解決不均勻食品的定量包裝填充技術問題的設計方法

阮 宇

（湛江市質量計量監督檢測所，湛江 524096）

1 食品定量包裝填充技術存在的問題

食品定量包裝的凈含量控制水平，是判斷食品生產企業水平的一個重要因素。定量包裝商品是指以銷售為目的，在一定的量限范圍內具有統一的質量、體積、長度標注等標識內容的預包裝商品。從1995年起，我國根據國際法制計量組織（OIML）的有關規定先后發布了《定量包裝商品計量管理規定》《商品量計量違法行為處罰規定》等法規，旨在規范市場定量包裝商品，保障消費者的合法權益。

視密度相對穩定、自流性好、顆粒大小均勻的固體物料可采用容積式定量填充，而顆粒大小不均勻不規則、視密度不穩定的粉、粒物料可采用稱重式定量填充，但這兩種定量填充包裝技術的填充速度慢，完成大批量生產要求比較吃力。同時，由于片或塊狀不規則固體物料的特性是個體不可分割，大小不一致，如臘腸、薯片、果脯、鳳爪、雞翅類食品等，這種物料的凈含量計量很難控制。此類食品既難以使用容積式定量填充，又不能采用稱重式定量填充。如采用手工過秤計量的傳統定量填充方式，定量精度差，填充速度低。

2 解決不均勻食品的定量包裝填充技術問題的設計方法

現設計電腦組合秤，其原理基于組合稱量技術，解決不均勻食品的定量包裝計量問題，有效提高計量精度和速度。

按料斗的個數來分，電腦組合秤可分為10、16、20、28、32、40、48、56個，比較普遍的是：20、24或 28個。每一組配備稱料斗和儲料斗各一個，料斗的容量在200～500mL，分度值為0.1g，總容納質量可達500kg，最快能夠每分鐘稱量打包350次。電腦組合秤是智能組合型定量自動包裝衡器的一種，通過組合稱量技術可以調整產品在定量包裝計量過程中的重量，使大批量的定量包裝任務能更加容易實現，從而豐富了稱量功能和擴展了定量秤的應用范圍。

2.1 組合稱量的工作原理

組合秤由以下兩個部分組成：計算機和數個相同性能的獨立稱量部件。實例中使用10個稱料斗，給料器中的物料被電磁振動進入備料斗，暫時儲存起來，緊接著打開備料斗，物料傾泄入稱量斗，通過稱量裝置稱量物料重量，計算機系統同時計算出當中最接近或稍大于標定值的稱量斗的組合，確定為物料的輸出總量。這樣就實現了快速而準確地對粗顆粒或小塊狀等不規則的散體物料的稱重和包裝。

稱重傳感器（一般是2或3個）及控制開關的閘門均安裝在一個稱料斗上，料斗內物料的重量經過稱重傳感器稱得后通過電信號的形式輸送到計算機，再由系統根據參數的設定值進行計算分析后，對各組數據進行篩選，選取產品目標重量范圍內的最佳稱料斗組合作為輸出的結果。被選中的稱料斗由系統標記并發出指令，打開最佳組合的若干個稱料斗的閘門，將物料釋放并集中到卸料斗里，再排入待裝包裝袋內等候包裝。沒有選中的稱量斗里的物料仍存放于斗內，等候下一個工作循環，直接參與組合計算。若連續30個工作循環過程中，某個稱料斗都不能被選取，則系統會強迫選中該稱料斗，在含有該稱料斗重量的組合中進行計算得出最佳組合，并在卸掉該稱料斗內的物料后對該斗上的稱重傳感器進行自動調零。

在保證計量精度的前提下，電腦組合秤的每一個料斗的加料預設值設置為待裝重量的1/5到1/3。電腦組合秤系統運行組合計算時沒有采用全部組合，根據參與組合的稱料斗數目，計算機運用式（1）能夠計算出其組合個數。

式中，m為稱量斗的總數量；i為參與組合的斗數量。

圖1 控制流程

組合秤的計算機控制系統如圖1所示。組合秤要完成60包/min以上的任務，包括檢測重量、計算組合、選取最佳的稱斗組合等。控制中心選用美國Microchip公司生產的高級PLC（Programmable Logic Controller）單片機，可以在一個指令周期內完成“8位×8位”的二進制乘法，指令為單周期、單字指令，它采用16位的RISC指令集、二級流水取指方式、哈佛總線，結構優點突出：性價比高、功耗低、功能強、指令集小、速度快、體積小等。

本系統則選用該款高性能的PIC（Peripheral Interface Controller）單片機（8位CPU），檢測、計算、控制輸出一氣呵成，能同時滿足組合秤實時控制時對精度的要求和包裝時對速度的要求。控制系統的工作流程如下：多路開關接到單片機發送的控制信號后，以時間先后的順序分別選取稱重傳感器10個，放大控制信號后，再經過A/D轉換，10個信號被輸入到單片機，經組合分析計算后，最佳組合的稱量斗編號組被確定，系統控制對應編號的稱量斗的步進電機的方向以及轉速，打開該組的各稱料斗的料門，把物料卸出，料門關閉，完成一組工作循環。系統設置了狀態開關檢測儲料斗中的物料位置，還有功能顯示、工作異常報警和鍵盤電路的設計，進一步完善了系統功能。

2.2 組合稱量的控制軟件設計

控制軟件由主程序、A/D采集、數據濾波、組合計算、顯示子程序、鍵盤服務子程序等幾組模塊組成。根據組合稱量系統的要求，設計采用結構化的方法。主程序的設計框圖如圖2所示。

組合計算的程序模塊按以下思路設計：秤量的分度值設為0.1g，選其中3～5個料斗，進行組合計算后即可以得到合適的組合。每次從10個料斗中選i個進行計算，i=3時，對應的組合編號為（a、b、c）；i=4時，對應的組合編號為（a、b、c、d）；i=5時，對應的組合編號為（a、b、c、d、e）。假定M的目標重量為100g，A、B、C、D、E分別為編號a、b、c、d、e對應的稱量值，組合后的加和值為W。高級的PIC單片機的結構形式先進，執行指令的速度快，系統CPU的晶振頻率為40MHz，在該頻率時只需100ns就可以完成一條指令，也就是說完成1千萬條的指令也僅僅需要1s的時間，這種速度完全能滿足組合秤的工作要求。組合計算的程序框圖如圖3所示。

圖2 主程序設計框圖

圖3 組合計算的程序框圖

3 結語

實踐證明，高級PIC單片機作為控制中心的組合稱量系統優點突出，節省成本，方便操作，使組合稱量技術得到應用與發展。