焦欣欣，范樂，任寧寧

河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院（南陽 473000）

食品密封機是常見的包裝機械，在包裝過程中主要負責完成對食品包裝材料的定性、食品填充、封口等操作，同時還需要結(jié)合清洗、干燥、殺菌等流程，完成包裝后，還需要轉(zhuǎn)送到其他相關(guān)輔助工序中[1]。通過使用食品密封機，不僅能夠有效提高食品生產(chǎn)的效率，減輕人力勞動的負擔，在節(jié)約成本的條件下實現(xiàn)更大規(guī)模高速食品加工生產(chǎn)的需要，同時還能夠滿足當前社會經(jīng)濟市場對食品加工行業(yè)提出的綠色環(huán)保要求?？刂葡到y(tǒng)是食品密封機中重要的組成部分，可實現(xiàn)對整個食品密封過程的控制、協(xié)調(diào)和監(jiān)測[2]?，F(xiàn)有食品密封機控制系統(tǒng)在實際應用過程中，會由于存在硬件或軟件設計不合理的問題，造成系統(tǒng)整體使用壽命短、設備運行穩(wěn)定性差、控制時間長等問題產(chǎn)生。PLC又稱可編程邏輯控制器，是計算機和繼電器控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。近幾年來PLC逐漸得到更加廣泛的應用，并實現(xiàn)多個領(lǐng)域的自動化控制?；诖?，通過引入PLC可編程邏輯控制器，開展對食品密封機控制系統(tǒng)的設計研究。

1 食品密封機PLC控制系統(tǒng)硬件設計

1.1 PLC可編程邏輯控制器選型

在對食品密封機控制系統(tǒng)設計過程中，考慮到食品密封機在運行過程中的復雜性，加之系統(tǒng)會引入多個不同功能的傳感器，使得信號干擾較大問題，采用PLC可編程邏輯控制器的方式，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。在PLC中，包含中央處理器、存儲器和I/O系統(tǒng)等部件需要進行選型。綜合不同型號PLC的應用效果，選用三菱FX系列PLC，具體選擇FX系列中的FX3U類型，其為基本單元加擴展的結(jié)構(gòu)形式，可通過IO擴展模塊增加IO，F(xiàn)X3U類型的最大IO點數(shù)為384點，屬于變形系列，主要采用插入式端子，輸入電源為24 VDC，相較于普通電源較為價格低。

1.2 傳感器選型

控制系統(tǒng)中的傳感器應根據(jù)食品封口機的運行需要，選擇傳感器，傳感器類型應包括光、色、溫等。針對光感傳感器進行選擇，由于食品密封機PLC控制系統(tǒng)需要進行多發(fā)膜信號、動盤到位情況及料位情況等信息進行采集。因此，根據(jù)系統(tǒng)的需要，選擇一種符合如圖1所示的運行原理的光感傳感器。

圖1 光感傳感器運行原理圖

選用BTSR158-2400型號光感傳感器，該型號光感傳感器具有精度高、響應快和不接觸的優(yōu)勢，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對多組參數(shù)的測量[4]。同時，BTSR158-2400型號光感傳感器的結(jié)構(gòu)相對簡單，因此在系統(tǒng)檢測和控制過程中都能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的應用。BTSR158-2400型號光感傳感器檢測方式為對射型；通過NPN輸出方式實現(xiàn)對采集到的參數(shù)信息輸出；檢測距離為標準距離；內(nèi)部附帶自診斷輸出功能和無定時器功能；產(chǎn)生的光源為紅色光；以導線引出型0.85 m方式連接。

對顏色傳感器進行選型。由于在食品密封機運行過程中，會涉及到對食品包裝材料色標的識別，因此設計的食品密封機PLC控制系統(tǒng)中還需要引入對顏色進行擦劑的傳感器。結(jié)合食品密封機需要，選用FT518-15200型號的顏色傳感器。該型號傳感器為單光源顏色，具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單的特點，因此在系統(tǒng)控制過程中可以在各個工作領(lǐng)域當中實現(xiàn)良好的檢測精度。表1為FT518-15200型號顏色傳感器參數(shù)規(guī)格表。

表1 FT518-15200型號顏色傳感器參數(shù)規(guī)格表

FT518-15200型號顏色傳感器單位質(zhì)量為28 mg，安裝風格為SMD/SMT，符合系統(tǒng)設計需要。

在對溫度傳感器進行選型?？紤]到在實際食品封裝過程中，存在橫封和縱封2種機構(gòu)存在，因此需要進行對溫度的檢測。若溫度過低，則無法有效地將食品密封在包裝袋當中，會造成包裝質(zhì)量受到嚴重影響。若溫度過高，則又會將包裝材料燒壞，同樣無法保持食品密封的美觀性。因此，根據(jù)食品密封機的運行需要，將溫度預設在95～115 ℃范圍內(nèi)。試驗選用SIE155-2548型號溫度傳感器，該型號傳感器當中包含6個I/O點，1.5 mA驅(qū)動電流，檢測精度0.1～0.2 ℃，綜合精度0.5%。利用該型號傳感器可對溫度在-150～550 ℃范圍內(nèi)進行測量，對應得到的輸出數(shù)據(jù)量為-800到550。

2 食品密封機PLC控制系統(tǒng)軟件設計

2.1 食品密封機PLC控制信號擬合

為實現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)對食品密封機各項操作指令的遠程控制，對PLC控制信號進行擬合處理。通過引入大數(shù)據(jù)聚類技術(shù)，對食品密封機中傳動控制數(shù)據(jù)進行優(yōu)化聚類[5]。根據(jù)食品密封機運行需要，構(gòu)建食品密封機PLC控制信號分布式結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)模糊控制理論，完成系統(tǒng)的傳動控制。假設系統(tǒng)中海量控制數(shù)據(jù)為W，則控制數(shù)據(jù)的有限數(shù)據(jù)集為W={w1,w2,w3, …,wn}，W?R。其中，W為控制數(shù)據(jù)的有限數(shù)據(jù)集；R為數(shù)據(jù)聚類空間。當W的聚類信道擬合因子數(shù)值為零時，則應當滿足式（1）。

式中：γ(w)為聚類信道擬合因子；m為食品密封機在運行過程中系統(tǒng)的迭代控制次數(shù)。根據(jù)模糊控制理論和工業(yè)生產(chǎn)設備控制的擬合思想，將PLC控制數(shù)據(jù)按照如式（2）的方式進行調(diào)頻傳動控制信號擬合。

式中：X(e,f)為PLC控制數(shù)據(jù)特征點函數(shù)；E和F分別為食品密封機上某一橫軸方向特征位移和縱軸方向特征位移；(ei,fi)為交變調(diào)頻特征位移。根據(jù)式（2）完成對食品密封機PLC控制信號的擬合處理，方便后續(xù)控制系統(tǒng)對食品密封機各個執(zhí)行機構(gòu)進行控制。

2.2 基于PLC的食品密封機執(zhí)行機構(gòu)控制

為達到美觀大方、整齊有序的食品密封效果，需要利用PLC控制系統(tǒng)對食品密封機進行更加精準的動作和定位控制[6]。為確保精細化效果，將食品密封機的運行動作劃分為多個不同的執(zhí)行機構(gòu)，分別對其進行控制。利用系統(tǒng)當中的電機和拉帶滾輪進行直接連接，并利用PLC可編程邏輯控制器控制電機實現(xiàn)拉帶，以此簡化結(jié)構(gòu)使其調(diào)節(jié)更加方便。系統(tǒng)開始運行后，利用走帶電機對密封材料進行牽引，并自動打印相應的封裝日期[7]。由縱封裝置通過加熱處理實現(xiàn)封合。袋桶經(jīng)過橫向封裝裝置時，進行下橫封形成袋筒狀，等待為食品密封機提供材料。在漏斗運行到相應的位置后，由該系統(tǒng)自動發(fā)出信號，供料電機啟動并開始供料[8]。完成上述一系列操作后，確?？v封和橫封均密封良好后，切斷袋筒完成整個密封流程。

根據(jù)食品密封完整流程，得出控制系統(tǒng)輸入的信號包括：橫封、縱封過程中的高溫和低溫監(jiān)測、日期打印、過載保護等。輸出信號包括：打印、切刀、冷卻電機等[9]。除此之外，系統(tǒng)除了需要對食品密封機各個執(zhí)行機構(gòu)進行控制以外，還需要對其產(chǎn)生的過載信號進行檢測。若在密封過程中出現(xiàn)過載問題，則應立即通過聲光裝置進行報警，以此確保食品加工安全生產(chǎn)的同時，降低食品密封機出現(xiàn)故障問題，進而造成不必要的浪費。根據(jù)食品密封機在實際運行過程中的工作情況，控制系統(tǒng)中還需要考慮到各種不同停止狀態(tài)。PLC控制包括正常停運、暫時停運和緊急停運3種類型[10]。按照PLC循環(huán)掃描的運行特點，保證食品密封機在運行過程中保持連續(xù)不間斷的工作狀態(tài)，只有當工作全部完成后接收到操作人員的指令后，才能夠停止運行。與此同時，為保證食品封口機的正常運行，直接采用控制系統(tǒng)中硬件直接竊電的方式進行控制。

3 對比試驗

為進一步驗證提出的食品密封機PLC控制系統(tǒng)在實際應用中是否具有更高的封裝精度，隨機選擇某食品封裝機作為試驗對象，在封裝過程中要求封裝質(zhì)量為20 g，每袋包裝的長度為100 mm。分別利用提出的食品密封機PLC控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對該食品封裝機進行控制。共完成密封操作5組，分別記錄每組封裝食品的質(zhì)量和包裝袋長度，取其平均值作為試驗結(jié)果。為方便對2種控制系統(tǒng)進行比較，將得到的試驗結(jié)果進行記錄，并繪制成如表2所示的試驗結(jié)果對比表。

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，試驗控制系統(tǒng)無論是在平均封裝食品質(zhì)量還是在包裝袋長度上，均明顯更加接近密封的各項要求，而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比相差較大。因此，通過試驗能夠進一步得出，質(zhì)量控制系統(tǒng)可實現(xiàn)食品密封機的高精度密封，進一步實現(xiàn)食品密封的整體質(zhì)量，對于食品加工生產(chǎn)企業(yè)而言具有較高的應用價值。

表2 2種控制系統(tǒng)試驗結(jié)果對比表

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在對食品密封機進行控制過程中存在的問題，引入PLC技術(shù)設計一種全新的控制系統(tǒng)，通過試驗進一步證明該系統(tǒng)的應用效果。由于在研究過程中僅針對食品密封機進行試驗，因此在實現(xiàn)其控制功能時存在一定的單一性。同時在設計過程中，并未引入對變頻器的設計內(nèi)容，因此將該系統(tǒng)應用到實際中會出現(xiàn)電機無法實現(xiàn)智能調(diào)速的問題。針對這一問題，還有待對PLC控制系統(tǒng)進行更深入研究，從而提高食品加工生產(chǎn)企業(yè)整體運行效率。