基于物聯(lián)網技術的食品生產機械自動化設計制造及算法實現(xiàn)

吳風樂

（江蘇省無錫技師學院， 江蘇 無錫 214000）

0 引言

在市場經濟飛速發(fā)展的背景下，食品行業(yè)在競爭激烈的市場中迎來了全新挑戰(zhàn)。人們在選購食品時，不僅需要考慮食品的質量，而且還尤為注重食品的外觀包裝。在物聯(lián)網時代下，食品行業(yè)為了提升產品銷量，開始對食品的包裝設計進行優(yōu)化，進一步推動了食品包裝技術與機械設備的創(chuàng)新，實現(xiàn)食品包裝自動化生產，不僅有效節(jié)省了人工成本，而且還在一定程度上提升了食品包裝生產的效率[1]。對于傳統(tǒng)的食品包裝設備而言，其自動化水平相對較低，難以滿足現(xiàn)階段市場發(fā)展需求。針對此種情況，本研究提出了一種基于物聯(lián)網技術的自動化食品包裝機械系統(tǒng)，在將其應用至食品包裝設備中后，可有效提升食品包裝機的生產效率，實現(xiàn)包裝機的智能化控制。

1 現(xiàn)階段食品包裝機械系統(tǒng)存在的問題

現(xiàn)階段，食品包裝機主要通過安裝系統(tǒng)控制器來控制包裝參數(shù)。在食品包裝成型之前，需確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過系統(tǒng)控制器的作用，可確保橫封刀軸、送膜軸和送料軸三個部分的運動一致，進而提升包裝的完整性。然而，由于系統(tǒng)為線性設計，智能化水平相對較低，其中一個部件發(fā)生故障，將導致整個系統(tǒng)癱瘓，進而影響整個機械設備的運行效果[2]。

2 基于物聯(lián)網技術的食品包裝機械控制系統(tǒng)設計

本研究設計的自動化食品包裝機械控制系統(tǒng)，其硬件架構主要是采用DSP 來連接觸摸屏與伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)設備的自動化運行。如圖1 所示，系統(tǒng)硬件主要由傳感器、觸摸屏和DSP 等模塊組成。

圖1 控制系統(tǒng)硬件架構

在封裝膜裝置中，增設了卷膜輥、導向輥和驅動棍等部件，并且在導向輥處增設了傳感器。在導向輥、驅動棍同時作用下，便可完成包裝膜色標的追蹤和打印，并且在封裝過程中不會出現(xiàn)薄膜堆積或粘結拉扯的情況。此外，在傳送裝置中，由送料軸伺服電機直接提供動力，使其在工作過程中始終保持勻速狀態(tài)。而橫封切裝置主要用于封膜的切割，可根據(jù)色標點對包裝筒袋進行切割，進而實現(xiàn)食品的獨立包裝[3]。

2.1 觸摸屏控制器設計

對于硬件系統(tǒng)中的觸摸屏控制器（ADS）而言，主要由多路低導通電阻模擬開關組成，通過電路網絡測量供電，使用A/D 轉換器將數(shù)據(jù)輸入至ADS 中，并發(fā)送相應的指令，進而實現(xiàn)模擬開關的導通，為ADS 電極提供電壓。然后，再將電極上的觸點坐標位置電壓模擬量輸送至A/D 中，如圖2 所示。

圖2 ADS 內部結構

ADS 不僅可展示設備的運行情況，而且具有提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的功能。此外，在實際工作中，操作人員還可通過觸摸屏向系統(tǒng)發(fā)送指令。

該控制系統(tǒng)對上位機的要求相對較高，不僅需要具備多個串口通信，而且其擴展存儲器需支持2 GB的SD 卡和U 盤，以便提升處理數(shù)據(jù)的效率。

2.2 核心DSP 控制模塊的選取

本文選取的模塊功率放大器主要為DA260 型號，其參數(shù)詳見表1。

表1 功率放大器參數(shù)信息

2.3 伺服驅動器設計

選用130ST-M07725 驅動器，控制系統(tǒng)的運行速率。設計邏輯結構，通過數(shù)字信號處理器負責控制算法，來實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化管理。當驅動器速度處于閉環(huán)狀態(tài)時，電機轉子可實時測量速度，并根據(jù)實際情況調整速度環(huán)的轉速，進而提升系統(tǒng)速度運行精度。在三相全橋整流電路的作用下，功率驅動單元可對電路中輸入的三相電進行整流處理，并將其轉換成直流電。然后，再將其輸入至電壓型逆變器進行變頻，驅動三相永磁式同步交流伺服電機。

3 模糊PID 算法

本研究提出的系統(tǒng)主要是通過模糊PID 算法進行控制，該算法具有操作簡單、容易控制的優(yōu)勢。其工作原理為：首先，對輸入信號進行模糊化處理，然后，將機械中的控制模糊規(guī)則與模糊化信號進行匹配，最終獲取匹配成功的控制參數(shù)。通過模糊PID 算法，可以在線實時整改機械設備運行參數(shù)，將模糊PID 參數(shù)調整至最優(yōu)。其工作原理如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制工作原理

式中：r（t）、y（t）和e（t）分別為輸入信號、輸出信號以及輸入信號與輸出信號之間的差值。

控制器的輸出信號主要是由e（t）通過比例、積分和微分線性組合生成，即：

式中：kP、TI和TD分別為比例系數(shù)、積分時間系數(shù)和微分時間系數(shù)。

當機械設備運行時，控制系統(tǒng)將會對其進行模糊邏輯規(guī)則處理，進而完成PID 參數(shù)的在線實時校正，PID 算法實現(xiàn)流程如圖4 所示。

圖4 PID 算法實現(xiàn)流程

4 仿真實驗驗證

4.1 實驗環(huán)境與參數(shù)

仿真實驗主要是在MATLAB 平臺進行。首先，在平臺上建立相應的自動化控制系統(tǒng)，選擇Win10 操作系統(tǒng)來控制機械設備包裝食品，實驗參數(shù)詳見表2。

表2 實驗參數(shù)設置

4.2 實驗結果

本次試驗主要是對比不同控制系統(tǒng)下（傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)）機械設備進行食品包裝的穩(wěn)定性與時效性，進而驗證本文控制系統(tǒng)的可行性。

1）穩(wěn)定性。通過實驗可知，在包裝樣品數(shù)量相同的情況下，傳統(tǒng)系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性相對較低，而優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性可達95%。

2）時效性。通過實驗分析得知，在包裝樣品數(shù)量不斷增加的情況下，兩種系統(tǒng)（傳統(tǒng)系統(tǒng)與優(yōu)化系統(tǒng)）所消耗的時間均增加。但是，當包裝樣本數(shù)量一定時，本文系統(tǒng)所消耗的時間遠遠低于傳統(tǒng)系統(tǒng)[4]。由此可知，本文設計的控制系統(tǒng)生產效率更高，不僅可有效提升機械識別運行的穩(wěn)定性，而且還實現(xiàn)了機械設備的智能化控制，對于促進食品生產加工企業(yè)的發(fā)展具有十分重要的作用。

5 結語

與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，本研究設計的機械設備控制系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，在食品包裝過程中所花費的時間更短，不僅有效提升了食品生產的加工質量，而且在一定程度上降低了企業(yè)的生產成本。