周曉娟

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

中國對包裝食品需求量巨大，面對日益增長的市場需求，其競爭也日趨激烈，隨著食品包裝行業(yè)的快速發(fā)展，對食品封裝機械設(shè)備的自動化程度和智能化程度也提出更高要求。中國大多數(shù)食品包裝企業(yè)仍然依賴人工完成，人工包裝不僅增加勞動力，增加企業(yè)生產(chǎn)成本，次品率也在不斷增高，還會對食品造成二次污染，從而嚴(yán)重制約食品加工生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展[1-3]。

根據(jù)食品形態(tài)不同，食品包裝通常分為固態(tài)包裝、液體包裝、粉末包裝等，其中塊狀食品又是最為常見的食品包裝。在塊狀食品中，食品形狀各異，如圓形糖果類包裝、方形餅干類包裝等。

針對塊狀食品包裝，中國食品加工企業(yè)所使用的食品封裝機械仍然大部分依賴國外進口。國外所使用的封裝機控制系統(tǒng)又具有保護性，大多采用專用芯片開發(fā)[4-6]，這樣的封裝機通常價格較高，且具有依賴性，不利于國內(nèi)食品包裝行業(yè)發(fā)展。

為了提高國產(chǎn)食品封裝機的自動化程度、智能化程度及控制系統(tǒng)的可移植性，針對塊狀食品封裝機控制系統(tǒng)進行研究，設(shè)計一套基于可編程控制器PLC和觸摸屏相結(jié)合的塊狀食品封裝機控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有控制精度高，包裝速度快、結(jié)構(gòu)簡單，自動化程度和智能化程度高的優(yōu)點，對于提升中國食品包裝行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 塊狀食品封裝機結(jié)構(gòu)及工藝流程

1.1 塊狀食品封裝機結(jié)構(gòu)

塊狀食品封裝機主要由薄膜傳送輥、塊狀食品傳送機構(gòu)、制袋成型器、橫封裝置、縱封裝置、橫封切斷裝置、成品輸出計數(shù)等裝置組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.1.1 薄膜傳送輥

薄膜傳送輥主要完成塊狀食品包裝塑料薄膜傳送工作，封裝機在工作過程中縱封裝置與薄膜傳送輥相互配合，能夠有效避免塑料薄膜在定位包裝過程中產(chǎn)生誤差。

1.1.2 塊狀食品傳送機構(gòu)

塊狀食品傳送裝置主要由鏈條和鏈條撥叉組成，鏈條的轉(zhuǎn)動帶動撥叉運動，撥叉又會帶動物料向前運動。

1.1.3 制袋成型器

制袋成型器主要由底部導(dǎo)板和前葉片組成，制袋成型器可以根據(jù)塑料薄膜的高度和寬度進行靈活調(diào)節(jié)，能夠?qū)⑵戒伒乃芰媳∧ぶ苯又谱鞒纱w，在制袋的同時，塊狀食品也進入到料袋中將其包裹起來。

1.1.4 縱封機構(gòu)

縱封機構(gòu)主要負責(zé)將制袋成型后的塑料進行縱向加熱封合，并牽引塑料薄膜向前運動。

1.1.5 撫平裝置

撫平裝置主要是將制袋成型后的袋體以及其中的塊狀食品進行撫平，以保證下一個工藝流程的順利進行。

1.1.6 橫封切斷裝置

橫封切斷裝置是由兩片加熱切刀組成，通過加熱切刀完成袋體風(fēng)頭表面的加熱并形成紋理，然后將塑料薄膜進行切割。

1.1.7 輸出計量裝置

裝置主要負責(zé)對成品進行計數(shù)統(tǒng)計，通過統(tǒng)計可以計算出該封裝機的生產(chǎn)效率。

1.2 生產(chǎn)工藝

圖2 工藝流程

塊狀食品封裝機是一種枕式三伺服封裝機，能夠自動形成袋體成型、食品填充、封口、切割、統(tǒng)計等工序。食品封裝機的拉伸膜和對食品物料的傳送通過機械結(jié)構(gòu)連接進行同步運動，通過光電傳感器和色標(biāo)追蹤傳感器分別對物料和薄膜的位置進行跟蹤檢測，通過成型器完成薄膜成型加工，并經(jīng)過縱封、橫封等加熱裝置后完成2個方向的熱封，當(dāng)運動到切割位置時由切刀對袋體進行橫向切割，包裝產(chǎn)品經(jīng)過統(tǒng)計檢測裝置后對其進行統(tǒng)計，食品完成包裝。包裝工藝流程如圖2所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

包裝控制系統(tǒng)硬件主要包括可編程控制器PLC、人機觸摸屏、伺服驅(qū)動器、伺服電機、溫度控制器等。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

塊狀食品封裝機控制系統(tǒng)通過人機觸摸屏實現(xiàn)對系統(tǒng)信息的實時傳遞與操控，系統(tǒng)下位機為PLC。封裝機在工作之前由操作人員通過人機觸摸屏將參數(shù)設(shè)置到PLC數(shù)據(jù)寄存器中，然后PLC控制器則控制多軸伺服電機分別實現(xiàn)各自的功能。通過控制物料輸送電機控制撥叉鏈條運動將產(chǎn)品向前輸送。通過控制薄膜牽引軸實現(xiàn)塑料薄膜的牽引，由縱封軸電機的控制實現(xiàn)縱封牽引實現(xiàn)對包裝薄膜的縱向封合。各電機的編碼器將各軸的位移和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電信號并反饋到PLC主機中，從而實現(xiàn)控制軸的實時控制并根據(jù)反饋值實現(xiàn)對位置和轉(zhuǎn)速的精確控制。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 PLC選型

在項目開發(fā)過程中，需要對控制方案進行合理設(shè)計，根據(jù)設(shè)計方案選取PLC控制器，PLC機外部端口及串行通信端口都應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)化、集成化的[7-9]。

根據(jù)食品封裝機的包裝工藝流程及控制要求，同時考慮控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性、功能可擴展性，選用歐姆龍CP1H系列PLC，CPU為CP1H-XA，該款PLC擁有20K的程序存儲量和16K的數(shù)據(jù)存儲器，擁有4路模擬量輸入和2路模擬量輸出，20路數(shù)字量輸入和14路數(shù)字量輸出，內(nèi)置高速計數(shù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)多軸同步控制。

2.2 觸摸屏

觸摸屏又稱為人機交互系統(tǒng)，可以通過畫面中的組態(tài)按鈕取代機械式按鈕。觸摸屏通過接收一些輸入信號，將此信號通過串口通信傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)中，此外觸摸屏能夠?qū)LC中的數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)進行變更，進而完成PLC參數(shù)的設(shè)置。此外觸摸屏還擁有一個重要的功能，通過觸摸屏可以實現(xiàn)整個封裝機故障信息的監(jiān)控，通過觸摸屏將封裝機發(fā)生的故障及將要發(fā)生的故障快速地顯示在觸摸屏故障畫面中，為車間監(jiān)控人員提供重要的參考信息，為生產(chǎn)計劃提供可靠依據(jù)。

試驗選擇威綸通觸摸屏MT6070IH，該款PLC能夠?qū)崿F(xiàn)多款PLC通信，通訊口擁有一個RS-232串口，該串口主要用于程序下載，而另一個串口RS-232主要與PLC進行數(shù)據(jù)傳送，該款觸摸屏采用EB8000軟件進行編程設(shè)計，能夠輕松完成復(fù)雜畫面的組態(tài)?？梢赃M行在線模擬測試，從而為開發(fā)節(jié)省了時間。

2.3 伺服系統(tǒng)

圖4 伺服系統(tǒng)接線

伺服系統(tǒng)驅(qū)動器主要通過接收PLC發(fā)出的高速脈沖實現(xiàn)對伺服電機的驅(qū)動控制，伺服驅(qū)動器與伺服電機結(jié)合使用，通過伺服電機實現(xiàn)封裝機各軸的定位與速度控制。選用的伺服為松下MINAS-A5伺服電機MDME152GCH，伺服驅(qū)動器為MDDHT5540。伺服系統(tǒng)接線如圖4所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC軟件流程圖

軟件流程圖是根據(jù)塊狀食品封裝機系統(tǒng)的功能要求，對PLC程序的執(zhí)行順序進行規(guī)劃，設(shè)計出軟件的功能塊，按照一定的順序執(zhí)行程序。軟件流程圖是進行設(shè)計程序的基礎(chǔ)和前提，可以有效指導(dǎo)程序編寫，提高程序編寫速度、降低程序錯誤率。根據(jù)流程圖編寫的程序邏輯性強、功能強大。

封裝機控制系統(tǒng)PLC程序采用歐姆龍公司CXProgrammer編程軟件進行梯形圖編程，編程軟件能夠完成項目程序的建立、編輯、調(diào)試及數(shù)據(jù)監(jiān)控，同時具有完善的注釋功能方便程序的可讀性，大幅提高程序的靈活開發(fā)及系統(tǒng)維護更新。塊狀食品封裝機控制系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

3.2 觸摸屏軟件設(shè)計

觸摸屏界面是人與機械設(shè)備進行信息交互的重要窗口，通過觸摸屏界面可對封裝機發(fā)送控制命令，同時可以通過數(shù)據(jù)監(jiān)控的方式對封裝機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，為封裝機的良好運行提供重要保證。觸摸屏界面流程如圖6所示[10]。

系統(tǒng)設(shè)計的封裝機人機界面主要包括初始化界面、操控界面、報警界面。觸摸屏界面設(shè)計效果如圖7所示。

圖6 觸摸屏界面流程

圖7 觸摸屏界面

3.2.1 初始界面

初始界面主要包括2個，一個為程序版本記錄界面，另一個為語言設(shè)置界面。程序版本是為了記錄PLC和觸摸屏程序的版本號，方便后期程序升級換代。

3.2.2 操控界面

操控界面包括手動操作、運行畫面、計數(shù)統(tǒng)計、參數(shù)設(shè)置等多個畫面。

3.2.3 報警界面

報警界面主要為了記錄封裝機當(dāng)前故障和預(yù)置故障，并顯示出故障發(fā)生的具體事件及發(fā)生此故障的具體原因。

4 結(jié)語

以塊狀食品封裝機控制系統(tǒng)為研究對象，為提高封裝機智能化、自動化程度，在食品封裝機工藝流程基礎(chǔ)上設(shè)計一款基于PLC和觸摸屏的塊狀食品封裝機控制系統(tǒng)。詳細介紹控制系統(tǒng)硬件，并在硬件基礎(chǔ)上，利用編程軟件對PLC程序和觸摸屏程序進行編程設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定性高、可靠性強，能夠根據(jù)包裝工藝要求隨時對封裝機功能進行擴展，有利于國產(chǎn)封裝機的推廣使用。