李 磊 汪 磊 周 婧

(1. 天津中德應用技術大學，天津 300350；2. 天津科技大學，天津 300222)

在食品、藥品、化工等行業(yè)的生產(chǎn)過程中，需要對原材料進行配料，即將多種原料按照預定的比例進行混合，然后經(jīng)過一系列的生產(chǎn)工藝過程，最終形成產(chǎn)品，配料的精度直接影響產(chǎn)品的質量。實際生產(chǎn)中，大多企業(yè)仍采用人工稱重的方式進行配料，效率低，且配料精度不高，也經(jīng)常出現(xiàn)由于人工操作失誤而造成產(chǎn)品質量問題。

當前在一些需要配料和稱重的行業(yè)中，如田智慧等[1]設計的一種適用于洗衣粉配料稱重包裝設備，趙國軍等[2]設計的一種高效率的稀土定量稱重包裝設備，均能夠實現(xiàn)對不同原料進行稱重、配料等過程的自動化控制，但以上研究設備均存在機械結構復雜，占地面積大，設備成本高等缺點。在食品行業(yè)中，大量的中小企業(yè)不一定有足夠的場地和資金來配套全自動的稱重配料生產(chǎn)線。因此，試驗擬開發(fā)一種適用于食品等行業(yè)中多種類原料自動配料、精確稱重及配方管理的自動化設備。

1 多物料連續(xù)配料設備

1.1 設備機械結構

多物料連續(xù)稱重配料設備的機械結構如圖1所示。該設備最大尺寸為800 mm×800 mm×1 600 mm，工作臺上布置有A、B、C 3套料倉總成和稱重設備，料倉內可根據(jù)配方需要添加粉末或顆粒物料，攪拌電機可以防止料倉內物料出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，螺桿輸送機和料倉間通過法蘭連接，步進電機驅動螺桿旋轉將料倉內物料輸出，物料在重力作用下落入配料盤中，配料盤放置在稱重支架上，稱重支架內部安裝有稱重傳感器，用來檢測下落物料的重量，料倉總成和稱重設備均通過螺栓固定到工作臺臺面上，工作臺具有減震功能，降低設備工作時產(chǎn)生的震蕩對稱重過程的干擾。

1.2 工藝過程

1. 攪拌電機 2. A料倉總成 3. B料倉總成 4. C料倉總成 5. 螺旋送料機 6. 步進電機 7. 配料盤 8. 稱重設備 9. 工作臺

以食品加工業(yè)中餅干制作過程為例，介紹該設備連續(xù)配料稱重過程[3-4]。餅干在制作過程中需要添加多種食品添加劑來提升口感和外觀。在配料過程中，需要將多種添加劑原料按照一定的比例混合加入面粉中，文中介紹的連續(xù)配料設備包含有3套獨立料倉總成，每個料倉中放置餅干制作所需的食品添加劑。根據(jù)設定配方，料倉總成螺旋送料機向配料盤中輸出物料，當稱重模塊反饋重量達到設定值時，該料倉送料機停止供料，下一料倉總成開始工作，依次循環(huán)，直至完成設定的配料任務。整個配料稱重過程完全采用自動化控制，提高了配料的準確率和生產(chǎn)效率。

1.3 設計要求

在餅干配料過程中，為了提高配料精度、生產(chǎn)效率和智能管理，對該設備提出以下要求。

(1) 可準確稱量物料重量，根據(jù)餅干配方要求，單種配料重量誤差率應控制在±1%以內。

(2) 應能夠對粉末或小顆粒狀添加劑進行連續(xù)供料，且各料倉供料的速度可調。在生產(chǎn)過程中，設定完配方參數(shù)后可實現(xiàn)自動連續(xù)配料。

(3) 應具有良好的人機交互界面，能夠實現(xiàn)配料過程的配方管理、數(shù)據(jù)存儲、實時監(jiān)控、報警信息等功能。

(4) 應具有良好的通信能力，能夠快速、穩(wěn)定地實現(xiàn)各個控制元件之間的數(shù)據(jù)交互，能夠方便引入其他控制模塊，實現(xiàn)功能擴展。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

通過對餅干配料工藝過程分析，設計控制系統(tǒng)組成[5-8]如圖2所示。上位機采用MCGS軟件設計，通過PROFINET技術實現(xiàn)與PLC的實時通訊，控制器使用西門子S7-1200系列PLC，CPU型號選用1214C，輸入14通道、輸出10通道。稱重傳感器型號為MT1022，精度等級為C3，額定容量為3 kg，最小檢測重量為1 g。稱重模塊采用西門子WP231模塊，可以直接集成在PLC上，該模塊可將傳感器的電壓信號轉換成數(shù)字信號傳遞給控制器中，測量精度達到0.05%。

圖2 控制系統(tǒng)組成

PLC和稱重模塊輸入輸出端口分配如表1所示。

表1 輸入/輸出變量地址

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 供料精度控制方法

3.1.1 螺旋送料機分級控制 螺旋送料機的給料能力及精度取決于螺旋設計參數(shù)，由式(1)計算：

Q=60πD2SnΨλε/4，

(1)

式中：

Q——輸送量，t/h；

D——螺旋葉片直徑，m；

S——螺距，m；

n——螺旋轉速，r/min；

Ψ——填充系統(tǒng)，取0.46；

ε——傾斜輸送系數(shù)，取0.94；

λ——物料單位容積質量，t/m3。

螺旋輸送機的轉速取值應在適當?shù)姆秶?，轉速太低則輸送量不大，轉速過高則物料與葉片間發(fā)生相對移動，使輸送量降低。由于該設備對物料稱重精度要求較高，所以設備在輸出物料時對步進電機轉速采用分級控制[9-11]的方式，即將送料分為粗給料和細給料兩個階段。當輸出物料質量未達到目標量的90%時采用粗給料方式，然后采用細給料方式供料。綜合考慮送料時間和輸送量的準確性，設備在進行粗給料時，螺旋軸轉速取100～180 r/min；設備在進行細給料時，螺旋軸轉速取20～60 r/min。同時，當處于細給料階段時，采用閉環(huán)PID控制方式對步進電機轉速進行調整，控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

3.1.2 空中物料補償 當稱重傳感器檢測重量等于設定重量時，控制器將停止電機動作。但此時仍有部分物料處于下落過程，為提高最終物料稱量精度，系統(tǒng)采用對空中物料補償?shù)姆椒ㄟM行修正。由式(1)可知，空中物料的重量與落料口高度、螺旋直徑、螺距、螺旋轉速等因素有關。該設備機械結構中影響空中物料重量最大因素是螺旋轉速，通過測試找出兩者之間的關系。測試方法：設定稱重200 g，螺旋轉速20～60 r/min，轉速間隔5 r/min，每階段速度下進行稱重測量3次，取平均值且精確到0.1 g。表2中測試數(shù)據(jù)為未加入空中物料補償時，螺桿轉速與空中物料重量之間的關系。

將表2中測試數(shù)據(jù)載入Matlab軟件中，對載入的離散點數(shù)據(jù)進行線性擬合，曲線如圖4所示，得出螺桿旋轉速度x與空中物料重量y兩者之間的函數(shù)關系式為：

表2 測試數(shù)據(jù)

圖4 曲線擬合

y=0.13x+1.88。

(2)

同理求得設備中其他料倉物料補償系數(shù)。

3.2 上位機程序設計

上位機界面使用MCGS軟件設計，其主要功能是設置各被控量參數(shù)，顯示和存儲物料重量信息，顯示報警信息，并通過PROFINET向下位機發(fā)送相關控制命令和接收所需的數(shù)據(jù)。上位機控制界面主要由手動調試界面和自動運行界面組成。

圖5為手動調試界面，該界面可設置粗給料、細給料條件下電機轉速，設定稱重重量和設置空中物料補償系數(shù)，并將參數(shù)傳輸至PLC指定數(shù)據(jù)寄存器中。另外，調試界面可以單獨控制設備中任意電機的啟停。也可通過啟動、停止按鈕實現(xiàn)單物料供料工作過程。

圖5 手動調試界面

圖6為自動運行界面，該界面使用MCGS軟件中配方設計功能，通過軟件中腳本程序和策略的運用，可以實現(xiàn)對不同配方中各料倉出料重量參數(shù)的設定，并通過按鈕實現(xiàn)對配方的編輯、保存、刪除等功能。使用上個配方和下個配方按鈕來切換配方，或直接通過改變配方號選擇配方，確定后點擊加載配方按鈕，數(shù)據(jù)將存儲至PLC相應寄存器中，報警界面可根據(jù)傳感器信號檢測物料是否充足，同時對測量物料重量誤差超出上下限情況進行報警和記錄。

圖6 自動運行界面

3.3 PLC程序設計

根據(jù)系統(tǒng)控制要求設計PLC的控制流程圖，該系統(tǒng)中PLC控制流程圖如圖7所示。

圖7 PLC控制流程圖

設備上電后，控制系統(tǒng)首先進行初始化，檢查各模塊間通信是否正常，各料倉物料是否充足，是否存在需處理的報警信息等，自檢完成后可進行操作模式選擇。

選擇手動操作模式時，可對任意一個料倉供料過程進行單獨調試，以確定粗給料和細給料速度螺桿轉速，調試完成后可將速度參數(shù)加載至PLC指定存儲器進行保存，在設備自動運行時調用。另外，手動模式下，為方便調試可啟停設備中任意電機，也可實時調整電機轉動方向和速度。

選擇自動運行模式時，當設定完配方中各物料重量參數(shù)后加載配方并啟動設備，PLC首先控制A料倉開始供料，步進電機驅動螺旋供料裝置進行粗給料，物料在重力作用下落入配料盤，稱重傳感器檢測重量后將模擬信號至傳輸稱重模塊中，處理后轉換為數(shù)字信號傳輸至PLC中，當測量重量接近設定重量時，控制系統(tǒng)調用細給料參數(shù)，當檢測重量等于設定重量時，步進電機停止，攪拌電機停止。此時，上位機存儲并顯示最終測量重量。

依次循環(huán)，下一料倉開始供料。當將配方中某物料重量設定為0時，控制系統(tǒng)將跳過該料倉。

4 對比試驗分析

以某種餅干配料過程為例將人工配料與該設備配料進行對比試驗。試驗條件為某餅干配方中設定A、B、C 3種物料重量均為500 g，稱重誤差率在±1%范圍內均屬合格。

人工配料是目前食品企業(yè)中主要的配料方式，其稱重精度主要與稱量工具、工人熟練程度、稱量時間等因素相關。通過統(tǒng)計，熟練技術工人稱重500 g物料平均用時約10 s。將設備出料速度設定為中等(粗給料為160 r/min，細給料為30 r/min)，設置空中物料補償系數(shù)，稱重500 g用時約7 s，該設備稱重效率高于人工方式。

按照配方要求各完成10次連續(xù)稱重，各物料稱量誤差結果如表3所示。

表3 物料稱量誤差對比

由于試驗配方中A、B、C 3種物料均為粉末狀，物料密度和特性基本相同，且試驗條件相同。因此將3種物料測試數(shù)據(jù)作為同一個樣本進行分析。該樣本中稱重誤差為隨機變量X，則該隨機變量X的概率密度函數(shù)[12-13]為：

(3)

式中：

μ——隨機變量平均值；

σ2——此隨機變量方差。

式(3)正態(tài)分布記作N(μ，σ2)。

根據(jù)表2中樣本數(shù)據(jù)，計算得人工稱量的正態(tài)分布曲線N1(1.54,1.7132)，自動稱量設備的正態(tài)分布曲線N2(0.34,1.3632)，其直方圖和正態(tài)分布曲線如圖8所示。

圖8 正態(tài)分布曲線

由正態(tài)分布的隨機變量概率規(guī)律可知，距平均值μ近的值的概率大，而距離μ遠的值概率越??；σ越小，概率分布越集中在μ附近，σ越大，概率分布越分散。將試驗曲線轉換成標準正態(tài)函數(shù)，當取稱重誤差值范圍為±3 g時，查表得人工稱重滿足要求的概率約為79%，使用設備自動稱重時滿足的概率約為96.7%。因此，該設備稱重精度和可靠性高于人工方式。

5 結論

設計了適用于食品行業(yè)中餅干配料過程的自動化設備，該設備采用PLC作為控制核心，對螺旋供料和稱重過程采用閉環(huán)控制，對供料電機進行分級調速，并且增加了空中物料補償修正，提高了設備稱量精度。根據(jù)試驗對比數(shù)據(jù)，設備準確性、可靠性高于人工稱重方式。該設備也適用于其他食品、化工、制藥等對精確稱重和自動配料有需求的企業(yè)，具備推廣價值。后續(xù)將開展對設備的模塊化、參數(shù)化設計，方便設備成組使用。