基于重量控制的蒸包機研制

單一竅+鄭明剛+張元坤

摘 要 包子是中國人最喜愛的食物之一。傳統的包子機對重量的控制要憑借操作人員的經驗設置面料和餡料的輸送速度，通過試驗后確定。對操作人員的經驗要求高。不適用于對品種大規模的生產需要。本文借助于靜態計量方式的動態稱重技術手段，研制了基于直接重量控制的新型包子機，使得對蒸包重量控制更加方便，提高了企業的生產效率。

關鍵詞 包子機；重量；動態稱量技術

中圖分類號 TH6 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）164-0223-02

市面上現有的包子機存在著許多缺陷，如傳統機械在加工過程中傷害了面皮的筋性，使產品的彈韌性、持水性等都不能符合工藝要求，影響了產品質量，影響了口感，所謂機器做的沒有人工做的好吃[1]。市場需要更為人性化、加工工藝更為科學的包子機。經過革新與改良，本文研制的包子機功能更強大，性能更優異，不僅提高生產效率、降低生產成本而且其自動化程度更高，定量更準確，性能更穩定，包子成型效果更佳。

1 工作原理

基于重量控制的蒸包機包括：

餡料輸送部分：1）餡料輸送機構；2）面料輸送機構；3）餡面混合器；4）蒸包包合機構；5）蒸包輸送機構；6）蒸包重量測量機構；7）抬升機構；8）支點；9）機架；10）包合機構和傳送帶抬升機構同步電機；11）編碼器；12）凸輪；13）人機交互界面；14）餡料數量監測機構，如圖1所示。

面料輸送控制由PLC內部PWM1模塊、直流電機驅動器、直流減速電機、傳動鏈條、料斗、螺旋輥、輸料通道組成。餡料輸送控制由PLC內部PWM2模塊、直流電機驅動器、直流減速電機、傳動鏈條、料斗、螺旋輥、輸料通道組成。包合部分由PLC數字輸出點、固態繼電器、交流減速電機、凸輪連桿機構、包合機構傳送帶托起機構組成。蒸包輸送部分由PLC數字輸出點、固態繼電器、交流減速電機、傳送機構、傳送帶組成。重量檢測部分是由波紋管稱重傳感器、稱重變送器、模擬量處理模塊、凸輪回轉角度編碼器組成。

餡料檢測裝置由漫反射型光電開關、PLC數字輸入點組成。電氣控制部分采用西門子公司S7-1200系列PLC系統，人機交互界面通常采用昆侖通態的7寸彩色觸摸屏。

成型蒸包的重量取決于蒸包包合機構4包合間隙內，餡面柱狀流束通過包合機構中心的長短。本設備采用蒸包包合機構4包合間隔固定，調節餡面柱狀流束速度的方式實現成型蒸包重量的調節。

本設備蒸包重量測量機構6安裝在傳送帶抬起機構的抬升機構7和蒸包輸送機構5之間。通過與抬起機構凸輪同軸連接的編碼器11檢測蒸包輸送機構5的狀態，以確定重量測量窗口。將測量窗口內的重量信息傳送到PLC控制中心，由PLC利用PID控制策略對餡料和面料的輸送速度進行調節[2]。

2 各部分結構特點及其功能介紹

2.1 控制部分介紹

電氣控制系統由電源模塊、人機界面模塊、PLC采集運算控制模塊、重量采集模塊、位置采集模塊和電機驅動模塊構成。

2.2 重量采集部分

蒸包機生產的蒸包重量范圍是50g～150g，每分鐘生產蒸包40個，對其重量的計量需要采用高精度動態系統。

本裝置采用不定量式靜態稱重方式，保證了較高的計量精度；同時，根據凸輪位置分時計量，使整機系統處于動態工作模式下；為提高秤體安裝精度和降低成本，采用單支傳感器組件。其結構簡圖參見圖2。系統由1）蒸包輸送帶；2）重量傳感器；3）抬升機構；4）支點；5）凸輪；6）編碼器；7）包合機構等組成。

面料和餡料被以一定的速度輸送到包合機構上，傳送帶凸輪作用下抬起，在最高點，輸送帶停止，包合機構動作，蒸包落到傳送帶上，包合機構和傳送帶抬升機構凸輪采用一臺電機驅動，保證包合與抬升同步動作。傳送帶下降，到達最低點處，傳送帶停止，凸輪轉過20°凸輪角，開始測量。即從凸輪角230°開始計量重量，當凸輪角360°時結束計量，勻速運轉的凸輪進入下一個工作周期。凸輪每轉一周用時1.5s，即1？500ms，所以1°的凸輪角對應的時間是：Ts=1500/360=4.17ms，由于蒸包重量可以采用不定量計量方式，只在系統相對穩定的狀態下進行分時的不定量靜態計量確保有較高的計量精度，并使整機系統處于動態連續工作狀態。一臺靜態秤的計量誤差可以表示為：△W=△W1+△W2+△W3+△W4？？？？？？？？？？？？？（1）式中：△W1為傳感器誤差，所選傳感器誤差為萬分之三；

△W2為二次儀表誤差，所選信號調節裝置誤差為萬分之五，計量模塊誤差為千分之一；

△W3為秤體力傳遞誤差；△W4為振動、風力等其他隨機干擾誤差。

分時靜態計量減少了一般傳送帶動態計量中控制元件和執行機構的控制誤差以及傳送帶運轉產生的力矩對傳感器受力的影響。由公式（1）知，傳感器本身和二次儀表這兩部分誤差在整臺稱重系統中所占誤差的比重較小，而秤體力傳遞誤差△W3所占誤差比重最大[3]。

2.3 凸輪位置采集部分

凸輪位置采用增量編碼器采集，編碼器與凸輪同軸安裝，利用PLC內部的高速計數器1對編碼器脈沖計數，并轉換為凸輪的旋轉角度。編碼器采用增量型編碼器，1024線，可分辨出360/1024=0.325°；高速計數器設置為計數方式，工作模式為A/B計數，計數方向增計數，復位信號高電平有效，輸入端定義：I0.0為A相，I0.1為B相，I0.3為Z相復位端。訪問地址為ID1000；PLC通過訪問ID1000讀取凸輪位置。

2.4 面料輸送部分

面料輸送速度控制由PLC內部PWM1模塊、直流電機驅動器、直流減速電機、傳動鏈條、料斗、螺旋輥、輸料通道組成。PLC內部PWM1模塊的時基設置為微秒，調節分辨率為0.001；直流電機驅動器控制信號為0%PWM～85%PWM信號，對應直流減速電機輸出轉速為0r/min～42r/min，所以面料輸送速度調節分辨率為42/1000=0.042r/min。

2.5 餡料輸送部分

餡料輸送速度控制由PLC內部PWM2模塊、直流電機驅動器、直流減速電機、傳動鏈條、料斗、螺旋輥、輸料通道組成。PLC內部PWM2模塊的時基設置為微秒，調節分辨率為0.001；直流電機驅動器控制信號為0%PWM～85%PWM信號，對應直流減速電機輸出轉速為0r/min～42r/min，所以面料輸送速度調節分辨率為42/1000=0.042r/min。

3 結論

經實際使用，其以上介紹的幾個結構特點使整機緊湊、精度較高、使用方便，滿足實際需求，不僅僅提高了工作效率，在很大程度上也降低了生產成本。

參考文獻

[1]薛實福，李慶祥.精密儀器設計北京[M].北京：清華大學出版社，2013.

[2]馮秉瑞.計算機原理與應用[M].哈工大教材，2012.

[3]甄正義，等.定盤包裝電子秤[C]//全國第二屆側力與稱孟技術學術討論會論文集，2013.