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昆明有色冶金設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)研究院電氣自動(dòng)化技術(shù)部教授級(jí)高工，昆明儀器儀表學(xué)會(huì)理事長，中國衡器協(xié)會(huì)技術(shù)專家委員會(huì)顧問，主要從事儀器儀表、控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究，曾出版《電子皮帶秤的原理及應(yīng)用》（1994年，冶金工業(yè)出版社）、《電子皮帶秤》（2007年，冶金工業(yè)出版社）《流程行業(yè)無線通信技術(shù)及應(yīng)用》（2015年，化學(xué)工業(yè)出版社）、《有色金屬生產(chǎn)過程自動(dòng)化》（2015年，人民郵電出版社）四本專著，共發(fā)表論文300篇。

摘要：近年來，我國食品行業(yè)持續(xù)保持高速增長，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱行業(yè)。為此，智能稱重技術(shù)在食品行業(yè)日益受到關(guān)注，一些創(chuàng)新應(yīng)用經(jīng)過對原有生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，使食品質(zhì)量更好、味道更美、生產(chǎn)過程更高效。本文將以一些應(yīng)用實(shí)例來介紹在國內(nèi)外食品行業(yè)廣泛應(yīng)用的各種智能稱重技術(shù)。

關(guān)鍵詞：智能稱重技術(shù)；食品行業(yè)；配料；檢重；重量分選

1　概述

近年來，我國食品行業(yè)持續(xù)保持高速增長，市場供應(yīng)產(chǎn)品種類顯著增加、精深加工產(chǎn)品比例不斷上升，產(chǎn)品向多元、優(yōu)質(zhì)、功能化方向發(fā)展。中國食品行業(yè)總產(chǎn)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(yè)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱行業(yè)，是可持續(xù)發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮男袠I(yè)之一。

高新技術(shù)在發(fā)達(dá)國家的食品產(chǎn)業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)了行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。智能稱重技術(shù)作為信息技術(shù)的一個(gè)分支在食品行業(yè)受到關(guān)注，一些創(chuàng)新的應(yīng)用改進(jìn)了原有生產(chǎn)工藝并得到一定程度的推廣。在國外先進(jìn)智能稱重技術(shù)引入中國食品行業(yè)的同時(shí)，中國衡器生產(chǎn)廠家也加快創(chuàng)新步伐，生產(chǎn)并開發(fā)了一些新產(chǎn)品，使國內(nèi)食品行業(yè)技術(shù)裝備水平有了較大的提高。

本文將以一些應(yīng)用實(shí)例來介紹各種智能稱重技術(shù)在國內(nèi)外食品行業(yè)的應(yīng)用，這些技術(shù)的開發(fā)和推廣應(yīng)用，將使食品質(zhì)量更好、味道更美、生產(chǎn)過程更高效。

2　杯裝咖啡

總部設(shè)在意大利博洛尼亞的吉馬（Gima）公司專業(yè)從事茶葉、咖啡、飲料、乳制品、方便食品的生產(chǎn)，如所生產(chǎn)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(chǎn)線上，用590新型灌裝機(jī)（如圖1所示）替代了老式595灌裝機(jī)，用來以高速度生產(chǎn)杯裝咖啡。其占地面積稍大于4m2，節(jié)約空間約70%。590新型灌裝機(jī)是具有旋轉(zhuǎn)移動(dòng)功能的模塊化裝置，設(shè)計(jì)緊湊，整機(jī)不需要拆卸就可以移動(dòng)，可大大縮短安裝時(shí)間。它的機(jī)械模塊不僅快速且易于更換，從而確保快速、高效的維護(hù)。

圖1 590新型灌裝機(jī)用于杯裝咖啡生產(chǎn)

灌裝機(jī)的智能控制部分包括罐裝稱重、運(yùn)動(dòng)控制和操作顯示三個(gè)主要部分。罐裝稱重包括帶稱量平臺(tái)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(yùn)動(dòng)控制包括Simotion D445-2運(yùn)動(dòng)控制器、SINAMICS S120變頻調(diào)速裝置及與帶Drive-CLiQ通信接口的電機(jī)。操作顯示包括與SIMATIC ET200SP分布式I/O相連的Profinet以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、帶Windows嵌入式操作系統(tǒng)的PC面板。

590新型罐裝機(jī)的罐裝速度為100~200盒/min，該項(xiàng)目成功的關(guān)鍵是采用了緊湊型運(yùn)動(dòng)控制和智能稱重技術(shù)于一體的新型灌裝機(jī)。

3　格蘭諾拉麥片的配料

格蘭諾拉（granola）麥片是歐洲生產(chǎn)的一種早餐和保健食品，由燕麥片、玉米片、堅(jiān)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(guī)模食品生產(chǎn)的混合配料要求高精度和高重復(fù)性，特別是其中某些價(jià)格昂貴的成分（被稱為關(guān)鍵成分），需要一個(gè)更高精度的給料系統(tǒng)。以往采用可編程控制器控制的稱重系統(tǒng)，但由于維護(hù)的問題，難以再繼續(xù)使用下去。配方所有設(shè)備的制作材料要求為食品級(jí)，生產(chǎn)時(shí)不產(chǎn)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(jié)構(gòu)，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(gè)實(shí)現(xiàn)定制化的什錦早餐麥片供應(yīng)商，在公司列出的麥片原料的目錄中，共計(jì)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(shù)量，配料后將其裝在一個(gè)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(jìn)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(gè)現(xiàn)代化的配料解決方案——全自動(dòng)定制化什錦早餐麥片混合機(jī)來代替。

在全自動(dòng)定制化什錦早餐麥片混合機(jī)里，每一種原料成分安排了一個(gè)減重秤配料站進(jìn)行配料，每個(gè)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(gè)減重秤配料站之前，是一個(gè)空包裝罐的排隊(duì)等候區(qū)（如圖3所示）。所有空包裝罐沿整條配料線移動(dòng)排隊(duì)，在每個(gè)空包裝罐上標(biāo)有相應(yīng)客戶訂購配方代號(hào)的條形碼，當(dāng)機(jī)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(yīng)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(gòu)成一個(gè)減重秤配料站。測量準(zhǔn)確度為0.05%，采樣次數(shù)為50次/s，足以滿足什錦早餐麥片配料準(zhǔn)確度和配料速度的要求。當(dāng)包裝罐走完80個(gè)失重秤配料站后，通過法定的貿(mào)易平臺(tái)秤測量訂購混合物的最終重量，并記錄保存。

圖3 全自動(dòng)定制化什錦早餐麥片混合機(jī)的自動(dòng)化生產(chǎn)線 1-減重秤配料站，2-空包裝罐的排隊(duì)等候區(qū)

5　玉米片生產(chǎn)質(zhì)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(chǎn)了，今天，玉米片是最常見、最受歡迎的食品之一。玉米片生產(chǎn)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(chǎn)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(jī)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(gè)玉米片生產(chǎn)商為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的維生素配料和穩(wěn)定的焙燒窯給料，決定采用定量皮帶秤。準(zhǔn)確的維生素配料，可確保產(chǎn)品的成分準(zhǔn)確；而控制焙燒窯的進(jìn)料，可使焙燒條件優(yōu)化和穩(wěn)定。在這兩種情況下高精度和易于清洗的設(shè)備是最重要的，為適應(yīng)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(dòng)部件的數(shù)量，并減少維護(hù)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(fèi)列羅集團(tuán)（FERRERO ROCHER）生產(chǎn)的巧克力是一個(gè)球形的，當(dāng)巧克力成型脫模后，難免會(huì)有一些單顆球形巧克力破碎或者缺損，而當(dāng)多顆巧克力一盒盒包裝后，也有可能出現(xiàn)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(shí)抽檢一定數(shù)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(guī)范日趨嚴(yán)格，產(chǎn)品完整性和包裝盒巧克力重量合格非常關(guān)鍵。珠海大航的DHCW-400在線檢重秤成功進(jìn)駐全球第四大巧克力生產(chǎn)商——費(fèi)列羅集團(tuán)（FERRERO ROCHER）的巧克力生產(chǎn)線，成為新型品質(zhì)管控手段。在線檢重秤融入產(chǎn)品包裝生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)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(dāng)檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)巧克力殘損或盒裝巧克力缺粒時(shí)，可將凈含量不合格、產(chǎn)品漏裝等不合格成品自動(dòng)剔除，確保產(chǎn)品百分之百的重量合格。在線檢重秤的分選精度已達(dá)±0.05g，檢重分選速度達(dá)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(chǎn)品通過輸送帶首先進(jìn)入速度匹配段，進(jìn)行產(chǎn)品排序，拉開產(chǎn)品與產(chǎn)品之間的距離；單盒產(chǎn)品進(jìn)入稱重段之后自動(dòng)稱量，稱重?cái)?shù)據(jù)高速處理系統(tǒng)將測出的重量與設(shè)置好的標(biāo)準(zhǔn)重量進(jìn)行比對，區(qū)分出正常重量、偏輕、偏重三種規(guī)格；在剔除段，正常重量范圍的產(chǎn)品直接送走，偏重、偏輕的產(chǎn)品經(jīng)分選設(shè)備識(shí)別后通過聲光報(bào)警裝置提示并通過剔除裝置自動(dòng)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(chǎn)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(tǒng)的生產(chǎn)方法是人工將大小不等的雞翅進(jìn)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(jié)果無法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)過程無法全面控制，可能造成不必要的返工和浪費(fèi)；人工稱重?zé)o法保證袋裝雞翅重量合格，若重量偏高，增大生產(chǎn)成本；若重量偏低，與客戶可能產(chǎn)生消費(fèi)糾紛，影響公司的品牌形象。

根據(jù)現(xiàn)有雞翅的重量范圍為20~30g，我們使用在線稱重分選機(jī)（如圖6所示）對雞翅進(jìn)行五級(jí)分選，即20~22g、22~24g、24~26g、26~28g、28~30g，每一個(gè)等級(jí)相差2g，這樣工人就可以把已知重量的雞翅，進(jìn)行不同組合包裝，如直接使用4個(gè)24~26g，或者使用2個(gè)20~22g+2個(gè)28~30g，或者使用2個(gè)22~24g+2個(gè)26~28g，這些組合都能使產(chǎn)品的重量在合格重量100g（±5g）范圍內(nèi)。

圖6 雞翅在線稱重分選機(jī)工作原理示意圖

使用在線稱重機(jī)分選雞翅的好處是：無需人工稱重，節(jié)省人力資源；有效控制成本，不會(huì)出現(xiàn)超重，增加產(chǎn)品利潤；減少誤差率，避免不必要的返工；全自動(dòng)分選，大大提高了生產(chǎn)效率；確保客戶利益不受影響，不會(huì)出現(xiàn)欠重的現(xiàn)象，有效保護(hù)了公司的形象。

8　結(jié)語

本文通過六個(gè)實(shí)例介紹了智能稱重技術(shù)在食品行業(yè)的典型應(yīng)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(yīng)用技術(shù)。有智能稱重技術(shù)助力，中國食品行業(yè)的發(fā)展步伐將會(huì)更快、更高效！

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摘自2016年《今日自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在中國》