快餐食品自動化計量包裝系統的研發

曾青云，韓震宇，沈小龍，劉 歡

（四川大學機械工程學院，四川 成都 610065）

食品工業是中國的第一大工業，隨著國民經濟的速增、人民生活水平的日益提高，食品消費行業也逐步壯大，同時消費者對于食品質量的要求也越發提高[1]。食品的計量與包裝是食品生產的重要環節之一，其需求也在近年來穩步增長。傳統食品生產的計量與包裝環節通常采用人工作業，生產成本頗高且效率低下，還帶來了一系列的食品安全問題。得益于機械自動化技術水平的發展，各種自動化定量包裝設備涌現，其在效率、成本、安全性上有著得天獨厚的優勢，因此迅速占領市場，并依然保持著增長的勢頭。目前對于單一固體食品的自動化計量包裝技術已趨于成熟，但對于黏性性食物、帶有湯汁的固液混合類食物等的自動化設備依然有著極大的技術瓶頸[2]。而快餐食品一方面種類復雜、食物特性不定，另一方面還可能具有黏性或者帶有湯汁，因此常規自動化設備難以滿足生產需要。隨著“中央廚房”概念的興起，部分地區學生餐由“中央廚房”統一生產配送，另外考慮到航空、高鐵等特殊領域，快餐類食品的自動化計量包裝設備有著極大的市場需求，成為業內的難點痛點問題[3]。

在食品工業生產中，計量方式主要分為容積法計量、稱重法計量、計數法計量3種[4]。其中容積法計量設備結構簡單、成本較為低廉、計量速度快，但精度低[5]；稱重法計量設備有著較高的精度保證，但是計量效率低下、成本高昂；計數法計量設備有著較小的適用性。文獻[2]在自動定量計量系統研究中設計了一套適用于具有流動性食物的計量包裝系統，在食物流動性較大的情況下取得了一定的成果，但對于快餐食品固液混合、流動性不定、可能具有高黏性的特征依然不能適用。文獻[6]在包裝機智能控制相關研究中提出了基于改進模糊PID算法的稱重計量方式，對多種食物有著較好的適用性以及較好的精度，但其計量過程耗時長、工作效率極其低下。同實驗室師兄在相關前期研究中提出了高速分量設備控制系統的初步實現方案[7]，但是在后續相關實驗中發現無法解決黏性食物堵塞的問題，以及分量精度波動大，不符合要求。在前人相關研究的基礎上，設計研發了基于容積計量法且適用于快餐食品復雜特性的自動化計量包裝設備，并解決了黏性食物造成的一系列難題，兼顧了速度與精度。

1 系統組成及工作原理

系統針對學生餐、航空餐等快餐食品提供統一解決方案，綜合考慮到快餐食品飯菜種類不定、可能存在湯汁、可能存在固體與流動性食品混合物、可能存在黏性食品等諸多特性。系統由傳送、計量、裝填3大部分組成，為確保黏性食物的正常計量附加了輔助下料子系統，具體包括霧化潤滑噴頭、真空吸引輔助計量、高壓輔助裝填3部分，系統組成原理如圖1所示，系統結構如圖2所示。

圖1 系統組成原理圖

圖2 系統結構圖

食物經傳送裝置獲得勢能并通過漏斗進入計量緩沖區，霧化噴頭提供微量水霧保持計量緩沖區通道潤滑防止黏性食物堵塞。裝填循環開始后，緩沖區中食物借助重力進入計量部分中的定體積測量盒，真空吸引裝置一方面加速食物進入測量盒、防止黏性食物堵塞，另一方面保證測量盒充分填充、提高計量準確性。填充裝置中通過填充頭的左右滑動將測量盒計量完成的食物轉移裝填進食盒，其中增壓裝置通過噴射高壓氣流加速裝填效率。計量裝填循環如圖3所示。為保證輔助下料子系統的可靠運行，機械結構中設計了大量微小氣孔，少量食物汁液可能通過氣道進入真空發生裝置，因此輔助下料子系統設有食物汁液收集盒。

圖3 計量裝填循環

2 控制系統方案與硬件設計

基于快餐食品自動化計量包裝系統的工作需要，采用西門子s7-200smart系列PLC作為主控模塊的控制核心，其具有結構緊湊、成本低廉等優點。選用該系列的CPU模塊ST20，帶有兩路高頻率的脈沖輸出口，滿足了傳送帶電機驅動器的控制需要，另外還帶有豐富的數字信號輸入輸出，以及支持多個擴展模塊[8]。但是考慮到設備運行過程中的安全性，在系統中配備了大量的安全開關以及傳感器，實時監控各部分工作狀態，因此有著極大量的I/O接口需求。為滿足大量的I/O需求，在CPU模塊ST20的基礎上擴展I/O模塊DT32，作為系統的控制核心。

系統中存在多個往復直線運動機構，根據不同機構缸徑需求選用SMC公司的CDM2B40系列氣缸，配合費斯托電磁閥及總線型閥島系統使用，將PLC與閥島系統相連實現氣路控制。輔助下料子系統中增壓裝填同樣并入閥島系統，可使得控制更加簡單、硬件電路更加緊湊；真空吸引的實現出于成本及安裝便利性的考慮并不是選用真空泵，而是真空發生器，其要實現良好的真空環境對主氣路氣壓要求較嚴苛，因此真空發生器不接入閥島系統而是與空壓機直連。除了氣路，系統還有復雜的水路，一方面是霧化潤滑噴頭的需要；另一方面，本系統屬于食品生產線中的一環，對衛生安全有著極高的要求，意味著清洗較為頻繁，考慮到清洗操作的便利性，系統設有清洗模式以實現內部噴水沖洗。為了實現更加緊湊的控制及電路設計，水路也并入閥島系統。

系統的上位機軟件也即人機交互界面監控程序，在硬件上選用西門子Smart Panel系列的smart line 700IE v3觸摸屏，其可通過西門子出品的Wincc flexible進行組態編程，具有可視化編輯器，編程過程簡單便捷且界面組態功能強大，與西門子smart系列PLC能夠實現極佳的配合[9]。系統整體的控制結構框圖如圖4所示。

圖4 系統控制結構框圖

3 控制系統軟件設計

系統的控制軟件分為下位機PLC控制程序以及上位機HMI程序2部分。其中PLC程序又可進一步細分為計量裝填子程序、計量緩沖區食物高度控制子程序等重要模塊。在上位機HMI程序中，又將設備劃分為了運行模式、清洗模式、測試模式3大工作模式，與下位機相應不同子程序配合以實現不同的功能。

3.1 計量裝填子程序

系統進入運行模式后，首先執行運行模式初始化子程序，隨后循環執行計量裝填子程序。計量裝填子程序與輔助下料子系統是互相耦合的，而后者由用戶在上位機提供的選項中自主確定是否開啟。例如玉米粒一類無黏性食物則無需開啟，開啟后增壓裝填可能反而導致食物飛濺；而雞蛋炒飯一類有一定黏性食物則需要開啟輔助下料子系統，否者影響計量準確性且具有堵塞設備風險。

計量裝填子程序有2個關鍵時間節點：①檢測計量緩沖區食物是否充足，判斷是否能夠進入計量環節；②檢測傳送帶上食盒是否到來，判斷裝填時機。簡化后的程序框圖如圖5所示。

圖5 計量裝填子程序簡化框圖

3.2 計量緩沖區高度控制子程序

通過樣機實驗發現，計量緩沖區食物高度波動對計量準確性有一定影響，且當其過高時會有堵塞漏斗隱患，而過低又意味著食物不充足，計量裝填子程序將持續等待、降低計量效率，因此，高度控制子程序對于程序的穩定、高效、準確運行有著至關重要的作用。

計量緩沖區高度受多個因素影響，在入料方面受食物傳送帶的運行速率（受PLC的脈沖輸出控制）和食物傳送帶上食物量的波動（為隨機誤差）影響；在出料方面受食盒到來速率（也即生產者-消費者模型中的消費速率，一般由生產線上游設備決定，如果為人工放置食盒該速率波動將放大）和計量誤差（每次計量將消耗緩沖區中一定量食物，但計量有一定誤差，因此單次食物消耗量也有波動）影響。高度控制子程序即調節PLC脈沖輸出頻率以改變食物傳送帶運行速率以適應其他三者的隨機波動，從而避免緩沖區食物量的大幅變化，進而提高計量準確性。

其中緩沖區食物高度傳感器為激光對射式，其輸出信號為開關信號，當食物高于傳感器輸出為0，反之為1，理想情況下一個計量裝填周期其將輸出占空比為45%～60%的波形。考慮到食物在緩沖區下落過程中遮擋傳感器，可能出現食物低于傳感器而傳感器誤報為信號0的情況，因此需要引入硬件和軟件2方面的濾波。硬件主要通過增大傳感器光強實現，使得光線能透過下落狀態的稀疏食物而無法透過堆疊狀態的密集食物，實驗表明最佳光強與恰能透過5張A4紙的光強相近，因此在設備調試環節可使用5張A4紙對傳感器進行快速標定。而軟件上的濾波通過延時濾除高頻抖動信號。

根據傳感器波形占空比信號，采用增量式PID調節脈沖輸出頻率，實驗結果表明，引入高度控制子程序后緩沖區食物量波動降低了32%，且避免了上下溢出的情況，分量準確性也提升了9%。引入高度控制子程序前后炒茄子的計量包裝實驗如圖6、圖7所示。

圖6 引入高度控制前炒茄子的計量實驗

圖7 引入高度控制后炒茄子的計量實驗

3.3 上位機HMI程序

上位機程序在自動化控制系統中主要實現系統運行參數的設定和運行過程的可視化監控，其中包括了發送控制命令、I/O處理、數據記錄[10]。在上位機中定義了系統工作的3大模式：運行模式，即正常流水線生產時的計量裝填循環；清洗模式，清洗模式會打開設備內部高壓水槍，同時保持傳送帶低速運行，便于設備清洗；測試模式，便于研發過程調試，且當設備出現硬件損壞等故障時可在測試模式中快速排查。

4 結論

針對快餐食品這一特性復雜的食物類別，設計開發了一套自動化計量包裝系統。該系統在結構上分為傳送、計量和裝填3大部分，在控制系統軟件上分為下位機PLC軟件與上位機HMI監控軟件2部分，實現了對絕大部分快餐食品的準確高速計量包裝。以炒玉米為例，系統計量速度可高達45次/min，誤差可控制在4.5%以內，滿足了工業食品生產的需要。