基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食品生產(chǎn)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)制造及算法實(shí)現(xiàn)

吳風(fēng)樂

（江蘇省無(wú)錫技師學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214000）

0 引言

在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背景下，食品行業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中迎來(lái)了全新挑戰(zhàn)。人們?cè)谶x購(gòu)食品時(shí)，不僅需要考慮食品的質(zhì)量，而且還尤為注重食品的外觀包裝。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下，食品行業(yè)為了提升產(chǎn)品銷量，開始對(duì)食品的包裝設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步推動(dòng)了食品包裝技術(shù)與機(jī)械設(shè)備的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)食品包裝自動(dòng)化生產(chǎn)，不僅有效節(jié)省了人工成本，而且還在一定程度上提升了食品包裝生產(chǎn)的效率[1]。對(duì)于傳統(tǒng)的食品包裝設(shè)備而言，其自動(dòng)化水平相對(duì)較低，難以滿足現(xiàn)階段市場(chǎng)發(fā)展需求。針對(duì)此種情況，本研究提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化食品包裝機(jī)械系統(tǒng)，在將其應(yīng)用至食品包裝設(shè)備中后，可有效提升食品包裝機(jī)的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的智能化控制。

1 現(xiàn)階段食品包裝機(jī)械系統(tǒng)存在的問題

現(xiàn)階段，食品包裝機(jī)主要通過(guò)安裝系統(tǒng)控制器來(lái)控制包裝參數(shù)。在食品包裝成型之前，需確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)系統(tǒng)控制器的作用，可確保橫封刀軸、送膜軸和送料軸三個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)一致，進(jìn)而提升包裝的完整性。然而，由于系統(tǒng)為線性設(shè)計(jì)，智能化水平相對(duì)較低，其中一個(gè)部件發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，進(jìn)而影響整個(gè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效果[2]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食品包裝機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的自動(dòng)化食品包裝機(jī)械控制系統(tǒng)，其硬件架構(gòu)主要是采用DSP 來(lái)連接觸摸屏與伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行。如圖1 所示，系統(tǒng)硬件主要由傳感器、觸摸屏和DSP 等模塊組成。

圖1 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

在封裝膜裝置中，增設(shè)了卷膜輥、導(dǎo)向輥和驅(qū)動(dòng)棍等部件，并且在導(dǎo)向輥處增設(shè)了傳感器。在導(dǎo)向輥、驅(qū)動(dòng)棍同時(shí)作用下，便可完成包裝膜色標(biāo)的追蹤和打印，并且在封裝過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)薄膜堆積或粘結(jié)拉扯的情況。此外，在傳送裝置中，由送料軸伺服電機(jī)直接提供動(dòng)力，使其在工作過(guò)程中始終保持勻速狀態(tài)。而橫封切裝置主要用于封膜的切割，可根據(jù)色標(biāo)點(diǎn)對(duì)包裝筒袋進(jìn)行切割，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)食品的獨(dú)立包裝[3]。

2.1 觸摸屏控制器設(shè)計(jì)

對(duì)于硬件系統(tǒng)中的觸摸屏控制器（ADS）而言，主要由多路低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)組成，通過(guò)電路網(wǎng)絡(luò)測(cè)量供電，使用A/D 轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)輸入至ADS 中，并發(fā)送相應(yīng)的指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模擬開關(guān)的導(dǎo)通，為ADS 電極提供電壓。然后，再將電極上的觸點(diǎn)坐標(biāo)位置電壓模擬量輸送至A/D 中，如圖2 所示。

圖2 ADS 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ADS 不僅可展示設(shè)備的運(yùn)行情況，而且具有提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的功能。此外，在實(shí)際工作中，操作人員還可通過(guò)觸摸屏向系統(tǒng)發(fā)送指令。

該控制系統(tǒng)對(duì)上位機(jī)的要求相對(duì)較高，不僅需要具備多個(gè)串口通信，而且其擴(kuò)展存儲(chǔ)器需支持2 GB的SD 卡和U 盤，以便提升處理數(shù)據(jù)的效率。

2.2 核心DSP 控制模塊的選取

本文選取的模塊功率放大器主要為DA260 型號(hào)，其參數(shù)詳見表1。

表1 功率放大器參數(shù)信息

2.3 伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

選用130ST-M07725 驅(qū)動(dòng)器，控制系統(tǒng)的運(yùn)行速率。設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器負(fù)責(zé)控制算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化管理。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器速度處于閉環(huán)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子可實(shí)時(shí)測(cè)量速度，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整速度環(huán)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而提升系統(tǒng)速度運(yùn)行精度。在三相全橋整流電路的作用下，功率驅(qū)動(dòng)單元可對(duì)電路中輸入的三相電進(jìn)行整流處理，并將其轉(zhuǎn)換成直流電。然后，再將其輸入至電壓型逆變器進(jìn)行變頻，驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。

3 模糊PID 算法

本研究提出的系統(tǒng)主要是通過(guò)模糊PID 算法進(jìn)行控制，該算法具有操作簡(jiǎn)單、容易控制的優(yōu)勢(shì)。其工作原理為：首先，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行模糊化處理，然后，將機(jī)械中的控制模糊規(guī)則與模糊化信號(hào)進(jìn)行匹配，最終獲取匹配成功的控制參數(shù)。通過(guò)模糊PID 算法，可以在線實(shí)時(shí)整改機(jī)械設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，將模糊PID 參數(shù)調(diào)整至最優(yōu)。其工作原理如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制工作原理

式中：r（t）、y（t）和e（t）分別為輸入信號(hào)、輸出信號(hào)以及輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的差值。

控制器的輸出信號(hào)主要是由e（t）通過(guò)比例、積分和微分線性組合生成，即：

式中：kP、TI和TD分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間系數(shù)和微分時(shí)間系數(shù)。

當(dāng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)將會(huì)對(duì)其進(jìn)行模糊邏輯規(guī)則處理，進(jìn)而完成PID 參數(shù)的在線實(shí)時(shí)校正，PID 算法實(shí)現(xiàn)流程如圖4 所示。

圖4 PID 算法實(shí)現(xiàn)流程

4 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與參數(shù)

仿真實(shí)驗(yàn)主要是在MATLAB 平臺(tái)進(jìn)行。首先，在平臺(tái)上建立相應(yīng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，選擇Win10 操作系統(tǒng)來(lái)控制機(jī)械設(shè)備包裝食品，實(shí)驗(yàn)參數(shù)詳見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)主要是對(duì)比不同控制系統(tǒng)下（傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)）機(jī)械設(shè)備進(jìn)行食品包裝的穩(wěn)定性與時(shí)效性，進(jìn)而驗(yàn)證本文控制系統(tǒng)的可行性。

1）穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，在包裝樣品數(shù)量相同的情況下，傳統(tǒng)系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性相對(duì)較低，而優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性可達(dá)95%。

2）時(shí)效性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得知，在包裝樣品數(shù)量不斷增加的情況下，兩種系統(tǒng)（傳統(tǒng)系統(tǒng)與優(yōu)化系統(tǒng)）所消耗的時(shí)間均增加。但是，當(dāng)包裝樣本數(shù)量一定時(shí)，本文系統(tǒng)所消耗的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)系統(tǒng)[4]。由此可知，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)生產(chǎn)效率更高，不僅可有效提升機(jī)械識(shí)別運(yùn)行的穩(wěn)定性，而且還實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)備的智能化控制，對(duì)于促進(jìn)食品生產(chǎn)加工企業(yè)的發(fā)展具有十分重要的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，本研究設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，在食品包裝過(guò)程中所花費(fèi)的時(shí)間更短，不僅有效提升了食品生產(chǎn)的加工質(zhì)量，而且在一定程度上降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。