塊狀食品封裝機控制系統設計

周曉娟

河南經貿職業學院（鄭州 450018）

中國對包裝食品需求量巨大，面對日益增長的市場需求，其競爭也日趨激烈，隨著食品包裝行業的快速發展，對食品封裝機械設備的自動化程度和智能化程度也提出更高要求。中國大多數食品包裝企業仍然依賴人工完成，人工包裝不僅增加勞動力，增加企業生產成本，次品率也在不斷增高，還會對食品造成二次污染，從而嚴重制約食品加工生產企業的發展[1-3]。

根據食品形態不同，食品包裝通常分為固態包裝、液體包裝、粉末包裝等，其中塊狀食品又是最為常見的食品包裝。在塊狀食品中，食品形狀各異，如圓形糖果類包裝、方形餅干類包裝等。

針對塊狀食品包裝，中國食品加工企業所使用的食品封裝機械仍然大部分依賴國外進口。國外所使用的封裝機控制系統又具有保護性，大多采用專用芯片開發[4-6]，這樣的封裝機通常價格較高，且具有依賴性，不利于國內食品包裝行業發展。

為了提高國產食品封裝機的自動化程度、智能化程度及控制系統的可移植性，針對塊狀食品封裝機控制系統進行研究，設計一套基于可編程控制器PLC和觸摸屏相結合的塊狀食品封裝機控制系統。該控制系統具有控制精度高，包裝速度快、結構簡單，自動化程度和智能化程度高的優點，對于提升中國食品包裝行業的發展具有重要意義。

1 塊狀食品封裝機結構及工藝流程

1.1 塊狀食品封裝機結構

塊狀食品封裝機主要由薄膜傳送輥、塊狀食品傳送機構、制袋成型器、橫封裝置、縱封裝置、橫封切斷裝置、成品輸出計數等裝置組成，其結構示意圖如圖1所示。

1.1.1 薄膜傳送輥

薄膜傳送輥主要完成塊狀食品包裝塑料薄膜傳送工作，封裝機在工作過程中縱封裝置與薄膜傳送輥相互配合，能夠有效避免塑料薄膜在定位包裝過程中產生誤差。

1.1.2 塊狀食品傳送機構

塊狀食品傳送裝置主要由鏈條和鏈條撥叉組成，鏈條的轉動帶動撥叉運動，撥叉又會帶動物料向前運動。

1.1.3 制袋成型器

制袋成型器主要由底部導板和前葉片組成，制袋成型器可以根據塑料薄膜的高度和寬度進行靈活調節，能夠將平鋪的塑料薄膜直接制作成袋體，在制袋的同時，塊狀食品也進入到料袋中將其包裹起來。

1.1.4 縱封機構

縱封機構主要負責將制袋成型后的塑料進行縱向加熱封合，并牽引塑料薄膜向前運動。

1.1.5 撫平裝置

撫平裝置主要是將制袋成型后的袋體以及其中的塊狀食品進行撫平，以保證下一個工藝流程的順利進行。

1.1.6 橫封切斷裝置

橫封切斷裝置是由兩片加熱切刀組成，通過加熱切刀完成袋體風頭表面的加熱并形成紋理，然后將塑料薄膜進行切割。

1.1.7 輸出計量裝置

裝置主要負責對成品進行計數統計，通過統計可以計算出該封裝機的生產效率。

1.2 生產工藝

圖2 工藝流程

塊狀食品封裝機是一種枕式三伺服封裝機，能夠自動形成袋體成型、食品填充、封口、切割、統計等工序。食品封裝機的拉伸膜和對食品物料的傳送通過機械結構連接進行同步運動，通過光電傳感器和色標追蹤傳感器分別對物料和薄膜的位置進行跟蹤檢測，通過成型器完成薄膜成型加工，并經過縱封、橫封等加熱裝置后完成2個方向的熱封，當運動到切割位置時由切刀對袋體進行橫向切割，包裝產品經過統計檢測裝置后對其進行統計，食品完成包裝。包裝工藝流程如圖2所示。

2 控制系統硬件設計

包裝控制系統硬件主要包括可編程控制器PLC、人機觸摸屏、伺服驅動器、伺服電機、溫度控制器等。控制系統硬件結構如圖3所示。

塊狀食品封裝機控制系統通過人機觸摸屏實現對系統信息的實時傳遞與操控，系統下位機為PLC。封裝機在工作之前由操作人員通過人機觸摸屏將參數設置到PLC數據寄存器中，然后PLC控制器則控制多軸伺服電機分別實現各自的功能。通過控制物料輸送電機控制撥叉鏈條運動將產品向前輸送。通過控制薄膜牽引軸實現塑料薄膜的牽引，由縱封軸電機的控制實現縱封牽引實現對包裝薄膜的縱向封合。各電機的編碼器將各軸的位移和轉速轉化為標準的電信號并反饋到PLC主機中，從而實現控制軸的實時控制并根據反饋值實現對位置和轉速的精確控制。

圖3 控制系統硬件結構

2.1 PLC選型

在項目開發過程中，需要對控制方案進行合理設計，根據設計方案選取PLC控制器，PLC機外部端口及串行通信端口都應是標準化、集成化的[7-9]。

根據食品封裝機的包裝工藝流程及控制要求，同時考慮控制系統的經濟性、功能可擴展性，選用歐姆龍CP1H系列PLC，CPU為CP1H-XA，該款PLC擁有20K的程序存儲量和16K的數據存儲器，擁有4路模擬量輸入和2路模擬量輸出，20路數字量輸入和14路數字量輸出，內置高速計數器，能夠實現多軸同步控制。

2.2 觸摸屏

觸摸屏又稱為人機交互系統，可以通過畫面中的組態按鈕取代機械式按鈕。觸摸屏通過接收一些輸入信號，將此信號通過串口通信傳輸到PLC系統中，此外觸摸屏能夠對PLC中的數據寄存器數據進行變更，進而完成PLC參數的設置。此外觸摸屏還擁有一個重要的功能，通過觸摸屏可以實現整個封裝機故障信息的監控，通過觸摸屏將封裝機發生的故障及將要發生的故障快速地顯示在觸摸屏故障畫面中，為車間監控人員提供重要的參考信息，為生產計劃提供可靠依據。

試驗選擇威綸通觸摸屏MT6070IH，該款PLC能夠實現多款PLC通信，通訊口擁有一個RS-232串口，該串口主要用于程序下載，而另一個串口RS-232主要與PLC進行數據傳送，該款觸摸屏采用EB8000軟件進行編程設計，能夠輕松完成復雜畫面的組態。可以進行在線模擬測試，從而為開發節省了時間。

2.3 伺服系統

圖4 伺服系統接線

伺服系統驅動器主要通過接收PLC發出的高速脈沖實現對伺服電機的驅動控制，伺服驅動器與伺服電機結合使用，通過伺服電機實現封裝機各軸的定位與速度控制。選用的伺服為松下MINAS-A5伺服電機MDME152GCH，伺服驅動器為MDDHT5540。伺服系統接線如圖4所示。

3 控制系統軟件設計

3.1 PLC軟件流程圖

軟件流程圖是根據塊狀食品封裝機系統的功能要求，對PLC程序的執行順序進行規劃，設計出軟件的功能塊，按照一定的順序執行程序。軟件流程圖是進行設計程序的基礎和前提，可以有效指導程序編寫，提高程序編寫速度、降低程序錯誤率。根據流程圖編寫的程序邏輯性強、功能強大。

封裝機控制系統PLC程序采用歐姆龍公司CXProgrammer編程軟件進行梯形圖編程，編程軟件能夠完成項目程序的建立、編輯、調試及數據監控，同時具有完善的注釋功能方便程序的可讀性，大幅提高程序的靈活開發及系統維護更新。塊狀食品封裝機控制系統軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

3.2 觸摸屏軟件設計

觸摸屏界面是人與機械設備進行信息交互的重要窗口，通過觸摸屏界面可對封裝機發送控制命令，同時可以通過數據監控的方式對封裝機的運行狀態進行監控，為封裝機的良好運行提供重要保證。觸摸屏界面流程如圖6所示[10]。

系統設計的封裝機人機界面主要包括初始化界面、操控界面、報警界面。觸摸屏界面設計效果如圖7所示。

圖6 觸摸屏界面流程

圖7 觸摸屏界面

3.2.1 初始界面

初始界面主要包括2個，一個為程序版本記錄界面，另一個為語言設置界面。程序版本是為了記錄PLC和觸摸屏程序的版本號，方便后期程序升級換代。

3.2.2 操控界面

操控界面包括手動操作、運行畫面、計數統計、參數設置等多個畫面。

3.2.3 報警界面

報警界面主要為了記錄封裝機當前故障和預置故障，并顯示出故障發生的具體事件及發生此故障的具體原因。

4 結語

以塊狀食品封裝機控制系統為研究對象，為提高封裝機智能化、自動化程度，在食品封裝機工藝流程基礎上設計一款基于PLC和觸摸屏的塊狀食品封裝機控制系統。詳細介紹控制系統硬件，并在硬件基礎上，利用編程軟件對PLC程序和觸摸屏程序進行編程設計。控制系統穩定性高、可靠性強，能夠根據包裝工藝要求隨時對封裝機功能進行擴展，有利于國產封裝機的推廣使用。