食品包装中自动定量计量系统研究

张鹏

（河南经贸职业学院，河南郑州450018）

食品包装中自动定量计量系统研究

张鹏

（河南经贸职业学院，河南郑州450018）

对食品包装自动定量计量系统的相关技术和结构组成进行说明，其主要技术包括传感器技术、信号预处理技术、A/D转换技术、微控技术和人机交互技术。深入分析了食品包装自动定量计量系统的硬件和软件设计，主要控制系统为核心，结合电源系统、数据采集系统、储存系统、通信系统和人机交互系统构成整个硬件系统，Realview MDK软件为开发工具，设计了控制系统的软件实施办法。最后从物料计量精度、硬件抗误差能力和软件控制精度三个方面入手，提出完善该系统的解决方案。

食品包装；自动定量计量系统；主控系统

随着我国人民生活水平的提高和食品消费市场的不断壮大，消费者对食品的质量要求越来越高，而食品包装作为食品产品重要组成部分，具有保障食品质量、方便食品运输和提升食品整体美感等作用[1-2]。食品包装常常采用人工计量方式进行称重，这种方式的人工劳动强度大，生产效率低，同时手工称量误差大，易造成食品重量称量的精度不足[3]。近些年电子技术的发展使得自动化称量设备逐步代替手工称量，机械行业和计算机技术的跨越式发展显著提高了食品包装技术的自动化水平，其中自动化定量计量包装已经占食品总包装市场份额的75%左右，并且还呈现不断增长的势头[4-5]。电子计量技术是自动计量系统的基础，它包含了电子技术、控制技术、传感器技术及自动化技术，是一种将无序的物料稳定分成规定质量的装置[6]。食品包装根据计量次数要求可分为单次计量和分量计量，其中单次计量是指食品包装整个过程只需进行一次计量，适合物料单一的食品包装系统，分量计量是指根据不同物料的质量配比分别加入同一包装，同时自动定量系统在用于食品包装时能够实现食品自动连续包装，降低人工成本，提高包装效率[7-8]。

目前我国自动定量系统用于固体食品包装的技术及设备已经比较成熟，但针对液体及具有粘性的半固体食品等流动性物料的计量包装设计及使用仍存在一定的局限性，基于此，本文在目前食品包装定量计量系统的研究基础上设计一套适合具有流动性的食品的计量包装。

1 食品包装自动定量计量系统简介

1.1 食品包装自动定量计量系统的相关技术

食品包装自动定量计量系统的功能包括计量和自动包装，它是食品自动包装机械最重要的系统，一般可根据计量方式分为三种，即：容积式计量，用于流动性较好的液体物料的计量，该计量装置结构比较简单，计量效率高，但加工精度较低；称重式计量，用于流动性较差的半固体物料的计量，由于半固体物料易结块，因此对于计量装置要求较高，该计量装置结构复杂，单次包装耗时长，但加工精度高；计数式计量，用于颗粒状或块状固体物料的计量，利用转盘式计量器使颗粒状物料边称重便落入物料箱，直到重量到达指定标准后，进行卸料填充操作，完成包装。

食品包装自动定量计量系统具有较高的自动化程度是由于其内部包含众多电子化技术，其中主要有：①传感器技术，传感器作为检测装置，主要用于获取设备工作过程中的相关参数信息，并转化成电信号进行传输及其他后续操作，传感器是食品包装自动计量系统与外界联系的节点，应具有灵敏度高、稳定性好及线性范围广等特点。②信号预处理技术，传感器直接接收到的信号一般比较微弱，难以直接被处理器获取，因此可使用信号预处理技术将信号放大，同时过滤噪声，排除干扰信号。③A/D转换技术，将预处理过的模拟信号转换成计算机可以识别的数字信号，根据要求不同可使用不同的A/D转换器。④微控技术，修正系统参数，处理接收到的数学信号，完成数据储存等功能。⑤人机交互技术，通过显示器将系统运行参数及其他信息展示给用户，同时用户也可对参数进行修正等操作，控制设备的运行过程，实现系统的人工控制。

1.2 食品包装自动定量计量系统的技术难点

目前食品包装定量计量系统常利用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制，具体问题包括：①计量精度低。以某植物油加工厂为例，在标准重量设定为200 kg的情况下，要求误差控制在0.25%以内，但在实际生产中发现设备计量误差常高于0.5 kg，即超过0.25%；②生产速度慢。对于某些季节性食品，为保证产品质量，对生产加工过程速度有一定要求，现有食品包装生产设备加工速度有待提高；③控制策略不佳。传统控制方式造成食品加工过程干扰因素较多，使定量计量过程质量易超出要求范围外，甚至导致原料溢出。

另外，基于食品包装自动定量计量系统的技术要求，其难点包括：①兼顾食品包装自动定量计量系统的精度和速度要求；②保障流体食品流量的稳定性；③解决流体食品对称重装置产生的冲击力所造成的动态补偿问题；④解决流体食品运输过程中落差导致控制精度下降的问题。

2 食品包装自动定量计量系统的结构及系统设计

2.1 食品包装自动定量计量系统的结构组成

食品包装对自动定量计量系统的量程、精细度、效率等方面均有一定要求，其中计量精细度的允许偏差为待称量物料的0.1%，即若食品称量的重量范围超出食品实际重量0.1%，则视为系统不达标准[9]。图1为食品包装自动定量计量系统的结构示意图。

图1 自动定量计量系统的结构示意图Fig.1 The structure of automatic quantitative measurement system schematic diagram

由图1可知，食品包装自动定量计量系统的主要设备包括储料仓、给料设备、控制系统和计量设备。储料仓一般应保证有足够的物料，若物料不足时可使用提升机来进行补给；可根据物料类型选择合适的给料设备，一般包括阀门式、螺旋式和振动式，对于流动性较大的物流一般选择螺旋式送料设备，通过重力及离心力作用使物料顺利进入计量斗；计量设备通过传感器接收物料质量信号，控制仪表控制参数及卸料；控制系统主要包括微处理器，对整个定量计量系统工作过程进行控制。

2.2 食品包装自动定量计量系统的硬件及软件设计

食品包装自动定量计量系统的硬件是控制整个系统工作流程的载体，也是使系统能够正常运行的设备基础，主要构成包括电源系统、数据采集系统、主要控制系统、储存系统、通信系统和人机交互系统。其中主要控制系统是核心部分，起到控制整个运行过程中数据的转换、处理、显示和存储以及根据参数控制送料系统和卸料系统开关的作用；数据采集系统主要包含传感器和A/D转换器两部分，主要是将传感器捕捉到的微弱信号进行过滤及增强处理后，通过A/D转换器转换成可被内部系统识别的数字信号；通信系统主要包括串口通信模块和输出驱动模块，用来实现系统的信息通信以及传动电机和送料、卸料开关的驱动控制；人机交互系统主要包括触摸屏和薄膜晶体管液晶显示器（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD），为用户提供了解和设定参数的窗口。

食品包装自动定量计量系统的软件是系统控制的核心，用来完成流程控制。控制系统的微机控制器采用ARM Contex-M3核心，其开发工具选用德国Keil公司的Realview MDK软件。Realview MDK软件能够完美支持ARM Contex-M3微机控制器，能灵活有效的组织并管理多个窗口，提高开发效率；具有强大的Simulation仿真和分析功能，可以通过仿真模拟实验调节开发环境和参数，减小开发周期；能够自主匹配启动代码，便于用户了解开发过程及状况。

控制系统主程序设计方案为：首先根据硬件组成模块，进行初始化操作，初始化内容包括时钟、总线扩展器（General Purpose Input Output，GPIO）、嵌套向量中断控制器（Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC）、串口通信、数据采集、TFT-LCD、触摸控制、SD卡和FatFs文件系统。然后设定参数并根据参数驱动控制程序操作，计量包装完成后将数据存储至SD卡，完成一次计量包装工作。系统软件控制流程如图2所示。

图2 系统软件控制流程图Fig.2 The flow chart of control system software

3 食品包装自动定量计量系统的实现过程

为检测上文中提出的食品包装自动定量计量系统的应用性能，本文将从物料计量精度、硬件抗误差能力和软件控制精度三个方面进行分析。

3.1 食品包装自动定量计量系统的影响因素分析

影响物料计量精度的因素包括传感器误差、计量斗结构和机械运动，其中传感器的受力程度决定了其电信号的大小，而传感器的质量决定于感应材料、内部电路、制作工艺及工作环境影响。计量斗应采用光滑曲面结构，同时传感器应均匀接触计量斗，防止受力不均造成实验误差。机械运动误差包括冲击误差，落料误差和机械振动误差，这些误差是由于送料过程中物流机械运动对计量斗产生一定力造成的，机械运动误差很难彻底消除，只能通过缩短下料距离，设置缓冲装置等方式尽量减小。

硬件系统的工作环境干扰因素较多，例如电源噪声、电磁波辐射、高压电流等，这些干扰因素对系统硬件设备的抗干扰能力提出一定要求。

软件系统是保障系统程序正常运行的基础，不同软件模块的连接方式、参数设定以及外界信号干扰均会对系统软件的执行操作造成干扰。

3.2 食品包装自动定量计量系统的验证分析

为减小物料计量误差，设计三级送料螺旋速度控制档，利用时间控制流程，实现送料过程前期快速送料，中期减缓速度，后期缓慢送料的方式，显著减小了机械运动误差。

为减小硬件系统误差，一方面可以使用滤波技术和稳压器，过滤噪声干扰，同时稳定电压，另一方面可以采取屏蔽技术抑制不同区域间的电磁场耦合现象，以及隔离技术隔离不同电路间地点位连接的现象，另外可采取接地措施，即将设备的电路与地级相连，减小模拟信号进行数字转换时的干扰。

软件设计时可对不同模块间信息传递代码和接口进行规范化设计，减小信息传递过程中产生误差的可能性，对参数设置边界，排除外界干扰，对已经侵入的干扰采取强制复位操作，维护软件系统的安全性。

4 结语

包装食品的实际需求促使自动食品包装机械的不断发展，其中自动定量计量系统是食品包装机械的核心组成，其设计及性能决定着整个包装系统的效率和精度。本文对食品包装中自动定量计量系统的总体设计进行说明，并分别阐述了其硬件和软件系统的具体设计。最后以物料计量精度、硬件抗误差能力和软件控制精度3个方面入手，提出了优化性能的实施方案。

[1]侯评梅.自动化技术将大力拓展我国食品包装机械的未来空间[J].自动化博览,2009,26(11):32-33

[2]鹿保鑫,冯江,王峰,等.我国食品包装机械的现状与发展[J].农机化研究,2007,29(6):241-242

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[5]孙虎儿.小杂粮自动定量包装自动控制系统的设计[J].包装工程, 2008,29(12):81-82

[6]李学红,金征宇,徐学明,等.抗菌食品包装技术研究与应用进展[J].食品研究与开发,2008,29(10):115-119

[7]孟宪森,常政刚.流体产品自动定量桶包装系统介绍[J].科技创新导报,2008,35(33):196-196

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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

张鹏（1975—），女（汉），讲师，硕士，研究方向：软件工程，模式识别及算法，数据处理与分析，多媒体技术。