◎ 周美容

（永州職業(yè)技術學院，湖南 永州 425000）

當前，我國食品行業(yè)得到了很大的發(fā)展，機械自動化也得到了廣泛應用，在生產過程中應用自動化機械可以節(jié)省人力，從而也節(jié)省資金。隨著食品行業(yè)的不斷發(fā)展，原有的食品包裝機械已經滿足不了行業(yè)需求。因此，將食品包裝機械自動化引入食品行業(yè)，對食品行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 食品包裝機械自動化概述

食品包裝機械是指用來包裝食品的機械，食品包裝機械的操作過程比較復雜，生產效率較低。由于食品包裝機械的特性，需要推動食品包裝機械的自動化發(fā)展來提高運行效率。食品包裝機械的特點表現在以下幾個方面：①操作過程比較復雜。食品包裝機械本身內部結構比較復雜，對精度的要求也比較高，運行效率需要得到保障。另外，食品包裝機械的設計要求比較高，整個設計過程具有較高的難度和復雜性。②食品包裝機械種類比較多[1]。食品行業(yè)的快速發(fā)展，使得食品行業(yè)對食品包裝機械的要求越來越多，食品包裝機械種類越來越豐富。當今社會，食品行業(yè)的產品在不斷豐富，導致食品包裝技術和材料的快速發(fā)展，并不斷向環(huán)保和高科技方向邁進，在一定程度上促進了食品包裝機械的升級換代。

2 食品自動化包裝機械控制系統(tǒng)硬件設計

食品自動化包裝機械控制系統(tǒng)的設計和研究比較困難，需要相關工作人員從自動化技術的發(fā)展出發(fā)，加強自動化控制技術在食品包裝機械操作中的應用，從而促進自動化控制技術與食品包裝機械的有效融合。自動化控制系統(tǒng)中的硬件設計是一個比較困難的問題，食品自動包裝機械控制系統(tǒng)的硬件設備包括PLC控制器、伺服驅動器、編碼器、溫度控制器和觸摸屏等[2]。

PLC 自動控制系統(tǒng)的硬件結構由存儲器、核心處理器、I/O系統(tǒng)、編碼器和編程器等組成，這些都是自動控制不可缺少的結構。其中，核心處理器是PLC的核心部分，將用戶發(fā)送的指令轉換為電信號，然后電信號通過I/O接口放大并分析，無用的干擾信號被過濾，從而使自動控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性能夠得到較好的保證。

伺服驅動器的基本結構主要為功率驅動模塊、伺服控制模塊、通信接口模塊、伺服電機相應的反饋檢測元件等。伺服電機選型時需要和伺服驅動器相結合。伺服電機選型過程所需參數計算過程如下：

（1）材料運輸過程，錕輪所需的峰值速度根據式（1）進行計算：

式中，nmax為錕輪運行過程中要求得到的峰值轉速；L為袋長；P為包裝機設備的峰值生產率；D為設定為錕輪長；η為補償系數。

（2）負載轉動慣量。電軸自身的轉動慣量和負載慣量之間必須進行匹配，否則系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性難以得到保證。由于薄膜卷本身的轉動慣量可以根據圓筒體進行計算，公式為：

式中，J為轉動慣量；M為薄膜卷質量；R1為輸送錕輪半徑；R2為薄膜卷半徑。

（3）計算電機負載轉矩。

（4）根據公式：

式中，J為輸膜卷等機構和裝置的整體質量大??；μ為相關裝置的摩擦系數；R3為輸出軸尺寸；R4為外部尺寸；R5為軸承內部尺寸的數值。

式中，Ta為系統(tǒng)的最大轉矩。額定轉矩不能超過轉矩指標的最大值，所以按照該指標數值，進而完成設備的選型過程。

編碼器的作用是設計編程，能夠使系統(tǒng)在運行過程中的穩(wěn)定性和安全性得到保障。觸摸屏是用來顯示可編程操作的元件，用戶可以設置自己所需要的指令，設置完成后點擊觸摸屏上的文字或圖片可以控制系統(tǒng)。

3 自動化食品包裝機械控制算法

在自動化食品包裝機械控制系統(tǒng)中，最常用的控制算法為模糊PID控制[3]。模糊PID控制具有良好的魯棒性和靈活性[4]。連續(xù)系統(tǒng)的PID控制算式為：

其傳遞函數表示為：

其中（e）t為偏差，（e）t=r（t）-y（t），其中r（t）為設定值，y（t）為實際值，Kp、T1、TD分別為比例、積分、微分系數。常規(guī)的PID控制算法具有一定的缺點，會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常規(guī)的PID控制器需要的數學模型較為精確，控制精度不容易實現，而模糊控制器不需要太高的精確度，可以將2種控制器結合，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會大大提高。模糊PID控制器是以常規(guī)的PID控制器為基礎，利用模糊推理的思想，參數可以根據不同的誤差和誤差變化進行在線調整。模糊PID控制器的結構圖如圖1所示。

圖1 模糊PID控制結構圖

高雪等人[4]根據模糊PID控制設計了一種枕式包裝機，然后在MATLAB上對其采用的模糊PID算法進行仿真，通過實驗驗證其在該自動包裝機控制下的工作性能（實驗結果如表1），實驗結果表明利用模糊PID算法設計的自動包裝機工作穩(wěn)定，包裝效率高，可靠性高。

表1 包裝機性能實驗數據表

4 自動化食品包裝機械的應用價值

4.1 自動化食品機械能夠管控食品品質

在加工、生產時，不同種類的食品需要的環(huán)境條件具有較大差異。食品包裝自動化技術能夠有效判斷食品的包裝環(huán)境以及食品表面微生物的生長情況，以此保證食品的包裝環(huán)境以及品質。由于食品的要求不同，選擇的傳感器也具有較大差異，傳感器可以自動對食品的品質進行全面檢查，產品品質會得到統(tǒng)一，這樣能夠提供更穩(wěn)定的食品味道。

4.2 自動化食品機械可以節(jié)省原材料

節(jié)約糧食減少資源浪費，是我國食品行業(yè)良好發(fā)展的重要前提條件。食品機械自動化，使生產和加工食品過程的標準得到統(tǒng)一，提升生產過程中的準確度，減少食品生產過程中原材料的浪費。食品包裝設計很復雜要求也較高，將自動化技術應用于食品機械中可以使生產過程有序進行，提高產品生產過程中的準確性，有效避免因包裝失誤造成的浪費。

4.3 自動化食品機械使食品行業(yè)滿足市場需求

食品包裝設備的生產效率由于自動化技術的應用得到有效提高，生產自動化過程也能夠得到保證，從而使食品獲得高標準的包裝。在大規(guī)模生產過程中，自動化技術可以提高生產效率和準確性，降低生產成本[5]，使食品的質量安全得到保證。此外，自動化技術可以提高企業(yè)的品牌效應。

5 結語

綜上所述，食品機械自動化控制系統(tǒng)中的硬件設計是一個比較困難的問題，需要相關工作人員從專業(yè)角度對硬件進行合理的設計，常用的控制算法為模糊PID控制，該控制算法操作簡單，易于控制，能夠提高自動化食品包裝機械的穩(wěn)定性和可靠性。將自動化機械應用于食品包裝領域，可以提高食品品質、減少原材料浪費，使食品行業(yè)滿足市場需求，對食品行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。