機械自動化在食品包裝領域的應用研究

◎ 周美容

（永州職業技術學院，湖南 永州 425000）

當前，我國食品行業得到了很大的發展，機械自動化也得到了廣泛應用，在生產過程中應用自動化機械可以節省人力，從而也節省資金。隨著食品行業的不斷發展，原有的食品包裝機械已經滿足不了行業需求。因此，將食品包裝機械自動化引入食品行業，對食品行業的發展具有重要意義。

1 食品包裝機械自動化概述

食品包裝機械是指用來包裝食品的機械，食品包裝機械的操作過程比較復雜，生產效率較低。由于食品包裝機械的特性，需要推動食品包裝機械的自動化發展來提高運行效率。食品包裝機械的特點表現在以下幾個方面：①操作過程比較復雜。食品包裝機械本身內部結構比較復雜，對精度的要求也比較高，運行效率需要得到保障。另外，食品包裝機械的設計要求比較高，整個設計過程具有較高的難度和復雜性。②食品包裝機械種類比較多[1]。食品行業的快速發展，使得食品行業對食品包裝機械的要求越來越多，食品包裝機械種類越來越豐富。當今社會，食品行業的產品在不斷豐富，導致食品包裝技術和材料的快速發展，并不斷向環保和高科技方向邁進，在一定程度上促進了食品包裝機械的升級換代。

2 食品自動化包裝機械控制系統硬件設計

食品自動化包裝機械控制系統的設計和研究比較困難，需要相關工作人員從自動化技術的發展出發，加強自動化控制技術在食品包裝機械操作中的應用，從而促進自動化控制技術與食品包裝機械的有效融合。自動化控制系統中的硬件設計是一個比較困難的問題，食品自動包裝機械控制系統的硬件設備包括PLC控制器、伺服驅動器、編碼器、溫度控制器和觸摸屏等[2]。

PLC 自動控制系統的硬件結構由存儲器、核心處理器、I/O系統、編碼器和編程器等組成，這些都是自動控制不可缺少的結構。其中，核心處理器是PLC的核心部分，將用戶發送的指令轉換為電信號，然后電信號通過I/O接口放大并分析，無用的干擾信號被過濾，從而使自動控制系統運行的穩定性能夠得到較好的保證。

伺服驅動器的基本結構主要為功率驅動模塊、伺服控制模塊、通信接口模塊、伺服電機相應的反饋檢測元件等。伺服電機選型時需要和伺服驅動器相結合。伺服電機選型過程所需參數計算過程如下：

（1）材料運輸過程，錕輪所需的峰值速度根據式（1）進行計算：

式中，nmax為錕輪運行過程中要求得到的峰值轉速；L為袋長；P為包裝機設備的峰值生產率；D為設定為錕輪長；η為補償系數。

（2）負載轉動慣量。電軸自身的轉動慣量和負載慣量之間必須進行匹配，否則系統運行的穩定性難以得到保證。由于薄膜卷本身的轉動慣量可以根據圓筒體進行計算，公式為：

式中，J為轉動慣量；M為薄膜卷質量；R1為輸送錕輪半徑；R2為薄膜卷半徑。

（3）計算電機負載轉矩。

（4）根據公式：

式中，J為輸膜卷等機構和裝置的整體質量大小；μ為相關裝置的摩擦系數；R3為輸出軸尺寸；R4為外部尺寸；R5為軸承內部尺寸的數值。

式中，Ta為系統的最大轉矩。額定轉矩不能超過轉矩指標的最大值，所以按照該指標數值，進而完成設備的選型過程。

編碼器的作用是設計編程，能夠使系統在運行過程中的穩定性和安全性得到保障。觸摸屏是用來顯示可編程操作的元件，用戶可以設置自己所需要的指令，設置完成后點擊觸摸屏上的文字或圖片可以控制系統。

3 自動化食品包裝機械控制算法

在自動化食品包裝機械控制系統中，最常用的控制算法為模糊PID控制[3]。模糊PID控制具有良好的魯棒性和靈活性[4]。連續系統的PID控制算式為：

其傳遞函數表示為：

其中（e）t為偏差，（e）t=r（t）-y（t），其中r（t）為設定值，y（t）為實際值，Kp、T1、TD分別為比例、積分、微分系數。常規的PID控制算法具有一定的缺點，會影響系統的穩定性。常規的PID控制器需要的數學模型較為精確，控制精度不容易實現，而模糊控制器不需要太高的精確度，可以將2種控制器結合，系統的穩定性會大大提高。模糊PID控制器是以常規的PID控制器為基礎，利用模糊推理的思想，參數可以根據不同的誤差和誤差變化進行在線調整。模糊PID控制器的結構圖如圖1所示。

圖1 模糊PID控制結構圖

高雪等人[4]根據模糊PID控制設計了一種枕式包裝機，然后在MATLAB上對其采用的模糊PID算法進行仿真，通過實驗驗證其在該自動包裝機控制下的工作性能（實驗結果如表1），實驗結果表明利用模糊PID算法設計的自動包裝機工作穩定，包裝效率高，可靠性高。

表1 包裝機性能實驗數據表

4 自動化食品包裝機械的應用價值

4.1 自動化食品機械能夠管控食品品質

在加工、生產時，不同種類的食品需要的環境條件具有較大差異。食品包裝自動化技術能夠有效判斷食品的包裝環境以及食品表面微生物的生長情況，以此保證食品的包裝環境以及品質。由于食品的要求不同，選擇的傳感器也具有較大差異，傳感器可以自動對食品的品質進行全面檢查，產品品質會得到統一，這樣能夠提供更穩定的食品味道。

4.2 自動化食品機械可以節省原材料

節約糧食減少資源浪費，是我國食品行業良好發展的重要前提條件。食品機械自動化，使生產和加工食品過程的標準得到統一，提升生產過程中的準確度，減少食品生產過程中原材料的浪費。食品包裝設計很復雜要求也較高，將自動化技術應用于食品機械中可以使生產過程有序進行，提高產品生產過程中的準確性，有效避免因包裝失誤造成的浪費。

4.3 自動化食品機械使食品行業滿足市場需求

食品包裝設備的生產效率由于自動化技術的應用得到有效提高，生產自動化過程也能夠得到保證，從而使食品獲得高標準的包裝。在大規模生產過程中，自動化技術可以提高生產效率和準確性，降低生產成本[5]，使食品的質量安全得到保證。此外，自動化技術可以提高企業的品牌效應。

5 結語

綜上所述，食品機械自動化控制系統中的硬件設計是一個比較困難的問題，需要相關工作人員從專業角度對硬件進行合理的設計，常用的控制算法為模糊PID控制，該控制算法操作簡單，易于控制，能夠提高自動化食品包裝機械的穩定性和可靠性。將自動化機械應用于食品包裝領域，可以提高食品品質、減少原材料浪費，使食品行業滿足市場需求，對食品行業的發展具有重要意義。