黃 濤， 辛越野， 柴承文*

（1.北京印刷學(xué)院數(shù)字化印刷裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2.北京印刷學(xué)院印刷裝備北京市高等學(xué)校工程研究中心， 北京102600）

0 引言

我國對中國特色食品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求起步很早，早在上世紀(jì)80 年代就推出了餃子機(jī)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]。 國內(nèi)有較多學(xué)者和研究開發(fā)人員在小型或半自動中國特色食品生產(chǎn)裝置研究方面進(jìn)行了一定的研究工作， 為中國特色食品生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

王建業(yè)、吳酉芝[2-3]對自動包餃子類食品機(jī)械的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了研究， 提出了餃子自動生產(chǎn)設(shè)備的總體設(shè)計(jì)思路和發(fā)展方向；劉梅英、閆庚力等[4-5]基于三維設(shè)計(jì)軟件對餃子自動生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)技術(shù)和和虛擬裝配進(jìn)行了研究，黃余森、呂志昆等[6-7]對灌腸式輥壓成型餃子機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作性能進(jìn)行分析， 對餃子成型機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，韓風(fēng)岐[8]對餃子機(jī)的輸面裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，并通過試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，馬瑞[9]用最大似然估計(jì)法對餃子機(jī)的壽命進(jìn)行了研究。 上述研究者針對餃子類食品的自動生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)原則、方法和功能需求、壽命計(jì)算方面進(jìn)行了大量的研究， 但在采用氣動機(jī)構(gòu)及方法實(shí)現(xiàn)餃子生產(chǎn)的理念尚未見相關(guān)的研究內(nèi)容， 本文擬基于PLC 控制技術(shù)與理念，設(shè)計(jì)氣動餃子機(jī)的控制系統(tǒng)，搭建硬件和軟件系統(tǒng)，并進(jìn)行功能試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 自動包餃子裝置的組成原理與工藝流程

1.1 自動包餃子裝置的組成原理

自動包餃子裝置包括送皮機(jī)構(gòu)、 放餡機(jī)構(gòu)、 合皮機(jī)構(gòu)、PLC 控制系統(tǒng)，3 個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動由四個氣缸A、B、C、D 驅(qū)動， 氣缸動作則由相應(yīng)的行程開關(guān)和方向控制閥組成的信號回路控制，如圖1 所示。

圖1 自動包餃子裝置系統(tǒng)原理圖

1.2 自動包餃子裝置的工藝流程

首先由光電開關(guān)1 檢測送皮機(jī)構(gòu)末端有無餃子皮， 檢測信號發(fā)送到PLC，PLC 根據(jù)程序邏輯發(fā)送信號、驅(qū)動氣缸A 活塞向下伸出將餃子皮下推，放在下方的餃子模具工位上，然后氣缸A 活塞縮回，復(fù)位行程信號反饋給PLC 后，經(jīng)控制程序發(fā)出信號驅(qū)動氣缸B活塞伸出，將餃子餡送到已經(jīng)就位的餃子皮上，延時后氣缸B 活塞復(fù)位到起點(diǎn)， 同時由光電檢測開關(guān)2 檢測有無餃子餡，若檢測到餡料到位，PLC 發(fā)出信號驅(qū)動氣缸C、D氣缸的活塞同步伸出，將包餃子模具合并，完成整個包餃子過程，以上步驟不斷重復(fù)，直到相應(yīng)的檢測裝置檢測到餃子制作數(shù)量達(dá)到原先設(shè)定值， 或者有手動停止信號產(chǎn)生，計(jì)數(shù)器信號或停機(jī)信號觸發(fā)通過PLC 執(zhí)行停機(jī)操作。

2 自動包餃子裝置氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動包餃子裝置的氣動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動送皮機(jī)構(gòu)、放餡機(jī)構(gòu)和合皮機(jī)構(gòu)的4 個雙作用氣缸（A～D），控制氣缸動作的電磁換向閥（E～H），以及檢測氣缸活塞行程起點(diǎn)和終點(diǎn)的接近開關(guān)（1S～8S），此外配置2 個光電開關(guān)（10S～11S）， 分別用于檢測工位上的餃子皮和餃子皮上的餃子餡。行程開關(guān)與氣缸活塞位置配合使用，用于確定氣缸活塞的運(yùn)行范圍。在FluidSim 軟件中設(shè)計(jì)了如圖2 所示的自動包餃子裝置的氣動系統(tǒng)回路圖。

圖2 自動包餃子裝置的氣動系統(tǒng)回路圖

3 自動包餃子裝置控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

3.1 自動包餃子裝置控制系統(tǒng)的硬件配置

控制系統(tǒng)采用了歐姆龍CPM1A-20CDR 型PLC 作為控制器， 氣缸行程檢測接近開關(guān)選用Omron E2EX1R5E1 型，檢測餃子皮和餃子餡的到位狀態(tài)的光電開關(guān)選擇Omron E3S-DS10E4 反射式開關(guān)。 光電開關(guān)將檢測到的信號通過PLC 輸入端口輸送到控制器， 通過控制程序運(yùn)算后經(jīng)輸出端口控制外負(fù)載， 即電磁鐵線圈控制換向閥芯動作，來實(shí)現(xiàn)各種工藝動作，包括餃子皮和餃子餡的輸送以及夾緊模具等相關(guān)工藝動作。

3.2 自動包餃子裝置的工作流程分析

自動包餃子裝置各機(jī)構(gòu)通過控制系統(tǒng)中的程序與輸入信號、 輸出負(fù)載相互配合， 實(shí)現(xiàn)自動包餃子的工藝動作，自動循環(huán)生產(chǎn)。當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)后PLC 完成自檢后進(jìn)入待命狀態(tài)，對輸入端口進(jìn)行周期性掃描，當(dāng)檢測到啟動按鈕后則進(jìn)入工作狀態(tài)，經(jīng)過送皮氣缸送皮，光電檢測餃子皮到位后，送餡氣缸將餃子餡放到餃子皮上，隨之完成合皮成型操作，具體信號與動作配合見圖3。

圖3 自動包餃子裝置的控制系統(tǒng)工作流程圖

3.3 自動包餃子裝置的PLC 端口地址關(guān)系配置

根據(jù)相關(guān)控制與動作要求， 配置PLC 輸入輸出端口地址與對應(yīng)的輸入硬件（行程開關(guān)、光電開關(guān)）和輸出負(fù)載（電磁閥）的對應(yīng)關(guān)系，如表1 所示。

表1 CPMIA－20CDR 端口地址關(guān)系配置表

3.4 氣動系統(tǒng)的動作循環(huán)

根據(jù)上述流程，以自動包餃子1 次為例，列出各行程開關(guān)、光電開關(guān)、氣缸和換向閥電磁鐵的動作狀態(tài)如表2 所示。

表2 自動包餃子裝置氣控系統(tǒng)運(yùn)動循環(huán)表

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

利用印刷裝備數(shù)字化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的綜合氣動實(shí)驗(yàn)臺， 對本文所設(shè)計(jì)的自動包餃子裝置硬件系統(tǒng)進(jìn)行搭建， 并基于CX-Programmer 軟件平臺編程調(diào)試后， 對自動包餃子裝置的控制理念和方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證， 試驗(yàn)過程證明利用PLC 控制思想設(shè)計(jì)的自動包餃子控制系統(tǒng)能完成提出的工藝動作， 回路設(shè)計(jì)與程序編寫、硬件系統(tǒng)搭接均可支撐工藝目的，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 自動包餃子裝置的控制系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

5 結(jié)論

根據(jù)上述分析， 自動包餃子裝置在提高包餃子生產(chǎn)效率方面具有一定的優(yōu)勢， 但是由于包餃子方式和規(guī)格很難靈活改變，具有一定的局限性。

本文是基于《PLC 控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主題實(shí)踐》的主題研究工作進(jìn)行總結(jié)撰寫， 對不同產(chǎn)品規(guī)格要求考慮不足， 后續(xù)研究中將研究可快速更換模具和調(diào)整生產(chǎn)規(guī)格的技術(shù)與裝備。