摘要：生活水平的提高，帶動(dòng)了果蔬食品需求的增長(zhǎng)。為提高果蔬類(lèi)食品的包裝效率及包裝質(zhì)量，設(shè)計(jì)了基于DSP的果蔬食品包裝機(jī)控制系統(tǒng)。綜合分析果蔬食品包裝機(jī)的工藝流程及基本結(jié)構(gòu)，結(jié)合DSP及觸摸屏研究了包括溫控模塊、觸摸屏、IO信號(hào)采集模塊、DSP控制模塊及伺服驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)硬件部分，同時(shí)開(kāi)發(fā)了包括控制系統(tǒng)主程序及人機(jī)界面的全自動(dòng)果蔬食品包裝機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件部分。將設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用于傳統(tǒng)果蔬食品包裝機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)分析，由試驗(yàn)結(jié)果可知，包裝機(jī)工作穩(wěn)定，效率大幅提升，良品率為98%以上，符合包裝工藝需求。

關(guān)鍵詞：果蔬食品；包裝機(jī)；控制系統(tǒng)；DSP；硬件系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP301 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）31-0087-03

1 引言

經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展及生活水平的提高，帶動(dòng)了果蔬食品的需求突增。消費(fèi)者不僅重視果蔬食品質(zhì)量，而且越來(lái)越關(guān)注包裝質(zhì)量，因此，包裝質(zhì)量好且精致的果蔬食品更會(huì)受消費(fèi)者青睞[1]。這在一定程度上帶來(lái)了包裝行業(yè)的發(fā)展機(jī)遇。包裝機(jī)械在醫(yī)藥、煙草、日用品等方面得到廣泛應(yīng)用，但果蔬食品包裝存在包裝質(zhì)量差、效率低、操作困難的問(wèn)題，專(zhuān)用包裝機(jī)尚不成熟[2]。

隨著自動(dòng)化技術(shù)在食品包裝機(jī)械中的應(yīng)用，果蔬食品包裝機(jī)的工作穩(wěn)定性、可靠性及包裝效率大幅提升，因此自動(dòng)化及專(zhuān)業(yè)化成為當(dāng)前果蔬食品包裝機(jī)的研究方向。包裝機(jī)械的發(fā)展經(jīng)歷了由單變頻到三伺服的六個(gè)發(fā)展過(guò)程，最新的三伺服全自動(dòng)式包裝機(jī)在改進(jìn)包裝質(zhì)量方面表現(xiàn)突出，尤其是包裝效率獲得大幅提升[3]。對(duì)此，基于全自動(dòng)三伺服包裝機(jī)，優(yōu)化改造為果蔬食品專(zhuān)用包裝設(shè)備。當(dāng)前包裝機(jī)普遍通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，該控制方法存在兼容性差、成本高、二次開(kāi)發(fā)性差等弊端[4]。因此，本文設(shè)計(jì)了基于DSP的果蔬食品包裝機(jī)控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件兩個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)闡述，并通過(guò)試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性。

2 全自動(dòng)果蔬包裝機(jī)分析

全自動(dòng)果蔬包裝機(jī)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，其工藝流程如圖2所示。該包裝機(jī)由送膜、袋成型、送料、撫平、橫/縱向封合、輸出等裝置構(gòu)成。送膜機(jī)構(gòu)完成包裝膜的恒速、穩(wěn)定供給，主要包含導(dǎo)向輥、卷膜輥、牽引機(jī)構(gòu)、張緊輪等；送料機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)果蔬精準(zhǔn)、定向供給，避免堆積，由撥叉、張緊輪、鏈輪及鏈條組成；制袋成型器是整部包裝機(jī)的重要構(gòu)件，包裝薄膜能夠一次成型；橫向封切機(jī)構(gòu)可對(duì)包裝膜定長(zhǎng)橫封及切斷；縱向封合機(jī)構(gòu)通常為輥式結(jié)構(gòu)，可對(duì)包裝薄膜進(jìn)行拉膜及縱向封邊[5]。

包裝時(shí)，制袋成型器上的平面薄膜自動(dòng)形成筒狀袋體，實(shí)現(xiàn)了送料及送膜同時(shí)進(jìn)行；送料機(jī)構(gòu)撥叉確保了果蔬能夠順利進(jìn)入筒狀袋體；包裝半成品通過(guò)撫平裝置及拉膜牽引裝置壓緊；縱向封合機(jī)構(gòu)進(jìn)行縱向熱封；橫向封切機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)切斷及橫向熱封；完成包裝的成品經(jīng)輸出裝置送出。

包裝機(jī)的橫封、送料、送膜三軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)接近開(kāi)關(guān)、色標(biāo)傳感器將采集的橫封、送料、送膜位置傳送與控制器。通過(guò)多軸同步算法實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，滿足高精度、高質(zhì)量包裝要求[6]。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合果蔬食品包裝機(jī)工藝流程及結(jié)構(gòu)，基于DSP及觸摸屏設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3中，控制系統(tǒng)由溫控模塊、觸摸屏、IO信號(hào)采集模塊、DSP控制模塊及伺服驅(qū)動(dòng)組成。通過(guò)觸摸屏可對(duì)包裝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，監(jiān)控實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；DSP為系統(tǒng)控制核心，實(shí)現(xiàn)控制指令生成及伺服驅(qū)動(dòng)控制，完成三軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)[7]；溫控模塊控制橫/縱封溫度調(diào)控；IO信號(hào)采集模塊采集接近開(kāi)關(guān)及色標(biāo)傳感器信息；伺服驅(qū)動(dòng)完成各軸電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)控制。

3.1 上位機(jī)

觸摸屏具有通信協(xié)議兼容性好、交互便捷、安全穩(wěn)定的特點(diǎn)[8]。果蔬食品包裝機(jī)工作環(huán)境較差，為確保包裝機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)兼顧成本及性能，文中控制系統(tǒng)選取EVIEW MT6500T系列觸摸屏。該觸摸屏具有三個(gè)串口，支持RS4853及RS232通信；支持SD卡及U盤(pán)擴(kuò)展存儲(chǔ)，最大可擴(kuò)展至2GB；具有RISC的32位快速處理能力[9]。由實(shí)際運(yùn)行可知，文中觸摸屏可操作性強(qiáng)，在果蔬食品包裝方面的可靠性較高。

3.2 下位機(jī)

下位機(jī)作為包裝機(jī)的核心部分，各軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)由下位機(jī)控制完成。一方面通過(guò)接收觸摸屏各種工藝參數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算分析相應(yīng)脈沖控制參數(shù)，進(jìn)而將控制參數(shù)指令發(fā)送至各個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器，使各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)保持協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；另一方面通過(guò)編碼器、接近開(kāi)關(guān)及色標(biāo)傳感器，將三軸實(shí)際位置反饋至控制器，計(jì)算運(yùn)動(dòng)偏差并補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

文中基于DSP，綜合控制要求，設(shè)計(jì)了以DSP56F807為控制器核心的多軸運(yùn)動(dòng)控制器[10]?？刂破魍鈬娐酚赏ㄐ糯谀K、GPIO模塊、Counter模塊、PWM脈寬調(diào)制模塊、CAN總線、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及相位檢測(cè)器組成。觸摸屏通訊通過(guò)串口通信模塊實(shí)現(xiàn)；GPIO模塊可接收接近開(kāi)關(guān)、色標(biāo)傳感器觸發(fā)信號(hào)；伺服電機(jī)控制由Counter模塊完成；PWM可控制加熱設(shè)備溫度；CAN總線可對(duì)信號(hào)燈及電磁閥進(jìn)行控制；熱電偶模擬信號(hào)由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊接收并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；相位檢測(cè)器采集編碼器信號(hào)。

4 軟件設(shè)計(jì)

文中果蔬食品包裝機(jī)包括上位機(jī)、下位機(jī)兩部分軟件設(shè)計(jì)，其人機(jī)交互界面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中，人機(jī)交互界面可分為操作界面、初始界面及報(bào)警界面三部分。操作界面包括手動(dòng)操作選取、運(yùn)動(dòng)畫(huà)面監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定；初始界面可選取系統(tǒng)語(yǔ)言、顯示包裝機(jī)信息；報(bào)警界面可實(shí)時(shí)查看歷史報(bào)警及當(dāng)前報(bào)警記錄。

果蔬食品包裝機(jī)工作時(shí)，為保證包裝質(zhì)量及包裝效率，需確保下位機(jī)可穩(wěn)定運(yùn)行。一方面確定包裝膜及果蔬就位，并確保橫封、縱封溫度符合要求。另一方面，按要求設(shè)定參數(shù)并選擇相應(yīng)的功能。啟動(dòng)后的包裝機(jī)按照設(shè)定程序完成同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)送膜、送料、封切及輸出成品等。包裝達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)量后，包裝機(jī)自動(dòng)停止工作。具體控制流程如圖5所示。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證文中控制系統(tǒng)的有效性及可行性，基于傳統(tǒng)果蔬食品包裝機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造，并對(duì)優(yōu)化后的包裝機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。傳統(tǒng)包裝機(jī)為異步電機(jī)、變頻器、鏈條傳動(dòng)，優(yōu)化時(shí)將文中控制系統(tǒng)替代復(fù)雜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)各軸的獨(dú)立控制。優(yōu)化后果蔬食品包裝機(jī)如圖6所示，其人機(jī)交互界面如圖7所示。

包裝果蔬體積為200×130×80 mm3，設(shè)定包裝袋長(zhǎng)度為300 mm，包裝速度為160 袋/min，判定標(biāo)準(zhǔn)選取為包裝外觀及包裝效率。傳統(tǒng)包裝機(jī)包裝效果與優(yōu)化后包裝機(jī)包裝效果對(duì)比分析如表1所示。

由表1可知，優(yōu)化后果蔬食品包裝機(jī)每1000袋產(chǎn)品中，次品20袋，其中外觀不良16袋，露包4袋，良品率為98%，對(duì)比傳統(tǒng)包裝機(jī)，良品率大幅提升。包裝過(guò)程中，優(yōu)化后包裝機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，計(jì)數(shù)精準(zhǔn)，包裝效率高、良品率滿足使用要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)果蔬食品全自動(dòng)三伺服包裝機(jī)，設(shè)計(jì)了基于DSP控制器的果蔬食品包裝機(jī)控制系統(tǒng)。綜合分析果蔬食品包裝機(jī)的工藝流程及基本結(jié)構(gòu)，結(jié)合DSP及觸摸屏研究了包括溫控模塊、觸摸屏、IO信號(hào)采集模塊、DSP控制模塊及伺服驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)硬件部分，同時(shí)開(kāi)發(fā)了包括控制系統(tǒng)主程序及人機(jī)界面的全自動(dòng)果蔬食品包裝機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件部分。將設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)應(yīng)用于傳統(tǒng)果蔬食品包裝機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，由試驗(yàn)結(jié)果可知，文中控制系統(tǒng)包裝效率高、運(yùn)行穩(wěn)定，大幅提高了果蔬食品包裝質(zhì)量，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了果蔬的二次污染。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賈磊，王會(huì)軍.基于DSP的果蔬包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2019，40（17）：194-198.

[2] 康瑞芳，劉鑫.基于DSP全自動(dòng)食品包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].控制工程，2017，24（2）：336-340.

[3] 梅文娟，鄭兆啟，李占勇，等.生鮮食品包裝機(jī)的研究[J].包裝與食品機(jī)械，2021，39（1）：82-88.

[4] 錢(qián)雅楠，謝箭，許癸駒.果蔬食品膨化溫度智能控制[J].食品工業(yè)，2021，42（5）：273-275.

[5] 蘇紅衛(wèi)，支強(qiáng).基于PLC和觸摸屏的果蔬自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2018，39（5）：163-167.

[6] 高雪，袁飛.基于STM32和PLC的枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].包裝與食品機(jī)械，2019，37（3）：19-23.

[7] 陳亞琳.三伺服枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].包裝與食品機(jī)械，2020，38（1）：61-63.

[8] 金英姬.基于PLC與觸摸屏實(shí)現(xiàn)液壓教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（4）：151-154，168.

[9] 王圣斌.自動(dòng)化食品包裝機(jī)械的控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2020（11）：297-300，304.

[10] 劉翔宇，趙寧.DSP56800系列開(kāi)發(fā)軟件包SDK使用經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)滴[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005，5（6）：72-74.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2022-05-15

作者簡(jiǎn)介：林敏（1987—） ，女，廣東梅州人，講師，學(xué)士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。