曾青云，韩震宇，沈小龙，刘 欢

（四川大学机械工程学院，四川 成都 610065）

食品工业是中国的第一大工业，随着国民经济的速增、人民生活水平的日益提高，食品消费行业也逐步壮大，同时消费者对于食品质量的要求也越发提高[1]。食品的计量与包装是食品生产的重要环节之一，其需求也在近年来稳步增长。传统食品生产的计量与包装环节通常采用人工作业，生产成本颇高且效率低下，还带来了一系列的食品安全问题。得益于机械自动化技术水平的发展，各种自动化定量包装设备涌现，其在效率、成本、安全性上有着得天独厚的优势，因此迅速占领市场，并依然保持着增长的势头。目前对于单一固体食品的自动化计量包装技术已趋于成熟，但对于黏性性食物、带有汤汁的固液混合类食物等的自动化设备依然有着极大的技术瓶颈[2]。而快餐食品一方面种类复杂、食物特性不定，另一方面还可能具有黏性或者带有汤汁，因此常规自动化设备难以满足生产需要。随着“中央厨房”概念的兴起，部分地区学生餐由“中央厨房”统一生产配送，另外考虑到航空、高铁等特殊领域，快餐类食品的自动化计量包装设备有着极大的市场需求，成为业内的难点痛点问题[3]。

在食品工业生产中，计量方式主要分为容积法计量、称重法计量、计数法计量3种[4]。其中容积法计量设备结构简单、成本较为低廉、计量速度快，但精度低[5]；称重法计量设备有着较高的精度保证，但是计量效率低下、成本高昂；计数法计量设备有着较小的适用性。文献[2]在自动定量计量系统研究中设计了一套适用于具有流动性食物的计量包装系统，在食物流动性较大的情况下取得了一定的成果，但对于快餐食品固液混合、流动性不定、可能具有高黏性的特征依然不能适用。文献[6]在包装机智能控制相关研究中提出了基于改进模糊PID算法的称重计量方式，对多种食物有着较好的适用性以及较好的精度，但其计量过程耗时长、工作效率极其低下。同实验室师兄在相关前期研究中提出了高速分量设备控制系统的初步实现方案[7]，但是在后续相关实验中发现无法解决黏性食物堵塞的问题，以及分量精度波动大，不符合要求。在前人相关研究的基础上，设计研发了基于容积计量法且适用于快餐食品复杂特性的自动化计量包装设备，并解决了黏性食物造成的一系列难题，兼顾了速度与精度。

1 系统组成及工作原理

系统针对学生餐、航空餐等快餐食品提供统一解决方案，综合考虑到快餐食品饭菜种类不定、可能存在汤汁、可能存在固体与流动性食品混合物、可能存在黏性食品等诸多特性。系统由传送、计量、装填3大部分组成，为确保黏性食物的正常计量附加了辅助下料子系统，具体包括雾化润滑喷头、真空吸引辅助计量、高压辅助装填3部分，系统组成原理如图1所示，系统结构如图2所示。

图1 系统组成原理图

图2 系统结构图

食物经传送装置获得势能并通过漏斗进入计量缓冲区，雾化喷头提供微量水雾保持计量缓冲区通道润滑防止黏性食物堵塞。装填循环开始后，缓冲区中食物借助重力进入计量部分中的定体积测量盒，真空吸引装置一方面加速食物进入测量盒、防止黏性食物堵塞，另一方面保证测量盒充分填充、提高计量准确性。填充装置中通过填充头的左右滑动将测量盒计量完成的食物转移装填进食盒，其中增压装置通过喷射高压气流加速装填效率。计量装填循环如图3所示。为保证辅助下料子系统的可靠运行，机械结构中设计了大量微小气孔，少量食物汁液可能通过气道进入真空发生装置，因此辅助下料子系统设有食物汁液收集盒。

图3 计量装填循环

2 控制系统方案与硬件设计

基于快餐食品自动化计量包装系统的工作需要，采用西门子s7-200smart系列PLC作为主控模块的控制核心，其具有结构紧凑、成本低廉等优点。选用该系列的CPU模块ST20，带有两路高频率的脉冲输出口，满足了传送带电机驱动器的控制需要，另外还带有丰富的数字信号输入输出，以及支持多个扩展模块[8]。但是考虑到设备运行过程中的安全性，在系统中配备了大量的安全开关以及传感器，实时监控各部分工作状态，因此有着极大量的I/O接口需求。为满足大量的I/O需求，在CPU模块ST20的基础上扩展I/O模块DT32，作为系统的控制核心。

系统中存在多个往复直线运动机构，根据不同机构缸径需求选用SMC公司的CDM2B40系列气缸，配合费斯托电磁阀及总线型阀岛系统使用，将PLC与阀岛系统相连实现气路控制。辅助下料子系统中增压装填同样并入阀岛系统，可使得控制更加简单、硬件电路更加紧凑；真空吸引的实现出于成本及安装便利性的考虑并不是选用真空泵，而是真空发生器，其要实现良好的真空环境对主气路气压要求较严苛，因此真空发生器不接入阀岛系统而是与空压机直连。除了气路，系统还有复杂的水路，一方面是雾化润滑喷头的需要；另一方面，本系统属于食品生产线中的一环，对卫生安全有着极高的要求，意味着清洗较为频繁，考虑到清洗操作的便利性，系统设有清洗模式以实现内部喷水冲洗。为了实现更加紧凑的控制及电路设计，水路也并入阀岛系统。

系统的上位机软件也即人机交互界面监控程序，在硬件上选用西门子Smart Panel系列的smart line 700IE v3触摸屏，其可通过西门子出品的Wincc flexible进行组态编程，具有可视化编辑器，编程过程简单便捷且界面组态功能强大，与西门子smart系列PLC能够实现极佳的配合[9]。系统整体的控制结构框图如图4所示。

图4 系统控制结构框图

3 控制系统软件设计

系统的控制软件分为下位机PLC控制程序以及上位机HMI程序2部分。其中PLC程序又可进一步细分为计量装填子程序、计量缓冲区食物高度控制子程序等重要模块。在上位机HMI程序中，又将设备划分为了运行模式、清洗模式、测试模式3大工作模式，与下位机相应不同子程序配合以实现不同的功能。

3.1 计量装填子程序

系统进入运行模式后，首先执行运行模式初始化子程序，随后循环执行计量装填子程序。计量装填子程序与辅助下料子系统是互相耦合的，而后者由用户在上位机提供的选项中自主确定是否开启。例如玉米粒一类无黏性食物则无需开启，开启后增压装填可能反而导致食物飞溅；而鸡蛋炒饭一类有一定黏性食物则需要开启辅助下料子系统，否者影响计量准确性且具有堵塞设备风险。

计量装填子程序有2个关键时间节点：①检测计量缓冲区食物是否充足，判断是否能够进入计量环节；②检测传送带上食盒是否到来，判断装填时机。简化后的程序框图如图5所示。

图5 计量装填子程序简化框图

3.2 计量缓冲区高度控制子程序

通过样机实验发现，计量缓冲区食物高度波动对计量准确性有一定影响，且当其过高时会有堵塞漏斗隐患，而过低又意味着食物不充足，计量装填子程序将持续等待、降低计量效率，因此，高度控制子程序对于程序的稳定、高效、准确运行有着至关重要的作用。

计量缓冲区高度受多个因素影响，在入料方面受食物传送带的运行速率（受PLC的脉冲输出控制）和食物传送带上食物量的波动（为随机误差）影响；在出料方面受食盒到来速率（也即生产者-消费者模型中的消费速率，一般由生产线上游设备决定，如果为人工放置食盒该速率波动将放大）和计量误差（每次计量将消耗缓冲区中一定量食物，但计量有一定误差，因此单次食物消耗量也有波动）影响。高度控制子程序即调节PLC脉冲输出频率以改变食物传送带运行速率以适应其他三者的随机波动，从而避免缓冲区食物量的大幅变化，进而提高计量准确性。

其中缓冲区食物高度传感器为激光对射式，其输出信号为开关信号，当食物高于传感器输出为0，反之为1，理想情况下一个计量装填周期其将输出占空比为45%～60%的波形。考虑到食物在缓冲区下落过程中遮挡传感器，可能出现食物低于传感器而传感器误报为信号0的情况，因此需要引入硬件和软件2方面的滤波。硬件主要通过增大传感器光强实现，使得光线能透过下落状态的稀疏食物而无法透过堆叠状态的密集食物，实验表明最佳光强与恰能透过5张A4纸的光强相近，因此在设备调试环节可使用5张A4纸对传感器进行快速标定。而软件上的滤波通过延时滤除高频抖动信号。

根据传感器波形占空比信号，采用增量式PID调节脉冲输出频率，实验结果表明，引入高度控制子程序后缓冲区食物量波动降低了32%，且避免了上下溢出的情况，分量准确性也提升了9%。引入高度控制子程序前后炒茄子的计量包装实验如图6、图7所示。

图6 引入高度控制前炒茄子的计量实验

图7 引入高度控制后炒茄子的计量实验

3.3 上位机HMI程序

上位机程序在自动化控制系统中主要实现系统运行参数的设定和运行过程的可视化监控，其中包括了发送控制命令、I/O处理、数据记录[10]。在上位机中定义了系统工作的3大模式：运行模式，即正常流水线生产时的计量装填循环；清洗模式，清洗模式会打开设备内部高压水枪，同时保持传送带低速运行，便于设备清洗；测试模式，便于研发过程调试，且当设备出现硬件损坏等故障时可在测试模式中快速排查。

4 结论

针对快餐食品这一特性复杂的食物类别，设计开发了一套自动化计量包装系统。该系统在结构上分为传送、计量和装填3大部分，在控制系统软件上分为下位机PLC软件与上位机HMI监控软件2部分，实现了对绝大部分快餐食品的准确高速计量包装。以炒玉米为例，系统计量速度可高达45次/min，误差可控制在4.5%以内，满足了工业食品生产的需要。