自動化食品包裝機械的控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

王圣斌

（1.安徽文達信息工程學院機械與汽車工程學院，安徽 合肥 231201；2.合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230009）

1 引言

隨著市場經(jīng)濟的快速發(fā)展，食品業(yè)作為提供人們生活中各種餐飲食品的特殊行業(yè)，在日趨激烈的市場競爭中面臨著新的挑戰(zhàn)[1]。人們在選購食品時不僅考慮食品的質(zhì)量，同時食品美觀的外包裝也是吸引消費者消費的重要影響因素之一[2]。目前，各大食品企業(yè)為了能夠吸引更多的消費者，不斷改善食品外包裝設(shè)計，對包裝技術(shù)和包裝設(shè)備進行改進創(chuàng)新。自動化食品包裝機械能夠?qū)崿F(xiàn)食品充填、封口等包裝環(huán)節(jié)，節(jié)省人工搬運，提高食品包裝生產(chǎn)效率。隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，對食品需求量越來越大，在食品的質(zhì)量和外包裝的要求上也越來越高。食品生產(chǎn)加工企業(yè)為了滿足人們對包裝精美、品質(zhì)安全食品的需求，在傳統(tǒng)包裝機的基礎(chǔ)上進行設(shè)備更新。為此，相關(guān)研究人員進行了很多研究。也提出了一些較好的方法。

文獻[3]提出分析包裝自動生產(chǎn)線中的單體包裝機軟件系統(tǒng)，優(yōu)化自動化包裝機械。該方法將多種類的包裝機根據(jù)等效理論，對包裝機進行抽象化處理，構(gòu)建統(tǒng)一包裝模型。根據(jù)構(gòu)建的簡化模型進行模塊化優(yōu)化。合理安排各模塊之間的調(diào)度，實現(xiàn)單體包裝機的控制優(yōu)化。該方法有效降低了包裝機的成本，提高包裝機工作效率，但該方法存在系統(tǒng)控制效果不佳問題。文獻[4]提出基于STM32 和PLC 的枕式包裝機控制系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)通過分析系統(tǒng)各機構(gòu)工作原理，確定整體設(shè)計方案。結(jié)合STM32 和PLC 雙控制器構(gòu)建枕式包裝機控制系統(tǒng)，引入模糊PID 控制算法、電子凸輪控制技術(shù)等算法等，完成控制系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)能夠提高固體包裝物品的包裝效率，但自動化性能欠佳?；谏鲜鰡栴}的存在，提出自動化食品包裝機械的控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。通過對自動化食品包裝機的控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，在自動控制設(shè)備上完成制袋成型、物料填充、封合剪切等一系列包裝工序。實驗結(jié)果表明：這里系統(tǒng)可有效提高食品包裝機的生產(chǎn)效率，提高包裝機的自動化性能。

2 食品包裝機械系統(tǒng)存在問題

當前自動化食品包裝機械包裝工作原理，如圖1 所示。圖1中，在包裝傳送帶之前一個安裝系統(tǒng)控制器，保證在進行食品包裝之前包裝機械的參數(shù)得到控制，在包裝成型之前保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。橫封刀軸、送膜軸和送料軸均通過設(shè)置的控制器進行控制，當橫封刀軸每運行一次的距離是一個包裝袋的長度，同時送料軸輸送一個需要包裝的產(chǎn)品，此時在控制器的作用下，三者保持一致運動，保證產(chǎn)品包裝的完好?？刂破鲗ο到y(tǒng)的運動控制要求橫封刀軸在封膜時與塑料膜保持一致，保證不會出現(xiàn)偏差[5]。但是，這種邏輯設(shè)計屬于線性設(shè)計，智能化程度較低，一旦出現(xiàn)一個部件損壞，將造成較大的后果。

圖1 自動化食品包裝機械包裝工作原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Mechanical Packaging for Automated Food Packaging

3 自動化食品包裝機械控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動化食品包裝機械控制系統(tǒng)主要是由三伺服枕式包裝機、傳送料裝置、封裝膜裝置、橫封切裝置等組成，其總體結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 General Structure Diagram of Control System

封裝膜裝置中設(shè)有卷膜輥、導向輥、驅(qū)動輥等。其中在導向輥處安裝色標傳感器或打標機，根據(jù)包裝工藝需求可同時安裝。通過導向輥與驅(qū)動棍連續(xù)換向和壓緊手柄的壓合操作，包裝薄膜完成色標的追蹤和打印，封裝膜裝置在工作過程中不會發(fā)生薄膜堆積或粘結(jié)拉扯現(xiàn)象[6]。

傳送料裝置中送料軸伺服電機直接驅(qū)動傳動鏈輪，伺服電機輸出速度值在正常運轉(zhuǎn)過程處于恒定狀態(tài)。

橫封切裝置主要負責對前進物料的橫向封裝和橫切作業(yè)，在色標點或定長處連續(xù)對包裝筒袋切割作業(yè)，完成獨立的包裝成品[7]。

3.1 硬件架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的硬件架構(gòu)自動化控制模式利用DSP[8]作為觸摸屏與伺服系統(tǒng)之間的連接橋梁，通過觸摸屏與伺服系統(tǒng)的緊密配合，實現(xiàn)自動化運行?？刂葡到y(tǒng)硬件架構(gòu)圖，如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖Fig.3 Control System Hardware Architecture Diagram

控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)主要包括觸摸屏、DSP、輸入輸出模塊、溫度控制模塊和伺服驅(qū)動系統(tǒng)。

3.1.1 觸摸屏控制器設(shè)計

觸摸屏控制器ADS7843 是由多路低導通電阻模擬開關(guān)組成，通過電路網(wǎng)絡(luò)測量供電，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器和異步串行數(shù)據(jù)進行輸入與輸出。ADS7843 根據(jù)微控制器發(fā)來不同命令，對相應(yīng)的模擬開關(guān)進行導通，同時向觸摸屏電極提供電壓，再將相應(yīng)電極上的觸點坐標位置所對應(yīng)的電壓模擬量引入A/D 轉(zhuǎn)換器[9]。

觸摸屏控制器ADS7843 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如圖4 所示。

圖4 觸摸屏控制器ADS7843 內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 Internal Structure of Touch Screen Controller ADS7843

在控制系統(tǒng)中，觸摸屏不僅起到展示的作用，同時還有效保障整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在現(xiàn)場工作中，操作人員通過觸摸屏輸入控制指令進行操縱運行，并能實時監(jiān)測現(xiàn)場的運行情況。

控制系統(tǒng)中上位機選用EVIEW MT6500T 系列觸摸屏，可進行多個串口通信，且擴展存儲器可以支持2GB 的SD 卡和u 盤，其具有520Hz 的32 位ⅪSC 超快處理速度。如果CS 處于低電平時，輸入數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿將串行數(shù)據(jù)鎖存，當CS 為高電平時DOUT 呈高阻態(tài)，可以適應(yīng)復雜多變的工作環(huán)境，有效保障設(shè)備安全穩(wěn)定的運行。該款觸摸屏的設(shè)計具有操作簡單、可靠性強、成本低等特點，可以滿足滿足食品包裝機的功能要求，提高了包裝機的生產(chǎn)效率。

3.1.2 核心DSP 控制模塊的選取

系統(tǒng)選擇DA260 作為DSP 控制模塊功率放大器，其實物圖，如圖5 所示。

圖5 DA260 DSP 控制模塊功率放大器Fig.5 DA260 DSP Control Module Power Amplifier

DA260 功率放大器具有31 段專業(yè)級EQ 均衡、4 聲道高保真功效、雙核數(shù)字信號處理器、智能保護、專業(yè)對插。其產(chǎn)品參數(shù)，如表1 所示。

表1 產(chǎn)品參數(shù)Tab.1 Product Parameters

3.1.3 伺服驅(qū)動器設(shè)計

這里控制系統(tǒng)選擇130ST-M07725 型號伺服驅(qū)動器作為核心控制器件，控制系統(tǒng)操作速度的作用，設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。

圖6 伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)Fig.6 Servo Driver Structure

在伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，控制核心采用數(shù)字信號處理器負責控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的系統(tǒng)管理。在伺服驅(qū)動器速度閉環(huán)中，電機轉(zhuǎn)子可以對實時速度進行測量，及時改善速度環(huán)的轉(zhuǎn)速控制動靜態(tài)特性，確保速度運行精度。功率驅(qū)動單元通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或市電進行整流，得到相應(yīng)直流電，經(jīng)過整流好三相電或市電，通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻，驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。

4 模糊PID 算法

在控制系統(tǒng)中，最常用的控制算法為模糊PID 控制[10]，其控制操作簡單，易于控制。它的工作原理是將輸入信號進行模糊化處理，將其處理后的信號與食品包裝機械中的控制模糊規(guī)則進行匹配，若其匹配成功可以獲取控制參數(shù)值。該算法通過制定的模糊控制規(guī)則并對其參數(shù)進行在線整定，實現(xiàn)模糊PID 參數(shù)的最優(yōu)調(diào)整。其工作原理，如圖7 所示。

圖7 模糊PID 控制工作原理Fig.7 Fuzzy PID Control Principle

圖中：r（t）—輸入；y（t）—輸出；e（t）—輸入與輸出之間的偏差，則存在：

控制器的輸出是由偏差值通過比例、積分、微分線性組合而成[11-12]，即：

式中：kp—比例系數(shù)；Tt—積分時間系數(shù)；TD—微分時間系數(shù)。

在自動化食品包裝機械線性運行中，控制系統(tǒng)對模糊邏輯規(guī)則進行處理，完成PID 參數(shù)的在線自校正，其實現(xiàn)流程，如圖8所示。

圖8 模糊PID 實現(xiàn)流程圖Fig.8 Fuzzy PID Flow Chart

5 實驗分析

為了驗證自動化食品包裝機械的控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計合理性，進行仿真實驗分析。

5.1 實驗環(huán)境與參數(shù)

仿真實驗在Matlab 平臺上構(gòu)建自動化食品包裝機械的控制系統(tǒng)，操作系統(tǒng)為Windows 10，實驗參數(shù)，如表2 所示。實驗將對需要包裝的1000 件某食品生產(chǎn)廠家提供的速食食品進行包裝，該樣品尺寸為（20×20）cm。實驗的包裝機械，如圖9 所示。

表2 實驗參數(shù)設(shè)置Tab.2 Experimental Parameter Settings

圖9 食品包裝機械實驗圖Fig.9 Food Packaging Mechanical Experiment

5.2 實驗結(jié)果分析

5.2.1 不同控制系統(tǒng)操作穩(wěn)定性分析

為了驗證系統(tǒng)設(shè)計的合理性，實驗對比了這里系統(tǒng)、文獻[3]系統(tǒng)和文獻[4]系統(tǒng)，在進行食品包裝時的穩(wěn)定性，實驗結(jié)果，如圖10 所示。分析圖10 可以看出，在對樣本進行包裝時，三種系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性有所差異。當待包裝樣品數(shù)量為400 時，這里系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性約為71%，文獻[3]系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性約為52%，文獻[4]系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性約為58%；當待包裝樣品數(shù)量為1000 時，這里系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性約為90%，文獻[3]系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性約為63%，文獻[4]系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性約為60%。可以看出系統(tǒng)在進行樣本包裝時的穩(wěn)定更更高。

圖10 不同控制系統(tǒng)操作穩(wěn)定性對比Fig.10 Comparison of Operational Stability of Different Control Systems

5.2.2 不同控制系統(tǒng)食品包裝用時分析

為了進一步驗證控制系統(tǒng)的可行性，實驗對比了三種系統(tǒng)對樣本產(chǎn)品進行包裝所用的時間，實驗結(jié)果，如表3 所示。

表3 不同系統(tǒng)食品包裝用時分析（min）Tab.3 Analysis of Food Packing Time for Different Systems（min）

分析表3 中數(shù)據(jù)可以看出，隨著需要包裝的樣品數(shù)量增加，三種系統(tǒng)包裝的用時隨著增加。當樣本數(shù)量為600 時，這里系統(tǒng)的包裝用時為4.9min，文獻[3]系統(tǒng)的包裝用時為6.8min，文獻[4]系統(tǒng)的包裝用時為9.4min；當樣本數(shù)量為1000 時，系統(tǒng)的包裝用時為6.2min，文獻[3]系統(tǒng)的包裝用時為9.4min，文獻[4]系統(tǒng)的包裝用時為14.2min。通過數(shù)據(jù)對比可以看出優(yōu)化的系統(tǒng)用時較短，工作效率較高，驗證了這里方法的可行性。

6 結(jié)語

隨著人們生活水平的快速提高對食品質(zhì)量和外包裝的要求越來越高，實現(xiàn)自動化食品包裝機械控制是食品企業(yè)未來可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略決策。這里系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計改善了傳統(tǒng)包裝機械存在的包裝效率低等問題，提高了食品包裝的質(zhì)量，在一定程度上降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。