張鵬

（河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，河南鄭州450018）

食品包裝中自動定量計量系統(tǒng)研究

張鵬

（河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，河南鄭州450018）

對食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和結(jié)構(gòu)組成進行說明，其主要技術(shù)包括傳感器技術(shù)、信號預(yù)處理技術(shù)、A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、微控技術(shù)和人機交互技術(shù)。深入分析了食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，主要控制系統(tǒng)為核心，結(jié)合電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)構(gòu)成整個硬件系統(tǒng)，Realview MDK軟件為開發(fā)工具，設(shè)計了控制系統(tǒng)的軟件實施辦法。最后從物料計量精度、硬件抗誤差能力和軟件控制精度三個方面入手，提出完善該系統(tǒng)的解決方案。

食品包裝；自動定量計量系統(tǒng)；主控系統(tǒng)

隨著我國人民生活水平的提高和食品消費市場的不斷壯大，消費者對食品的質(zhì)量要求越來越高，而食品包裝作為食品產(chǎn)品重要組成部分，具有保障食品質(zhì)量、方便食品運輸和提升食品整體美感等作用[1-2]。食品包裝常常采用人工計量方式進行稱重，這種方式的人工勞動強度大，生產(chǎn)效率低，同時手工稱量誤差大，易造成食品重量稱量的精度不足[3]。近些年電子技術(shù)的發(fā)展使得自動化稱量設(shè)備逐步代替手工稱量，機械行業(yè)和計算機技術(shù)的跨越式發(fā)展顯著提高了食品包裝技術(shù)的自動化水平，其中自動化定量計量包裝已經(jīng)占食品總包裝市場份額的75%左右，并且還呈現(xiàn)不斷增長的勢頭[4-5]。電子計量技術(shù)是自動計量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它包含了電子技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)及自動化技術(shù)，是一種將無序的物料穩(wěn)定分成規(guī)定質(zhì)量的裝置[6]。食品包裝根據(jù)計量次數(shù)要求可分為單次計量和分量計量，其中單次計量是指食品包裝整個過程只需進行一次計量，適合物料單一的食品包裝系統(tǒng)，分量計量是指根據(jù)不同物料的質(zhì)量配比分別加入同一包裝，同時自動定量系統(tǒng)在用于食品包裝時能夠?qū)崿F(xiàn)食品自動連續(xù)包裝，降低人工成本，提高包裝效率[7-8]。

目前我國自動定量系統(tǒng)用于固體食品包裝的技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)比較成熟，但針對液體及具有粘性的半固體食品等流動性物料的計量包裝設(shè)計及使用仍存在一定的局限性，基于此，本文在目前食品包裝定量計量系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上設(shè)計一套適合具有流動性的食品的計量包裝。

1 食品包裝自動定量計量系統(tǒng)簡介

1.1 食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)

食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的功能包括計量和自動包裝，它是食品自動包裝機械最重要的系統(tǒng)，一般可根據(jù)計量方式分為三種，即：容積式計量，用于流動性較好的液體物料的計量，該計量裝置結(jié)構(gòu)比較簡單，計量效率高，但加工精度較低；稱重式計量，用于流動性較差的半固體物料的計量，由于半固體物料易結(jié)塊，因此對于計量裝置要求較高，該計量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單次包裝耗時長，但加工精度高；計數(shù)式計量，用于顆粒狀或塊狀固體物料的計量，利用轉(zhuǎn)盤式計量器使顆粒狀物料邊稱重便落入物料箱，直到重量到達指定標準后，進行卸料填充操作，完成包裝。

食品包裝自動定量計量系統(tǒng)具有較高的自動化程度是由于其內(nèi)部包含眾多電子化技術(shù)，其中主要有：①傳感器技術(shù)，傳感器作為檢測裝置，主要用于獲取設(shè)備工作過程中的相關(guān)參數(shù)信息，并轉(zhuǎn)化成電信號進行傳輸及其他后續(xù)操作，傳感器是食品包裝自動計量系統(tǒng)與外界聯(lián)系的節(jié)點，應(yīng)具有靈敏度高、穩(wěn)定性好及線性范圍廣等特點。②信號預(yù)處理技術(shù)，傳感器直接接收到的信號一般比較微弱，難以直接被處理器獲取，因此可使用信號預(yù)處理技術(shù)將信號放大，同時過濾噪聲，排除干擾信號。③A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，將預(yù)處理過的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的數(shù)字信號，根據(jù)要求不同可使用不同的A/D轉(zhuǎn)換器。④微控技術(shù)，修正系統(tǒng)參數(shù)，處理接收到的數(shù)學(xué)信號，完成數(shù)據(jù)儲存等功能。⑤人機交互技術(shù)，通過顯示器將系統(tǒng)運行參數(shù)及其他信息展示給用戶，同時用戶也可對參數(shù)進行修正等操作，控制設(shè)備的運行過程，實現(xiàn)系統(tǒng)的人工控制。

1.2 食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的技術(shù)難點

目前食品包裝定量計量系統(tǒng)常利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制，具體問題包括：①計量精度低。以某植物油加工廠為例，在標準重量設(shè)定為200 kg的情況下，要求誤差控制在0.25%以內(nèi)，但在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)設(shè)備計量誤差常高于0.5 kg，即超過0.25%；②生產(chǎn)速度慢。對于某些季節(jié)性食品，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對生產(chǎn)加工過程速度有一定要求，現(xiàn)有食品包裝生產(chǎn)設(shè)備加工速度有待提高；③控制策略不佳。傳統(tǒng)控制方式造成食品加工過程干擾因素較多，使定量計量過程質(zhì)量易超出要求范圍外，甚至導(dǎo)致原料溢出。

另外，基于食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的技術(shù)要求，其難點包括：①兼顧食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的精度和速度要求；②保障流體食品流量的穩(wěn)定性；③解決流體食品對稱重裝置產(chǎn)生的沖擊力所造成的動態(tài)補償問題；④解決流體食品運輸過程中落差導(dǎo)致控制精度下降的問題。

2 食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計

2.1 食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

食品包裝對自動定量計量系統(tǒng)的量程、精細度、效率等方面均有一定要求，其中計量精細度的允許偏差為待稱量物料的0.1%，即若食品稱量的重量范圍超出食品實際重量0.1%，則視為系統(tǒng)不達標準[9]。圖1為食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 自動定量計量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of automatic quantitative measurement system schematic diagram

由圖1可知，食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的主要設(shè)備包括儲料倉、給料設(shè)備、控制系統(tǒng)和計量設(shè)備。儲料倉一般應(yīng)保證有足夠的物料，若物料不足時可使用提升機來進行補給；可根據(jù)物料類型選擇合適的給料設(shè)備，一般包括閥門式、螺旋式和振動式，對于流動性較大的物流一般選擇螺旋式送料設(shè)備，通過重力及離心力作用使物料順利進入計量斗；計量設(shè)備通過傳感器接收物料質(zhì)量信號，控制儀表控制參數(shù)及卸料；控制系統(tǒng)主要包括微處理器，對整個定量計量系統(tǒng)工作過程進行控制。

2.2 食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計

食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的硬件是控制整個系統(tǒng)工作流程的載體，也是使系統(tǒng)能夠正常運行的設(shè)備基礎(chǔ)，主要構(gòu)成包括電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、主要控制系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)。其中主要控制系統(tǒng)是核心部分，起到控制整個運行過程中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、處理、顯示和存儲以及根據(jù)參數(shù)控制送料系統(tǒng)和卸料系統(tǒng)開關(guān)的作用；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包含傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器兩部分，主要是將傳感器捕捉到的微弱信號進行過濾及增強處理后，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成可被內(nèi)部系統(tǒng)識別的數(shù)字信號；通信系統(tǒng)主要包括串口通信模塊和輸出驅(qū)動模塊，用來實現(xiàn)系統(tǒng)的信息通信以及傳動電機和送料、卸料開關(guān)的驅(qū)動控制；人機交互系統(tǒng)主要包括觸摸屏和薄膜晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD），為用戶提供了解和設(shè)定參數(shù)的窗口。

食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的軟件是系統(tǒng)控制的核心，用來完成流程控制?？刂葡到y(tǒng)的微機控制器采用ARM Contex-M3核心，其開發(fā)工具選用德國Keil公司的Realview MDK軟件。Realview MDK軟件能夠完美支持ARM Contex-M3微機控制器，能靈活有效的組織并管理多個窗口，提高開發(fā)效率；具有強大的Simulation仿真和分析功能，可以通過仿真模擬實驗調(diào)節(jié)開發(fā)環(huán)境和參數(shù)，減小開發(fā)周期；能夠自主匹配啟動代碼，便于用戶了解開發(fā)過程及狀況。

控制系統(tǒng)主程序設(shè)計方案為：首先根據(jù)硬件組成模塊，進行初始化操作，初始化內(nèi)容包括時鐘、總線擴展器（General Purpose Input Output，GPIO）、嵌套向量中斷控制器（Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC）、串口通信、數(shù)據(jù)采集、TFT-LCD、觸摸控制、SD卡和FatFs文件系統(tǒng)。然后設(shè)定參數(shù)并根據(jù)參數(shù)驅(qū)動控制程序操作，計量包裝完成后將數(shù)據(jù)存儲至SD卡，完成一次計量包裝工作。系統(tǒng)軟件控制流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件控制流程圖Fig.2 The flow chart of control system software

3 食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的實現(xiàn)過程

為檢測上文中提出的食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的應(yīng)用性能，本文將從物料計量精度、硬件抗誤差能力和軟件控制精度三個方面進行分析。

3.1 食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的影響因素分析

影響物料計量精度的因素包括傳感器誤差、計量斗結(jié)構(gòu)和機械運動，其中傳感器的受力程度決定了其電信號的大小，而傳感器的質(zhì)量決定于感應(yīng)材料、內(nèi)部電路、制作工藝及工作環(huán)境影響。計量斗應(yīng)采用光滑曲面結(jié)構(gòu)，同時傳感器應(yīng)均勻接觸計量斗，防止受力不均造成實驗誤差。機械運動誤差包括沖擊誤差，落料誤差和機械振動誤差，這些誤差是由于送料過程中物流機械運動對計量斗產(chǎn)生一定力造成的，機械運動誤差很難徹底消除，只能通過縮短下料距離，設(shè)置緩沖裝置等方式盡量減小。

硬件系統(tǒng)的工作環(huán)境干擾因素較多，例如電源噪聲、電磁波輻射、高壓電流等，這些干擾因素對系統(tǒng)硬件設(shè)備的抗干擾能力提出一定要求。

軟件系統(tǒng)是保障系統(tǒng)程序正常運行的基礎(chǔ)，不同軟件模塊的連接方式、參數(shù)設(shè)定以及外界信號干擾均會對系統(tǒng)軟件的執(zhí)行操作造成干擾。

3.2 食品包裝自動定量計量系統(tǒng)的驗證分析

為減小物料計量誤差，設(shè)計三級送料螺旋速度控制檔，利用時間控制流程，實現(xiàn)送料過程前期快速送料，中期減緩速度，后期緩慢送料的方式，顯著減小了機械運動誤差。

為減小硬件系統(tǒng)誤差，一方面可以使用濾波技術(shù)和穩(wěn)壓器，過濾噪聲干擾，同時穩(wěn)定電壓，另一方面可以采取屏蔽技術(shù)抑制不同區(qū)域間的電磁場耦合現(xiàn)象，以及隔離技術(shù)隔離不同電路間地點位連接的現(xiàn)象，另外可采取接地措施，即將設(shè)備的電路與地級相連，減小模擬信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換時的干擾。

軟件設(shè)計時可對不同模塊間信息傳遞代碼和接口進行規(guī)范化設(shè)計，減小信息傳遞過程中產(chǎn)生誤差的可能性，對參數(shù)設(shè)置邊界，排除外界干擾，對已經(jīng)侵入的干擾采取強制復(fù)位操作，維護軟件系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié)語

包裝食品的實際需求促使自動食品包裝機械的不斷發(fā)展，其中自動定量計量系統(tǒng)是食品包裝機械的核心組成，其設(shè)計及性能決定著整個包裝系統(tǒng)的效率和精度。本文對食品包裝中自動定量計量系統(tǒng)的總體設(shè)計進行說明，并分別闡述了其硬件和軟件系統(tǒng)的具體設(shè)計。最后以物料計量精度、硬件抗誤差能力和軟件控制精度3個方面入手，提出了優(yōu)化性能的實施方案。

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Automatic Quantitative Measurement System Research of Food Packaging

ZHANG Peng
（Henan Institute of Economics and Trade，Zhengzhou 450018，Henan，China）

The technology related to food packaging automatic quantitative measurement system and structure were introduced，including sensor technology，signal pretreatment technology，A/D conversion technology，microcontroller technology and human-machine interaction.This work analysis of the food packaging automatic quantitative measurement system hardware and software design.The hardware includes core system，power supply system，data acquisition system，storage system，communication system and man-machine interaction system.Realview MDK software was used as development tools，which could measure the control system.Finally from material measuring accuracy，the solution of the system was proposed based on the hardware and software error resistance precision.

food packaging；automatic quantitative measurement system；master control system

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.03.049

2016-09-13

張鵬（1975—），女（漢），講師，碩士，研究方向：軟件工程，模式識別及算法，數(shù)據(jù)處理與分析，多媒體技術(shù)。