多顆粒態(tài)油辣椒物料自動(dòng)灌裝機(jī)控制系統(tǒng)研究

龍飛帆 李榮隆

(1. 貴州省林業(yè)學(xué)校，貴州 貴陽 550201；2. 貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 3. 貴州師范大學(xué)地理環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

自動(dòng)灌裝機(jī)是包裝機(jī)械中的一類產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于飲料、酒水、流體食品、醫(yī)藥和日化等行業(yè)，灌裝是其自動(dòng)化生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其灌裝速度和精度將直接影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)[1-2]。當(dāng)前中國(guó)自動(dòng)化灌裝機(jī)械設(shè)備已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，但是針對(duì)多顆粒態(tài)油辣椒物料的自動(dòng)化灌裝設(shè)備依然處于研發(fā)階段，多顆粒態(tài)油辣椒物料的灌裝主要還是采用傳統(tǒng)的人工瓢舀方式灌裝或者半自動(dòng)化機(jī)械灌裝[3-5]。多顆粒態(tài)油辣椒物料是在油鍋里經(jīng)過高溫炒制后獲得，并要求其在92 ℃左右的高溫環(huán)境下進(jìn)行灌裝，以保證產(chǎn)品的口感和品質(zhì)。高溫灌裝時(shí)雖然油液的流動(dòng)性很好，但是固態(tài)顆粒物的成分復(fù)雜，密度不均勻，容易造成固液分層現(xiàn)象，從而導(dǎo)致灌裝產(chǎn)品固液比例不定，質(zhì)量不一等問題。

針對(duì)上述灌裝時(shí)存在的問題，試驗(yàn)擬結(jié)合多顆粒態(tài)油辣椒物料的物理特征和灌裝工藝要求，在胡飛等[6]研制的第一代固液分離式自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)和改造，該控制系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)多顆粒態(tài)油辣椒物料的高速、精確自動(dòng)化灌裝。

1 油辣椒自動(dòng)灌裝機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

研究的多顆粒態(tài)油辣椒自動(dòng)灌裝機(jī)如圖1所示，主要由過濾分離裝置、攪拌下料裝置、儲(chǔ)油裝置、固體定量裝置、輸送裝置和在線補(bǔ)油裝置組成。固液分離裝置作用是將炒制好的油辣椒物料中的固態(tài)顆粒與油液分離，同時(shí)將固態(tài)顆粒輸送到攪拌料斗內(nèi)，油液進(jìn)入蓄油箱內(nèi)。攪拌下料裝置由攪拌機(jī)構(gòu)和螺旋下料機(jī)構(gòu)組成，攪拌機(jī)構(gòu)作用是將分離后的顆粒態(tài)物料進(jìn)行二次攪拌以實(shí)現(xiàn)均勻化灌裝，螺旋下料機(jī)構(gòu)的作用是將顆粒態(tài)物料通過螺旋葉片送進(jìn)量杯內(nèi)。儲(chǔ)油裝置的作用一方面是將從分離機(jī)構(gòu)分離出來的油液存儲(chǔ)起來，另一方面為在線補(bǔ)油裝置供油。固體定量裝置由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、量杯機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)推料機(jī)構(gòu)組成，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)間歇時(shí)間(每個(gè)量杯的灌裝時(shí)間)為3 s，量杯機(jī)構(gòu)上設(shè)有6個(gè)可調(diào)式量杯孔和一個(gè)余料刮板，攪拌下料裝置下料口處設(shè)有光電傳感器1用于檢測(cè)下料口處是否有空量杯，當(dāng)有量杯經(jīng)過下料口時(shí)，光電傳感器將檢測(cè)到信號(hào)反饋給PLC控制器，PLC根據(jù)檢測(cè)信號(hào)控制螺旋下料電機(jī)是否下料。下料完成后旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行下一個(gè)量杯的灌裝，余料刮板將超出量杯口的顆粒物料刮入余料槽，進(jìn)行物料的回收再利用。氣動(dòng)推料棒用于將量杯中的物料推送到空料瓶中。輸送裝置用于料瓶輸送，由2條鏈板輸送帶、1個(gè)氣動(dòng)擋瓶裝置、1個(gè)氣動(dòng)隔瓶裝置和1個(gè)氣動(dòng)推瓶裝置組成。灌裝機(jī)啟動(dòng)，輸送帶1也跟著啟動(dòng)，擋瓶器伸出，輸送帶1的料瓶灌裝口處設(shè)有光電傳感器2，用于檢測(cè)是否有載料瓶經(jīng)過料瓶灌裝口，當(dāng)有載料瓶經(jīng)過此處時(shí)，光電傳感器2將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給PLC控制器，PLC根據(jù)檢測(cè)信號(hào)控制擋瓶氣缸，使擋瓶器復(fù)位，載料瓶就會(huì)在輸送帶1的作用下經(jīng)過隔瓶器。隔瓶器處設(shè)有光電傳感器3，用于計(jì)算經(jīng)過隔瓶器的載料瓶數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到4后傳感器會(huì)將信號(hào)反饋給PLC控制器，PLC通過控制隔瓶氣缸，使隔瓶器伸出，以阻止其他載料瓶繼續(xù)通過，緊接著推瓶器伸出，將載有物料的4個(gè)瓶子推上輸送帶2進(jìn)行在線油料補(bǔ)償。在線補(bǔ)油裝置由稱量臺(tái)、注油閥、接油盤組成。載料瓶被推上輸送帶2后，接油盤立即縮回，灌裝閥打開進(jìn)行注油，當(dāng)料瓶總重達(dá)到設(shè)定值后，灌裝閥關(guān)閉，接油盤、隔瓶器復(fù)位，輸送帶2啟動(dòng)將灌裝完成的料瓶送出，自動(dòng)灌裝完成。

2 油辣椒自動(dòng)灌裝機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)油辣椒物料的物理特性及灌裝機(jī)的工作原理，要求該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：① 能夠?qū)崿F(xiàn)油辣椒物料固液分離、顆粒物料的灌裝、料瓶輸送、油液補(bǔ)償、計(jì)量及各個(gè)灌裝動(dòng)作準(zhǔn)確有序執(zhí)行；② 該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)灌裝瓶數(shù)、灌裝重量等的計(jì)量和顯示；③ 設(shè)備在運(yùn)行期間，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控其運(yùn)行狀況，設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)停車和報(bào)警，并對(duì)故障碼進(jìn)行鎖存。

1. 攪拌電機(jī) 2. 螺旋下料電機(jī) 3. 濾油機(jī) 4. 蓄油池 5. 推料棒 6. 注油嘴 7. 接油盤 8. 量杯轉(zhuǎn)盤 9. 輸送帶1 10. 擋瓶器 11. 隔瓶器 12. 輸送帶2 13. 推瓶器 14. 料瓶 15. 稱重反饋裝置 16. 光電傳感器1 17. 光電傳感器2 18. 光電傳感器3

于是試驗(yàn)控制方案在下料裝置和量杯旋轉(zhuǎn)裝置部分采用半閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，在灌裝的第二個(gè)環(huán)節(jié)在線補(bǔ)油部分加入稱重反饋裝置，使整個(gè)灌裝過程成為一個(gè)閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)最終灌裝質(zhì)量進(jìn)行精確控制。其總體控制方案如圖2所示。

圖2 灌裝總體控制方案

2.2 控制系統(tǒng)硬件組成

在灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，考慮到灌裝機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作之間配合度要求高、傳感器多、干擾大[7]，而PLC具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)小巧，并且能夠適用復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境[8-10]，因此采用PLC作為其核心工業(yè)控制器，該控制系統(tǒng)的主要硬件組成如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成

該控制系統(tǒng)采用信捷XC5系列的可編程控制器。通過光電傳感器實(shí)現(xiàn)物料檢測(cè)、料瓶檢測(cè)、料瓶計(jì)數(shù)等；采用稱重模塊可以實(shí)現(xiàn)油液在線定量補(bǔ)償和反饋；通過電磁閥組控制下料氣缸、擋瓶氣缸、隔瓶氣缸及注油頭等；通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)下料和量杯轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)；通過變頻器控制變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)物料均勻攪拌和料瓶輸送；通過人機(jī)界面可以實(shí)現(xiàn)操作員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)主要完成油辣椒物料的分離、攪拌、下料、顆粒物料定量、顆粒物料灌裝、料瓶輸送及在線補(bǔ)油等生產(chǎn)工藝的控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制相結(jié)合，各工藝流程信號(hào)不能出現(xiàn)干擾[7]，其控制程序流程圖如圖4所示。油辣椒灌裝機(jī)軟件部分由初始化模塊、手動(dòng)灌裝模塊、自動(dòng)灌裝模塊、急停模塊組成。初始化模塊主要用于對(duì)油辣椒灌裝機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)復(fù)位和數(shù)據(jù)清零等。手動(dòng)模塊主要用于灌裝機(jī)調(diào)試，可以單獨(dú)控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，便于灌裝過程的及時(shí)調(diào)整和停機(jī)調(diào)試。自動(dòng)模塊作為自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的核心模塊，通過觸摸屏將相關(guān)參數(shù)信息傳給PLC，PLC控制各電機(jī)和氣缸運(yùn)動(dòng)，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)灌裝工藝過程。急停模塊主要用于灌裝機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)突發(fā)緊急情況時(shí)，通過按下急停旋鈕使系統(tǒng)會(huì)立即停止運(yùn)行，而當(dāng)故障清除急停旋鈕復(fù)位后系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)執(zhí)行灌裝過程。

圖4 控制程序流程圖

用戶界面(HMI)作為操控員和系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交互的媒介，由硬件和軟件兩部分組成，操控員可以通過用戶界面實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控和管理，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、修改和調(diào)整。考慮到操作簡(jiǎn)易性和實(shí)用性等，用戶界面采用液晶觸摸屏。觸摸屏界面分為操作畫面、參數(shù)設(shè)定畫面和警告提示3部分，其中操作畫面包括自動(dòng)控制畫面和手動(dòng)控制畫面，觸摸屏畫面如圖5所示。

圖5 觸摸屏畫面

3 油辣椒灌裝試驗(yàn)

為了驗(yàn)證前面所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能否滿足實(shí)際灌裝需求，項(xiàng)目組按照設(shè)計(jì)要求對(duì)其進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)灌裝來驗(yàn)證該控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和灌裝精度。以某品牌油辣椒系列產(chǎn)品中的210，220，280 g瓶裝香辣脆為灌裝對(duì)象進(jìn)行灌裝試驗(yàn)，從60瓶樣品中隨機(jī)抽取24瓶，用時(shí)約3 min 30 s。該系列產(chǎn)品要求灌裝速度在360～500瓶/h，灌裝精度在±3%，油辣椒中固體顆粒含量不低于60%，灌裝溫度在60～80 ℃。灌裝結(jié)果見表1。對(duì)于24瓶樣品的平均固體含量百分比約為63.6%，灌裝合格率為100%，平均灌裝速度約為411瓶/h。灌裝試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

表1 不同規(guī)格瓶裝油辣椒灌裝試驗(yàn)表

4 結(jié)論

利用PLC控制技術(shù)，結(jié)合多顆粒態(tài)油辣椒物料的物理特征和企業(yè)實(shí)際灌裝工藝要求，研制出了新一代油辣椒灌裝機(jī)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)灌裝合格率為100%，平均灌裝速度約為411瓶/h，平均固體含量約為63.6%，能夠很好地實(shí)現(xiàn)多顆粒態(tài)油辣椒物料的高速、精確自動(dòng)化灌裝，滿足了企業(yè)的生產(chǎn)需求，且具有良好的通用性與經(jīng)濟(jì)性。