝機(jī)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，為提高封裝機(jī)智能化、自動(dòng)化程度，在食品封裝機(jī)工藝流程基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款基于PLC和觸摸屏的塊狀食品封裝機(jī)控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹控制系統(tǒng)硬件，并在硬件基礎(chǔ)上，利用編程軟件對(duì)PLC程序和觸摸屏程序進(jìn)行編程設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)，能夠根據(jù)包裝工藝要求隨時(shí)對(duì)封裝機(jī)功能進(jìn)行擴(kuò)展，有利于國(guó)產(chǎn)封裝機(jī)的推廣使用。