粉狀食品定量稱量包裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁禮群

廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院（南寧 530007）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平正在逐步提高，而粉狀食品也逐漸成為人們生活的必須品。粉狀食品加工生產(chǎn)過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)便是定量稱量包裝，稱量精度和包裝速度直接影響食品生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率[1-3]。傳統(tǒng)的食品稱量包裝通常通過人工稱量、手工包裝的方式進(jìn)行，但該方式已不能滿足食品加工企業(yè)對(duì)高自動(dòng)化、智能化以及高生產(chǎn)率的要求[4-8]。因此市場(chǎng)上迫切需要一款智能自動(dòng)稱量、自動(dòng)包裝的食品稱量包裝機(jī)，以滿足食品生產(chǎn)企業(yè)的需求。

電子稱重包裝是在電子稱重基礎(chǔ)上引入自動(dòng)包裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)是集機(jī)械、電氣、自動(dòng)控制以及計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一體的智能自動(dòng)稱量包裝設(shè)備。控制系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的大腦，控制器通過協(xié)調(diào)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)完成食品下落、稱量、包裝。

動(dòng)態(tài)定量稱量中不僅需要提高稱重速度，且需要保證稱重精度。在企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)過程中，如何同時(shí)保證稱量速度和稱量精度，一直是企業(yè)和計(jì)量領(lǐng)域中研究的一個(gè)重要課題。為了提高動(dòng)態(tài)定量稱量精度和稱量速度，設(shè)計(jì)了一種智能控制算法，采用基于模糊PID控制算法，發(fā)揮模糊控制的自我調(diào)節(jié)、自適應(yīng)特性，以最優(yōu)的PID控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)稱重精度和稱重速度的合理優(yōu)化。以PXA270微處理器為控制系統(tǒng)硬件，并在軟件中的模糊控制理論，針對(duì)動(dòng)態(tài)定量稱量系統(tǒng)提出了一種新的智能控制策略。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 稱重包裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

粉狀定量稱量包裝系統(tǒng)主要包括兩大部分，一部分是定量稱量系統(tǒng)，另一部分是自動(dòng)包裝系統(tǒng)。定量稱量系統(tǒng)主要由送料系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、送料斗以及包裝系統(tǒng)等組成。

自動(dòng)包裝單元主要由控制器、封口機(jī)等組成，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2 定量包裝控制原理

粉狀食品定量稱量包裝控制系統(tǒng)如圖2所示。下料控制系統(tǒng)主要由PXA270控制器、變頻器、稱重傳感器、觸摸屏等電氣設(shè)備組成。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中的稱重傳感器將重量信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20 mA電信號(hào)，模擬量采集模塊再將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并傳送到CPU控制器中。通過與觸摸屏設(shè)定的目標(biāo)重量進(jìn)行比較，定量控制系統(tǒng)采用粗加料系統(tǒng)A進(jìn)行快速加料，從而滿足速度要求；當(dāng)重量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則通過精加料系統(tǒng)B進(jìn)行補(bǔ)料，并通過模糊PID控制方式進(jìn)行加料，從而提高稱量精度。

圖2 自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

定量稱重包裝系統(tǒng)控制器采用嵌入式工控主板，該工控機(jī)在PXA270微處理器的基礎(chǔ)上增加了同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存（SDRAM）和Flash閃存，并由以太網(wǎng)等外圍芯片和外部接口等組成。PXA270是一款功能強(qiáng)大的嵌入式處理器，PXA270在嵌入式Linux或Wince操作系統(tǒng)下能夠支持多種媒體格式，通過軟件的不斷改善，可以支持后期開發(fā)的媒體格式。PXA270作為稱重系統(tǒng)的核心處理中心，具有100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口以及多種觸摸屏通信串口。

控制系統(tǒng)硬件構(gòu)如圖3所示。動(dòng)態(tài)定量稱重系統(tǒng)中重量信號(hào)經(jīng)過放大變送后被傳送到模擬量數(shù)據(jù)輸入模塊中，模擬量采集模塊將數(shù)據(jù)處理后傳送到微處理器中，CPU根據(jù)信號(hào)大小計(jì)算出食品具體的重量，并通過數(shù)字量輸入輸出模塊控制電機(jī)和閥門的動(dòng)作。控制系統(tǒng)中通過串行通訊模塊與上位機(jī)觸摸屏進(jìn)行通信。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖4 螺旋電機(jī)主電路

如圖4所示，螺旋電機(jī)A和螺旋電機(jī)B均通過交流接觸器KM1和KM2進(jìn)行控制，并由熱繼電器保護(hù)器FR1和FR2對(duì)電機(jī)A和B進(jìn)行過熱保護(hù)，當(dāng)電機(jī)過熱時(shí)，F(xiàn)R1和FR2斷開從而切斷電機(jī)供電，并將反饋傳送到控制器的輸入中。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制流程

粉狀食品定量稱量控制系統(tǒng)完成一次完整的稱量流程如圖5所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)先進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化，當(dāng)系統(tǒng)判斷滿足稱重條件時(shí)，即各個(gè)傳感器反饋信號(hào)沒有問題時(shí)（料斗內(nèi)無料、各閥門全閉）開始運(yùn)行。稱重控制系統(tǒng)首先控制粗下料閥和精下料閥同時(shí)打開，物料快速落入稱重料斗中，進(jìn)行粗給料；當(dāng)此時(shí)重量達(dá)到粗給料重量時(shí)，粗給料電磁閥則關(guān)閉，而精給料電磁閥仍然得電，則此時(shí)進(jìn)入到精給料流程。

圖5 稱量流程

3.2 人機(jī)界面

為了實(shí)現(xiàn)稱重包裝機(jī)參數(shù)的快速設(shè)置，能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能夠快速方便地完成調(diào)試，采用MT6070IH威綸觸摸屏進(jìn)行人機(jī)界面開發(fā)。人機(jī)系統(tǒng)主要由重量顯示、系統(tǒng)界面、歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線以及主界面等主要界面組成。人機(jī)界面如圖6所示。通過觸摸屏，快速地對(duì)稱重包裝系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)控，并記錄系統(tǒng)的各種故障，顯示產(chǎn)生此故障的原因。

圖6 運(yùn)行界面

3.3 模糊PID控制算法

目前的稱量控制算法通常采用PID控制，PID控制算法結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)。但該控制方法由于參數(shù)固定不變，導(dǎo)致該算法抗干擾性能較差，導(dǎo)致PID控制結(jié)果產(chǎn)生“快速性”和“超調(diào)”，上述這些缺陷使得PID控制算法在稱重系統(tǒng)中的應(yīng)用具有一定的局限性，從而影響其稱重精度[9-15]。

為了提高稱重精度、提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力、彌補(bǔ)外界干擾帶來的數(shù)據(jù)誤差、保證稱量包裝合格率，針對(duì)傳統(tǒng)的PID控制器中的參數(shù)調(diào)整，提出了一種自適應(yīng)調(diào)整算法，即模糊PID定量稱量控制算法。該算法調(diào)整方式為：

式中：KP，Ki和Kd分別為PID控制器中的比例、積分和微分參數(shù)；ΔKP，ΔKi和ΔKd分別為經(jīng)過優(yōu)化后的PID參數(shù)增量。

通過模糊規(guī)則對(duì)粉狀食品目標(biāo)重量與實(shí)際采集重量之差e(k)和差值變化率ec進(jìn)行模糊推理，為達(dá)到調(diào)整目的，通過查詢模糊規(guī)則在線對(duì)其參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。模糊PID定量稱量控制算法結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 模糊PID定量稱量控制算法結(jié)構(gòu)

取e、ec、ΔKP、ΔKi、ΔKd的模糊集合論域：{-6,-5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 ,4, 5, 6}。其模糊集合為{PM, NM, NS, ZO, PS, PB, PM}。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的粉狀食品定量稱量包裝控制系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分析。在控制系統(tǒng)中分別采用傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制兩種算法分別進(jìn)行稱重試驗(yàn)。設(shè)定粉狀食品稱量包裝質(zhì)量500 g，總共采集200包，將其平均分成20組，每組10個(gè)數(shù)據(jù)算出平均值，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，采用傳統(tǒng)PID控制方法時(shí)稱量重量波動(dòng)較大且重量最大偏差為3.3 g，偏差平均值約為1.84 g。采用模糊PID控制方法時(shí)溫度波動(dòng)較小，重量偏差絕對(duì)值最大為0.8 g，偏差平均值約為0.7 g。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠快速完成稱量包裝任務(wù)，采用模糊PID控制方法時(shí)能夠大大提高稱重精度，可以顯著提高企業(yè)食品加工質(zhì)量。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

為了提高食品加工企業(yè)的生產(chǎn)效率、提高稱量精度，設(shè)計(jì)了一款基于PXA270微處理器的嵌入式控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，通過PC104總線實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)以及外部I/O數(shù)據(jù)的采集和輸出。在硬件基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)軟件，設(shè)計(jì)了稱量流程和人機(jī)界面。為了提高稱量精度，將模糊控制引入到PID控制中，形成了智能模糊PID控制。最后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該控制系統(tǒng)能夠大大提高稱量精度，顯著提高食品加工企業(yè)的稱量效率和食品包裝質(zhì)量。