張鵬

（河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，河南鄭州450018）

食品包裝中自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)研究

張鵬

（河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，河南鄭州450018）

對(duì)食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行說明，其主要技術(shù)包括傳感器技術(shù)、信號(hào)預(yù)處理技術(shù)、A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、微控技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)。深入分析了食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，主要控制系統(tǒng)為核心，結(jié)合電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)構(gòu)成整個(gè)硬件系統(tǒng)，Realview MDK軟件為開發(fā)工具，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的軟件實(shí)施辦法。最后從物料計(jì)量精度、硬件抗誤差能力和軟件控制精度三個(gè)方面入手，提出完善該系統(tǒng)的解決方案。

食品包裝；自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)；主控系統(tǒng)

隨著我國(guó)人民生活水平的提高和食品消費(fèi)市場(chǎng)的不斷壯大，消費(fèi)者對(duì)食品的質(zhì)量要求越來越高，而食品包裝作為食品產(chǎn)品重要組成部分，具有保障食品質(zhì)量、方便食品運(yùn)輸和提升食品整體美感等作用[1-2]。食品包裝常常采用人工計(jì)量方式進(jìn)行稱重，這種方式的人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，同時(shí)手工稱量誤差大，易造成食品重量稱量的精度不足[3]。近些年電子技術(shù)的發(fā)展使得自動(dòng)化稱量設(shè)備逐步代替手工稱量，機(jī)械行業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的跨越式發(fā)展顯著提高了食品包裝技術(shù)的自動(dòng)化水平，其中自動(dòng)化定量計(jì)量包裝已經(jīng)占食品總包裝市場(chǎng)份額的75%左右，并且還呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的勢(shì)頭[4-5]。電子計(jì)量技術(shù)是自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它包含了電子技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)，是一種將無序的物料穩(wěn)定分成規(guī)定質(zhì)量的裝置[6]。食品包裝根據(jù)計(jì)量次數(shù)要求可分為單次計(jì)量和分量計(jì)量，其中單次計(jì)量是指食品包裝整個(gè)過程只需進(jìn)行一次計(jì)量，適合物料單一的食品包裝系統(tǒng)，分量計(jì)量是指根據(jù)不同物料的質(zhì)量配比分別加入同一包裝，同時(shí)自動(dòng)定量系統(tǒng)在用于食品包裝時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)食品自動(dòng)連續(xù)包裝，降低人工成本，提高包裝效率[7-8]。

目前我國(guó)自動(dòng)定量系統(tǒng)用于固體食品包裝的技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)比較成熟，但針對(duì)液體及具有粘性的半固體食品等流動(dòng)性物料的計(jì)量包裝設(shè)計(jì)及使用仍存在一定的局限性，基于此，本文在目前食品包裝定量計(jì)量系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套適合具有流動(dòng)性的食品的計(jì)量包裝。

1 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)

食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的功能包括計(jì)量和自動(dòng)包裝，它是食品自動(dòng)包裝機(jī)械最重要的系統(tǒng)，一般可根據(jù)計(jì)量方式分為三種，即：容積式計(jì)量，用于流動(dòng)性較好的液體物料的計(jì)量，該計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，計(jì)量效率高，但加工精度較低；稱重式計(jì)量，用于流動(dòng)性較差的半固體物料的計(jì)量，由于半固體物料易結(jié)塊，因此對(duì)于計(jì)量裝置要求較高，該計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單次包裝耗時(shí)長(zhǎng)，但加工精度高；計(jì)數(shù)式計(jì)量，用于顆粒狀或塊狀固體物料的計(jì)量，利用轉(zhuǎn)盤式計(jì)量器使顆粒狀物料邊稱重便落入物料箱，直到重量到達(dá)指定標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行卸料填充操作，完成包裝。

食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)具有較高的自動(dòng)化程度是由于其內(nèi)部包含眾多電子化技術(shù)，其中主要有：①傳感器技術(shù)，傳感器作為檢測(cè)裝置，主要用于獲取設(shè)備工作過程中的相關(guān)參數(shù)信息，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)行傳輸及其他后續(xù)操作，傳感器是食品包裝自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)與外界聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)具有靈敏度高、穩(wěn)定性好及線性范圍廣等特點(diǎn)。②信號(hào)預(yù)處理技術(shù)，傳感器直接接收到的信號(hào)一般比較微弱，難以直接被處理器獲取，因此可使用信號(hào)預(yù)處理技術(shù)將信號(hào)放大，同時(shí)過濾噪聲，排除干擾信號(hào)。③A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，將預(yù)處理過的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)要求不同可使用不同的A/D轉(zhuǎn)換器。④微控技術(shù)，修正系統(tǒng)參數(shù)，處理接收到的數(shù)學(xué)信號(hào)，完成數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能。⑤人機(jī)交互技術(shù)，通過顯示器將系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及其他信息展示給用戶，同時(shí)用戶也可對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正等操作，控制設(shè)備的運(yùn)行過程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人工控制。

1.2 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)

目前食品包裝定量計(jì)量系統(tǒng)常利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制，具體問題包括：①計(jì)量精度低。以某植物油加工廠為例，在標(biāo)準(zhǔn)重量設(shè)定為200 kg的情況下，要求誤差控制在0.25%以內(nèi)，但在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)設(shè)備計(jì)量誤差常高于0.5 kg，即超過0.25%；②生產(chǎn)速度慢。對(duì)于某些季節(jié)性食品，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)生產(chǎn)加工過程速度有一定要求，現(xiàn)有食品包裝生產(chǎn)設(shè)備加工速度有待提高；③控制策略不佳。傳統(tǒng)控制方式造成食品加工過程干擾因素較多，使定量計(jì)量過程質(zhì)量易超出要求范圍外，甚至導(dǎo)致原料溢出。

另外，基于食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的技術(shù)要求，其難點(diǎn)包括：①兼顧食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的精度和速度要求；②保障流體食品流量的穩(wěn)定性；③解決流體食品對(duì)稱重裝置產(chǎn)生的沖擊力所造成的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償問題；④解決流體食品運(yùn)輸過程中落差導(dǎo)致控制精度下降的問題。

2 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

食品包裝對(duì)自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的量程、精細(xì)度、效率等方面均有一定要求，其中計(jì)量精細(xì)度的允許偏差為待稱量物料的0.1%，即若食品稱量的重量范圍超出食品實(shí)際重量0.1%，則視為系統(tǒng)不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)[9]。圖1為食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of automatic quantitative measurement system schematic diagram

由圖1可知，食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的主要設(shè)備包括儲(chǔ)料倉、給料設(shè)備、控制系統(tǒng)和計(jì)量設(shè)備。儲(chǔ)料倉一般應(yīng)保證有足夠的物料，若物料不足時(shí)可使用提升機(jī)來進(jìn)行補(bǔ)給；可根據(jù)物料類型選擇合適的給料設(shè)備，一般包括閥門式、螺旋式和振動(dòng)式，對(duì)于流動(dòng)性較大的物流一般選擇螺旋式送料設(shè)備，通過重力及離心力作用使物料順利進(jìn)入計(jì)量斗；計(jì)量設(shè)備通過傳感器接收物料質(zhì)量信號(hào)，控制儀表控制參數(shù)及卸料；控制系統(tǒng)主要包括微處理器，對(duì)整個(gè)定量計(jì)量系統(tǒng)工作過程進(jìn)行控制。

2.2 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)

食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的硬件是控制整個(gè)系統(tǒng)工作流程的載體，也是使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的設(shè)備基礎(chǔ)，主要構(gòu)成包括電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、主要控制系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)。其中主要控制系統(tǒng)是核心部分，起到控制整個(gè)運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、處理、顯示和存儲(chǔ)以及根據(jù)參數(shù)控制送料系統(tǒng)和卸料系統(tǒng)開關(guān)的作用；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包含傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器兩部分，主要是將傳感器捕捉到的微弱信號(hào)進(jìn)行過濾及增強(qiáng)處理后，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成可被內(nèi)部系統(tǒng)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；通信系統(tǒng)主要包括串口通信模塊和輸出驅(qū)動(dòng)模塊，用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信息通信以及傳動(dòng)電機(jī)和送料、卸料開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制；人機(jī)交互系統(tǒng)主要包括觸摸屏和薄膜晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD），為用戶提供了解和設(shè)定參數(shù)的窗口。

食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的軟件是系統(tǒng)控制的核心，用來完成流程控制?？刂葡到y(tǒng)的微機(jī)控制器采用ARM Contex-M3核心，其開發(fā)工具選用德國(guó)Keil公司的Realview MDK軟件。Realview MDK軟件能夠完美支持ARM Contex-M3微機(jī)控制器，能靈活有效的組織并管理多個(gè)窗口，提高開發(fā)效率；具有強(qiáng)大的Simulation仿真和分析功能，可以通過仿真模擬實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)開發(fā)環(huán)境和參數(shù)，減小開發(fā)周期；能夠自主匹配啟動(dòng)代碼，便于用戶了解開發(fā)過程及狀況。

控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)方案為：首先根據(jù)硬件組成模塊，進(jìn)行初始化操作，初始化內(nèi)容包括時(shí)鐘、總線擴(kuò)展器（General Purpose Input Output，GPIO）、嵌套向量中斷控制器（Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC）、串口通信、數(shù)據(jù)采集、TFT-LCD、觸摸控制、SD卡和FatFs文件系統(tǒng)。然后設(shè)定參數(shù)并根據(jù)參數(shù)驅(qū)動(dòng)控制程序操作，計(jì)量包裝完成后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SD卡，完成一次計(jì)量包裝工作。系統(tǒng)軟件控制流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件控制流程圖Fig.2 The flow chart of control system software

3 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程

為檢測(cè)上文中提出的食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的應(yīng)用性能，本文將從物料計(jì)量精度、硬件抗誤差能力和軟件控制精度三個(gè)方面進(jìn)行分析。

3.1 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的影響因素分析

影響物料計(jì)量精度的因素包括傳感器誤差、計(jì)量斗結(jié)構(gòu)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)，其中傳感器的受力程度決定了其電信號(hào)的大小，而傳感器的質(zhì)量決定于感應(yīng)材料、內(nèi)部電路、制作工藝及工作環(huán)境影響。計(jì)量斗應(yīng)采用光滑曲面結(jié)構(gòu)，同時(shí)傳感器應(yīng)均勻接觸計(jì)量斗，防止受力不均造成實(shí)驗(yàn)誤差。機(jī)械運(yùn)動(dòng)誤差包括沖擊誤差，落料誤差和機(jī)械振動(dòng)誤差，這些誤差是由于送料過程中物流機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)計(jì)量斗產(chǎn)生一定力造成的，機(jī)械運(yùn)動(dòng)誤差很難徹底消除，只能通過縮短下料距離，設(shè)置緩沖裝置等方式盡量減小。

硬件系統(tǒng)的工作環(huán)境干擾因素較多，例如電源噪聲、電磁波輻射、高壓電流等，這些干擾因素對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備的抗干擾能力提出一定要求。

軟件系統(tǒng)是保障系統(tǒng)程序正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，不同軟件模塊的連接方式、參數(shù)設(shè)定以及外界信號(hào)干擾均會(huì)對(duì)系統(tǒng)軟件的執(zhí)行操作造成干擾。

3.2 食品包裝自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的驗(yàn)證分析

為減小物料計(jì)量誤差，設(shè)計(jì)三級(jí)送料螺旋速度控制檔，利用時(shí)間控制流程，實(shí)現(xiàn)送料過程前期快速送料，中期減緩速度，后期緩慢送料的方式，顯著減小了機(jī)械運(yùn)動(dòng)誤差。

為減小硬件系統(tǒng)誤差，一方面可以使用濾波技術(shù)和穩(wěn)壓器，過濾噪聲干擾，同時(shí)穩(wěn)定電壓，另一方面可以采取屏蔽技術(shù)抑制不同區(qū)域間的電磁場(chǎng)耦合現(xiàn)象，以及隔離技術(shù)隔離不同電路間地點(diǎn)位連接的現(xiàn)象，另外可采取接地措施，即將設(shè)備的電路與地級(jí)相連，減小模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)的干擾。

軟件設(shè)計(jì)時(shí)可對(duì)不同模塊間信息傳遞代碼和接口進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)，減小信息傳遞過程中產(chǎn)生誤差的可能性，對(duì)參數(shù)設(shè)置邊界，排除外界干擾，對(duì)已經(jīng)侵入的干擾采取強(qiáng)制復(fù)位操作，維護(hù)軟件系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié)語

包裝食品的實(shí)際需求促使自動(dòng)食品包裝機(jī)械的不斷發(fā)展，其中自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)是食品包裝機(jī)械的核心組成，其設(shè)計(jì)及性能決定著整個(gè)包裝系統(tǒng)的效率和精度。本文對(duì)食品包裝中自動(dòng)定量計(jì)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行說明，并分別闡述了其硬件和軟件系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)。最后以物料計(jì)量精度、硬件抗誤差能力和軟件控制精度3個(gè)方面入手，提出了優(yōu)化性能的實(shí)施方案。

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Automatic Quantitative Measurement System Research of Food Packaging

ZHANG Peng
（Henan Institute of Economics and Trade，Zhengzhou 450018，Henan，China）

The technology related to food packaging automatic quantitative measurement system and structure were introduced，including sensor technology，signal pretreatment technology，A/D conversion technology，microcontroller technology and human-machine interaction.This work analysis of the food packaging automatic quantitative measurement system hardware and software design.The hardware includes core system，power supply system，data acquisition system，storage system，communication system and man-machine interaction system.Realview MDK software was used as development tools，which could measure the control system.Finally from material measuring accuracy，the solution of the system was proposed based on the hardware and software error resistance precision.

food packaging；automatic quantitative measurement system；master control system

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.03.049

2016-09-13

張鵬（1975—），女（漢），講師，碩士，研究方向：軟件工程，模式識(shí)別及算法，數(shù)據(jù)處理與分析，多媒體技術(shù)。