PLC 在食品機械自動化改造中的應用研究

◎ 段慧龍

（泰安技師學院，山東 泰安 271000）

隨著食品行業(yè)的不斷發(fā)展和自動化技術的不斷進步，食品機械自動化改造成為提高生產(chǎn)效率和質量的關鍵手段之一，而PLC 作為現(xiàn)代自動化控制領域的核心技術，被廣泛應用于食品機械的自動化改造中。

1 PLC 的概述和原理

PLC的英文全稱為Programmable Logic Controller，譯為“可編程邏輯控制器”，是一種被廣泛應用于自動化控制領域的可編程電子設備。PLC 的出現(xiàn)和發(fā)展極大地推動了工業(yè)自動化水平的提高，被廣泛應用于制造業(yè)、能源、交通及建筑等領域，具有可編程性、可靠性、靈活性等優(yōu)勢，是現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的核心組成部分。PLC 的工作過程一般分為3 個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新，3 個階段稱作1 個掃描周期。PLC 的工作原理基于二進制邏輯運算。PLC 以掃描方式依次讀取所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，如傳感器信號，將其轉換為二進制位，然后根據(jù)預先編寫的程序進行邏輯判斷，程序中可以包括和、或、非等邏輯運算，還可以包括計時器、計數(shù)器等功能塊[1]。根據(jù)判斷結果執(zhí)行相應的輸出操作，控制執(zhí)行器或設備實現(xiàn)預定的功能，輸出信號也通過二進制位進行傳輸，通過輸出模塊驅動執(zhí)行器或設備實現(xiàn)所需的控制功能。PLC 還會讀取和保存數(shù)據(jù)，進行通信和監(jiān)控等功能。PLC 的主要組成部分包括中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、內存、輸入/輸出模塊（I/O模塊）、通信接口及編程設備等。其中，CPU 是PLC的核心，負責處理輸入信號、執(zhí)行程序邏輯、控制輸出信號等；內存用于存儲程序和數(shù)據(jù)；I/O 模塊負責和外部設備進行數(shù)據(jù)交換；通信接口允許PLC 和上位機、其他PLC 等設備進行通信；編程設備用于編寫、修改、下載程序。

2 PLC 在食品機械自動化改造中的具體應用

2.1 精確稱重控制

PLC 在食品機械自動化改造中具有廣泛的應用，其中一個重要方面是精確稱重控制。在食品加工過程中，精確稱重是保障產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率的關鍵因素。PLC 可以實現(xiàn)對稱重設備的自動化控制，提高產(chǎn)品稱重的準確性和穩(wěn)定性，進一步提升整個食品生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量[2]。稱重設備通常由電子秤、傳感器、執(zhí)行器等組成，PLC 可通過程序控制實現(xiàn)對這些設備的啟動、停止、監(jiān)控。例如，可以設定稱重目標值，并根據(jù)實際稱重情況進行反饋控制，當稱重超出設定范圍時，PLC 能自動調整傳送帶的速度或調節(jié)給料量，實現(xiàn)精確稱重。在食品生產(chǎn)過程中，準確記錄和分析稱重數(shù)據(jù)對于質量控制和生產(chǎn)管理至關重要。PLC 可實時采集稱重設備的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，供后續(xù)分析與報告。PLC 還可通過與上位機的通信或網(wǎng)絡連接，將稱重數(shù)據(jù)傳輸給生產(chǎn)管理系統(tǒng)，幫助生產(chǎn)管理人員及時掌握產(chǎn)品質量情況，及時調整生產(chǎn)參數(shù)，確保產(chǎn)品質量符合標準[3]。通過PLC 的程序控制，可實現(xiàn)稱重設備的自動化控制、數(shù)據(jù)記錄和分析，不僅能提高食品生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量，還能減少人工操作導致的錯誤和不穩(wěn)定性。

2.2 溫度和濕度控制

食品加工行業(yè)對環(huán)境溫度和濕度要求非常嚴格，環(huán)境溫度和濕度直接影響食品的質量和安全性。使用PLC 可實現(xiàn)對溫度和濕度的精確控制，確保食品加工過程中環(huán)境的穩(wěn)定性和一致性。PLC 可通過集成溫度和濕度傳感器實時監(jiān)測環(huán)境的溫度和濕度，該傳感器將環(huán)境條件轉化為電信號，PLC 接收到電信號后執(zhí)行相應的控制策略。例如，在面包烘烤過程中，PLC 可以通過控制烤箱內的加熱元件和風扇維持適宜的溫度，當烤箱內溫度低于設定的目標溫度時，PLC 將啟動加熱元件并調整風扇速度，提高溫度；當烤箱內溫度高于設定值時，PLC 將關閉加熱元件并調整風扇速度，降低溫度。PLC 也可控制制冷裝置實現(xiàn)對食品加工過程中溫度的控制。例如，在巧克力生產(chǎn)過程中，需要將巧克力原料冷卻到特定的溫度以便成型，通過PLC 的控制，制冷裝置將根據(jù)溫度傳感器反饋信息進行啟動和停止操作[4]。PLC 還可控制加濕和除濕裝置，實現(xiàn)對濕度的控制。食品加工過程中需要調整生產(chǎn)環(huán)境的濕度水平，確保食品質量良好。例如，在餅干生產(chǎn)過程中，需維持適當?shù)臐穸缺Ｕ厦鎴F的質量和形狀，PLC可通過控制加濕器和除濕器調整生產(chǎn)環(huán)境的濕度。

2.3 輸送帶控制

2.3.1 運行速度控制

食品自動化機械中的輸送帶長度通常是固定的，但運行速度需根據(jù)不同的生產(chǎn)需求進行調整。通過PLC控制器，可根據(jù)生產(chǎn)線的具體要求和工作步驟，實時調整輸送帶的運行速度，確保生產(chǎn)線上的物料能在適當?shù)臅r間內到達目的地，避免過快或過慢的運輸速度影響生產(chǎn)效率。

2.3.2 物料分揀和定位

食品生產(chǎn)過程中，需要將輸送帶上的原材料或成品按照一定的規(guī)則進行分揀和定位，PLC 可通過控制驅動器和電機等設備，實現(xiàn)輸送帶上的物料分揀和定位。通過相應的邏輯程序和傳感器的配合，可實現(xiàn)對不同物料的正確分揀和定位，確保各個工序的順利進行。

2.3.3 輸送帶的停止和啟動

生產(chǎn)線運行過程中，有時需要暫時停止運行，進行維護、清潔、更換工作。通過PLC 的控制，可實現(xiàn)以按鈕或傳感器信號為觸發(fā)條件，對輸送帶進行停止和啟動的控制，方便操作員對輸送帶進行控制，保證生產(chǎn)線順利安全地運行[5]。

2.4 包裝機械控制

食品機械自動化改造是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量的重要手段之一，而包裝機械作為食品生產(chǎn)線中不可或缺的部分，負責將食品產(chǎn)品進行包裝，對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量起著至關重要的作用。傳統(tǒng)包裝機械的控制方式主要基于電氣控制和機械傳動，受到很多限制，如功能擴展困難、調試復雜等。PLC 的引入徹底改變了包裝機械控制的方式。①PLC 具有高度可編程性，可以根據(jù)不同需求靈活地編寫控制程序，實現(xiàn)各種功能擴展和靈活變化。②PLC 能集成多個控制設備，實現(xiàn)對食品機械全面的控制和監(jiān)控，從而提高生產(chǎn)線的整體效率和穩(wěn)定性。③PLC 具有強大的故障檢測和診斷功能，能實時監(jiān)測包裝機械的運行狀態(tài)，并提供詳細的故障報告，方便及時維修和維護。在包裝機械控制方面，PLC 的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。①運輸控制。PLC 可控制包裝機械中的傳送帶、輸送線等設備，實現(xiàn)物料的運輸和分揀。通過編寫適應性強的控制程序，實現(xiàn)不同物料的精確運輸、快速分揀和定位等功能。②包裝控制。PLC 能準確控制包裝機械中的各個動作部件，如夾具、打標機、灌裝機等。通過編寫合適的控制邏輯，實現(xiàn)不同包裝方式的切換、包裝速度的調節(jié)、包裝質量的控制等。③堆疊控制。對于某些食品，如糕點、餅干等，需要將食品堆疊成一定的形狀或層數(shù)。PLC 可根據(jù)需求精確控制堆疊機械的動作，實現(xiàn)食品的準確堆疊和層數(shù)控制[6]。④數(shù)量統(tǒng)計和分揀。PLC 可編寫適當?shù)某绦颍瑢崿F(xiàn)對包裝機械中食品產(chǎn)品的數(shù)量統(tǒng)計和分揀。通過與傳感器配合，實時監(jiān)測食品的進出數(shù)量，并按照設定的規(guī)則進行分揀和定位。⑤故障檢測和報警。PLC 具有強大的故障檢測和報警功能，可實時監(jiān)測包裝機械的運行狀態(tài)，并提供詳細的故障報告。發(fā)生故障時，PLC 能迅速診斷問題，并提供準確的報警信息，使操作人員能及時采取措施，減少停機時間。

2.5 清潔和衛(wèi)生控制

2.5.1 控制設備的清潔

食品加工設備通常需要定期進行清潔，確保設備表面以及內部的衛(wèi)生。PLC 可通過編程控制清潔劑和水的供應以及清洗劑的注入量和清洗時間，保證設備在清潔過程中按照特定的程序運轉，以達到最佳的清潔效果。

2.5.2 監(jiān)測和控制設備的衛(wèi)生狀態(tài)

PLC 可接收傳感器的信號，如生物傳感器、衛(wèi)生型溫度傳感器等，以檢測設備的工作環(huán)境是否符合衛(wèi)生標準。當傳感器檢測到異常情況時，PLC 發(fā)出警報并采取相應的控制措施，如停止設備的運行，以防止出現(xiàn)衛(wèi)生不達標的問題。

2.5.3 控制和監(jiān)控清潔劑和消毒劑的供應

在食品加工過程中，可能需要使用不同類型的清潔劑和消毒劑清潔設備和生產(chǎn)線。PLC 可通過編程控制清潔劑和消毒劑的供應，確保清潔劑和消毒劑以正確的比例混合和供應。此外，PLC 還可監(jiān)測清潔劑和消毒劑的消耗量，以便及時補充[7]。

2.6 故障診斷和遠程監(jiān)控

故障診斷是食品機械自動化過程中不可或缺的一部分。在傳統(tǒng)的食品機械中，由于缺乏實時監(jiān)控和故障診斷手段，一旦出現(xiàn)故障，往往需要工程人員親自到現(xiàn)場查找問題，費時費力，而通過PLC 的應用，可以實現(xiàn)機械故障的快速診斷和定位，進一步提高食品機械的穩(wěn)定性和可靠性。PLC 通過對食品機械各個控制點的監(jiān)測和記錄，可以實時獲取機械運行的數(shù)據(jù)。當機械出現(xiàn)故障時，PLC 能夠快速捕捉到異常信號，并根據(jù)預設的故障診斷算法，確定故障類型和位置，如果機械的傳動系統(tǒng)出現(xiàn)異常振動，PLC 可以通過監(jiān)測電機的電流和振動傳感器的信號，判斷是否為軸承故障，并指導工程人員及時更換出現(xiàn)故障的零部件。PLC 還可以通過編寫故障診斷的控制程序，對機械進行自檢和故障快速排查，如通過設置合適的傳感器和開關，當機械出現(xiàn)卡死或堵塞等情況時，PLC 能夠自動停機，并根據(jù)預設的排查程序，檢查傳送帶是否卷料，輸送裝置是否被堵塞，進而快速定位故障點，避免產(chǎn)生更大的損失。在食品機械自動化改造后，PLC可以根據(jù)機械的工作情況和故障類型，自動切換備用電源、調整傳動裝置的參數(shù)等，進而使機械迅速從故障中恢復，并保持正常的工作狀態(tài)。遠程監(jiān)控是食品機械自動化改造中的另一個重要應用，通過PLC 的應用，可以實現(xiàn)對機械的遠程監(jiān)控和管理，提高生產(chǎn)效率和降低成本。通過網(wǎng)絡連接，PLC 可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程計算機或智能手機上，方便工程人員隨時了解機械的運行情況，比如工程人員可以通過遠程監(jiān)控軟件，實時查看機械的溫度、壓力、速度等參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題。工程人員可通過遠程控制軟件控制機械的啟動、停止、速度調節(jié)等，提高生產(chǎn)效率和靈活性，同時實現(xiàn)對機械的遠程參數(shù)設置和程序更新，減少因現(xiàn)場操作需要而產(chǎn)生的時間和成本。

3 結語

隨著時代的發(fā)展，PLC 技術的優(yōu)勢將會被進一步發(fā)揮，為食品機械自動化改造提供更有力的支持。另外，相關企業(yè)在食品機械自動化改造方面要擴寬視野，尤其是與國外先進企業(yè)進行合作，通過學習提升本土企業(yè)的機械自動化水平。