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資訊頻道昆明有色冶金設計研究院 方原柏
作者簡介
方原柏（1942-），男，湖北黃岡人，昆明有色冶金設計研究院電氣自動化技術部教授級高工，昆明儀器儀表學會理事長，中國衡器協會技術專家委員會顧問，主要從事儀器儀表、控制系統的應用研究，曾出版《電子皮帶秤的原理及應用》（1994年，冶金工業出版社）、《電子皮帶秤》（2007年，冶金工業出版社）《流程行業無線通信技術及應用》（2015年，化學工業出版社）、《有色金屬生產過程自動化》（2015年，人民郵電出版社）四本專著，共發表論文300篇。
摘要：近年來，我國食品行業持續保持高速增長，已經成為國民經濟的支柱行業。為此，智能稱重技術在食品行業日益受到關注，一些創新應用經過對原有生產工藝的改進，使食品質量更好、味道更美、生產過程更高效。本文將以一些應用實例來介紹在國內外食品行業廣泛應用的各種智能稱重技術。
關鍵詞：智能稱重技術；食品行業；配料；檢重；重量分選
1 概述
近年來，我國食品行業持續保持高速增長，市場供應產品種類顯著增加、精深加工產品比例不斷上升，產品向多元、優質、功能化方向發展。中國食品行業總產值從1998年的5780億元到2015年的11.34萬億，17年間增長了19.62倍，在中國食品行業已經成為國民經濟的支柱行業，是可持續發展潛力最大的行業之一。
高新技術在發達國家的食品產業得到了較為廣泛的應用，促進了行業的技術進步。智能稱重技術作為信息技術的一個分支在食品行業受到關注，一些創新的應用改進了原有生產工藝并得到一定程度的推廣。在國外先進智能稱重技術引入中國食品行業的同時，中國衡器生產廠家也加快創新步伐，生產并開發了一些新產品，使國內食品行業技術裝備水平有了較大的提高。
本文將以一些應用實例來介紹各種智能稱重技術在國內外食品行業的應用，這些技術的開發和推廣應用，將使食品質量更好、味道更美、生產過程更高效。
2 杯裝咖啡
總部設在意大利博洛尼亞的吉馬（Gima）公司專業從事茶葉、咖啡、飲料、乳制品、方便食品的生產，如所生產的杯裝咖啡僅在德國每年銷售量就有二十億盒。
在杯裝咖啡生產線上，用590新型灌裝機（如圖1所示）替代了老式595灌裝機，用來以高速度生產杯裝咖啡。其占地面積稍大于4m2，節約空間約70%。590新型灌裝機是具有旋轉移動功能的模塊化裝置，設計緊湊，整機不需要拆卸就可以移動，可大大縮短安裝時間。它的機械模塊不僅快速且易于更換，從而確?？焖?、高效的維護。
圖1 590新型灌裝機用于杯裝咖啡生產
灌裝機的智能控制部分包括罐裝稱重、運動控制和操作顯示三個主要部分。罐裝稱重包括帶稱量平臺的小型鋁制稱重傳感器SIWAREX WL260 SP-S AE，稱量范圍0.3~3kg；SIWAREX稱重模塊WP321；SIMATIC ET200SP分布式I/O。運動控制包括Simotion D445-2運動控制器、SINAMICS S120變頻調速裝置及與帶Drive-CLiQ通信接口的電機。操作顯示包括與SIMATIC ET200SP分布式I/O相連的Profinet以太網網絡、帶Windows嵌入式操作系統的PC面板。
590新型罐裝機的罐裝速度為100~200盒/min，該項目成功的關鍵是采用了緊湊型運動控制和智能稱重技術于一體的新型灌裝機。
3 格蘭諾拉麥片的配料
格蘭諾拉（granola）麥片是歐洲生產的一種早餐和保健食品，由燕麥片、玉米片、堅果（花生米+杏仁）、肉桂粉、蜂蜜、油、葡萄干、黑巧克力碎、牛奶或果汁混合制成的。格蘭諾拉麥片制造商考慮這種大規模食品生產的混合配料要求高精度和高重復性，特別是其中某些價格昂貴的成分（被稱為關鍵成分），需要一個更高精度的給料系統。以往采用可編程控制器控制的稱重系統，但由于維護的問題，難以再繼續使用下去。配方所有設備的制作材料要求為食品級，生產時不產生粉塵，精度要求0.25%。安裝西門子SITRANS WW100定量皮帶秤后（如圖2所示），流量為200kg/h，而被輸送物料的體積密度很低，只有150kg/m3，WW100定量皮帶秤采用懸臂式結構，皮帶更換或清洗方便。
圖2 麥片配料使用的WW100定量皮帶秤
4 什錦早餐麥片的定制配料
德國Mymuesli公司作為世界上的第一個實現定制化的什錦早餐麥片供應商，在公司列出的麥片原料的目錄中，共計有80種成分，包括燕麥、小麥、斯佩爾特小麥、葵花籽、石榴、覆盆子、草莓、黑加侖、蔓越莓、全麥、棕櫚油脂、玉米粉、大米等，客戶可以指定哪些成分及其數量，配料后將其裝在一個重575克的包裝罐中。從2007的春天開始，按客戶選擇的成分人工進行麥片的配料及混合。隨著需求不斷增長，人工操作不能滿足要求，公司將人工混合配料過程用一個現代化的配料解決方案——全自動定制化什錦早餐麥片混合機來代替。
在全自動定制化什錦早餐麥片混合機里，每一種原料成分安排了一個減重秤配料站進行配料，每個減重秤配料站配有小稱重料倉和電控卸料裝置。在一字排開的多個減重秤配料站之前，是一個空包裝罐的排隊等候區（如圖3所示）。所有空包裝罐沿整條配料線移動排隊，在每個空包裝罐上標有相應客戶訂購配方代號的條形碼，當機器讀取條形碼后，即按配料成分和該成分多少的信息將客戶要求的配料成分灌裝到相應的包裝罐里。小稱重料倉配有5kg稱重傳感器，通過SIWAREX MS稱重模塊接入西門子SIMATIC S7-200 CPU控制器，再加上電控卸料裝置，構成一個減重秤配料站。測量準確度為0.05%，采樣次數為50次/s，足以滿足什錦早餐麥片配料準確度和配料速度的要求。當包裝罐走完80個失重秤配料站后，通過法定的貿易平臺秤測量訂購混合物的最終重量，并記錄保存。
圖3 全自動定制化什錦早餐麥片混合機的自動化生產線 1-減重秤配料站，2-空包裝罐的排隊等候區
5 玉米片生產質量控制
玉米片是最常見的谷物片之一，早在100年前就開始生產了，今天，玉米片是最常見、最受歡迎的食品之一。玉米片生產過程是在添加糖、麥芽和鹽以后將玉米磨碎并在蒸汽壓力鍋蒸煮；所產生的糊狀物再混合香料、維生素等成分，然后干燥降低水分含量；隨后的玉米屑送到碾壓機并壓成薄片；最后一步是在高溫焙燒窯中烘烤薄片，使它們變脆。
一個玉米片生產商為實現準確的維生素配料和穩定的焙燒窯給料，決定采用定量皮帶秤。準確的維生素配料，可確保產品的成分準確；而控制焙燒窯的進料，可使焙燒條件優化和穩定。在這兩種情況下高精度和易于清洗的設備是最重要的，為適應有限的安裝條件，要求低安裝高度。西門子600 SD定量皮帶秤（如圖4所示）最大限度地減少了移動部件的數量，并減少維護和清洗工作量，完全能滿足上述要求。
圖4 600 SD定量皮帶秤
6 巧克力成品檢重
費列羅集團（FERRERO ROCHER）生產的巧克力是一個球形的，當巧克力成型脫模后，難免會有一些單顆球形巧克力破碎或者缺損，而當多顆巧克力一盒盒包裝后，也有可能出現少裝漏裝的情況。以往工廠都是用抽樣的方法來檢測，如采用每小時抽檢一定數量的包裝盒這樣的做法，以確定包裝后的巧克力是否少裝漏裝，但因抽檢率太低，不可能完全杜絕少裝漏裝。
隨著食品規范日趨嚴格，產品完整性和包裝盒巧克力重量合格非常關鍵。珠海大航的DHCW-400在線檢重秤成功進駐全球第四大巧克力生產商——費列羅集團（FERRERO ROCHER）的巧克力生產線，成為新型品質管控手段。在線檢重秤融入產品包裝生產線，實現了巧克力重量的檢測，如單顆巧克力的殘損檢測和包裝盒巧克力的整盒缺粒檢測。當檢測時發現巧克力殘損或盒裝巧克力缺粒時，可將凈含量不合格、產品漏裝等不合格成品自動剔除，確保產品百分之百的重量合格。在線檢重秤的分選精度已達±0.05g，檢重分選速度達360次/min。
DHCW-400在線檢重秤（如圖5所示）分選過程分為三段：速度匹配段、稱重段、剔除段。被檢測產品通過輸送帶首先進入速度匹配段，進行產品排序，拉開產品與產品之間的距離；單盒產品進入稱重段之后自動稱量，稱重數據高速處理系統將測出的重量與設置好的標準重量進行比對，區分出正常重量、偏輕、偏重三種規格；在剔除段，正常重量范圍的產品直接送走，偏重、偏輕的產品經分選設備識別后通過聲光報警裝置提示并通過剔除裝置自動剔除。
圖5 在線檢重秤
7 雞翅稱重分選
廣東無窮食品有限公司生產的小包裝雞翅每袋100g，合格重量是100g（±5g），即95~105g。使用雞翅的重量一般在20~30g之間，傳統的生產方法是人工將大小不等的雞翅進行分組，然后將4支裝入一袋。但是雞翅重量人工分組存在以下問題：人工稱重工作量太大，人力資源成本很高；人工稱重精度不高；人工稱重的稱重結果無法準確統計，生產過程無法全面控制，可能造成不必要的返工和浪費；人工稱重無法保證袋裝雞翅重量合格，若重量偏高，增大生產成本；若重量偏低，與客戶可能產生消費糾紛，影響公司的品牌形象。
根據現有雞翅的重量范圍為20~30g，我們使用在線稱重分選機（如圖6所示）對雞翅進行五級分選，即20~22g、22~24g、24~26g、26~28g、28~30g，每一個等級相差2g，這樣工人就可以把已知重量的雞翅，進行不同組合包裝，如直接使用4個24~26g，或者使用2個20~22g+2個28~30g，或者使用2個22~24g+2個26~28g，這些組合都能使產品的重量在合格重量100g（±5g）范圍內。
圖6 雞翅在線稱重分選機工作原理示意圖
使用在線稱重機分選雞翅的好處是：無需人工稱重，節省人力資源；有效控制成本，不會出現超重，增加產品利潤；減少誤差率，避免不必要的返工；全自動分選，大大提高了生產效率；確?？蛻衾娌皇苡绊懀粫霈F欠重的現象，有效保護了公司的形象。
8 結語
本文通過六個實例介紹了智能稱重技術在食品行業的典型應用，其中包括容器秤、失重秤、定量皮帶秤、成品檢重、重量分選的應用技術。有智能稱重技術助力，中國食品行業的發展步伐將會更快、更高效！
參考文獻：
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[6] 珠海市大航公司. 流水線重量分選秤產品附件在線重量檢測應用實例 [EB/OL].
摘自2016年《今日自動化技術應用在中國》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號