PLC 在食品機(jī)械自動(dòng)化改造中的應(yīng)用研究

◎ 段慧龍

（泰安技師學(xué)院，山東 泰安 271000）

隨著食品行業(yè)的不斷發(fā)展和自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，食品機(jī)械自動(dòng)化改造成為提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量的關(guān)鍵手段之一，而PLC 作為現(xiàn)代自動(dòng)化控制領(lǐng)域的核心技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于食品機(jī)械的自動(dòng)化改造中。

1 PLC 的概述和原理

PLC的英文全稱為Programmable Logic Controller，譯為“可編程邏輯控制器”，是一種被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域的可編程電子設(shè)備。PLC 的出現(xiàn)和發(fā)展極大地推動(dòng)了工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、能源、交通及建筑等領(lǐng)域，具有可編程性、可靠性、靈活性等優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的核心組成部分。PLC 的工作過程一般分為3 個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新，3 個(gè)階段稱作1 個(gè)掃描周期。PLC 的工作原理基于二進(jìn)制邏輯運(yùn)算。PLC 以掃描方式依次讀取所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，如傳感器信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制位，然后根據(jù)預(yù)先編寫的程序進(jìn)行邏輯判斷，程序中可以包括和、或、非等邏輯運(yùn)算，還可以包括計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器等功能塊[1]。根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的輸出操作，控制執(zhí)行器或設(shè)備實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，輸出信號(hào)也通過二進(jìn)制位進(jìn)行傳輸，通過輸出模塊驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器或設(shè)備實(shí)現(xiàn)所需的控制功能。PLC 還會(huì)讀取和保存數(shù)據(jù)，進(jìn)行通信和監(jiān)控等功能。PLC 的主要組成部分包括中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、內(nèi)存、輸入/輸出模塊（I/O模塊）、通信接口及編程設(shè)備等。其中，CPU 是PLC的核心，負(fù)責(zé)處理輸入信號(hào)、執(zhí)行程序邏輯、控制輸出信號(hào)等；內(nèi)存用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)；I/O 模塊負(fù)責(zé)和外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；通信接口允許PLC 和上位機(jī)、其他PLC 等設(shè)備進(jìn)行通信；編程設(shè)備用于編寫、修改、下載程序。

2 PLC 在食品機(jī)械自動(dòng)化改造中的具體應(yīng)用

2.1 精確稱重控制

PLC 在食品機(jī)械自動(dòng)化改造中具有廣泛的應(yīng)用，其中一個(gè)重要方面是精確稱重控制。在食品加工過程中，精確稱重是保障產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。PLC 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱重設(shè)備的自動(dòng)化控制，提高產(chǎn)品稱重的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升整個(gè)食品生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[2]。稱重設(shè)備通常由電子秤、傳感器、執(zhí)行器等組成，PLC 可通過程序控制實(shí)現(xiàn)對(duì)這些設(shè)備的啟動(dòng)、停止、監(jiān)控。例如，可以設(shè)定稱重目標(biāo)值，并根據(jù)實(shí)際稱重情況進(jìn)行反饋控制，當(dāng)稱重超出設(shè)定范圍時(shí)，PLC 能自動(dòng)調(diào)整傳送帶的速度或調(diào)節(jié)給料量，實(shí)現(xiàn)精確稱重。在食品生產(chǎn)過程中，準(zhǔn)確記錄和分析稱重?cái)?shù)據(jù)對(duì)于質(zhì)量控制和生產(chǎn)管理至關(guān)重要。PLC 可實(shí)時(shí)采集稱重設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，供后續(xù)分析與報(bào)告。PLC 還可通過與上位機(jī)的通信或網(wǎng)絡(luò)連接，將稱重?cái)?shù)據(jù)傳輸給生產(chǎn)管理系統(tǒng)，幫助生產(chǎn)管理人員及時(shí)掌握產(chǎn)品質(zhì)量情況，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，確保產(chǎn)品質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)[3]。通過PLC 的程序控制，可實(shí)現(xiàn)稱重設(shè)備的自動(dòng)化控制、數(shù)據(jù)記錄和分析，不僅能提高食品生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，還能減少人工操作導(dǎo)致的錯(cuò)誤和不穩(wěn)定性。

2.2 溫度和濕度控制

食品加工行業(yè)對(duì)環(huán)境溫度和濕度要求非常嚴(yán)格，環(huán)境溫度和濕度直接影響食品的質(zhì)量和安全性。使用PLC 可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的精確控制，確保食品加工過程中環(huán)境的穩(wěn)定性和一致性。PLC 可通過集成溫度和濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫度和濕度，該傳感器將環(huán)境條件轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，PLC 接收到電信號(hào)后執(zhí)行相應(yīng)的控制策略。例如，在面包烘烤過程中，PLC 可以通過控制烤箱內(nèi)的加熱元件和風(fēng)扇維持適宜的溫度，當(dāng)烤箱內(nèi)溫度低于設(shè)定的目標(biāo)溫度時(shí)，PLC 將啟動(dòng)加熱元件并調(diào)整風(fēng)扇速度，提高溫度；當(dāng)烤箱內(nèi)溫度高于設(shè)定值時(shí)，PLC 將關(guān)閉加熱元件并調(diào)整風(fēng)扇速度，降低溫度。PLC 也可控制制冷裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)食品加工過程中溫度的控制。例如，在巧克力生產(chǎn)過程中，需要將巧克力原料冷卻到特定的溫度以便成型，通過PLC 的控制，制冷裝置將根據(jù)溫度傳感器反饋信息進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作[4]。PLC 還可控制加濕和除濕裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的控制。食品加工過程中需要調(diào)整生產(chǎn)環(huán)境的濕度水平，確保食品質(zhì)量良好。例如，在餅干生產(chǎn)過程中，需維持適當(dāng)?shù)臐穸缺Ｕ厦鎴F(tuán)的質(zhì)量和形狀，PLC可通過控制加濕器和除濕器調(diào)整生產(chǎn)環(huán)境的濕度。

2.3 輸送帶控制

2.3.1 運(yùn)行速度控制

食品自動(dòng)化機(jī)械中的輸送帶長(zhǎng)度通常是固定的，但運(yùn)行速度需根據(jù)不同的生產(chǎn)需求進(jìn)行調(diào)整。通過PLC控制器，可根據(jù)生產(chǎn)線的具體要求和工作步驟，實(shí)時(shí)調(diào)整輸送帶的運(yùn)行速度，確保生產(chǎn)線上的物料能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)到達(dá)目的地，避免過快或過慢的運(yùn)輸速度影響生產(chǎn)效率。

2.3.2 物料分揀和定位

食品生產(chǎn)過程中，需要將輸送帶上的原材料或成品按照一定的規(guī)則進(jìn)行分揀和定位，PLC 可通過控制驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)輸送帶上的物料分揀和定位。通過相應(yīng)的邏輯程序和傳感器的配合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物料的正確分揀和定位，確保各個(gè)工序的順利進(jìn)行。

2.3.3 輸送帶的停止和啟動(dòng)

生產(chǎn)線運(yùn)行過程中，有時(shí)需要暫時(shí)停止運(yùn)行，進(jìn)行維護(hù)、清潔、更換工作。通過PLC 的控制，可實(shí)現(xiàn)以按鈕或傳感器信號(hào)為觸發(fā)條件，對(duì)輸送帶進(jìn)行停止和啟動(dòng)的控制，方便操作員對(duì)輸送帶進(jìn)行控制，保證生產(chǎn)線順利安全地運(yùn)行[5]。

2.4 包裝機(jī)械控制

食品機(jī)械自動(dòng)化改造是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一，而包裝機(jī)械作為食品生產(chǎn)線中不可或缺的部分，負(fù)責(zé)將食品產(chǎn)品進(jìn)行包裝，對(duì)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)包裝機(jī)械的控制方式主要基于電氣控制和機(jī)械傳動(dòng)，受到很多限制，如功能擴(kuò)展困難、調(diào)試復(fù)雜等。PLC 的引入徹底改變了包裝機(jī)械控制的方式。①PLC 具有高度可編程性，可以根據(jù)不同需求靈活地編寫控制程序，實(shí)現(xiàn)各種功能擴(kuò)展和靈活變化。②PLC 能集成多個(gè)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)食品機(jī)械全面的控制和監(jiān)控，從而提高生產(chǎn)線的整體效率和穩(wěn)定性。③PLC 具有強(qiáng)大的故障檢測(cè)和診斷功能，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)包裝機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，并提供詳細(xì)的故障報(bào)告，方便及時(shí)維修和維護(hù)。在包裝機(jī)械控制方面，PLC 的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。①運(yùn)輸控制。PLC 可控制包裝機(jī)械中的傳送帶、輸送線等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)物料的運(yùn)輸和分揀。通過編寫適應(yīng)性強(qiáng)的控制程序，實(shí)現(xiàn)不同物料的精確運(yùn)輸、快速分揀和定位等功能。②包裝控制。PLC 能準(zhǔn)確控制包裝機(jī)械中的各個(gè)動(dòng)作部件，如夾具、打標(biāo)機(jī)、灌裝機(jī)等。通過編寫合適的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)不同包裝方式的切換、包裝速度的調(diào)節(jié)、包裝質(zhì)量的控制等。③堆疊控制。對(duì)于某些食品，如糕點(diǎn)、餅干等，需要將食品堆疊成一定的形狀或?qū)訑?shù)。PLC 可根據(jù)需求精確控制堆疊機(jī)械的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)食品的準(zhǔn)確堆疊和層數(shù)控制[6]。④數(shù)量統(tǒng)計(jì)和分揀。PLC 可編寫適當(dāng)?shù)某绦?，?shí)現(xiàn)對(duì)包裝機(jī)械中食品產(chǎn)品的數(shù)量統(tǒng)計(jì)和分揀。通過與傳感器配合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)食品的進(jìn)出數(shù)量，并按照設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行分揀和定位。⑤故障檢測(cè)和報(bào)警。PLC 具有強(qiáng)大的故障檢測(cè)和報(bào)警功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)包裝機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，并提供詳細(xì)的故障報(bào)告。發(fā)生故障時(shí)，PLC 能迅速診斷問題，并提供準(zhǔn)確的報(bào)警信息，使操作人員能及時(shí)采取措施，減少停機(jī)時(shí)間。

2.5 清潔和衛(wèi)生控制

2.5.1 控制設(shè)備的清潔

食品加工設(shè)備通常需要定期進(jìn)行清潔，確保設(shè)備表面以及內(nèi)部的衛(wèi)生。PLC 可通過編程控制清潔劑和水的供應(yīng)以及清洗劑的注入量和清洗時(shí)間，保證設(shè)備在清潔過程中按照特定的程序運(yùn)轉(zhuǎn)，以達(dá)到最佳的清潔效果。

2.5.2 監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備的衛(wèi)生狀態(tài)

PLC 可接收傳感器的信號(hào)，如生物傳感器、衛(wèi)生型溫度傳感器等，以檢測(cè)設(shè)備的工作環(huán)境是否符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)傳感器檢測(cè)到異常情況時(shí)，PLC 發(fā)出警報(bào)并采取相應(yīng)的控制措施，如停止設(shè)備的運(yùn)行，以防止出現(xiàn)衛(wèi)生不達(dá)標(biāo)的問題。

2.5.3 控制和監(jiān)控清潔劑和消毒劑的供應(yīng)

在食品加工過程中，可能需要使用不同類型的清潔劑和消毒劑清潔設(shè)備和生產(chǎn)線。PLC 可通過編程控制清潔劑和消毒劑的供應(yīng)，確保清潔劑和消毒劑以正確的比例混合和供應(yīng)。此外，PLC 還可監(jiān)測(cè)清潔劑和消毒劑的消耗量，以便及時(shí)補(bǔ)充[7]。

2.6 故障診斷和遠(yuǎn)程監(jiān)控

故障診斷是食品機(jī)械自動(dòng)化過程中不可或缺的一部分。在傳統(tǒng)的食品機(jī)械中，由于缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷手段，一旦出現(xiàn)故障，往往需要工程人員親自到現(xiàn)場(chǎng)查找問題，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而通過PLC 的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械故障的快速診斷和定位，進(jìn)一步提高食品機(jī)械的穩(wěn)定性和可靠性。PLC 通過對(duì)食品機(jī)械各個(gè)控制點(diǎn)的監(jiān)測(cè)和記錄，可以實(shí)時(shí)獲取機(jī)械運(yùn)行的數(shù)據(jù)。當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)故障時(shí)，PLC 能夠快速捕捉到異常信號(hào)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的故障診斷算法，確定故障類型和位置，如果機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常振動(dòng)，PLC 可以通過監(jiān)測(cè)電機(jī)的電流和振動(dòng)傳感器的信號(hào)，判斷是否為軸承故障，并指導(dǎo)工程人員及時(shí)更換出現(xiàn)故障的零部件。PLC 還可以通過編寫故障診斷的控制程序，對(duì)機(jī)械進(jìn)行自檢和故障快速排查，如通過設(shè)置合適的傳感器和開關(guān)，當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)卡死或堵塞等情況時(shí)，PLC 能夠自動(dòng)停機(jī)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的排查程序，檢查傳送帶是否卷料，輸送裝置是否被堵塞，進(jìn)而快速定位故障點(diǎn)，避免產(chǎn)生更大的損失。在食品機(jī)械自動(dòng)化改造后，PLC可以根據(jù)機(jī)械的工作情況和故障類型，自動(dòng)切換備用電源、調(diào)整傳動(dòng)裝置的參數(shù)等，進(jìn)而使機(jī)械迅速?gòu)墓收现谢謴?fù)，并保持正常的工作狀態(tài)。遠(yuǎn)程監(jiān)控是食品機(jī)械自動(dòng)化改造中的另一個(gè)重要應(yīng)用，通過PLC 的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，提高生產(chǎn)效率和降低成本。通過網(wǎng)絡(luò)連接，PLC 可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)上，方便工程人員隨時(shí)了解機(jī)械的運(yùn)行情況，比如工程人員可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，實(shí)時(shí)查看機(jī)械的溫度、壓力、速度等參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題。工程人員可通過遠(yuǎn)程控制軟件控制機(jī)械的啟動(dòng)、停止、速度調(diào)節(jié)等，提高生產(chǎn)效率和靈活性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和程序更新，減少因現(xiàn)場(chǎng)操作需要而產(chǎn)生的時(shí)間和成本。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的發(fā)展，PLC 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將會(huì)被進(jìn)一步發(fā)揮，為食品機(jī)械自動(dòng)化改造提供更有力的支持。另外，相關(guān)企業(yè)在食品機(jī)械自動(dòng)化改造方面要擴(kuò)寬視野，尤其是與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)進(jìn)行合作，通過學(xué)習(xí)提升本土企業(yè)的機(jī)械自動(dòng)化水平。