快餐食品自動化計(jì)量包裝系統(tǒng)的研發(fā)

曾青云，韓震宇，沈小龍，劉 歡

（四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

食品工業(yè)是中國的第一大工業(yè)，隨著國民經(jīng)濟(jì)的速增、人民生活水平的日益提高，食品消費(fèi)行業(yè)也逐步壯大，同時消費(fèi)者對于食品質(zhì)量的要求也越發(fā)提高[1]。食品的計(jì)量與包裝是食品生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，其需求也在近年來穩(wěn)步增長。傳統(tǒng)食品生產(chǎn)的計(jì)量與包裝環(huán)節(jié)通常采用人工作業(yè)，生產(chǎn)成本頗高且效率低下，還帶來了一系列的食品安全問題。得益于機(jī)械自動化技術(shù)水平的發(fā)展，各種自動化定量包裝設(shè)備涌現(xiàn)，其在效率、成本、安全性上有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，因此迅速占領(lǐng)市場，并依然保持著增長的勢頭。目前對于單一固體食品的自動化計(jì)量包裝技術(shù)已趨于成熟，但對于黏性性食物、帶有湯汁的固液混合類食物等的自動化設(shè)備依然有著極大的技術(shù)瓶頸[2]。而快餐食品一方面種類復(fù)雜、食物特性不定，另一方面還可能具有黏性或者帶有湯汁，因此常規(guī)自動化設(shè)備難以滿足生產(chǎn)需要。隨著“中央廚房”概念的興起，部分地區(qū)學(xué)生餐由“中央廚房”統(tǒng)一生產(chǎn)配送，另外考慮到航空、高鐵等特殊領(lǐng)域，快餐類食品的自動化計(jì)量包裝設(shè)備有著極大的市場需求，成為業(yè)內(nèi)的難點(diǎn)痛點(diǎn)問題[3]。

在食品工業(yè)生產(chǎn)中，計(jì)量方式主要分為容積法計(jì)量、稱重法計(jì)量、計(jì)數(shù)法計(jì)量3種[4]。其中容積法計(jì)量設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本較為低廉、計(jì)量速度快，但精度低[5]；稱重法計(jì)量設(shè)備有著較高的精度保證，但是計(jì)量效率低下、成本高昂；計(jì)數(shù)法計(jì)量設(shè)備有著較小的適用性。文獻(xiàn)[2]在自動定量計(jì)量系統(tǒng)研究中設(shè)計(jì)了一套適用于具有流動性食物的計(jì)量包裝系統(tǒng)，在食物流動性較大的情況下取得了一定的成果，但對于快餐食品固液混合、流動性不定、可能具有高黏性的特征依然不能適用。文獻(xiàn)[6]在包裝機(jī)智能控制相關(guān)研究中提出了基于改進(jìn)模糊PID算法的稱重計(jì)量方式，對多種食物有著較好的適用性以及較好的精度，但其計(jì)量過程耗時長、工作效率極其低下。同實(shí)驗(yàn)室?guī)熜衷谙嚓P(guān)前期研究中提出了高速分量設(shè)備控制系統(tǒng)的初步實(shí)現(xiàn)方案[7]，但是在后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)無法解決黏性食物堵塞的問題，以及分量精度波動大，不符合要求。在前人相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)了基于容積計(jì)量法且適用于快餐食品復(fù)雜特性的自動化計(jì)量包裝設(shè)備，并解決了黏性食物造成的一系列難題，兼顧了速度與精度。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)針對學(xué)生餐、航空餐等快餐食品提供統(tǒng)一解決方案，綜合考慮到快餐食品飯菜種類不定、可能存在湯汁、可能存在固體與流動性食品混合物、可能存在黏性食品等諸多特性。系統(tǒng)由傳送、計(jì)量、裝填3大部分組成，為確保黏性食物的正常計(jì)量附加了輔助下料子系統(tǒng)，具體包括霧化潤滑噴頭、真空吸引輔助計(jì)量、高壓輔助裝填3部分，系統(tǒng)組成原理如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

食物經(jīng)傳送裝置獲得勢能并通過漏斗進(jìn)入計(jì)量緩沖區(qū)，霧化噴頭提供微量水霧保持計(jì)量緩沖區(qū)通道潤滑防止黏性食物堵塞。裝填循環(huán)開始后，緩沖區(qū)中食物借助重力進(jìn)入計(jì)量部分中的定體積測量盒，真空吸引裝置一方面加速食物進(jìn)入測量盒、防止黏性食物堵塞，另一方面保證測量盒充分填充、提高計(jì)量準(zhǔn)確性。填充裝置中通過填充頭的左右滑動將測量盒計(jì)量完成的食物轉(zhuǎn)移裝填進(jìn)食盒，其中增壓裝置通過噴射高壓氣流加速裝填效率。計(jì)量裝填循環(huán)如圖3所示。為保證輔助下料子系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，機(jī)械結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了大量微小氣孔，少量食物汁液可能通過氣道進(jìn)入真空發(fā)生裝置，因此輔助下料子系統(tǒng)設(shè)有食物汁液收集盒。

圖3 計(jì)量裝填循環(huán)

2 控制系統(tǒng)方案與硬件設(shè)計(jì)

基于快餐食品自動化計(jì)量包裝系統(tǒng)的工作需要，采用西門子s7-200smart系列PLC作為主控模塊的控制核心，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。選用該系列的CPU模塊ST20，帶有兩路高頻率的脈沖輸出口，滿足了傳送帶電機(jī)驅(qū)動器的控制需要，另外還帶有豐富的數(shù)字信號輸入輸出，以及支持多個擴(kuò)展模塊[8]。但是考慮到設(shè)備運(yùn)行過程中的安全性，在系統(tǒng)中配備了大量的安全開關(guān)以及傳感器，實(shí)時監(jiān)控各部分工作狀態(tài)，因此有著極大量的I/O接口需求。為滿足大量的I/O需求，在CPU模塊ST20的基礎(chǔ)上擴(kuò)展I/O模塊DT32，作為系統(tǒng)的控制核心。

系統(tǒng)中存在多個往復(fù)直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)，根據(jù)不同機(jī)構(gòu)缸徑需求選用SMC公司的CDM2B40系列氣缸，配合費(fèi)斯托電磁閥及總線型閥島系統(tǒng)使用，將PLC與閥島系統(tǒng)相連實(shí)現(xiàn)氣路控制。輔助下料子系統(tǒng)中增壓裝填同樣并入閥島系統(tǒng)，可使得控制更加簡單、硬件電路更加緊湊；真空吸引的實(shí)現(xiàn)出于成本及安裝便利性的考慮并不是選用真空泵，而是真空發(fā)生器，其要實(shí)現(xiàn)良好的真空環(huán)境對主氣路氣壓要求較嚴(yán)苛，因此真空發(fā)生器不接入閥島系統(tǒng)而是與空壓機(jī)直連。除了氣路，系統(tǒng)還有復(fù)雜的水路，一方面是霧化潤滑噴頭的需要；另一方面，本系統(tǒng)屬于食品生產(chǎn)線中的一環(huán)，對衛(wèi)生安全有著極高的要求，意味著清洗較為頻繁，考慮到清洗操作的便利性，系統(tǒng)設(shè)有清洗模式以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部噴水沖洗。為了實(shí)現(xiàn)更加緊湊的控制及電路設(shè)計(jì)，水路也并入閥島系統(tǒng)。

系統(tǒng)的上位機(jī)軟件也即人機(jī)交互界面監(jiān)控程序，在硬件上選用西門子Smart Panel系列的smart line 700IE v3觸摸屏，其可通過西門子出品的Wincc flexible進(jìn)行組態(tài)編程，具有可視化編輯器，編程過程簡單便捷且界面組態(tài)功能強(qiáng)大，與西門子smart系列PLC能夠?qū)崿F(xiàn)極佳的配合[9]。系統(tǒng)整體的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制軟件分為下位機(jī)PLC控制程序以及上位機(jī)HMI程序2部分。其中PLC程序又可進(jìn)一步細(xì)分為計(jì)量裝填子程序、計(jì)量緩沖區(qū)食物高度控制子程序等重要模塊。在上位機(jī)HMI程序中，又將設(shè)備劃分為了運(yùn)行模式、清洗模式、測試模式3大工作模式，與下位機(jī)相應(yīng)不同子程序配合以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

3.1 計(jì)量裝填子程序

系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行模式后，首先執(zhí)行運(yùn)行模式初始化子程序，隨后循環(huán)執(zhí)行計(jì)量裝填子程序。計(jì)量裝填子程序與輔助下料子系統(tǒng)是互相耦合的，而后者由用戶在上位機(jī)提供的選項(xiàng)中自主確定是否開啟。例如玉米粒一類無黏性食物則無需開啟，開啟后增壓裝填可能反而導(dǎo)致食物飛濺；而雞蛋炒飯一類有一定黏性食物則需要開啟輔助下料子系統(tǒng)，否者影響計(jì)量準(zhǔn)確性且具有堵塞設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。

計(jì)量裝填子程序有2個關(guān)鍵時間節(jié)點(diǎn)：①檢測計(jì)量緩沖區(qū)食物是否充足，判斷是否能夠進(jìn)入計(jì)量環(huán)節(jié)；②檢測傳送帶上食盒是否到來，判斷裝填時機(jī)。簡化后的程序框圖如圖5所示。

圖5 計(jì)量裝填子程序簡化框圖

3.2 計(jì)量緩沖區(qū)高度控制子程序

通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，計(jì)量緩沖區(qū)食物高度波動對計(jì)量準(zhǔn)確性有一定影響，且當(dāng)其過高時會有堵塞漏斗隱患，而過低又意味著食物不充足，計(jì)量裝填子程序?qū)⒊掷m(xù)等待、降低計(jì)量效率，因此，高度控制子程序?qū)τ诔绦虻姆€(wěn)定、高效、準(zhǔn)確運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。

計(jì)量緩沖區(qū)高度受多個因素影響，在入料方面受食物傳送帶的運(yùn)行速率（受PLC的脈沖輸出控制）和食物傳送帶上食物量的波動（為隨機(jī)誤差）影響；在出料方面受食盒到來速率（也即生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型中的消費(fèi)速率，一般由生產(chǎn)線上游設(shè)備決定，如果為人工放置食盒該速率波動將放大）和計(jì)量誤差（每次計(jì)量將消耗緩沖區(qū)中一定量食物，但計(jì)量有一定誤差，因此單次食物消耗量也有波動）影響。高度控制子程序即調(diào)節(jié)PLC脈沖輸出頻率以改變食物傳送帶運(yùn)行速率以適應(yīng)其他三者的隨機(jī)波動，從而避免緩沖區(qū)食物量的大幅變化，進(jìn)而提高計(jì)量準(zhǔn)確性。

其中緩沖區(qū)食物高度傳感器為激光對射式，其輸出信號為開關(guān)信號，當(dāng)食物高于傳感器輸出為0，反之為1，理想情況下一個計(jì)量裝填周期其將輸出占空比為45%～60%的波形?？紤]到食物在緩沖區(qū)下落過程中遮擋傳感器，可能出現(xiàn)食物低于傳感器而傳感器誤報(bào)為信號0的情況，因此需要引入硬件和軟件2方面的濾波。硬件主要通過增大傳感器光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)，使得光線能透過下落狀態(tài)的稀疏食物而無法透過堆疊狀態(tài)的密集食物，實(shí)驗(yàn)表明最佳光強(qiáng)與恰能透過5張A4紙的光強(qiáng)相近，因此在設(shè)備調(diào)試環(huán)節(jié)可使用5張A4紙對傳感器進(jìn)行快速標(biāo)定。而軟件上的濾波通過延時濾除高頻抖動信號。

根據(jù)傳感器波形占空比信號，采用增量式PID調(diào)節(jié)脈沖輸出頻率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引入高度控制子程序后緩沖區(qū)食物量波動降低了32%，且避免了上下溢出的情況，分量準(zhǔn)確性也提升了9%。引入高度控制子程序前后炒茄子的計(jì)量包裝實(shí)驗(yàn)如圖6、圖7所示。

圖6 引入高度控制前炒茄子的計(jì)量實(shí)驗(yàn)

圖7 引入高度控制后炒茄子的計(jì)量實(shí)驗(yàn)

3.3 上位機(jī)HMI程序

上位機(jī)程序在自動化控制系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定和運(yùn)行過程的可視化監(jiān)控，其中包括了發(fā)送控制命令、I/O處理、數(shù)據(jù)記錄[10]。在上位機(jī)中定義了系統(tǒng)工作的3大模式：運(yùn)行模式，即正常流水線生產(chǎn)時的計(jì)量裝填循環(huán)；清洗模式，清洗模式會打開設(shè)備內(nèi)部高壓水槍，同時保持傳送帶低速運(yùn)行，便于設(shè)備清洗；測試模式，便于研發(fā)過程調(diào)試，且當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)硬件損壞等故障時可在測試模式中快速排查。

4 結(jié)論

針對快餐食品這一特性復(fù)雜的食物類別，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套自動化計(jì)量包裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為傳送、計(jì)量和裝填3大部分，在控制系統(tǒng)軟件上分為下位機(jī)PLC軟件與上位機(jī)HMI監(jiān)控軟件2部分，實(shí)現(xiàn)了對絕大部分快餐食品的準(zhǔn)確高速計(jì)量包裝。以炒玉米為例，系統(tǒng)計(jì)量速度可高達(dá)45次/min，誤差可控制在4.5%以內(nèi)，滿足了工業(yè)食品生產(chǎn)的需要。