果蔬食品包裝機控制系統的設計研究

摘要：生活水平的提高，帶動了果蔬食品需求的增長。為提高果蔬類食品的包裝效率及包裝質量，設計了基于DSP的果蔬食品包裝機控制系統。綜合分析果蔬食品包裝機的工藝流程及基本結構，結合DSP及觸摸屏研究了包括溫控模塊、觸摸屏、IO信號采集模塊、DSP控制模塊及伺服驅動的控制系統硬件部分，同時開發了包括控制系統主程序及人機界面的全自動果蔬食品包裝機運動控制系統軟件部分。將設計系統應用于傳統果蔬食品包裝機進行試驗分析，由試驗結果可知，包裝機工作穩定，效率大幅提升，良品率為98%以上，符合包裝工藝需求。

關鍵詞：果蔬食品；包裝機；控制系統；DSP；硬件系統；軟件系統

中圖分類號：TP301 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）31-0087-03

1 引言

經濟的飛速發展及生活水平的提高，帶動了果蔬食品的需求突增。消費者不僅重視果蔬食品質量，而且越來越關注包裝質量，因此，包裝質量好且精致的果蔬食品更會受消費者青睞[1]。這在一定程度上帶來了包裝行業的發展機遇。包裝機械在醫藥、煙草、日用品等方面得到廣泛應用，但果蔬食品包裝存在包裝質量差、效率低、操作困難的問題，專用包裝機尚不成熟[2]。

隨著自動化技術在食品包裝機械中的應用，果蔬食品包裝機的工作穩定性、可靠性及包裝效率大幅提升，因此自動化及專業化成為當前果蔬食品包裝機的研究方向。包裝機械的發展經歷了由單變頻到三伺服的六個發展過程，最新的三伺服全自動式包裝機在改進包裝質量方面表現突出，尤其是包裝效率獲得大幅提升[3]。對此，基于全自動三伺服包裝機，優化改造為果蔬食品專用包裝設備。當前包裝機普遍通過PLC實現自動化控制，該控制方法存在兼容性差、成本高、二次開發性差等弊端[4]。因此，本文設計了基于DSP的果蔬食品包裝機控制系統，從系統硬件、系統軟件兩個方面進行詳細闡述，并通過試驗分析，驗證了設計系統的可行性。

2 全自動果蔬包裝機分析

全自動果蔬包裝機結構組成如圖1所示，其工藝流程如圖2所示。該包裝機由送膜、袋成型、送料、撫平、橫/縱向封合、輸出等裝置構成。送膜機構完成包裝膜的恒速、穩定供給，主要包含導向輥、卷膜輥、牽引機構、張緊輪等；送料機構可實現果蔬精準、定向供給，避免堆積，由撥叉、張緊輪、鏈輪及鏈條組成；制袋成型器是整部包裝機的重要構件，包裝薄膜能夠一次成型；橫向封切機構可對包裝膜定長橫封及切斷；縱向封合機構通常為輥式結構，可對包裝薄膜進行拉膜及縱向封邊[5]。

包裝時，制袋成型器上的平面薄膜自動形成筒狀袋體，實現了送料及送膜同時進行；送料機構撥叉確保了果蔬能夠順利進入筒狀袋體；包裝半成品通過撫平裝置及拉膜牽引裝置壓緊；縱向封合機構進行縱向熱封；橫向封切機構實現切斷及橫向熱封；完成包裝的成品經輸出裝置送出。

包裝機的橫封、送料、送膜三軸同步轉動，通過接近開關、色標傳感器將采集的橫封、送料、送膜位置傳送與控制器。通過多軸同步算法實現同步運動，滿足高精度、高質量包裝要求[6]。

3 硬件系統設計

綜合果蔬食品包裝機工藝流程及結構，基于DSP及觸摸屏設計其控制系統，如圖3所示。

圖3中，控制系統由溫控模塊、觸摸屏、IO信號采集模塊、DSP控制模塊及伺服驅動組成。通過觸摸屏可對包裝參數進行設置，監控實時運行狀態，實現人機交互；DSP為系統控制核心，實現控制指令生成及伺服驅動控制，完成三軸同步轉動[7]；溫控模塊控制橫/縱封溫度調控；IO信號采集模塊采集接近開關及色標傳感器信息；伺服驅動完成各軸電機運轉的驅動控制。

3.1 上位機

觸摸屏具有通信協議兼容性好、交互便捷、安全穩定的特點[8]。果蔬食品包裝機工作環境較差，為確保包裝機安全穩定運行的同時兼顧成本及性能，文中控制系統選取EVIEW MT6500T系列觸摸屏。該觸摸屏具有三個串口，支持RS4853及RS232通信；支持SD卡及U盤擴展存儲，最大可擴展至2GB；具有RISC的32位快速處理能力[9]。由實際運行可知，文中觸摸屏可操作性強，在果蔬食品包裝方面的可靠性較高。

3.2 下位機

下位機作為包裝機的核心部分，各軸同步轉動由下位機控制完成。一方面通過接收觸摸屏各種工藝參數，準確計算分析相應脈沖控制參數，進而將控制參數指令發送至各個驅動控制器，使各運動機構保持協調運動；另一方面通過編碼器、接近開關及色標傳感器，將三軸實際位置反饋至控制器，計算運動偏差并補償，實現閉環控制。

文中基于DSP，綜合控制要求，設計了以DSP56F807為控制器核心的多軸運動控制器[10]。控制器外圍電路由通信串口模塊、GPIO模塊、Counter模塊、PWM脈寬調制模塊、CAN總線、模數轉換模塊及相位檢測器組成。觸摸屏通訊通過串口通信模塊實現；GPIO模塊可接收接近開關、色標傳感器觸發信號；伺服電機控制由Counter模塊完成；PWM可控制加熱設備溫度；CAN總線可對信號燈及電磁閥進行控制；熱電偶模擬信號由模數轉換模塊接收并轉換為數字信號；相位檢測器采集編碼器信號。

4 軟件設計

文中果蔬食品包裝機包括上位機、下位機兩部分軟件設計，其人機交互界面結構如圖4所示。

圖4中，人機交互界面可分為操作界面、初始界面及報警界面三部分。操作界面包括手動操作選取、運動畫面監控、參數設定；初始界面可選取系統語言、顯示包裝機信息；報警界面可實時查看歷史報警及當前報警記錄。

果蔬食品包裝機工作時，為保證包裝質量及包裝效率，需確保下位機可穩定運行。一方面確定包裝膜及果蔬就位，并確保橫封、縱封溫度符合要求。另一方面，按要求設定參數并選擇相應的功能。啟動后的包裝機按照設定程序完成同步運動，實現送膜、送料、封切及輸出成品等。包裝達到預設數量后，包裝機自動停止工作。具體控制流程如圖5所示。

5 實驗驗證分析

為驗證文中控制系統的有效性及可行性，基于傳統果蔬食品包裝機進行優化改造，并對優化后的包裝機進行實驗對比分析。傳統包裝機為異步電機、變頻器、鏈條傳動，優化時將文中控制系統替代復雜傳動機構，通過伺服電機實現各軸的獨立控制。優化后果蔬食品包裝機如圖6所示，其人機交互界面如圖7所示。

包裝果蔬體積為200×130×80 mm3，設定包裝袋長度為300 mm，包裝速度為160 袋/min，判定標準選取為包裝外觀及包裝效率。傳統包裝機包裝效果與優化后包裝機包裝效果對比分析如表1所示。

由表1可知，優化后果蔬食品包裝機每1000袋產品中，次品20袋，其中外觀不良16袋，露包4袋，良品率為98%，對比傳統包裝機，良品率大幅提升。包裝過程中，優化后包裝機運行平穩，計數精準，包裝效率高、良品率滿足使用要求。

6 結束語

文中針對果蔬食品全自動三伺服包裝機，設計了基于DSP控制器的果蔬食品包裝機控制系統。綜合分析果蔬食品包裝機的工藝流程及基本結構，結合DSP及觸摸屏研究了包括溫控模塊、觸摸屏、IO信號采集模塊、DSP控制模塊及伺服驅動的控制系統硬件部分，同時開發了包括控制系統主程序及人機界面的全自動果蔬食品包裝機運動控制系統軟件部分。將設計控制系統應用于傳統果蔬食品包裝機進行實驗對比分析，由試驗結果可知，文中控制系統包裝效率高、運行穩定，大幅提高了果蔬食品包裝質量，降低了人工勞動強度，避免了果蔬的二次污染。

參考文獻：

[1] 賈磊，王會軍.基于DSP的果蔬包裝機控制系統設計[J].包裝工程，2019，40（17）：194-198.

[2] 康瑞芳，劉鑫.基于DSP全自動食品包裝機控制系統設計[J].控制工程，2017，24（2）：336-340.

[3] 梅文娟，鄭兆啟，李占勇，等.生鮮食品包裝機的研究[J].包裝與食品機械，2021，39（1）：82-88.

[4] 錢雅楠，謝箭，許癸駒.果蔬食品膨化溫度智能控制[J].食品工業，2021，42（5）：273-275.

[5] 蘇紅衛，支強.基于PLC和觸摸屏的果蔬自動包裝機控制系統設計[J].包裝工程，2018，39（5）：163-167.

[6] 高雪，袁飛.基于STM32和PLC的枕式包裝機控制系統的設計[J].包裝與食品機械，2019，37（3）：19-23.

[7] 陳亞琳.三伺服枕式包裝機控制系統設計[J].包裝與食品機械，2020，38（1）：61-63.

[8] 金英姬.基于PLC與觸摸屏實現液壓教學實驗臺控制系統的研究[J].實驗技術與管理，2012，29（4）：151-154，168.

[9] 王圣斌.自動化食品包裝機械的控制系統優化設計[J].機械設計與制造，2020（11）：297-300，304.

[10] 劉翔宇，趙寧.DSP56800系列開發軟件包SDK使用經驗點滴[J].單片機與嵌入式系統應用，2005，5（6）：72-74.

【通聯編輯：謝媛媛】

收稿日期：2022-05-15

作者簡介：林敏（1987—） ，女，廣東梅州人，講師，學士，研究方向為計算機應用。