食品密封機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焦欣欣，范樂，任寧寧

河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（南陽(yáng) 473000）

食品密封機(jī)是常見的包裝機(jī)械，在包裝過程中主要負(fù)責(zé)完成對(duì)食品包裝材料的定性、食品填充、封口等操作，同時(shí)還需要結(jié)合清洗、干燥、殺菌等流程，完成包裝后，還需要轉(zhuǎn)送到其他相關(guān)輔助工序中[1]。通過使用食品密封機(jī)，不僅能夠有效提高食品生產(chǎn)的效率，減輕人力勞動(dòng)的負(fù)擔(dān)，在節(jié)約成本的條件下實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模高速食品加工生產(chǎn)的需要，同時(shí)還能夠滿足當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)對(duì)食品加工行業(yè)提出的綠色環(huán)保要求。控制系統(tǒng)是食品密封機(jī)中重要的組成部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)食品密封過程的控制、協(xié)調(diào)和監(jiān)測(cè)[2]。現(xiàn)有食品密封機(jī)控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中，會(huì)由于存在硬件或軟件設(shè)計(jì)不合理的問題，造成系統(tǒng)整體使用壽命短、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性差、控制時(shí)間長(zhǎng)等問題產(chǎn)生。PLC又稱可編程邏輯控制器，是計(jì)算機(jī)和繼電器控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。近幾年來PLC逐漸得到更加廣泛的應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)多個(gè)領(lǐng)域的自動(dòng)化控制。基于此，通過引入PLC可編程邏輯控制器，開展對(duì)食品密封機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。

1 食品密封機(jī)PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 PLC可編程邏輯控制器選型

在對(duì)食品密封機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，考慮到食品密封機(jī)在運(yùn)行過程中的復(fù)雜性，加之系統(tǒng)會(huì)引入多個(gè)不同功能的傳感器，使得信號(hào)干擾較大問題，采用PLC可編程邏輯控制器的方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。在PLC中，包含中央處理器、存儲(chǔ)器和I/O系統(tǒng)等部件需要進(jìn)行選型。綜合不同型號(hào)PLC的應(yīng)用效果，選用三菱FX系列PLC，具體選擇FX系列中的FX3U類型，其為基本單元加擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)形式，可通過IO擴(kuò)展模塊增加IO，F(xiàn)X3U類型的最大IO點(diǎn)數(shù)為384點(diǎn)，屬于變形系列，主要采用插入式端子，輸入電源為24 VDC，相較于普通電源較為價(jià)格低。

1.2 傳感器選型

控制系統(tǒng)中的傳感器應(yīng)根據(jù)食品封口機(jī)的運(yùn)行需要，選擇傳感器，傳感器類型應(yīng)包括光、色、溫等。針對(duì)光感傳感器進(jìn)行選擇，由于食品密封機(jī)PLC控制系統(tǒng)需要進(jìn)行多發(fā)膜信號(hào)、動(dòng)盤到位情況及料位情況等信息進(jìn)行采集。因此，根據(jù)系統(tǒng)的需要，選擇一種符合如圖1所示的運(yùn)行原理的光感傳感器。

圖1 光感傳感器運(yùn)行原理圖

選用BTSR158-2400型號(hào)光感傳感器，該型號(hào)光感傳感器具有精度高、響應(yīng)快和不接觸的優(yōu)勢(shì)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多組參數(shù)的測(cè)量[4]。同時(shí)，BTSR158-2400型號(hào)光感傳感器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此在系統(tǒng)檢測(cè)和控制過程中都能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的應(yīng)用。BTSR158-2400型號(hào)光感傳感器檢測(cè)方式為對(duì)射型；通過NPN輸出方式實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的參數(shù)信息輸出；檢測(cè)距離為標(biāo)準(zhǔn)距離；內(nèi)部附帶自診斷輸出功能和無定時(shí)器功能；產(chǎn)生的光源為紅色光；以導(dǎo)線引出型0.85 m方式連接。

對(duì)顏色傳感器進(jìn)行選型。由于在食品密封機(jī)運(yùn)行過程中，會(huì)涉及到對(duì)食品包裝材料色標(biāo)的識(shí)別，因此設(shè)計(jì)的食品密封機(jī)PLC控制系統(tǒng)中還需要引入對(duì)顏色進(jìn)行擦劑的傳感器。結(jié)合食品密封機(jī)需要，選用FT518-15200型號(hào)的顏色傳感器。該型號(hào)傳感器為單光源顏色，具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因此在系統(tǒng)控制過程中可以在各個(gè)工作領(lǐng)域當(dāng)中實(shí)現(xiàn)良好的檢測(cè)精度。表1為FT518-15200型號(hào)顏色傳感器參數(shù)規(guī)格表。

表1 FT518-15200型號(hào)顏色傳感器參數(shù)規(guī)格表

FT518-15200型號(hào)顏色傳感器單位質(zhì)量為28 mg，安裝風(fēng)格為SMD/SMT，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

在對(duì)溫度傳感器進(jìn)行選型。考慮到在實(shí)際食品封裝過程中，存在橫封和縱封2種機(jī)構(gòu)存在，因此需要進(jìn)行對(duì)溫度的檢測(cè)。若溫度過低，則無法有效地將食品密封在包裝袋當(dāng)中，會(huì)造成包裝質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。若溫度過高，則又會(huì)將包裝材料燒壞，同樣無法保持食品密封的美觀性。因此，根據(jù)食品密封機(jī)的運(yùn)行需要，將溫度預(yù)設(shè)在95～115 ℃范圍內(nèi)。試驗(yàn)選用SIE155-2548型號(hào)溫度傳感器，該型號(hào)傳感器當(dāng)中包含6個(gè)I/O點(diǎn)，1.5 mA驅(qū)動(dòng)電流，檢測(cè)精度0.1～0.2 ℃，綜合精度0.5%。利用該型號(hào)傳感器可對(duì)溫度在-150～550 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)應(yīng)得到的輸出數(shù)據(jù)量為-800到550。

2 食品密封機(jī)PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 食品密封機(jī)PLC控制信號(hào)擬合

為實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)對(duì)食品密封機(jī)各項(xiàng)操作指令的遠(yuǎn)程控制，對(duì)PLC控制信號(hào)進(jìn)行擬合處理。通過引入大數(shù)據(jù)聚類技術(shù)，對(duì)食品密封機(jī)中傳動(dòng)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化聚類[5]。根據(jù)食品密封機(jī)運(yùn)行需要，構(gòu)建食品密封機(jī)PLC控制信號(hào)分布式結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)模糊控制理論，完成系統(tǒng)的傳動(dòng)控制。假設(shè)系統(tǒng)中海量控制數(shù)據(jù)為W，則控制數(shù)據(jù)的有限數(shù)據(jù)集為W={w1,w2,w3, …,wn}，W?R。其中，W為控制數(shù)據(jù)的有限數(shù)據(jù)集；R為數(shù)據(jù)聚類空間。當(dāng)W的聚類信道擬合因子數(shù)值為零時(shí)，則應(yīng)當(dāng)滿足式（1）。

式中：γ(w)為聚類信道擬合因子；m為食品密封機(jī)在運(yùn)行過程中系統(tǒng)的迭代控制次數(shù)。根據(jù)模糊控制理論和工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備控制的擬合思想，將PLC控制數(shù)據(jù)按照如式（2）的方式進(jìn)行調(diào)頻傳動(dòng)控制信號(hào)擬合。

式中：X(e,f)為PLC控制數(shù)據(jù)特征點(diǎn)函數(shù)；E和F分別為食品密封機(jī)上某一橫軸方向特征位移和縱軸方向特征位移；(ei,fi)為交變調(diào)頻特征位移。根據(jù)式（2）完成對(duì)食品密封機(jī)PLC控制信號(hào)的擬合處理，方便后續(xù)控制系統(tǒng)對(duì)食品密封機(jī)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

2.2 基于PLC的食品密封機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制

為達(dá)到美觀大方、整齊有序的食品密封效果，需要利用PLC控制系統(tǒng)對(duì)食品密封機(jī)進(jìn)行更加精準(zhǔn)的動(dòng)作和定位控制[6]。為確保精細(xì)化效果，將食品密封機(jī)的運(yùn)行動(dòng)作劃分為多個(gè)不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別對(duì)其進(jìn)行控制。利用系統(tǒng)當(dāng)中的電機(jī)和拉帶滾輪進(jìn)行直接連接，并利用PLC可編程邏輯控制器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)拉帶，以此簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)使其調(diào)節(jié)更加方便。系統(tǒng)開始運(yùn)行后，利用走帶電機(jī)對(duì)密封材料進(jìn)行牽引，并自動(dòng)打印相應(yīng)的封裝日期[7]。由縱封裝置通過加熱處理實(shí)現(xiàn)封合。袋桶經(jīng)過橫向封裝裝置時(shí)，進(jìn)行下橫封形成袋筒狀，等待為食品密封機(jī)提供材料。在漏斗運(yùn)行到相應(yīng)的位置后，由該系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出信號(hào)，供料電機(jī)啟動(dòng)并開始供料[8]。完成上述一系列操作后，確保縱封和橫封均密封良好后，切斷袋筒完成整個(gè)密封流程。

根據(jù)食品密封完整流程，得出控制系統(tǒng)輸入的信號(hào)包括：橫封、縱封過程中的高溫和低溫監(jiān)測(cè)、日期打印、過載保護(hù)等。輸出信號(hào)包括：打印、切刀、冷卻電機(jī)等[9]。除此之外，系統(tǒng)除了需要對(duì)食品密封機(jī)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制以外，還需要對(duì)其產(chǎn)生的過載信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。若在密封過程中出現(xiàn)過載問題，則應(yīng)立即通過聲光裝置進(jìn)行報(bào)警，以此確保食品加工安全生產(chǎn)的同時(shí)，降低食品密封機(jī)出現(xiàn)故障問題，進(jìn)而造成不必要的浪費(fèi)。根據(jù)食品密封機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中的工作情況，控制系統(tǒng)中還需要考慮到各種不同停止?fàn)顟B(tài)。PLC控制包括正常停運(yùn)、暫時(shí)停運(yùn)和緊急停運(yùn)3種類型[10]。按照PLC循環(huán)掃描的運(yùn)行特點(diǎn)，保證食品密封機(jī)在運(yùn)行過程中保持連續(xù)不間斷的工作狀態(tài)，只有當(dāng)工作全部完成后接收到操作人員的指令后，才能夠停止運(yùn)行。與此同時(shí)，為保證食品封口機(jī)的正常運(yùn)行，直接采用控制系統(tǒng)中硬件直接竊電的方式進(jìn)行控制。

3 對(duì)比試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證提出的食品密封機(jī)PLC控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中是否具有更高的封裝精度，隨機(jī)選擇某食品封裝機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，在封裝過程中要求封裝質(zhì)量為20 g，每袋包裝的長(zhǎng)度為100 mm。分別利用提出的食品密封機(jī)PLC控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對(duì)該食品封裝機(jī)進(jìn)行控制。共完成密封操作5組，分別記錄每組封裝食品的質(zhì)量和包裝袋長(zhǎng)度，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。為方便對(duì)2種控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，將得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，并繪制成如表2所示的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表。

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)控制系統(tǒng)無論是在平均封裝食品質(zhì)量還是在包裝袋長(zhǎng)度上，均明顯更加接近密封的各項(xiàng)要求，而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比相差較大。因此，通過試驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)一步得出，質(zhì)量控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)食品密封機(jī)的高精度密封，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)食品密封的整體質(zhì)量，對(duì)于食品加工生產(chǎn)企業(yè)而言具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

表2 2種控制系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在對(duì)食品密封機(jī)進(jìn)行控制過程中存在的問題，引入PLC技術(shù)設(shè)計(jì)一種全新的控制系統(tǒng)，通過試驗(yàn)進(jìn)一步證明該系統(tǒng)的應(yīng)用效果。由于在研究過程中僅針對(duì)食品密封機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，因此在實(shí)現(xiàn)其控制功能時(shí)存在一定的單一性。同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中，并未引入對(duì)變頻器的設(shè)計(jì)內(nèi)容，因此將該系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速的問題。針對(duì)這一問題，還有待對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行更深入研究，從而提高食品加工生產(chǎn)企業(yè)整體運(yùn)行效率。