昆明有色冶金設計研究院 方原柏

作者簡(jiǎn)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(dòng)化技術(shù)部教授級高工，昆明儀器儀表學(xué)會(huì )理事長(cháng)，中國衡器協(xié)會(huì )技術(shù)專(zhuān)家委員會(huì )顧問(wèn)，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(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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)及應用》（2015年，化學(xué)工業(yè)出版社）、《有色金屬生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化》（2015年，人民郵電出版社）四本專(zhuān)著(zhù)，共發(fā)表論文300篇。

摘要：近年來(lái)，我國食品行業(yè)持續保持高速增長(cháng)，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟的支柱行業(yè)。為此，智能稱(chēng)重技術(shù)在食品行業(yè)日益受到關(guān)注，一些創(chuàng )新應用經(jīng)過(guò)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(guò)程更高效。本文將以一些應用實(shí)例來(lái)介紹在國內外食品行業(yè)廣泛應用的各種智能稱(chēng)重技術(shù)。

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

1　概述

近年來(lái)，我國食品行業(yè)持續保持高速增長(cháng)，市場(chǎng)供應產(chǎn)品種類(lèi)顯著(zhù)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(wàn)億，17年間增長(cháng)了19.62倍，在中國食品行業(yè)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟的支柱行業(yè)，是可持續發(fā)展潛力最大的行業(yè)之一。

高新技術(shù)在發(fā)達國家的食品產(chǎn)業(yè)得到了較為廣泛的應用，促進(jìn)了行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。智能稱(chēng)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(chēng)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(chǎng)家也加快創(chuàng )新步伐，生產(chǎn)并開(kāi)發(fā)了一些新產(chǎn)品，使國內食品行業(yè)技術(shù)裝備水平有了較大的提高。

本文將以一些應用實(shí)例來(lái)介紹各種智能稱(chēng)重技術(shù)在國內外食品行業(yè)的應用，這些技術(shù)的開(kāi)發(fā)和推廣應用，將使食品質(zhì)量更好、味道更美、生產(chǎn)過(guò)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(zhuān)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(xiāo)售量就有二十億盒。

在杯裝咖啡生產(chǎn)線(xiàn)上，用590新型灌裝機（如圖1所示）替代了老式595灌裝機，用來(lái)以高速度生產(chǎn)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(dòng)功能的模塊化裝置，設計緊湊，整機不需要拆卸就可以移動(dòng)，可大大縮短安裝時(shí)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(chǎn)

灌裝機的智能控制部分包括罐裝稱(chēng)重、運動(dòng)控制和操作顯示三個(gè)主要部分。罐裝稱(chēng)重包括帶稱(chēng)量平臺的小型鋁制稱(chēng)重傳感器SIWAREX WL260 SP-S AE，稱(chēng)量范圍0.3~3kg；SIWAREX稱(chēng)重模塊WP321；SIMATIC ET200SP分布式I/O。運動(dòng)控制包括Simotion D445-2運動(dòng)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(wǎng)網(wǎng)絡(luò )、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(guān)鍵是采用了緊湊型運動(dòng)控制和智能稱(chēng)重技術(shù)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(chǎn)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(chǎn)的混合配料要求高精度和高重復性，特別是其中某些價(jià)格昂貴的成分（被稱(chēng)為關(guān)鍵成分），需要一個(gè)更高精度的給料系統。以往采用可編程控制器控制的稱(chēng)重系統，但由于維護的問(wèn)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(chǎn)時(shí)不產(chǎn)生粉塵，精度要求0.25%。安裝西門(mén)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(gè)實(shí)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(hù)可以指定哪些成分及其數量，配料后將其裝在一個(gè)重575克的包裝罐中。從2007的春天開(kāi)始，按客戶(hù)選擇的成分人工進(jìn)行麥片的配料及混合。隨著(zhù)需求不斷增長(cháng)，人工操作不能滿(mǎn)足要求，公司將人工混合配料過(guò)程用一個(gè)現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來(lái)代替。

在全自動(dòng)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(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(chēng)重料倉和電控卸料裝置。在一字排開(kāi)的多個(gè)減重秤配料站之前，是一個(gè)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(xiàn)移動(dòng)排隊，在每個(gè)空包裝罐上標有相應客戶(hù)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(hù)要求的配料成分灌裝到相應的包裝罐里。小稱(chēng)重料倉配有5kg稱(chēng)重傳感器，通過(guò)SIWAREX MS稱(chēng)重模塊接入西門(mén)子SIMATIC S7-200 CPU控制器，再加上電控卸料裝置，構成一個(gè)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(mǎn)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(gè)失重秤配料站后，通過(guò)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(dòng)定制化什錦早餐麥片混合機的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn) 1-減重秤配料站，2-空包裝罐的排隊等候區

5　玉米片生產(chǎn)質(zhì)量控制

玉米片是最常見(jiàn)的谷物片之一，早在100年前就開(kāi)始生產(chǎn)了，今天，玉米片是最常見(jiàn)、最受歡迎的食品之一。玉米片生產(chǎn)過(guò)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(chǎn)品的成分準確；而控制焙燒窯的進(jìn)料，可使焙燒條件優(yōu)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(mén)子600 SD定量皮帶秤（如圖4所示）最大限度地減少了移動(dòng)部件的數量，并減少維護和清洗工作量，完全能滿(mǎn)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(chǎn)的巧克力是一個(gè)球形的，當巧克力成型脫模后，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(chǎng)都是用抽樣的方法來(lái)檢測，如采用每小時(shí)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(zhù)食品規范日趨嚴格，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(xiàn)檢重秤成功進(jìn)駐全球第四大巧克力生產(chǎn)商——費列羅集團（FERRERO ROCHER）的巧克力生產(chǎn)線(xiàn)，成為新型品質(zhì)管控手段。在線(xiàn)檢重秤融入產(chǎn)品包裝生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)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(shí)發(fā)現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(xiàn)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(xiàn)檢重秤（如圖5所示）分選過(guò)程分為三段：速度匹配段、稱(chēng)重段、剔除段。被檢測產(chǎn)品通過(guò)輸送帶首先進(jìn)入速度匹配段，進(jìn)行產(chǎn)品排序，拉開(kāi)產(chǎn)品與產(chǎn)品之間的距離；單盒產(chǎn)品進(jìn)入稱(chēng)重段之后自動(dòng)稱(chēng)量，稱(chēng)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(jìn)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(chǎn)品直接送走，偏重、偏輕的產(chǎn)品經(jīng)分選設備識別后通過(guò)聲光報警裝置提示并通過(guò)剔除裝置自動(dòng)剔除。

圖5 在線(xiàn)檢重秤

7　雞翅稱(chēng)重分選

廣東無(wú)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(wèn)題：人工稱(chēng)重工作量太大，人力資源成本很高；人工稱(chēng)重精度不高；人工稱(chēng)重的稱(chēng)重結果無(wú)法準確統計，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)法全面控制，可能造成不必要的返工和浪費；人工稱(chēng)重無(wú)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(hù)可能產(chǎn)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(xiàn)稱(chēng)重分選機（如圖6所示）對雞翅進(jìn)行五級分選，即20~22g、22~24g、24~26g、26~28g、28~30g，每一個(gè)等級相差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。

圖6 雞翅在線(xiàn)稱(chēng)重分選機工作原理示意圖

使用在線(xiàn)稱(chēng)重機分選雞翅的好處是：無(wú)需人工稱(chēng)重，節省人力資源；有效控制成本，不會(huì )出現超重，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?？蛻?hù)利益不受影響，不會(huì )出現欠重的現象，有效保護了公司的形象。

8　結語(yǔ)

本文通過(guò)六個(gè)實(shí)例介紹了智能稱(chēng)重技術(shù)在食品行業(yè)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(shù)。有智能稱(chēng)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！

參考文獻：

[1] SIEMENS. In the name of good taste: Modernization of dosing processes[EB/OL]. http://w3. siemens.com/mcms/sensor-systems/en/weighingsystems/Pages/casestudies.aspx.

[2] SIEMENS. Feeding the process correctly helps feed the world treats [EB/OL]. http://w3.siemens.com/mcms/sensor-systems/en/weighing-systems/Pages/casestudies. aspx.

[3] SIEMENS. Mix up-dosing-solution for online muesli [EB/OL]. http://w3. siemens. com /mcms/sensor-systems/en/weighing-systems/Pages/casestudies. aspx.

[4] SIEMENS. Crisp control [EB/OL]. http://w3. siemens. com/mcms/sensor-systems/en/weighing- systems /Pages/casestudies.aspx.

[5] 珠海市大航公司. 珠海大航自動(dòng)稱(chēng)重機融入“費列羅巧克力集團”生產(chǎn)線(xiàn) [EB/OL].

[6] 珠海市大航公司. 流水線(xiàn)重量分選秤產(chǎn)品附件在線(xiàn)重量檢測應用實(shí)例 [EB/OL].

摘自2016年《今日自動(dòng)化技術(shù)應用在中國》