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隨著人們生活節(jié)奏的加快，當(dāng)前很多工薪階層人員由于工作繁忙，沒有充足時(shí)間來做飯，大多選擇購(gòu)買快餐盒飯。當(dāng)前盒飯中的飯菜配置和包裝，主要通過人工方式進(jìn)行，嚴(yán)重地影響到盒飯打包的效率，另外，各個(gè)盒飯飯菜份量也差別較大，會(huì)影響盒飯的質(zhì)量。基于以上兩點(diǎn)，擬提出一種基于 PLC 的盒飯包裝飯菜計(jì)量控制系統(tǒng)，來對(duì)盒飯中的飯菜進(jìn)行較準(zhǔn)確的測(cè)量，以保證盒飯的質(zhì)量和盒飯打包的效率，減少人力成本。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)的稱量計(jì)量系統(tǒng)主要分成三大部分，即飯菜貯藏模塊、稱量模塊和飯菜下發(fā)模塊。飯菜貯藏模塊中，還包括飯菜混合攪拌模塊，防止飯菜中成分分布不均勻。在貯藏模塊的下端設(shè)置一個(gè)開關(guān)控制電磁閥，根據(jù)稱量模塊所稱飯菜質(zhì)量的大小和所設(shè)定的飯菜質(zhì)量之差占設(shè)定飯菜質(zhì)量的百分比不同，進(jìn)行電磁閥開度大小調(diào)節(jié)，盡量實(shí)現(xiàn)飯菜較準(zhǔn)確的測(cè)量。另外，為了實(shí)現(xiàn)盒飯中菜肴的多樣性，可以在盒飯包裝系統(tǒng)中將各種不同菜肴分別放入不同的儲(chǔ)存器，當(dāng)用戶選擇不同盒飯時(shí)，則通過運(yùn)輸傳送帶將打包的飯盒停在不同菜肴的儲(chǔ)存罐下，實(shí)現(xiàn)盒飯中菜肴的多樣化。另外，為了提高盒飯包裝的效率，盡量將同一類型的盒飯?zhí)撞?，選擇同一時(shí)刻通過流水線的方式進(jìn)行盒飯中飯菜的分配和計(jì)量，并在流水線最后一個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)飯盒進(jìn)行封裝和打包。這樣可以避免盒飯飯菜分配控制系統(tǒng)因套餐內(nèi)菜種類的不一樣，而不停來回更換控制程序，影響盒飯自動(dòng)包裝的效率。
 

2 電磁閥調(diào)節(jié)原理

系統(tǒng)擬采用閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)來達(dá)到飯菜準(zhǔn)確稱量的目的，而閉環(huán)的自動(dòng)控制必須具有反饋環(huán)節(jié)，基于反饋以減少系統(tǒng)的不確定性，從而控制系統(tǒng)輸出值盡可能接近或等于人們的期望值 [1] 。從理論上講，閉環(huán)自動(dòng)控制可以做到快速、準(zhǔn)確，甚至無誤差，與開環(huán)控制相比具有強(qiáng)大的優(yōu)越性 [2] 。
反饋環(huán)節(jié)的 3 個(gè)要素為測(cè)量、比較和執(zhí)行 [3] 。測(cè)量被控變量實(shí)際值是為了與人們的期望值進(jìn)行比較，然后利用實(shí)際值與期望值的偏差來執(zhí)行調(diào)節(jié)控制，并校正系統(tǒng)的實(shí)際輸出值 [4] 。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制過程，目前工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式是 PID 調(diào)節(jié)，它是比例（proportion）、積分（integral）、微分（derivative）調(diào)節(jié)的縮寫 [5] ?？紤]到盒飯包裝中實(shí)時(shí)迅速的要求，僅采用 PID 調(diào)節(jié)方式，無法滿足實(shí)時(shí)要求，因此該計(jì)量控制系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單閉環(huán)控制算法 [6] ，主要根據(jù)稱量模塊計(jì)算出飯菜實(shí)時(shí)質(zhì)量與設(shè)定的飯菜質(zhì)量存在的偏差值占設(shè)定飯菜質(zhì)量的百分比，將儲(chǔ)存罐下面的電磁閥分成不同的開度大小 [7] 。當(dāng)飯菜實(shí)際值與設(shè)定值之間的差值占飯菜質(zhì)量設(shè)定值的百分比小于 25%時(shí)，則將電磁閥開度大小設(shè)定為 50%，若該百分比小于 10%時(shí)，則將電磁閥開度自動(dòng)調(diào)節(jié)為25%。其能按照生產(chǎn)工藝要求在生產(chǎn)過程中自動(dòng)調(diào)節(jié)不同電磁閥的開度大小，盡量達(dá)到飯菜恒定質(zhì)量的目的?？梢钥闯鱿到y(tǒng)的菜流量由飯菜質(zhì)量偏差與電磁閥開關(guān)大小相結(jié)合來控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠和調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)硬件選擇和設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要有稱量傳感器模擬量的輸入和電磁閥開關(guān)開度大小模擬量輸出，因此采用日本某公司FX2N 系列 FX2N-80MR-001 的 PLC。稱量傳感器和電磁閥開關(guān)都需要模擬信號(hào)的輸入和輸出，而 PLC的 CPU 只能處理數(shù)字信號(hào)，因此需要在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上添加一個(gè)擴(kuò)展模擬量輸入/輸出模塊，以將傳感器的模擬量輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào) [8] ，并根據(jù)飯菜實(shí)際值與飯菜設(shè)定值之間的偏差值占飯菜設(shè)定值的百分比，選擇不同開度大小，并轉(zhuǎn)化為模擬量輸出控制電磁閥開關(guān)開度大小。該系統(tǒng)上模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊也考慮了FX2N 系列產(chǎn)品，選用 FX2N-4AD 和 FX2N-4DA 擴(kuò)展模塊。這 2 個(gè)模塊都有 4 個(gè) 12 位的模擬量通道 [9] ，符合該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
 

4 I/O 分配
 

5 主要 PLC 控制程序

5.1 A/D 模擬量輸入程序

稱量傳感器的稱量范圍為 0~1 kg，先將稱量傳感器的質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~10 V的電壓信號(hào)，再通過PLC的 FX2N-4AD 擴(kuò)展模塊將 0~10 V 的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~2047 的數(shù)字量信號(hào) [10] ，并保存在 D10，D11 中。
 

5.2 電磁閥調(diào)節(jié)控制程序

主要根據(jù)稱量傳動(dòng)器所測(cè)飯菜的實(shí)際質(zhì)量與當(dāng)前所設(shè)定飯菜質(zhì)量的差值占飯菜設(shè)定值的百分比，來確定電磁閥的開度大小。若設(shè)定的電磁閥開度種類越多，其飯菜質(zhì)量控制就越準(zhǔn)確，但會(huì)影響到飯菜下發(fā)的速度，從而影響盒飯包裝的效率。該系統(tǒng)主要采用4 類電磁閥的開度，分別為 100%，50%，25%和 0%

根據(jù)當(dāng)前所測(cè)定的差值百分比，選擇對(duì)應(yīng)電磁閥開度，并將該開度保存在 D105 中，進(jìn)行后續(xù)電磁閥開度的設(shè)定。
 

5.3 D/A 模擬量輸出程序

將 D105 所保存的電磁閥開度通過 FX2N- 4DA模塊轉(zhuǎn)換為電流或脈沖信號(hào) [11—13] ，來控制電子閥開關(guān)的開度。

6 仿真和驗(yàn)證部分

為了驗(yàn)證該控制程序的可實(shí)現(xiàn)性和正確性，文中采用組態(tài)王軟件進(jìn)行功能的模擬仿真，根據(jù)飯菜實(shí)際質(zhì)量與所設(shè)定飯菜質(zhì)量之間的差值占飯菜質(zhì)量設(shè)定值的百分比，來計(jì)算出閥門的開度 [14—15] 。為了簡(jiǎn)單模擬盒飯自動(dòng)包裝過程，在應(yīng)用組態(tài)軟件仿真中，假定存在 2 種不同的盒飯，每種盒飯中只有 1 種菜，這樣需要設(shè)定 3 個(gè)飯菜儲(chǔ)存罐，其中 1 個(gè)存儲(chǔ)飯，另 2個(gè)存儲(chǔ) 2 種不同的菜，通過皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行流水作業(yè)。
 

開始仿真狀態(tài)，其所有狀態(tài)都為初始狀態(tài)，飯和菜的質(zhì)量設(shè)定值分別為 500 g 和 30 g，飯、菜儲(chǔ)存器下面的閥門都為關(guān)閉狀態(tài)，右下方的 2 個(gè)指示表用來指示飯和菜閥門的開度大小，當(dāng)前開度為 0?？蛻暨x定第 1 種套餐后，首先向飯盒加飯，當(dāng)飯的實(shí)際值為 400 g 時(shí)，由于該系統(tǒng)采用流水線盒飯打

包方式，飯質(zhì)量實(shí)際值與設(shè)定值偏差占設(shè)定值的20%，所以其飯閥門開度大約在 50%左右，而 2 個(gè)菜閥門開度仍然為 0。
 

當(dāng)盒飯中飯的質(zhì)量達(dá)到設(shè)定值 500 g 時(shí)，飯閥門關(guān)閉，皮帶運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)，將盒飯的餐盤移動(dòng)到菜 1 儲(chǔ)存罐下，開始菜 1 的下發(fā)測(cè)量操作。當(dāng)稱量傳感器測(cè)定菜質(zhì)量實(shí)際值為 29 g 時(shí)，其閥門開度變?yōu)?25%。

當(dāng)客戶選擇第 2 套餐時(shí)，其實(shí)際仿真結(jié)果與選擇第 1 種套餐的操作結(jié)果相似，只是現(xiàn)在菜閥門開度指示表表示菜 2 儲(chǔ)存器下面電磁閥開關(guān)的開度。當(dāng)?shù)?2種套餐中飯和菜質(zhì)量的實(shí)際值達(dá)到了設(shè)定值 500 和20 g 時(shí)，飯下放閥門完全關(guān)閉，菜 2 電磁閥開度為100%
 

7 結(jié)語

采用了一種自動(dòng)閉環(huán)控制算法，通過盒飯中飯菜質(zhì)量的實(shí)際值和設(shè)定值之間差值占飯菜質(zhì)量設(shè)定值的百分比，來控制飯菜下放的閥門開度，調(diào)節(jié)飯菜下放的速度，以便快速且較準(zhǔn)確地測(cè)量盒飯中飯菜的質(zhì)量。通過對(duì)控制程序的仿真測(cè)試，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。

1）能快速地自動(dòng)測(cè)量盒飯飯菜的質(zhì)量，保證了每份盒飯的品質(zhì)，也加快了盒飯打包的速度。

2）該飯菜自動(dòng)稱量系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)盒飯自動(dòng)打包系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，有助于盒飯自動(dòng)打包功能的實(shí)現(xiàn)。

3）采用自動(dòng)閉環(huán)控制算法，可以提高飯菜稱量的速度，加快了盒飯稱量的效率。

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