基于PLC控制的自動(dòng)稱(chēng)重配料設(shè)備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李 磊 汪 磊 周 婧

(1. 天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350；2. 天津科技大學(xué)，天津 300222)

在食品、藥品、化工等行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)原材料進(jìn)行配料，即將多種原料按照預(yù)定的比例進(jìn)行混合，然后經(jīng)過(guò)一系列的生產(chǎn)工藝過(guò)程，最終形成產(chǎn)品，配料的精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。實(shí)際生產(chǎn)中，大多企業(yè)仍采用人工稱(chēng)重的方式進(jìn)行配料，效率低，且配料精度不高，也經(jīng)常出現(xiàn)由于人工操作失誤而造成產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。

當(dāng)前在一些需要配料和稱(chēng)重的行業(yè)中，如田智慧等[1]設(shè)計(jì)的一種適用于洗衣粉配料稱(chēng)重包裝設(shè)備，趙國(guó)軍等[2]設(shè)計(jì)的一種高效率的稀土定量稱(chēng)重包裝設(shè)備，均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同原料進(jìn)行稱(chēng)重、配料等過(guò)程的自動(dòng)化控制，但以上研究設(shè)備均存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，設(shè)備成本高等缺點(diǎn)。在食品行業(yè)中，大量的中小企業(yè)不一定有足夠的場(chǎng)地和資金來(lái)配套全自動(dòng)的稱(chēng)重配料生產(chǎn)線。因此，試驗(yàn)擬開(kāi)發(fā)一種適用于食品等行業(yè)中多種類(lèi)原料自動(dòng)配料、精確稱(chēng)重及配方管理的自動(dòng)化設(shè)備。

1 多物料連續(xù)配料設(shè)備

1.1 設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)

多物料連續(xù)稱(chēng)重配料設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。該設(shè)備最大尺寸為800 mm×800 mm×1 600 mm，工作臺(tái)上布置有A、B、C 3套料倉(cāng)總成和稱(chēng)重設(shè)備，料倉(cāng)內(nèi)可根據(jù)配方需要添加粉末或顆粒物料，攪拌電機(jī)可以防止料倉(cāng)內(nèi)物料出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，螺桿輸送機(jī)和料倉(cāng)間通過(guò)法蘭連接，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)將料倉(cāng)內(nèi)物料輸出，物料在重力作用下落入配料盤(pán)中，配料盤(pán)放置在稱(chēng)重支架上，稱(chēng)重支架內(nèi)部安裝有稱(chēng)重傳感器，用來(lái)檢測(cè)下落物料的重量，料倉(cāng)總成和稱(chēng)重設(shè)備均通過(guò)螺栓固定到工作臺(tái)臺(tái)面上，工作臺(tái)具有減震功能，降低設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的震蕩對(duì)稱(chēng)重過(guò)程的干擾。

1.2 工藝過(guò)程

1. 攪拌電機(jī) 2. A料倉(cāng)總成 3. B料倉(cāng)總成 4. C料倉(cāng)總成 5. 螺旋送料機(jī) 6. 步進(jìn)電機(jī) 7. 配料盤(pán) 8. 稱(chēng)重設(shè)備 9. 工作臺(tái)

以食品加工業(yè)中餅干制作過(guò)程為例，介紹該設(shè)備連續(xù)配料稱(chēng)重過(guò)程[3-4]。餅干在制作過(guò)程中需要添加多種食品添加劑來(lái)提升口感和外觀。在配料過(guò)程中，需要將多種添加劑原料按照一定的比例混合加入面粉中，文中介紹的連續(xù)配料設(shè)備包含有3套獨(dú)立料倉(cāng)總成，每個(gè)料倉(cāng)中放置餅干制作所需的食品添加劑。根據(jù)設(shè)定配方，料倉(cāng)總成螺旋送料機(jī)向配料盤(pán)中輸出物料，當(dāng)稱(chēng)重模塊反饋重量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，該料倉(cāng)送料機(jī)停止供料，下一料倉(cāng)總成開(kāi)始工作，依次循環(huán)，直至完成設(shè)定的配料任務(wù)。整個(gè)配料稱(chēng)重過(guò)程完全采用自動(dòng)化控制，提高了配料的準(zhǔn)確率和生產(chǎn)效率。

1.3 設(shè)計(jì)要求

在餅干配料過(guò)程中，為了提高配料精度、生產(chǎn)效率和智能管理，對(duì)該設(shè)備提出以下要求。

(1) 可準(zhǔn)確稱(chēng)量物料重量，根據(jù)餅干配方要求，單種配料重量誤差率應(yīng)控制在±1%以內(nèi)。

(2) 應(yīng)能夠?qū)Ψ勰┗蛐☆w粒狀添加劑進(jìn)行連續(xù)供料，且各料倉(cāng)供料的速度可調(diào)。在生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)定完配方參數(shù)后可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)配料。

(3) 應(yīng)具有良好的人機(jī)交互界面，能夠?qū)崿F(xiàn)配料過(guò)程的配方管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警信息等功能。

(4) 應(yīng)具有良好的通信能力，能夠快速、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制元件之間的數(shù)據(jù)交互，能夠方便引入其他控制模塊，實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)餅干配料工藝過(guò)程分析，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)組成[5-8]如圖2所示。上位機(jī)采用MCGS軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)PROFINET技術(shù)實(shí)現(xiàn)與PLC的實(shí)時(shí)通訊，控制器使用西門(mén)子S7-1200系列PLC，CPU型號(hào)選用1214C，輸入14通道、輸出10通道。稱(chēng)重傳感器型號(hào)為MT1022，精度等級(jí)為C3，額定容量為3 kg，最小檢測(cè)重量為1 g。稱(chēng)重模塊采用西門(mén)子WP231模塊，可以直接集成在PLC上，該模塊可將傳感器的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞給控制器中，測(cè)量精度達(dá)到0.05%。

圖2 控制系統(tǒng)組成

PLC和稱(chēng)重模塊輸入輸出端口分配如表1所示。

表1 輸入/輸出變量地址

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 供料精度控制方法

3.1.1 螺旋送料機(jī)分級(jí)控制 螺旋送料機(jī)的給料能力及精度取決于螺旋設(shè)計(jì)參數(shù)，由式(1)計(jì)算：

Q=60πD2SnΨλε/4，

(1)

式中：

Q——輸送量，t/h；

D——螺旋葉片直徑，m；

S——螺距，m；

n——螺旋轉(zhuǎn)速，r/min；

Ψ——填充系統(tǒng)，取0.46；

ε——傾斜輸送系數(shù)，取0.94；

λ——物料單位容積質(zhì)量，t/m3。

螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速取值應(yīng)在適當(dāng)?shù)姆秶?，轉(zhuǎn)速太低則輸送量不大，轉(zhuǎn)速過(guò)高則物料與葉片間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，使輸送量降低。由于該設(shè)備對(duì)物料稱(chēng)重精度要求較高，所以設(shè)備在輸出物料時(shí)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速采用分級(jí)控制[9-11]的方式，即將送料分為粗給料和細(xì)給料兩個(gè)階段。當(dāng)輸出物料質(zhì)量未達(dá)到目標(biāo)量的90%時(shí)采用粗給料方式，然后采用細(xì)給料方式供料。綜合考慮送料時(shí)間和輸送量的準(zhǔn)確性，設(shè)備在進(jìn)行粗給料時(shí)，螺旋軸轉(zhuǎn)速取100～180 r/min；設(shè)備在進(jìn)行細(xì)給料時(shí)，螺旋軸轉(zhuǎn)速取20～60 r/min。同時(shí)，當(dāng)處于細(xì)給料階段時(shí)，采用閉環(huán)PID控制方式對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

3.1.2 空中物料補(bǔ)償 當(dāng)稱(chēng)重傳感器檢測(cè)重量等于設(shè)定重量時(shí)，控制器將停止電機(jī)動(dòng)作。但此時(shí)仍有部分物料處于下落過(guò)程，為提高最終物料稱(chēng)量精度，系統(tǒng)采用對(duì)空中物料補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行修正。由式(1)可知，空中物料的重量與落料口高度、螺旋直徑、螺距、螺旋轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。該設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)中影響空中物料重量最大因素是螺旋轉(zhuǎn)速，通過(guò)測(cè)試找出兩者之間的關(guān)系。測(cè)試方法：設(shè)定稱(chēng)重200 g，螺旋轉(zhuǎn)速20～60 r/min，轉(zhuǎn)速間隔5 r/min，每階段速度下進(jìn)行稱(chēng)重測(cè)量3次，取平均值且精確到0.1 g。表2中測(cè)試數(shù)據(jù)為未加入空中物料補(bǔ)償時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)速與空中物料重量之間的關(guān)系。

將表2中測(cè)試數(shù)據(jù)載入Matlab軟件中，對(duì)載入的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，曲線如圖4所示，得出螺桿旋轉(zhuǎn)速度x與空中物料重量y兩者之間的函數(shù)關(guān)系式為：

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 曲線擬合

y=0.13x+1.88。

(2)

同理求得設(shè)備中其他料倉(cāng)物料補(bǔ)償系數(shù)。

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面使用MCGS軟件設(shè)計(jì)，其主要功能是設(shè)置各被控量參數(shù)，顯示和存儲(chǔ)物料重量信息，顯示報(bào)警信息，并通過(guò)PROFINET向下位機(jī)發(fā)送相關(guān)控制命令和接收所需的數(shù)據(jù)。上位機(jī)控制界面主要由手動(dòng)調(diào)試界面和自動(dòng)運(yùn)行界面組成。

圖5為手動(dòng)調(diào)試界面，該界面可設(shè)置粗給料、細(xì)給料條件下電機(jī)轉(zhuǎn)速，設(shè)定稱(chēng)重重量和設(shè)置空中物料補(bǔ)償系數(shù)，并將參數(shù)傳輸至PLC指定數(shù)據(jù)寄存器中。另外，調(diào)試界面可以單獨(dú)控制設(shè)備中任意電機(jī)的啟停。也可通過(guò)啟動(dòng)、停止按鈕實(shí)現(xiàn)單物料供料工作過(guò)程。

圖5 手動(dòng)調(diào)試界面

圖6為自動(dòng)運(yùn)行界面，該界面使用MCGS軟件中配方設(shè)計(jì)功能，通過(guò)軟件中腳本程序和策略的運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同配方中各料倉(cāng)出料重量參數(shù)的設(shè)定，并通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)配方的編輯、保存、刪除等功能。使用上個(gè)配方和下個(gè)配方按鈕來(lái)切換配方，或直接通過(guò)改變配方號(hào)選擇配方，確定后點(diǎn)擊加載配方按鈕，數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)至PLC相應(yīng)寄存器中，報(bào)警界面可根據(jù)傳感器信號(hào)檢測(cè)物料是否充足，同時(shí)對(duì)測(cè)量物料重量誤差超出上下限情況進(jìn)行報(bào)警和記錄。

圖6 自動(dòng)運(yùn)行界面

3.3 PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)控制要求設(shè)計(jì)PLC的控制流程圖，該系統(tǒng)中PLC控制流程圖如圖7所示。

圖7 PLC控制流程圖

設(shè)備上電后，控制系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，檢查各模塊間通信是否正常，各料倉(cāng)物料是否充足，是否存在需處理的報(bào)警信息等，自檢完成后可進(jìn)行操作模式選擇。

選擇手動(dòng)操作模式時(shí)，可對(duì)任意一個(gè)料倉(cāng)供料過(guò)程進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，以確定粗給料和細(xì)給料速度螺桿轉(zhuǎn)速，調(diào)試完成后可將速度參數(shù)加載至PLC指定存儲(chǔ)器進(jìn)行保存，在設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行時(shí)調(diào)用。另外，手動(dòng)模式下，為方便調(diào)試可啟停設(shè)備中任意電機(jī)，也可實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度。

選擇自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，當(dāng)設(shè)定完配方中各物料重量參數(shù)后加載配方并啟動(dòng)設(shè)備，PLC首先控制A料倉(cāng)開(kāi)始供料，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋供料裝置進(jìn)行粗給料，物料在重力作用下落入配料盤(pán)，稱(chēng)重傳感器檢測(cè)重量后將模擬信號(hào)至傳輸稱(chēng)重模塊中，處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至PLC中，當(dāng)測(cè)量重量接近設(shè)定重量時(shí)，控制系統(tǒng)調(diào)用細(xì)給料參數(shù)，當(dāng)檢測(cè)重量等于設(shè)定重量時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止，攪拌電機(jī)停止。此時(shí)，上位機(jī)存儲(chǔ)并顯示最終測(cè)量重量。

依次循環(huán)，下一料倉(cāng)開(kāi)始供料。當(dāng)將配方中某物料重量設(shè)定為0時(shí)，控制系統(tǒng)將跳過(guò)該料倉(cāng)。

4 對(duì)比試驗(yàn)分析

以某種餅干配料過(guò)程為例將人工配料與該設(shè)備配料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為某餅干配方中設(shè)定A、B、C 3種物料重量均為500 g，稱(chēng)重誤差率在±1%范圍內(nèi)均屬合格。

人工配料是目前食品企業(yè)中主要的配料方式，其稱(chēng)重精度主要與稱(chēng)量工具、工人熟練程度、稱(chēng)量時(shí)間等因素相關(guān)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)，熟練技術(shù)工人稱(chēng)重500 g物料平均用時(shí)約10 s。將設(shè)備出料速度設(shè)定為中等(粗給料為160 r/min，細(xì)給料為30 r/min)，設(shè)置空中物料補(bǔ)償系數(shù)，稱(chēng)重500 g用時(shí)約7 s，該設(shè)備稱(chēng)重效率高于人工方式。

按照配方要求各完成10次連續(xù)稱(chēng)重，各物料稱(chēng)量誤差結(jié)果如表3所示。

表3 物料稱(chēng)量誤差對(duì)比

由于試驗(yàn)配方中A、B、C 3種物料均為粉末狀，物料密度和特性基本相同，且試驗(yàn)條件相同。因此將3種物料測(cè)試數(shù)據(jù)作為同一個(gè)樣本進(jìn)行分析。該樣本中稱(chēng)重誤差為隨機(jī)變量X，則該隨機(jī)變量X的概率密度函數(shù)[12-13]為：

(3)

式中：

μ——隨機(jī)變量平均值；

σ2——此隨機(jī)變量方差。

式(3)正態(tài)分布記作N(μ，σ2)。

根據(jù)表2中樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算得人工稱(chēng)量的正態(tài)分布曲線N1(1.54,1.7132)，自動(dòng)稱(chēng)量設(shè)備的正態(tài)分布曲線N2(0.34,1.3632)，其直方圖和正態(tài)分布曲線如圖8所示。

圖8 正態(tài)分布曲線

由正態(tài)分布的隨機(jī)變量概率規(guī)律可知，距平均值μ近的值的概率大，而距離μ遠(yuǎn)的值概率越??；σ越小，概率分布越集中在μ附近，σ越大，概率分布越分散。將試驗(yàn)曲線轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)，當(dāng)取稱(chēng)重誤差值范圍為±3 g時(shí)，查表得人工稱(chēng)重滿足要求的概率約為79%，使用設(shè)備自動(dòng)稱(chēng)重時(shí)滿足的概率約為96.7%。因此，該設(shè)備稱(chēng)重精度和可靠性高于人工方式。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了適用于食品行業(yè)中餅干配料過(guò)程的自動(dòng)化設(shè)備，該設(shè)備采用PLC作為控制核心，對(duì)螺旋供料和稱(chēng)重過(guò)程采用閉環(huán)控制，對(duì)供料電機(jī)進(jìn)行分級(jí)調(diào)速，并且增加了空中物料補(bǔ)償修正，提高了設(shè)備稱(chēng)量精度。根據(jù)試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)，設(shè)備準(zhǔn)確性、可靠性高于人工稱(chēng)重方式。該設(shè)備也適用于其他食品、化工、制藥等對(duì)精確稱(chēng)重和自動(dòng)配料有需求的企業(yè)，具備推廣價(jià)值。后續(xù)將開(kāi)展對(duì)設(shè)備的模塊化、參數(shù)化設(shè)計(jì)，方便設(shè)備成組使用。