龍飛帆 李榮隆

(1. 貴州省林業(yè)學(xué)校，貴州 貴陽 550201；2. 貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 3. 貴州師范大學(xué)地理環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

自動灌裝機是包裝機械中的一類產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于飲料、酒水、流體食品、醫(yī)藥和日化等行業(yè)，灌裝是其自動化生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其灌裝速度和精度將直接影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)[1-2]。當(dāng)前中國自動化灌裝機械設(shè)備已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，但是針對多顆粒態(tài)油辣椒物料的自動化灌裝設(shè)備依然處于研發(fā)階段，多顆粒態(tài)油辣椒物料的灌裝主要還是采用傳統(tǒng)的人工瓢舀方式灌裝或者半自動化機械灌裝[3-5]。多顆粒態(tài)油辣椒物料是在油鍋里經(jīng)過高溫炒制后獲得，并要求其在92 ℃左右的高溫環(huán)境下進行灌裝，以保證產(chǎn)品的口感和品質(zhì)。高溫灌裝時雖然油液的流動性很好，但是固態(tài)顆粒物的成分復(fù)雜，密度不均勻，容易造成固液分層現(xiàn)象，從而導(dǎo)致灌裝產(chǎn)品固液比例不定，質(zhì)量不一等問題。

針對上述灌裝時存在的問題，試驗擬結(jié)合多顆粒態(tài)油辣椒物料的物理特征和灌裝工藝要求，在胡飛等[6]研制的第一代固液分離式自動灌裝控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過對設(shè)備進行升級和改造，該控制系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)多顆粒態(tài)油辣椒物料的高速、精確自動化灌裝。

1 油辣椒自動灌裝機基本結(jié)構(gòu)及工作原理

研究的多顆粒態(tài)油辣椒自動灌裝機如圖1所示，主要由過濾分離裝置、攪拌下料裝置、儲油裝置、固體定量裝置、輸送裝置和在線補油裝置組成。固液分離裝置作用是將炒制好的油辣椒物料中的固態(tài)顆粒與油液分離，同時將固態(tài)顆粒輸送到攪拌料斗內(nèi)，油液進入蓄油箱內(nèi)。攪拌下料裝置由攪拌機構(gòu)和螺旋下料機構(gòu)組成，攪拌機構(gòu)作用是將分離后的顆粒態(tài)物料進行二次攪拌以實現(xiàn)均勻化灌裝，螺旋下料機構(gòu)的作用是將顆粒態(tài)物料通過螺旋葉片送進量杯內(nèi)。儲油裝置的作用一方面是將從分離機構(gòu)分離出來的油液存儲起來，另一方面為在線補油裝置供油。固體定量裝置由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、量杯機構(gòu)和氣動推料機構(gòu)組成，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)間歇時間(每個量杯的灌裝時間)為3 s，量杯機構(gòu)上設(shè)有6個可調(diào)式量杯孔和一個余料刮板，攪拌下料裝置下料口處設(shè)有光電傳感器1用于檢測下料口處是否有空量杯，當(dāng)有量杯經(jīng)過下料口時，光電傳感器將檢測到信號反饋給PLC控制器，PLC根據(jù)檢測信號控制螺旋下料電機是否下料。下料完成后旋轉(zhuǎn)機構(gòu)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)進行下一個量杯的灌裝，余料刮板將超出量杯口的顆粒物料刮入余料槽，進行物料的回收再利用。氣動推料棒用于將量杯中的物料推送到空料瓶中。輸送裝置用于料瓶輸送，由2條鏈板輸送帶、1個氣動擋瓶裝置、1個氣動隔瓶裝置和1個氣動推瓶裝置組成。灌裝機啟動，輸送帶1也跟著啟動，擋瓶器伸出，輸送帶1的料瓶灌裝口處設(shè)有光電傳感器2，用于檢測是否有載料瓶經(jīng)過料瓶灌裝口，當(dāng)有載料瓶經(jīng)過此處時，光電傳感器2將檢測到的信號反饋給PLC控制器，PLC根據(jù)檢測信號控制擋瓶氣缸，使擋瓶器復(fù)位，載料瓶就會在輸送帶1的作用下經(jīng)過隔瓶器。隔瓶器處設(shè)有光電傳感器3，用于計算經(jīng)過隔瓶器的載料瓶數(shù)，當(dāng)計數(shù)達(dá)到4后傳感器會將信號反饋給PLC控制器，PLC通過控制隔瓶氣缸，使隔瓶器伸出，以阻止其他載料瓶繼續(xù)通過，緊接著推瓶器伸出，將載有物料的4個瓶子推上輸送帶2進行在線油料補償。在線補油裝置由稱量臺、注油閥、接油盤組成。載料瓶被推上輸送帶2后，接油盤立即縮回，灌裝閥打開進行注油，當(dāng)料瓶總重達(dá)到設(shè)定值后，灌裝閥關(guān)閉，接油盤、隔瓶器復(fù)位，輸送帶2啟動將灌裝完成的料瓶送出，自動灌裝完成。

2 油辣椒自動灌裝機控制系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

根據(jù)油辣椒物料的物理特性及灌裝機的工作原理，要求該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：① 能夠?qū)崿F(xiàn)油辣椒物料固液分離、顆粒物料的灌裝、料瓶輸送、油液補償、計量及各個灌裝動作準(zhǔn)確有序執(zhí)行；② 該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)灌裝瓶數(shù)、灌裝重量等的計量和顯示；③ 設(shè)備在運行期間，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控其運行狀況，設(shè)備運行出現(xiàn)故障時能夠及時停車和報警，并對故障碼進行鎖存。

1. 攪拌電機 2. 螺旋下料電機 3. 濾油機 4. 蓄油池 5. 推料棒 6. 注油嘴 7. 接油盤 8. 量杯轉(zhuǎn)盤 9. 輸送帶1 10. 擋瓶器 11. 隔瓶器 12. 輸送帶2 13. 推瓶器 14. 料瓶 15. 稱重反饋裝置 16. 光電傳感器1 17. 光電傳感器2 18. 光電傳感器3

于是試驗控制方案在下料裝置和量杯旋轉(zhuǎn)裝置部分采用半閉環(huán)伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)，在灌裝的第二個環(huán)節(jié)在線補油部分加入稱重反饋裝置，使整個灌裝過程成為一個閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)對最終灌裝質(zhì)量進行精確控制。其總體控制方案如圖2所示。

圖2 灌裝總體控制方案

2.2 控制系統(tǒng)硬件組成

在灌裝機控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，考慮到灌裝機各執(zhí)行機構(gòu)動作之間配合度要求高、傳感器多、干擾大[7]，而PLC具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)小巧，并且能夠適用復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境[8-10]，因此采用PLC作為其核心工業(yè)控制器，該控制系統(tǒng)的主要硬件組成如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成

該控制系統(tǒng)采用信捷XC5系列的可編程控制器。通過光電傳感器實現(xiàn)物料檢測、料瓶檢測、料瓶計數(shù)等；采用稱重模塊可以實現(xiàn)油液在線定量補償和反饋；通過電磁閥組控制下料氣缸、擋瓶氣缸、隔瓶氣缸及注油頭等；通過伺服驅(qū)動器控制伺服電機實現(xiàn)下料和量杯轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)；通過變頻器控制變頻電機實現(xiàn)物料均勻攪拌和料瓶輸送；通過人機界面可以實現(xiàn)操作員對系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置和實時監(jiān)控。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

該控制系統(tǒng)主要完成油辣椒物料的分離、攪拌、下料、顆粒物料定量、顆粒物料灌裝、料瓶輸送及在線補油等生產(chǎn)工藝的控制，系統(tǒng)設(shè)計采用運動控制和邏輯控制相結(jié)合，各工藝流程信號不能出現(xiàn)干擾[7]，其控制程序流程圖如圖4所示。油辣椒灌裝機軟件部分由初始化模塊、手動灌裝模塊、自動灌裝模塊、急停模塊組成。初始化模塊主要用于對油辣椒灌裝機控制系統(tǒng)進行狀態(tài)復(fù)位和數(shù)據(jù)清零等。手動模塊主要用于灌裝機調(diào)試，可以單獨控制各執(zhí)行機構(gòu)運動，便于灌裝過程的及時調(diào)整和停機調(diào)試。自動模塊作為自動控制系統(tǒng)軟件的核心模塊，通過觸摸屏將相關(guān)參數(shù)信息傳給PLC，PLC控制各電機和氣缸運動，從而自動實現(xiàn)整個灌裝工藝過程。急停模塊主要用于灌裝機運行過程中出現(xiàn)突發(fā)緊急情況時，通過按下急停旋鈕使系統(tǒng)會立即停止運行，而當(dāng)故障清除急停旋鈕復(fù)位后系統(tǒng)會繼續(xù)執(zhí)行灌裝過程。

圖4 控制程序流程圖

用戶界面(HMI)作為操控員和系統(tǒng)之間進行信息交互的媒介，由硬件和軟件兩部分組成，操控員可以通過用戶界面實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的運行狀況進行實時跟蹤監(jiān)控和管理，對工藝參數(shù)進行設(shè)置、修改和調(diào)整。考慮到操作簡易性和實用性等，用戶界面采用液晶觸摸屏。觸摸屏界面分為操作畫面、參數(shù)設(shè)定畫面和警告提示3部分，其中操作畫面包括自動控制畫面和手動控制畫面，觸摸屏畫面如圖5所示。

圖5 觸摸屏畫面

3 油辣椒灌裝試驗

為了驗證前面所設(shè)計的控制系統(tǒng)能否滿足實際灌裝需求，項目組按照設(shè)計要求對其進行了現(xiàn)場灌裝來驗證該控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和灌裝精度。以某品牌油辣椒系列產(chǎn)品中的210，220，280 g瓶裝香辣脆為灌裝對象進行灌裝試驗，從60瓶樣品中隨機抽取24瓶，用時約3 min 30 s。該系列產(chǎn)品要求灌裝速度在360～500瓶/h，灌裝精度在±3%，油辣椒中固體顆粒含量不低于60%，灌裝溫度在60～80 ℃。灌裝結(jié)果見表1。對于24瓶樣品的平均固體含量百分比約為63.6%，灌裝合格率為100%，平均灌裝速度約為411瓶/h。灌裝試驗結(jié)果表明，試驗所設(shè)計的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

表1 不同規(guī)格瓶裝油辣椒灌裝試驗表

4 結(jié)論

利用PLC控制技術(shù)，結(jié)合多顆粒態(tài)油辣椒物料的物理特征和企業(yè)實際灌裝工藝要求，研制出了新一代油辣椒灌裝機控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)灌裝合格率為100%，平均灌裝速度約為411瓶/h，平均固體含量約為63.6%，能夠很好地實現(xiàn)多顆粒態(tài)油辣椒物料的高速、精確自動化灌裝，滿足了企業(yè)的生產(chǎn)需求，且具有良好的通用性與經(jīng)濟性。