劉永佳 潘宇韓 殷 雪 徐軼凌 肖會芹

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412000）

0 引言

近年來，我國食品工業(yè)快速發(fā)展，食品制造業(yè)正在由傳統(tǒng)加工方式向現(xiàn)代化加工方式逐步轉(zhuǎn)型。油炸設(shè)備也在朝著工廠化、系列化和智能化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的設(shè)備油炸過程存在效率低、衛(wèi)生情況難以達(dá)標(biāo)、容易出現(xiàn)生產(chǎn)事故等問題。而全自動油炸流水線設(shè)備雖然生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，但機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、成本高，多用于大型生產(chǎn)企業(yè)。目前，小型的食品加工場所，如小吃店鋪等，還是以傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)方式為主。

本文以油炸雞排為例，設(shè)計了一款小型商用的全自動油炸小吃機(jī)。小吃機(jī)采用S7-200系列PLC作為控制器，PLC控制系統(tǒng)操作方便、編程簡單[1]，保證了食品制作的精度和穩(wěn)定生產(chǎn)。油炸小吃機(jī)采用機(jī)械轉(zhuǎn)軸和傳送帶運(yùn)輸?shù)姆绞竭\(yùn)送食品。首先放入原材料，由溫度探針感應(yīng)其內(nèi)部溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值之后開始炸制，漏勺翻轉(zhuǎn)，半成品由傳送帶從油鍋運(yùn)輸至切割裝置內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)品的切割和撒料，最后運(yùn)出，完成收集和包裝。該設(shè)備生產(chǎn)效率高，人工成本低，且能保證產(chǎn)品品質(zhì)和衛(wèi)生安全，彌補(bǔ)了目前市場中同類型機(jī)器欠缺某些功能的空白，綜合降低了小型店鋪的生產(chǎn)成本，具有很高的應(yīng)用價值。

全自動油炸小吃機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：（1）實(shí)現(xiàn)全自動一體化操作流程，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積相對小巧，成本低廉，效率高，有很強(qiáng)的實(shí)用性。（2）全程監(jiān)測，故障分級。該設(shè)備能及時反饋信息，遇重大故障可自動急停，遇其他故障可手動靈活調(diào)整。（3）采用閉環(huán)溫控系統(tǒng)，控制油溫在指定范圍內(nèi)，對于不同小吃可使用不同溫度炸制，保證油炸小吃應(yīng)有的風(fēng)味與口感。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

全自動油炸小吃機(jī)主體結(jié)構(gòu)包括加熱結(jié)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、傳送結(jié)構(gòu)、切割結(jié)構(gòu)以及撒料結(jié)構(gòu)等。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 加熱結(jié)構(gòu)

該裝置的加熱結(jié)構(gòu)由電加熱管和溫控計組成。該裝置對初始溫度進(jìn)行設(shè)定后，電加熱管進(jìn)行加熱，溫控計實(shí)時監(jiān)測油溫，當(dāng)油溫到達(dá)設(shè)定溫度后，溫控計向主控發(fā)送信號，PLC通過閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)超調(diào)量使溫度穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。

1.2 翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

圖1 全自動油炸小吃機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)主要包括油勺和限位開關(guān)兩部分。炸制結(jié)束后，電機(jī)翻轉(zhuǎn)油勺，翻轉(zhuǎn)過程分為兩部分：首先，電機(jī)運(yùn)動至特定角度后，停止運(yùn)轉(zhuǎn)5 s實(shí)現(xiàn)濾油，同時PLC驅(qū)動傳送模塊；接著電機(jī)繼續(xù)動作，此時炸物脫離，油勺觸碰限位開關(guān)，PLC發(fā)出信號驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動油勺復(fù)位。

1.3 傳送結(jié)構(gòu)

傳送結(jié)構(gòu)主要由擋板、傳送帶、步進(jìn)電機(jī)和光電傳感器組成，用于傳送炸物至切割及后續(xù)模塊。傳送帶中后方的光電傳感器感應(yīng)到炸物通過后提前啟動切割模塊。

1.4 切割結(jié)構(gòu)及撒料結(jié)構(gòu)

切割結(jié)構(gòu)主要由光電感應(yīng)器、滾刀和步進(jìn)電機(jī)組成，其功能是負(fù)責(zé)將雞排切成小塊，同時在意外情況發(fā)生時采取保護(hù)措施。切割動作主要由機(jī)器結(jié)構(gòu)與滾刀共同配合完成，傳送帶與滾刀連接處設(shè)置有一定弧度的擋板，對炸物具有一定向下壓的力度，能夠確保炸物順利進(jìn)行切割。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

全自動油炸小吃機(jī)采用主從控制結(jié)構(gòu)，S7-200系列PLC作為主控器。S7-200系列PLC是一種專門解決多位輸出、多位控制、順序控制問題，并進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算控制的電子裝置。它采用可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲中執(zhí)行邏輯運(yùn)算、定時、順序控制、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并且通過其中的數(shù)字式和模擬式的輸入、輸出，控制各種機(jī)械設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)[2]。整機(jī)由MCGS顯示屏、PLC、溫控儀、限位開關(guān)、光電傳感器、溫度傳感器、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、繼電器、通信模塊、油鍋、油勺、傳送帶、滾刀、閥門等構(gòu)成。裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 PLC

PLC是一種結(jié)構(gòu)簡單、通用性好、功能較完備的新型控制元件，其主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，可以提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及生產(chǎn)效率，特別適用于工業(yè)控制。本設(shè)計選用S7-200 Smart作為控制及監(jiān)控核心，具有多種功能模塊及多個I/O接口，本體帶有2個485通信口，其中一個用于連接MCGS觸摸屏，可以使用戶方便直觀地監(jiān)測機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息和相應(yīng)數(shù)據(jù)。其中，系統(tǒng)程序要求實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控、流程控制、安全防護(hù)等功能，并能夠協(xié)調(diào)各電機(jī)間的配合轉(zhuǎn)動，實(shí)時監(jiān)控油槽溫度、炸物運(yùn)行狀況等；流程控制指炸物從下料到切割完整、運(yùn)送等流程；安全狀況包括限制油溫、步進(jìn)電機(jī)失步等。

圖2 裝置硬件結(jié)構(gòu)

2.2 光電傳感器

光電傳感器安裝在傳送帶中部和尾部。在該裝置中主要用以檢測炸物是否通過，輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流信號至PLC。

2.3 MCGS觸摸屏

MCGS觸摸屏具有靈活性強(qiáng)、實(shí)時性強(qiáng)、豐富生動、并行運(yùn)行能力良好的特點(diǎn)。MCGS體系結(jié)構(gòu)分成組態(tài)環(huán)境、模擬環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境3種。在運(yùn)行環(huán)境下，MCGS相當(dāng)于一個獨(dú)立的系統(tǒng)，可以將組態(tài)好的過程通過串口或以太網(wǎng)下載到下位機(jī)的運(yùn)行環(huán)境中，從而可以離開組態(tài)環(huán)境，獨(dú)立運(yùn)行在下位機(jī)。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 閉環(huán)溫度控制

全自動油炸小吃機(jī)的油溫控制有利于保證炸物充分炸制而不至于口感干硬，因此需提高溫度控制精度。該裝置采用PID算法作為核心程序，通過溫度傳感器，將溫度信號轉(zhuǎn)化為電模擬信號傳遞給PLC，利用PLC數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將結(jié)果進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，通過PLC發(fā)出指令，控制溫控儀調(diào)整溫度并繼續(xù)反饋監(jiān)測結(jié)果，最終達(dá)到閉環(huán)控制的目的。其中，設(shè)置溫度下限為150 ℃，上限為180 ℃，單級過程變量，模擬量輸出對應(yīng)加熱管程序。閉環(huán)控制流程如圖3所示。

圖3 閉環(huán)控制流程

3.2 PLC程序

控制系統(tǒng)流程如圖4所示。設(shè)備上電啟動，程序運(yùn)行。首先，檢測各電機(jī)及相關(guān)傳感器、指示燈、通信模塊初始化狀態(tài)。接著，加熱裝置開始加熱，且實(shí)時檢測油溫并及時調(diào)整。當(dāng)系統(tǒng)接收到炸制信號后電機(jī)進(jìn)行炸制動作，炸制完成后進(jìn)行傳送。然后，翻轉(zhuǎn)程序采用梯形算法控制伺服電機(jī)運(yùn)作，使漏勺平穩(wěn)運(yùn)行，將炸好的雞排送至傳送帶。傳送帶使用步進(jìn)電機(jī)作為牽引裝置，將雞排傳送至切割模塊，待切割工作完成后傳送帶繼續(xù)運(yùn)作，將雞排送至撒料模塊。最終雞排由傳送帶送至特定容器完成撒料打包。

圖4 控制系統(tǒng)流程

3.3 組態(tài)程序設(shè)計

MCGS組態(tài)軟件由組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境2個系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、多線程控制。本設(shè)計中采用了MCGS軟件，編寫設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時數(shù)據(jù)庫、檢測監(jiān)控界面和報警界面。

（1）設(shè)備窗口：配置通用串口父設(shè)備和相應(yīng)的PLC子設(shè)備，采集各末端設(shè)備的作業(yè)數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，管理和調(diào)度設(shè)備的正常運(yùn)行。（2）用戶窗口：顯示各電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、溫度控制以及急停開關(guān)，實(shí)現(xiàn)小吃機(jī)和用戶之間的交互功能。（3）實(shí)時數(shù)據(jù)庫：設(shè)置設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)，包括數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)類型等。（4）監(jiān)控檢測界面：顯示油炸小吃機(jī)的工作流程，明確步驟，并對一些重要參數(shù)通過指示燈進(jìn)行顯示。（5）報警界面：將檢測到的報警參數(shù)生成表格，便于檢修和機(jī)器的維護(hù)。

4 結(jié)語

基于PLC-MCGS的全自動油炸小吃機(jī)，整合了人工制作油炸食品的流程，實(shí)現(xiàn)了小吃油炸、切割、撒料的全過程自動化操作。該裝置在S7-200系列PLC基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)基本自動控制，并利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的監(jiān)控，具備成本低、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、安全衛(wèi)生、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，能有效應(yīng)用于小吃店鋪中，推廣前景十分廣闊。