食品定量稱重包裝控制系統設計

王萌

河南經貿職業學院（鄭州 450003）

隨著社會的不斷發展，人們的生活水平得到大幅提高，奶粉、豆奶粉、核桃粉等食品消耗量逐年提升。在電子控制稱重器出現之前，食品生產企業通常采用人工稱重方式進行稱重再完成包裝，這種稱重方式通常采用機械稱進行靜態稱量。但這種稱重方式往往工作強度大，且稱重精度往往受人為因素影響，從而使得稱重質量不高。

為了提高食品稱重效率和稱重精度，需要設計一款能夠自動完成稱重包裝等工藝的動態定量稱重系統。系統需要集機械設計、計算機技術、傳感器技術及自動控制技術于一體，能夠自動完成稱重，并能夠對稱重系統數據進行采集。稱重控制系統作為稱重系統的大腦，在食品配料過程中通常需要多個控制器協調完成稱重，從而要求稱重控制器能夠相互進行通訊。食品稱重包裝環境通常比較惡劣且工作時間較長，因此需要控制器中的硬件部分要求具有較高可靠性，能夠適應復雜的工作環境。因此，稱重系統中的控制器的控制精度直接決定稱重包裝產品的質量。

為了提高稱重質量，且保證稱重控制系統能夠穩定可靠地在復雜多變的工作環境中長時間運行，設計一款基于PLC的食品稱重包裝控制系統，通過傳感器采集食品質量，由PLC控制器完成判斷，最終完成食品的定量稱重包裝。

1 食品定量稱重系統

食品定量稱重包裝控制系統主要由定量稱重系統和自動包裝系統兩部分構成。定量稱重單元主要由給料裝置、攜帶傳感器的稱斗、下料料斗及稱重控制器組成。其中，稱重控制器作為食品定量稱重系統核心，控制器的控制精度、控制方法及控制器靈敏度等對于稱重精度具有重要影響。定量稱重包裝系統結構簡圖如圖1所示。

稱重控制器收到上位機下發的開始稱重指令后，稱重控制器向給料裝置A和B發出控制信號，料斗開始進行粗給料快速下料，食品進入到稱斗后，由稱斗中的稱重傳感器采集重量信號，信號經過A/D轉換模塊傳送到控制器中。控制器通過比較當前采集到的食品重量與目標重量的偏差，當偏差在一定范圍時，控制器對給料裝置A和B發出精給料信號開始進行緩慢下料，通過緩慢下料進行精確稱重。控制器在發出停止加料信號時，往往會有一部分食品剛脫離給料裝置，使得最終稱重大于目標值。針對此情況通常通過控制器進行判斷，在達到目標值之前停止加料，下料落下傳感器測量值達到穩定后，控制器再進行偏差子判斷，控制精給料直到達到目標重量。

圖1 定量稱重包裝系統結構

2 硬件系統設計

根據食品定量稱重包裝工藝流程及控制要求，采用基于PLC和觸摸屏的控制形式，控制系統硬件結構如圖2所示。控制系統主要組成為：

1) 核心控制器。核心控制器主要由松下PLC等模塊組成，PLC主要完成邏輯動作指令下發，并采集傳感器傳送過來的模擬量信號，根據運算結果控制下料電機的動作。

2) A/D采集模塊。AD采集模塊主要負責采集稱重傳感器信號，并通過轉換將其轉換成數字量，并由PLC完成重量偏差計算。

3) 稱重傳感器。稱重傳感器主要負責測量稱量斗內的食品重量，并將其傳送到A/D模塊中。

4) 直流電機驅動器。由PLC發出電機驅動信號后，控制卸料電機動作。

5) 觸摸屏。觸摸屏主要負責稱重包裝參數設置、部分命令下發、數據采集及故障監控。

6) 顯示基板。顯示基板為觸摸屏冗余，主要作用同觸摸屏完全相同，在觸摸屏出現故障情況下同樣能夠采集數據、設置參數、下發運轉指令。

為了精確采集食品重量，選用Z6FC3-100型傳感器，傳感器通過重力擠壓電阻，電阻發生應變實現重量稱量。傳感器標準額定稱重為10 kg，為六線制接線方式。稱重系統中共采用4個傳感器，在A稱重器中和B稱重器中分別使用2個。傳感器接線示意圖如圖3所示。

圖2 系統硬件框圖

圖3 傳感器接線示意圖

3 軟件系統設計

食品定量稱重包裝控制系統需要實現食品流量的精確控制，完成一次完整的稱重控制流程如圖4所示。通過觸摸屏啟動按鈕；稱重系統開始運行，系統進入安全回路確認即稱料斗內有無物料、卸料門是否處于關閉狀態，安全回路確認通過后開始稱重。PLC控制器控制驅動粗給料電電機和精給料電機運動，從而給料閥門打開，食品開始快速落入稱重料斗中。PLC檢測到食品重量達到一定值時，則關閉粗給料電機，精給料電機繼續運轉進行放料，質量達到設定值時，精給料電機停止轉動，給料門全關閉，稱重結束。實際質量超出目標值上限時，稱重控制器再給出稱重結束信號后，進行超出上限值報警。若實際值并未達到目標值下限時，精給料電機繼續運轉進行補料。

圖4 控制流程圖

為使稱重控制系統命令下發、數據采集顯示、故障信息提醒，基于人機觸摸屏開發相關人機交互系統。觸摸屏系統運行界面如圖5所示。主界面中包含部分運轉按鈕、控制按鈕、運行狀態顯示、完成包裝數量合格數量統計及其他一些界面。

圖5 運行界面

4 結語

為提高食品定量稱量機械自動化程度、提高企業生產效率、降低工人勞動強度，設計一款基于PLC和觸摸屏相結合的定量稱重控制系統。詳細介紹控制系統硬件結構，并在此基礎上給出控制系統PLC程序設計流程圖，結合稱量工藝及控制方式，設計人機觸摸屏畫面，通過觸摸屏實現定量稱重系統命令下發、數據采集、故障顯示等。該控制系統結構簡單，穩定性高，抗干擾能力強。控制系統能夠顯著提高稱重系統自動化程度，對提升食品稱量包裝企業生產效率具有重要意義。