果蔬食品包裝機控制系統(tǒng)的設計研究

摘要：生活水平的提高，帶動了果蔬食品需求的增長。為提高果蔬類食品的包裝效率及包裝質量，設計了基于DSP的果蔬食品包裝機控制系統(tǒng)。綜合分析果蔬食品包裝機的工藝流程及基本結構，結合DSP及觸摸屏研究了包括溫控模塊、觸摸屏、IO信號采集模塊、DSP控制模塊及伺服驅動的控制系統(tǒng)硬件部分，同時開發(fā)了包括控制系統(tǒng)主程序及人機界面的全自動果蔬食品包裝機運動控制系統(tǒng)軟件部分。將設計系統(tǒng)應用于傳統(tǒng)果蔬食品包裝機進行試驗分析，由試驗結果可知，包裝機工作穩(wěn)定，效率大幅提升，良品率為98%以上，符合包裝工藝需求。

關鍵詞：果蔬食品；包裝機；控制系統(tǒng)；DSP；硬件系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)

中圖分類號：TP301 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）31-0087-03

1 引言

經(jīng)濟的飛速發(fā)展及生活水平的提高，帶動了果蔬食品的需求突增。消費者不僅重視果蔬食品質量，而且越來越關注包裝質量，因此，包裝質量好且精致的果蔬食品更會受消費者青睞[1]。這在一定程度上帶來了包裝行業(yè)的發(fā)展機遇。包裝機械在醫(yī)藥、煙草、日用品等方面得到廣泛應用，但果蔬食品包裝存在包裝質量差、效率低、操作困難的問題，專用包裝機尚不成熟[2]。

隨著自動化技術在食品包裝機械中的應用，果蔬食品包裝機的工作穩(wěn)定性、可靠性及包裝效率大幅提升，因此自動化及專業(yè)化成為當前果蔬食品包裝機的研究方向。包裝機械的發(fā)展經(jīng)歷了由單變頻到三伺服的六個發(fā)展過程，最新的三伺服全自動式包裝機在改進包裝質量方面表現(xiàn)突出，尤其是包裝效率獲得大幅提升[3]。對此，基于全自動三伺服包裝機，優(yōu)化改造為果蔬食品專用包裝設備。當前包裝機普遍通過PLC實現(xiàn)自動化控制，該控制方法存在兼容性差、成本高、二次開發(fā)性差等弊端[4]。因此，本文設計了基于DSP的果蔬食品包裝機控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件兩個方面進行詳細闡述，并通過試驗分析，驗證了設計系統(tǒng)的可行性。

2 全自動果蔬包裝機分析

全自動果蔬包裝機結構組成如圖1所示，其工藝流程如圖2所示。該包裝機由送膜、袋成型、送料、撫平、橫/縱向封合、輸出等裝置構成。送膜機構完成包裝膜的恒速、穩(wěn)定供給，主要包含導向輥、卷膜輥、牽引機構、張緊輪等；送料機構可實現(xiàn)果蔬精準、定向供給，避免堆積，由撥叉、張緊輪、鏈輪及鏈條組成；制袋成型器是整部包裝機的重要構件，包裝薄膜能夠一次成型；橫向封切機構可對包裝膜定長橫封及切斷；縱向封合機構通常為輥式結構，可對包裝薄膜進行拉膜及縱向封邊[5]。

包裝時，制袋成型器上的平面薄膜自動形成筒狀袋體，實現(xiàn)了送料及送膜同時進行；送料機構撥叉確保了果蔬能夠順利進入筒狀袋體；包裝半成品通過撫平裝置及拉膜牽引裝置壓緊；縱向封合機構進行縱向熱封；橫向封切機構實現(xiàn)切斷及橫向熱封；完成包裝的成品經(jīng)輸出裝置送出。

包裝機的橫封、送料、送膜三軸同步轉動，通過接近開關、色標傳感器將采集的橫封、送料、送膜位置傳送與控制器。通過多軸同步算法實現(xiàn)同步運動，滿足高精度、高質量包裝要求[6]。

3 硬件系統(tǒng)設計

綜合果蔬食品包裝機工藝流程及結構，基于DSP及觸摸屏設計其控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3中，控制系統(tǒng)由溫控模塊、觸摸屏、IO信號采集模塊、DSP控制模塊及伺服驅動組成。通過觸摸屏可對包裝參數(shù)進行設置，監(jiān)控實時運行狀態(tài)，實現(xiàn)人機交互；DSP為系統(tǒng)控制核心，實現(xiàn)控制指令生成及伺服驅動控制，完成三軸同步轉動[7]；溫控模塊控制橫/縱封溫度調控；IO信號采集模塊采集接近開關及色標傳感器信息；伺服驅動完成各軸電機運轉的驅動控制。

3.1 上位機

觸摸屏具有通信協(xié)議兼容性好、交互便捷、安全穩(wěn)定的特點[8]。果蔬食品包裝機工作環(huán)境較差，為確保包裝機安全穩(wěn)定運行的同時兼顧成本及性能，文中控制系統(tǒng)選取EVIEW MT6500T系列觸摸屏。該觸摸屏具有三個串口，支持RS4853及RS232通信；支持SD卡及U盤擴展存儲，最大可擴展至2GB；具有RISC的32位快速處理能力[9]。由實際運行可知，文中觸摸屏可操作性強，在果蔬食品包裝方面的可靠性較高。

3.2 下位機

下位機作為包裝機的核心部分，各軸同步轉動由下位機控制完成。一方面通過接收觸摸屏各種工藝參數(shù)，準確計算分析相應脈沖控制參數(shù)，進而將控制參數(shù)指令發(fā)送至各個驅動控制器，使各運動機構保持協(xié)調運動；另一方面通過編碼器、接近開關及色標傳感器，將三軸實際位置反饋至控制器，計算運動偏差并補償，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

文中基于DSP，綜合控制要求，設計了以DSP56F807為控制器核心的多軸運動控制器[10]。控制器外圍電路由通信串口模塊、GPIO模塊、Counter模塊、PWM脈寬調制模塊、CAN總線、模數(shù)轉換模塊及相位檢測器組成。觸摸屏通訊通過串口通信模塊實現(xiàn)；GPIO模塊可接收接近開關、色標傳感器觸發(fā)信號；伺服電機控制由Counter模塊完成；PWM可控制加熱設備溫度；CAN總線可對信號燈及電磁閥進行控制；熱電偶模擬信號由模數(shù)轉換模塊接收并轉換為數(shù)字信號；相位檢測器采集編碼器信號。

4 軟件設計

文中果蔬食品包裝機包括上位機、下位機兩部分軟件設計，其人機交互界面結構如圖4所示。

圖4中，人機交互界面可分為操作界面、初始界面及報警界面三部分。操作界面包括手動操作選取、運動畫面監(jiān)控、參數(shù)設定；初始界面可選取系統(tǒng)語言、顯示包裝機信息；報警界面可實時查看歷史報警及當前報警記錄。

果蔬食品包裝機工作時，為保證包裝質量及包裝效率，需確保下位機可穩(wěn)定運行。一方面確定包裝膜及果蔬就位，并確保橫封、縱封溫度符合要求。另一方面，按要求設定參數(shù)并選擇相應的功能。啟動后的包裝機按照設定程序完成同步運動，實現(xiàn)送膜、送料、封切及輸出成品等。包裝達到預設數(shù)量后，包裝機自動停止工作。具體控制流程如圖5所示。

5 實驗驗證分析

為驗證文中控制系統(tǒng)的有效性及可行性，基于傳統(tǒng)果蔬食品包裝機進行優(yōu)化改造，并對優(yōu)化后的包裝機進行實驗對比分析。傳統(tǒng)包裝機為異步電機、變頻器、鏈條傳動，優(yōu)化時將文中控制系統(tǒng)替代復雜傳動機構，通過伺服電機實現(xiàn)各軸的獨立控制。優(yōu)化后果蔬食品包裝機如圖6所示，其人機交互界面如圖7所示。

包裝果蔬體積為200×130×80 mm3，設定包裝袋長度為300 mm，包裝速度為160 袋/min，判定標準選取為包裝外觀及包裝效率。傳統(tǒng)包裝機包裝效果與優(yōu)化后包裝機包裝效果對比分析如表1所示。

由表1可知，優(yōu)化后果蔬食品包裝機每1000袋產(chǎn)品中，次品20袋，其中外觀不良16袋，露包4袋，良品率為98%，對比傳統(tǒng)包裝機，良品率大幅提升。包裝過程中，優(yōu)化后包裝機運行平穩(wěn)，計數(shù)精準，包裝效率高、良品率滿足使用要求。

6 結束語

文中針對果蔬食品全自動三伺服包裝機，設計了基于DSP控制器的果蔬食品包裝機控制系統(tǒng)。綜合分析果蔬食品包裝機的工藝流程及基本結構，結合DSP及觸摸屏研究了包括溫控模塊、觸摸屏、IO信號采集模塊、DSP控制模塊及伺服驅動的控制系統(tǒng)硬件部分，同時開發(fā)了包括控制系統(tǒng)主程序及人機界面的全自動果蔬食品包裝機運動控制系統(tǒng)軟件部分。將設計控制系統(tǒng)應用于傳統(tǒng)果蔬食品包裝機進行實驗對比分析，由試驗結果可知，文中控制系統(tǒng)包裝效率高、運行穩(wěn)定，大幅提高了果蔬食品包裝質量，降低了人工勞動強度，避免了果蔬的二次污染。

參考文獻：

[1] 賈磊，王會軍.基于DSP的果蔬包裝機控制系統(tǒng)設計[J].包裝工程，2019，40（17）：194-198.

[2] 康瑞芳，劉鑫.基于DSP全自動食品包裝機控制系統(tǒng)設計[J].控制工程，2017，24（2）：336-340.

[3] 梅文娟，鄭兆啟，李占勇，等.生鮮食品包裝機的研究[J].包裝與食品機械，2021，39（1）：82-88.

[4] 錢雅楠，謝箭，許癸駒.果蔬食品膨化溫度智能控制[J].食品工業(yè)，2021，42（5）：273-275.

[5] 蘇紅衛(wèi)，支強.基于PLC和觸摸屏的果蔬自動包裝機控制系統(tǒng)設計[J].包裝工程，2018，39（5）：163-167.

[6] 高雪，袁飛.基于STM32和PLC的枕式包裝機控制系統(tǒng)的設計[J].包裝與食品機械，2019，37（3）：19-23.

[7] 陳亞琳.三伺服枕式包裝機控制系統(tǒng)設計[J].包裝與食品機械，2020，38（1）：61-63.

[8] 金英姬.基于PLC與觸摸屏實現(xiàn)液壓教學實驗臺控制系統(tǒng)的研究[J].實驗技術與管理，2012，29（4）：151-154，168.

[9] 王圣斌.自動化食品包裝機械的控制系統(tǒng)優(yōu)化設計[J].機械設計與制造，2020（11）：297-300，304.

[10] 劉翔宇，趙寧.DSP56800系列開發(fā)軟件包SDK使用經(jīng)驗點滴[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2005，5（6）：72-74.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2022-05-15

作者簡介：林敏（1987—） ，女，廣東梅州人，講師，學士，研究方向為計算機應用。