食品用高壓水刀電氣自動控制系統的設計

某公司加工面包時，根據工藝要求要在發酵過的生面包粉團皮面上切出一道直線口，灑上椰肉粉后，再經過烘焙使面包表面形成一個長10cm、寬3cm、深2cm的槽，以便在槽中填充火腿腸等其他配料，如圖1所示。在面包表面割槽口的傳統做法是使用金屬刀片，但存在的問題是刀片刀鋒容易磨損，刀片不鋒利會出現鋸齒狀切槽甚至使生面包粉團的變形。另外，因產品的不同需要，生面包粉團的軟硬和筋道發生改變時，刀片和切割力都要改變，但更換刀片不方便且切割力不好控制，從而造成面包質量無法控制，生產效率低，不適合大批量面包生產。經過研究發現，如果改造成高壓水柱來進行切割，以上問題都很容易解決。

一、食品用高壓水刀系統

1. 系統結構

食品用高壓水刀系統結構如圖2所示。

2. 工作過程

面包盤在流水線輸送帶拖動，到達切割水刀下方時，光電位置傳感器動作，傳送帶停止，擋盤汽缸移動上升，將面包盤升起，高壓水刀水平向右移動，進行面包切割，切割到位后，右限位傳感器動作，擋盤汽缸下降，面包托盤下降，流水線輸送帶啟動，將面包傳送到下一工位，同時，高壓水刀向左水平移動，等待下一盤面包到來，這樣就完成了一個周期工作。

3. 高壓水刀的控制

切割水刀是由高壓水柱形成的，高壓水柱由高壓泵產生。高壓泵將低壓油泵出來，低壓油推動增壓器的大活塞，使其往復運動，大活塞推動小活塞，大活塞的運動方向由換向閥自動控制。另一方面，供水系統先經過凈化處理，然后由水泵打出低壓水，進入增壓器的低壓水被小活塞增壓后，壓力升高。由于高壓水是經過增壓器不斷往復壓縮后產生的，而增壓器的活塞又需要換向，因而從噴嘴所發出的水射流壓力是脈動的，為獲得穩定的高壓水射流，需要使產生的高壓水進入一個蓄能器，然后再流向噴嘴，從而達到穩定壓力的目的。水切割就是由普通水經過一個超高壓加壓器，將水加壓至400MPa(60000psi)，然后通過一個直徑為0.1mm至0.4mm左右極細的噴嘴，產生一道速度每秒近千米（約音速的3倍）的水柱，像刀一樣對面包進行切割加工。因面包粉團比較軟，水切不需要超高壓水柱。普通的微型變頻器恒壓供水系統壓力在0.1～10MPa之間可調，符合本設備的壓力要求，標準微型變頻器恒壓水壓供水系統壓力采用PID控制如圖3所示。通過壓力傳感器，以4～20mA的電流回饋壓力數據，構成回饋系統進行PID 控制。壓力傳感器選用YTZ-150電位器式遠程壓力表，安裝在水泵的出水管上，該壓力表適用于一般壓力表適用的工作環境場所，既可直觀測出壓力值，又可以輸出相應的電信號，輸出的電信號傳至遠程的控制器。壓力表電氣技術參數：電阻滿量程：400Ω；零壓力起始電阻值：≤20Ω； 滿量程壓力上限電阻值：≤360Ω；接線端外加電壓：≤6V。

4. 水刀移動控制

水刀的橫向左右移動的位置尺寸和運行速度要求精度不高，但因不同的產品品種長短規格不同，要求噴頭移動位置調整方便，水刀的運行速度也要可調，所以采用經濟型步進電動機拖動滾珠絲杠，再利用滾珠絲杠帶動導軌滑塊水平移動，水刀固定在滑塊上。步進電動機采用斯達微步SH3F130M型步進電動機驅動器進行驅動，具有高度的抗干擾性及快速的響應性，不會像單片機控制那樣易發生死機及丟步現象。高細分數能滿足水切噴頭移動的精度要求。超小型外觀設計使安裝更方便，獨特的“說明式”面板使操作使用一目了然，方便直觀的電流設定方法（由面板上的撥位開關設定）可使操作人員方便快捷地改變電動機的相電流。水刀移動控制采用開環控制。

5. 水切機總體自動控制

考慮到本機在運行上基本是無人看守，面包生產速度快，品種多，一般每盤4排，一排5個，0.6min生產一盤面包。在自動控制方面采用三菱FX1s-MT20分三路分別控制恒壓水壓變頻器開啟關閉，水壓根據口壓力傳感器反饋變頻器內部PID自動壓力控制。一路控制面包盤停止汽缸，一路控制步進馬達驅動器驅動步進馬達帶動滾珠絲杠導軌上的水切噴頭往復運動。根據不同的產品調整噴頭水平移動速度和調整水壓壓力保持恒定。整個控制電路如圖4和圖5

所示。

二、調試

1. 水刀壓力調試

檢查接線無誤后，合上空氣開關和漏電開關，變頻器上電，數碼管顯示0.0，按JOG鍵，檢查水泵的轉向，若反向，改變電動機相序。按運行鍵RUN，運行指示燈亮（綠色），順時針方向旋轉鍵盤旋鈕，輸出頻率上升，觀察壓力表的壓力指示，同時用萬用表直流電壓測量變頻器端子VF和GND之間電壓值，隨著變頻器輸出頻率升高，壓力增加，VF和GND之間的回饋電壓上升，記錄下將要設定的恒定壓力對應的回饋電壓值。按停車鍵STOP，變頻器減速停車。合上啟停開關，變頻器運行指示燈亮，輸出頻率從0.0Hz到達30.0Hz后，根據用水情況自動調節，保證出水口的壓力恒定為5kg。增大F4.06的參數設定值，出水口的壓力增加，減小F4.06的參數設定值，出水口的壓力降低。

2. 水刀水平移動速度調試

步進驅動器是把計算機控制系統提供的弱電信號放大為步進電動機能夠接受的強電流信號，三菱FX1S-MT有高速脈沖輸出功能。可驅動伺服電動機驅動器、步進驅動器等。FX1S有兩個端子輸出脈沖信號即Y0、Y1。在相對定位指令里，方向控制脈沖可用其他端控制輸出。到脈沖輸出只有Y1和Y0。Y0作為水平驅動脈沖輸出，Y1是方向脈沖輸出。為了減小步進電機在高速運轉時產生的轉距下降、在噴頭移動要停止時產生的慣性、機械間隙產生的震蕩和失步現象，對軟元件D8145 、D8146 、D8148不斷進行調試達到了良好的效果。控制系統提供給驅動器的信號主要有以下三種：

（1）步進脈沖信號CP：這是最重要的一路信號，因為步進電動機驅動器的原理就是要把控制系統發出的脈沖信號轉化為步進電動機的角位移。或者說：驅動器每接受一個脈沖信號CP，就驅動步進電動機旋轉一步距角， CP的頻率和步進電動機的轉速成正比，CP的脈沖個數決定了步進電動機旋轉的角度。這樣，控制系統通過脈沖信號CP就可以達到電動機調速和定位的目的。

（2）方向電平信號DIR：此信號決定電動機的旋轉方向。比如說，此信號為高電平時電動機為順時針旋轉，此信號為低電平時電動機則為反方向逆時針旋轉。此種換向方式，我們稱之為單脈沖方式。另外，還有一種雙脈沖換向方式：驅動器接受兩路脈沖信號（一般標注為CW和CCW），當其中一路（如CW）有脈沖信號時，電動機正向運行，當另一路（如CCW）有脈沖信號時，電動機反向運行。

（3）脫機信號FREE：此信號為選用信號，并不是必須要用的，只在一些特殊情況下使用，此端為低電平有效， 這時電動機處于無力矩狀態；此端為高電平或懸空不接時， 此功能無效， 電動機可正常運行，此功能若用戶不采用，只需將此端懸空即可。

三、系統聯調

1. 回原點

按下啟動按鍵，恒壓變頻器啟動變頻器高速運行，水壓達到設定要求后轉換為低速運行，并保持恒定壓力。同時步進電動機轉動，水刀滑塊向原點方向慢速運行，當到達原點時，步進電動機停止運轉運行，完成回原點定位。應注意在回原設定的速度不宜過快，因為原點檢測到移動的物體有一定的響應時間，響應時間和物體的慣性有一點關系，這樣可保持定位一致性和精度，本控制屬于開環控制，無位置反饋信號。

2. 正常加工

設備啟動，面包盤被流水線輸送帶拖動，到達切割刀下方時，光電位置傳感器動作，傳送帶停止，擋盤汽缸移動上升，將面包盤升起，高壓水刀水平向右移動，進行面包切割，切割到位后，右限位傳感器動作，擋盤汽缸下降，面包托盤下降，流水線輸送帶啟動，將面包傳送到下一工位，同時，高壓水刀水平向左移動，準備等待下一盤，這樣就完成了一個周期工作。水刀滑塊移動位移大小由CP脈沖數來決定。SH3F130M驅動器提供的技術資料以20細分驅動器、0.09度為例，步進電動機轉一圈就需要4000個脈沖。步進電動機同步輪與滾珠絲杠的同步輪的比例為3：1。步進電動機轉一圈絲杠就要轉三圈，就需要12000個脈沖。滾珠絲杠的導程為20mm，絲杠轉三圈滑塊就移動60mm，一個毫米就是200脈沖。根據面包的長度就可以知道脈沖數，如800mm就應加16000個脈沖。

3. 停止

在正常的生產情況下要停止使用水切設備時，按下停止按鍵，為保證加工的連續性，如果正在切一盤面包，水刀不會立即停止，等切完這盤之后，水刀移動運行方向的尾端才停止，保證每次面包切完。同時擋盤汽缸下降，步進驅動器不斷電，水切噴頭保持原來的狀態。下一次啟動時，水刀滑塊不用回原點，減少開機時間，方便操作。在長時間（5分鐘）不用水刀時，恒壓變頻器自動停止工作。按下啟動鍵后變頻啟動，水切正常工作。

4. 急停

在緊急的情況下，為了保證符合人身安全和設備安全設計的要求，在一個水切噴頭移動時，來自外部干擾或其他原因步進電動機失步超越兩端限位，水切噴頭就停止移動，步進驅動器斷電。故障排除后再啟動回到原點。在按下急停后，所有的狀態復位到初始狀態。

5.噴頭移動超越限位及安全控制

為了防止誤動作或斷線等其他因素，在這里采用國際通用的常閉PNP型電感式接近開關。為了防止水切噴頭在工作移動過位置或出現失步現象造成撞擊軌道變形，只要水刀滑至超越任何一邊限位開關，步進驅動器瞬間斷電，步進電動機停止工作并報警。

本系統不管是在操作上還是在運行上，均經過調試觀察，沒有出現過死機故障，同時，完全可實現無人值守。經過長時間運行和應用檢測，達到了產品工藝要求。設備的整體性價比高，達到了良好的經濟實用價值。

（作者單位：廣東省機械技師學院）