王圣斌

（1.安徽文達信息工程學院機械與汽車工程學院，安徽 合肥 231201；2.合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230009）

1 引言

隨著市場經濟的快速發(fā)展，食品業(yè)作為提供人們生活中各種餐飲食品的特殊行業(yè)，在日趨激烈的市場競爭中面臨著新的挑戰(zhàn)[1]。人們在選購食品時不僅考慮食品的質量，同時食品美觀的外包裝也是吸引消費者消費的重要影響因素之一[2]。目前，各大食品企業(yè)為了能夠吸引更多的消費者，不斷改善食品外包裝設計，對包裝技術和包裝設備進行改進創(chuàng)新。自動化食品包裝機械能夠實現食品充填、封口等包裝環(huán)節(jié)，節(jié)省人工搬運，提高食品包裝生產效率。隨著人們生活質量的不斷提高，對食品需求量越來越大，在食品的質量和外包裝的要求上也越來越高。食品生產加工企業(yè)為了滿足人們對包裝精美、品質安全食品的需求，在傳統(tǒng)包裝機的基礎上進行設備更新。為此，相關研究人員進行了很多研究。也提出了一些較好的方法。

文獻[3]提出分析包裝自動生產線中的單體包裝機軟件系統(tǒng)，優(yōu)化自動化包裝機械。該方法將多種類的包裝機根據等效理論，對包裝機進行抽象化處理，構建統(tǒng)一包裝模型。根據構建的簡化模型進行模塊化優(yōu)化。合理安排各模塊之間的調度，實現單體包裝機的控制優(yōu)化。該方法有效降低了包裝機的成本，提高包裝機工作效率，但該方法存在系統(tǒng)控制效果不佳問題。文獻[4]提出基于STM32 和PLC 的枕式包裝機控制系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)通過分析系統(tǒng)各機構工作原理，確定整體設計方案。結合STM32 和PLC 雙控制器構建枕式包裝機控制系統(tǒng)，引入模糊PID 控制算法、電子凸輪控制技術等算法等，完成控制系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)能夠提高固體包裝物品的包裝效率，但自動化性能欠佳?；谏鲜鰡栴}的存在，提出自動化食品包裝機械的控制系統(tǒng)優(yōu)化設計。通過對自動化食品包裝機的控制系統(tǒng)優(yōu)化設計，在自動控制設備上完成制袋成型、物料填充、封合剪切等一系列包裝工序。實驗結果表明：這里系統(tǒng)可有效提高食品包裝機的生產效率，提高包裝機的自動化性能。

2 食品包裝機械系統(tǒng)存在問題

當前自動化食品包裝機械包裝工作原理，如圖1 所示。圖1中，在包裝傳送帶之前一個安裝系統(tǒng)控制器，保證在進行食品包裝之前包裝機械的參數得到控制，在包裝成型之前保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。橫封刀軸、送膜軸和送料軸均通過設置的控制器進行控制，當橫封刀軸每運行一次的距離是一個包裝袋的長度，同時送料軸輸送一個需要包裝的產品，此時在控制器的作用下，三者保持一致運動，保證產品包裝的完好?？刂破鲗ο到y(tǒng)的運動控制要求橫封刀軸在封膜時與塑料膜保持一致，保證不會出現偏差[5]。但是，這種邏輯設計屬于線性設計，智能化程度較低，一旦出現一個部件損壞，將造成較大的后果。

圖1 自動化食品包裝機械包裝工作原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Mechanical Packaging for Automated Food Packaging

3 自動化食品包裝機械控制系統(tǒng)總體結構設計

自動化食品包裝機械控制系統(tǒng)主要是由三伺服枕式包裝機、傳送料裝置、封裝膜裝置、橫封切裝置等組成，其總體結構，如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體結構簡圖Fig.2 General Structure Diagram of Control System

封裝膜裝置中設有卷膜輥、導向輥、驅動輥等。其中在導向輥處安裝色標傳感器或打標機，根據包裝工藝需求可同時安裝。通過導向輥與驅動棍連續(xù)換向和壓緊手柄的壓合操作，包裝薄膜完成色標的追蹤和打印，封裝膜裝置在工作過程中不會發(fā)生薄膜堆積或粘結拉扯現象[6]。

傳送料裝置中送料軸伺服電機直接驅動傳動鏈輪，伺服電機輸出速度值在正常運轉過程處于恒定狀態(tài)。

橫封切裝置主要負責對前進物料的橫向封裝和橫切作業(yè)，在色標點或定長處連續(xù)對包裝筒袋切割作業(yè)，完成獨立的包裝成品[7]。

3.1 硬件架構設計

系統(tǒng)的硬件架構自動化控制模式利用DSP[8]作為觸摸屏與伺服系統(tǒng)之間的連接橋梁，通過觸摸屏與伺服系統(tǒng)的緊密配合，實現自動化運行?？刂葡到y(tǒng)硬件架構圖，如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件架構圖Fig.3 Control System Hardware Architecture Diagram

控制系統(tǒng)硬件架構主要包括觸摸屏、DSP、輸入輸出模塊、溫度控制模塊和伺服驅動系統(tǒng)。

3.1.1 觸摸屏控制器設計

觸摸屏控制器ADS7843 是由多路低導通電阻模擬開關組成，通過電路網絡測量供電，經過A/D 轉換器和異步串行數據進行輸入與輸出。ADS7843 根據微控制器發(fā)來不同命令，對相應的模擬開關進行導通，同時向觸摸屏電極提供電壓，再將相應電極上的觸點坐標位置所對應的電壓模擬量引入A/D 轉換器[9]。

觸摸屏控制器ADS7843 內部結構圖，如圖4 所示。

圖4 觸摸屏控制器ADS7843 內部結構Fig.4 Internal Structure of Touch Screen Controller ADS7843

在控制系統(tǒng)中，觸摸屏不僅起到展示的作用，同時還有效保障整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在現場工作中，操作人員通過觸摸屏輸入控制指令進行操縱運行，并能實時監(jiān)測現場的運行情況。

控制系統(tǒng)中上位機選用EVIEW MT6500T 系列觸摸屏，可進行多個串口通信，且擴展存儲器可以支持2GB 的SD 卡和u 盤，其具有520Hz 的32 位ⅪSC 超快處理速度。如果CS 處于低電平時，輸入數據在時鐘的上升沿將串行數據鎖存，當CS 為高電平時DOUT 呈高阻態(tài)，可以適應復雜多變的工作環(huán)境，有效保障設備安全穩(wěn)定的運行。該款觸摸屏的設計具有操作簡單、可靠性強、成本低等特點，可以滿足滿足食品包裝機的功能要求，提高了包裝機的生產效率。

3.1.2 核心DSP 控制模塊的選取

系統(tǒng)選擇DA260 作為DSP 控制模塊功率放大器，其實物圖，如圖5 所示。

圖5 DA260 DSP 控制模塊功率放大器Fig.5 DA260 DSP Control Module Power Amplifier

DA260 功率放大器具有31 段專業(yè)級EQ 均衡、4 聲道高保真功效、雙核數字信號處理器、智能保護、專業(yè)對插。其產品參數，如表1 所示。

表1 產品參數Tab.1 Product Parameters

3.1.3 伺服驅動器設計

這里控制系統(tǒng)選擇130ST-M07725 型號伺服驅動器作為核心控制器件，控制系統(tǒng)操作速度的作用，設計邏輯結構，如圖6 所示。

圖6 伺服驅動器結構Fig.6 Servo Driver Structure

在伺服驅動器結構設計中，控制核心采用數字信號處理器負責控制算法，實現數字化、網絡化和智能化的系統(tǒng)管理。在伺服驅動器速度閉環(huán)中，電機轉子可以對實時速度進行測量，及時改善速度環(huán)的轉速控制動靜態(tài)特性，確保速度運行精度。功率驅動單元通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或市電進行整流，得到相應直流電，經過整流好三相電或市電，通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻，驅動三相永磁式同步交流伺服電機。

4 模糊PID 算法

在控制系統(tǒng)中，最常用的控制算法為模糊PID 控制[10]，其控制操作簡單，易于控制。它的工作原理是將輸入信號進行模糊化處理，將其處理后的信號與食品包裝機械中的控制模糊規(guī)則進行匹配，若其匹配成功可以獲取控制參數值。該算法通過制定的模糊控制規(guī)則并對其參數進行在線整定，實現模糊PID 參數的最優(yōu)調整。其工作原理，如圖7 所示。

圖7 模糊PID 控制工作原理Fig.7 Fuzzy PID Control Principle

圖中：r（t）—輸入；y（t）—輸出；e（t）—輸入與輸出之間的偏差，則存在：

控制器的輸出是由偏差值通過比例、積分、微分線性組合而成[11-12]，即：

式中：kp—比例系數；Tt—積分時間系數；TD—微分時間系數。

在自動化食品包裝機械線性運行中，控制系統(tǒng)對模糊邏輯規(guī)則進行處理，完成PID 參數的在線自校正，其實現流程，如圖8所示。

圖8 模糊PID 實現流程圖Fig.8 Fuzzy PID Flow Chart

5 實驗分析

為了驗證自動化食品包裝機械的控制系統(tǒng)優(yōu)化設計合理性，進行仿真實驗分析。

5.1 實驗環(huán)境與參數

仿真實驗在Matlab 平臺上構建自動化食品包裝機械的控制系統(tǒng)，操作系統(tǒng)為Windows 10，實驗參數，如表2 所示。實驗將對需要包裝的1000 件某食品生產廠家提供的速食食品進行包裝，該樣品尺寸為（20×20）cm。實驗的包裝機械，如圖9 所示。

表2 實驗參數設置Tab.2 Experimental Parameter Settings

圖9 食品包裝機械實驗圖Fig.9 Food Packaging Mechanical Experiment

5.2 實驗結果分析

5.2.1 不同控制系統(tǒng)操作穩(wěn)定性分析

為了驗證系統(tǒng)設計的合理性，實驗對比了這里系統(tǒng)、文獻[3]系統(tǒng)和文獻[4]系統(tǒng)，在進行食品包裝時的穩(wěn)定性，實驗結果，如圖10 所示。分析圖10 可以看出，在對樣本進行包裝時，三種系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性有所差異。當待包裝樣品數量為400 時，這里系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性約為71%，文獻[3]系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性約為52%，文獻[4]系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性約為58%；當待包裝樣品數量為1000 時，這里系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性約為90%，文獻[3]系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性約為63%，文獻[4]系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性約為60%?？梢钥闯鱿到y(tǒng)在進行樣本包裝時的穩(wěn)定更更高。

圖10 不同控制系統(tǒng)操作穩(wěn)定性對比Fig.10 Comparison of Operational Stability of Different Control Systems

5.2.2 不同控制系統(tǒng)食品包裝用時分析

為了進一步驗證控制系統(tǒng)的可行性，實驗對比了三種系統(tǒng)對樣本產品進行包裝所用的時間，實驗結果，如表3 所示。

表3 不同系統(tǒng)食品包裝用時分析（min）Tab.3 Analysis of Food Packing Time for Different Systems（min）

分析表3 中數據可以看出，隨著需要包裝的樣品數量增加，三種系統(tǒng)包裝的用時隨著增加。當樣本數量為600 時，這里系統(tǒng)的包裝用時為4.9min，文獻[3]系統(tǒng)的包裝用時為6.8min，文獻[4]系統(tǒng)的包裝用時為9.4min；當樣本數量為1000 時，系統(tǒng)的包裝用時為6.2min，文獻[3]系統(tǒng)的包裝用時為9.4min，文獻[4]系統(tǒng)的包裝用時為14.2min。通過數據對比可以看出優(yōu)化的系統(tǒng)用時較短，工作效率較高，驗證了這里方法的可行性。

6 結語

隨著人們生活水平的快速提高對食品質量和外包裝的要求越來越高，實現自動化食品包裝機械控制是食品企業(yè)未來可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略決策。這里系統(tǒng)的優(yōu)化設計改善了傳統(tǒng)包裝機械存在的包裝效率低等問題，提高了食品包裝的質量，在一定程度上降低企業(yè)的生產成本。