多顆粒態油辣椒物料自動灌裝機控制系統研究

龍飛帆 李榮隆

(1. 貴州省林業學校，貴州 貴陽 550201；2. 貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025； 3. 貴州師范大學地理環境科學學院，貴州 貴陽 550025)

自動灌裝機是包裝機械中的一類產品，廣泛應用于飲料、酒水、流體食品、醫藥和日化等行業，灌裝是其自動化生產過程中的關鍵環節，其灌裝速度和精度將直接影響產品的產量和品質[1-2]。當前中國自動化灌裝機械設備已經發展的比較成熟，但是針對多顆粒態油辣椒物料的自動化灌裝設備依然處于研發階段，多顆粒態油辣椒物料的灌裝主要還是采用傳統的人工瓢舀方式灌裝或者半自動化機械灌裝[3-5]。多顆粒態油辣椒物料是在油鍋里經過高溫炒制后獲得，并要求其在92 ℃左右的高溫環境下進行灌裝，以保證產品的口感和品質。高溫灌裝時雖然油液的流動性很好，但是固態顆粒物的成分復雜，密度不均勻，容易造成固液分層現象，從而導致灌裝產品固液比例不定，質量不一等問題。

針對上述灌裝時存在的問題，試驗擬結合多顆粒態油辣椒物料的物理特征和灌裝工藝要求，在胡飛等[6]研制的第一代固液分離式自動灌裝控制系統的基礎上通過對設備進行升級和改造，該控制系統具有更高的穩定性和可靠性，能夠實現多顆粒態油辣椒物料的高速、精確自動化灌裝。

1 油辣椒自動灌裝機基本結構及工作原理

研究的多顆粒態油辣椒自動灌裝機如圖1所示，主要由過濾分離裝置、攪拌下料裝置、儲油裝置、固體定量裝置、輸送裝置和在線補油裝置組成。固液分離裝置作用是將炒制好的油辣椒物料中的固態顆粒與油液分離，同時將固態顆粒輸送到攪拌料斗內，油液進入蓄油箱內。攪拌下料裝置由攪拌機構和螺旋下料機構組成，攪拌機構作用是將分離后的顆粒態物料進行二次攪拌以實現均勻化灌裝，螺旋下料機構的作用是將顆粒態物料通過螺旋葉片送進量杯內。儲油裝置的作用一方面是將從分離機構分離出來的油液存儲起來，另一方面為在線補油裝置供油。固體定量裝置由旋轉機構、量杯機構和氣動推料機構組成，旋轉機構的旋轉間歇時間(每個量杯的灌裝時間)為3 s，量杯機構上設有6個可調式量杯孔和一個余料刮板，攪拌下料裝置下料口處設有光電傳感器1用于檢測下料口處是否有空量杯，當有量杯經過下料口時，光電傳感器將檢測到信號反饋給PLC控制器，PLC根據檢測信號控制螺旋下料電機是否下料。下料完成后旋轉機構繼續旋轉進行下一個量杯的灌裝，余料刮板將超出量杯口的顆粒物料刮入余料槽，進行物料的回收再利用。氣動推料棒用于將量杯中的物料推送到空料瓶中。輸送裝置用于料瓶輸送，由2條鏈板輸送帶、1個氣動擋瓶裝置、1個氣動隔瓶裝置和1個氣動推瓶裝置組成。灌裝機啟動，輸送帶1也跟著啟動，擋瓶器伸出，輸送帶1的料瓶灌裝口處設有光電傳感器2，用于檢測是否有載料瓶經過料瓶灌裝口，當有載料瓶經過此處時，光電傳感器2將檢測到的信號反饋給PLC控制器，PLC根據檢測信號控制擋瓶氣缸，使擋瓶器復位，載料瓶就會在輸送帶1的作用下經過隔瓶器。隔瓶器處設有光電傳感器3，用于計算經過隔瓶器的載料瓶數，當計數達到4后傳感器會將信號反饋給PLC控制器，PLC通過控制隔瓶氣缸，使隔瓶器伸出，以阻止其他載料瓶繼續通過，緊接著推瓶器伸出，將載有物料的4個瓶子推上輸送帶2進行在線油料補償。在線補油裝置由稱量臺、注油閥、接油盤組成。載料瓶被推上輸送帶2后，接油盤立即縮回，灌裝閥打開進行注油，當料瓶總重達到設定值后，灌裝閥關閉，接油盤、隔瓶器復位，輸送帶2啟動將灌裝完成的料瓶送出，自動灌裝完成。

2 油辣椒自動灌裝機控制系統方案設計

2.1 總體方案設計

根據油辣椒物料的物理特性及灌裝機的工作原理，要求該控制系統能夠實現以下功能：① 能夠實現油辣椒物料固液分離、顆粒物料的灌裝、料瓶輸送、油液補償、計量及各個灌裝動作準確有序執行；② 該控制系統能夠實現灌裝瓶數、灌裝重量等的計量和顯示；③ 設備在運行期間，該控制系統能夠實時監控其運行狀況，設備運行出現故障時能夠及時停車和報警，并對故障碼進行鎖存。

1. 攪拌電機 2. 螺旋下料電機 3. 濾油機 4. 蓄油池 5. 推料棒 6. 注油嘴 7. 接油盤 8. 量杯轉盤 9. 輸送帶1 10. 擋瓶器 11. 隔瓶器 12. 輸送帶2 13. 推瓶器 14. 料瓶 15. 稱重反饋裝置 16. 光電傳感器1 17. 光電傳感器2 18. 光電傳感器3

于是試驗控制方案在下料裝置和量杯旋轉裝置部分采用半閉環伺服驅動控制系統，在灌裝的第二個環節在線補油部分加入稱重反饋裝置，使整個灌裝過程成為一個閉環控制，從而實現對最終灌裝質量進行精確控制。其總體控制方案如圖2所示。

圖2 灌裝總體控制方案

2.2 控制系統硬件組成

在灌裝機控制系統設計過程中，考慮到灌裝機各執行機構動作之間配合度要求高、傳感器多、干擾大[7]，而PLC具有穩定性高、抗干擾能力強、結構小巧，并且能夠適用復雜的工業環境[8-10]，因此采用PLC作為其核心工業控制器，該控制系統的主要硬件組成如圖3所示。

圖3 控制系統硬件組成

該控制系統采用信捷XC5系列的可編程控制器。通過光電傳感器實現物料檢測、料瓶檢測、料瓶計數等；采用稱重模塊可以實現油液在線定量補償和反饋；通過電磁閥組控制下料氣缸、擋瓶氣缸、隔瓶氣缸及注油頭等；通過伺服驅動器控制伺服電機實現下料和量杯轉盤的旋轉；通過變頻器控制變頻電機實現物料均勻攪拌和料瓶輸送；通過人機界面可以實現操作員對系統進行參數設置和實時監控。

2.3 控制系統軟件設計

該控制系統主要完成油辣椒物料的分離、攪拌、下料、顆粒物料定量、顆粒物料灌裝、料瓶輸送及在線補油等生產工藝的控制，系統設計采用運動控制和邏輯控制相結合，各工藝流程信號不能出現干擾[7]，其控制程序流程圖如圖4所示。油辣椒灌裝機軟件部分由初始化模塊、手動灌裝模塊、自動灌裝模塊、急停模塊組成。初始化模塊主要用于對油辣椒灌裝機控制系統進行狀態復位和數據清零等。手動模塊主要用于灌裝機調試，可以單獨控制各執行機構運動，便于灌裝過程的及時調整和停機調試。自動模塊作為自動控制系統軟件的核心模塊，通過觸摸屏將相關參數信息傳給PLC，PLC控制各電機和氣缸運動，從而自動實現整個灌裝工藝過程。急停模塊主要用于灌裝機運行過程中出現突發緊急情況時，通過按下急停旋鈕使系統會立即停止運行，而當故障清除急停旋鈕復位后系統會繼續執行灌裝過程。

圖4 控制程序流程圖

用戶界面(HMI)作為操控員和系統之間進行信息交互的媒介，由硬件和軟件兩部分組成，操控員可以通過用戶界面實現對控制系統的運行狀況進行實時跟蹤監控和管理，對工藝參數進行設置、修改和調整?？紤]到操作簡易性和實用性等，用戶界面采用液晶觸摸屏。觸摸屏界面分為操作畫面、參數設定畫面和警告提示3部分，其中操作畫面包括自動控制畫面和手動控制畫面，觸摸屏畫面如圖5所示。

圖5 觸摸屏畫面

3 油辣椒灌裝試驗

為了驗證前面所設計的控制系統能否滿足實際灌裝需求，項目組按照設計要求對其進行了現場灌裝來驗證該控制系統的穩定性和灌裝精度。以某品牌油辣椒系列產品中的210，220，280 g瓶裝香辣脆為灌裝對象進行灌裝試驗，從60瓶樣品中隨機抽取24瓶，用時約3 min 30 s。該系列產品要求灌裝速度在360～500瓶/h，灌裝精度在±3%，油辣椒中固體顆粒含量不低于60%，灌裝溫度在60～80 ℃。灌裝結果見表1。對于24瓶樣品的平均固體含量百分比約為63.6%，灌裝合格率為100%，平均灌裝速度約為411瓶/h。灌裝試驗結果表明，試驗所設計的控制系統的穩定性較好。

表1 不同規格瓶裝油辣椒灌裝試驗表

4 結論

利用PLC控制技術，結合多顆粒態油辣椒物料的物理特征和企業實際灌裝工藝要求，研制出了新一代油辣椒灌裝機控制系統，該控制系統灌裝合格率為100%，平均灌裝速度約為411瓶/h，平均固體含量約為63.6%，能夠很好地實現多顆粒態油辣椒物料的高速、精確自動化灌裝，滿足了企業的生產需求，且具有良好的通用性與經濟性。