机械自动化在食品包装领域的应用研究

◎ 周美容

（永州职业技术学院，湖南 永州 425000）

当前，我国食品行业得到了很大的发展，机械自动化也得到了广泛应用，在生产过程中应用自动化机械可以节省人力，从而也节省资金。随着食品行业的不断发展，原有的食品包装机械已经满足不了行业需求。因此，将食品包装机械自动化引入食品行业，对食品行业的发展具有重要意义。

1 食品包装机械自动化概述

食品包装机械是指用来包装食品的机械，食品包装机械的操作过程比较复杂，生产效率较低。由于食品包装机械的特性，需要推动食品包装机械的自动化发展来提高运行效率。食品包装机械的特点表现在以下几个方面：①操作过程比较复杂。食品包装机械本身内部结构比较复杂，对精度的要求也比较高，运行效率需要得到保障。另外，食品包装机械的设计要求比较高，整个设计过程具有较高的难度和复杂性。②食品包装机械种类比较多[1]。食品行业的快速发展，使得食品行业对食品包装机械的要求越来越多，食品包装机械种类越来越丰富。当今社会，食品行业的产品在不断丰富，导致食品包装技术和材料的快速发展，并不断向环保和高科技方向迈进，在一定程度上促进了食品包装机械的升级换代。

2 食品自动化包装机械控制系统硬件设计

食品自动化包装机械控制系统的设计和研究比较困难，需要相关工作人员从自动化技术的发展出发，加强自动化控制技术在食品包装机械操作中的应用，从而促进自动化控制技术与食品包装机械的有效融合。自动化控制系统中的硬件设计是一个比较困难的问题，食品自动包装机械控制系统的硬件设备包括PLC控制器、伺服驱动器、编码器、温度控制器和触摸屏等[2]。

PLC 自动控制系统的硬件结构由存储器、核心处理器、I/O系统、编码器和编程器等组成，这些都是自动控制不可缺少的结构。其中，核心处理器是PLC的核心部分，将用户发送的指令转换为电信号，然后电信号通过I/O接口放大并分析，无用的干扰信号被过滤，从而使自动控制系统运行的稳定性能够得到较好的保证。

伺服驱动器的基本结构主要为功率驱动模块、伺服控制模块、通信接口模块、伺服电机相应的反馈检测元件等。伺服电机选型时需要和伺服驱动器相结合。伺服电机选型过程所需参数计算过程如下：

（1）材料运输过程，锟轮所需的峰值速度根据式（1）进行计算：

式中，nmax为锟轮运行过程中要求得到的峰值转速；L为袋长；P为包装机设备的峰值生产率；D为设定为锟轮长；η为补偿系数。

（2）负载转动惯量。电轴自身的转动惯量和负载惯量之间必须进行匹配，否则系统运行的稳定性难以得到保证。由于薄膜卷本身的转动惯量可以根据圆筒体进行计算，公式为：

式中，J为转动惯量；M为薄膜卷质量；R1为输送锟轮半径；R2为薄膜卷半径。

（3）计算电机负载转矩。

（4）根据公式：

式中，J为输膜卷等机构和装置的整体质量大小；μ为相关装置的摩擦系数；R3为输出轴尺寸；R4为外部尺寸；R5为轴承内部尺寸的数值。

式中，Ta为系统的最大转矩。额定转矩不能超过转矩指标的最大值，所以按照该指标数值，进而完成设备的选型过程。

编码器的作用是设计编程，能够使系统在运行过程中的稳定性和安全性得到保障。触摸屏是用来显示可编程操作的元件，用户可以设置自己所需要的指令，设置完成后点击触摸屏上的文字或图片可以控制系统。

3 自动化食品包装机械控制算法

在自动化食品包装机械控制系统中，最常用的控制算法为模糊PID控制[3]。模糊PID控制具有良好的鲁棒性和灵活性[4]。连续系统的PID控制算式为：

其传递函数表示为：

其中（e）t为偏差，（e）t=r（t）-y（t），其中r（t）为设定值，y（t）为实际值，Kp、T1、TD分别为比例、积分、微分系数。常规的PID控制算法具有一定的缺点，会影响系统的稳定性。常规的PID控制器需要的数学模型较为精确，控制精度不容易实现，而模糊控制器不需要太高的精确度，可以将2种控制器结合，系统的稳定性会大大提高。模糊PID控制器是以常规的PID控制器为基础，利用模糊推理的思想，参数可以根据不同的误差和误差变化进行在线调整。模糊PID控制器的结构图如图1所示。

图1 模糊PID控制结构图

高雪等人[4]根据模糊PID控制设计了一种枕式包装机，然后在MATLAB上对其采用的模糊PID算法进行仿真，通过实验验证其在该自动包装机控制下的工作性能（实验结果如表1），实验结果表明利用模糊PID算法设计的自动包装机工作稳定，包装效率高，可靠性高。

表1 包装机性能实验数据表

4 自动化食品包装机械的应用价值

4.1 自动化食品机械能够管控食品品质

在加工、生产时，不同种类的食品需要的环境条件具有较大差异。食品包装自动化技术能够有效判断食品的包装环境以及食品表面微生物的生长情况，以此保证食品的包装环境以及品质。由于食品的要求不同，选择的传感器也具有较大差异，传感器可以自动对食品的品质进行全面检查，产品品质会得到统一，这样能够提供更稳定的食品味道。

4.2 自动化食品机械可以节省原材料

节约粮食减少资源浪费，是我国食品行业良好发展的重要前提条件。食品机械自动化，使生产和加工食品过程的标准得到统一，提升生产过程中的准确度，减少食品生产过程中原材料的浪费。食品包装设计很复杂要求也较高，将自动化技术应用于食品机械中可以使生产过程有序进行，提高产品生产过程中的准确性，有效避免因包装失误造成的浪费。

4.3 自动化食品机械使食品行业满足市场需求

食品包装设备的生产效率由于自动化技术的应用得到有效提高，生产自动化过程也能够得到保证，从而使食品获得高标准的包装。在大规模生产过程中，自动化技术可以提高生产效率和准确性，降低生产成本[5]，使食品的质量安全得到保证。此外，自动化技术可以提高企业的品牌效应。

5 结语

综上所述，食品机械自动化控制系统中的硬件设计是一个比较困难的问题，需要相关工作人员从专业角度对硬件进行合理的设计，常用的控制算法为模糊PID控制，该控制算法操作简单，易于控制，能够提高自动化食品包装机械的稳定性和可靠性。将自动化机械应用于食品包装领域，可以提高食品品质、减少原材料浪费，使食品行业满足市场需求，对食品行业的发展具有重要意义。