隨著人們生活節奏的加快，當前很多工薪階層人員由於工作繁忙，沒有充足時間來做飯，大多選擇購買快餐盒飯。當前盒飯中的飯菜配置和包裝，主要通過人工方式進行，嚴重地影響到盒飯打包的效率，另外，各個盒飯飯菜份量也差別較大，會影響盒飯的質量。基於以上兩點，擬提出一種基於 PLC 的盒飯包裝飯菜計量控製係統，來對盒飯中的飯菜進行較準確的測量，以保證盒飯的質量和盒飯打包的效率，減少人力成本。

1 係統整體結構
設計的稱量計量係統主要分成三大部分，即飯菜貯藏模塊、稱量模塊和飯菜下發模塊。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置一個開關控製電磁閥，根據稱量模塊所稱飯菜質量的大小和所設定的飯菜質量之差占設定飯菜質量的百分比不同，進行電磁閥開度大小調節，盡量實現飯菜較準確的測量。另外，為了實現盒飯中菜肴的多樣性，可以在盒飯包裝係統中將各種不同菜肴分別放入不同的儲存器，當用戶選擇不同盒飯時，則通過運輸傳送帶將打包的飯盒停在不同菜肴的儲存罐下，實現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套餐，選擇同一時刻通過流水線的方式進行盒飯中飯菜的分配和計量，並在流水線最後一個環節對飯盒進行封裝和打包。這樣可以避免盒飯飯菜分配控製係統因套餐內菜種類的不一樣，而不停來回更換控製程序，影響盒飯自動包裝的效率。
 

2 電磁閥調節原理

係統擬采用閉環自動控製技術來達到飯菜準確稱量的目的，而閉環的自動控製必須具有反饋環節，基於反饋以減少係統的不確定性，從而控製係統輸出值盡可能接近或等於人們的期望值 [1] 。從理論上講，閉環自動控製可以做到快速、準確，甚至無誤差，與開環控製相比具有強大的優越性 [2] 。
反饋環節的 3 個要素為測量、比較和執行 [3] 。測量被控變量實際值是為了與人們的期望值進行比較，然後利用實際值與期望值的偏差來執行調節控製，並校正係統的實際輸出值 [4] 。為了實現調節控製過程，目前工程實踐中應用最為廣泛的一種控製方式是 PID 調節，它是比例（proportion）、積分（integral）、微分（derivative）調節的縮寫 [5] 。考慮到盒飯包裝中實時迅速的要求，僅采用 PID 調節方式，無法滿足實時要求，因此該計量控製係統采用簡單閉環控製算法 [6] ，主要根據稱量模塊計算出飯菜實時質量與設定的飯菜質量存在的偏差值占設定飯菜質量的百分比，將儲存罐下麵的電磁閥分成不同的開度大小 [7] 。當飯菜實際值與設定值之間的差值占飯菜質量設定值的百分比小於 25%時，則將電磁閥開度大小設定為 50%，若該百分比小於 10%時，則將電磁閥開度自動調節為25%。其能按照生產工藝要求在生產過程中自動調節不同電磁閥的開度大小，盡量達到飯菜恒定質量的目的。可以看出係統的菜K8凯发登录入口由飯菜質量偏差與電磁閥開關大小相結合來控製，具有結構簡單、穩定性好、工作可靠和調節方便等優點。

3 係統硬件選擇和設計

該係統主要有稱量傳感器模擬量的輸入和電磁閥開關開度大小模擬量輸出，因此采用日本某公司FX2N 係列 FX2N-80MR-001 的 PLC。稱量傳感器和電磁閥開關都需要模擬信號的輸入和輸出，而 PLC的 CPU 隻能處理數字信號，因此需要在該係統的設計上添加一個擴展模擬量輸入/輸出模塊，以將傳感器的模擬量輸出信號轉化為數字信號 [8] ，並根據飯菜實際值與飯菜設定值之間的偏差值占飯菜設定值的百分比，選擇不同開度大小，並轉化為模擬量輸出控製電磁閥開關開度大小。該係統上模擬量輸入/輸出擴展模塊也考慮了FX2N 係列產品，選用 FX2N-4AD 和 FX2N-4DA 擴展模塊。這 2 個模塊都有 4 個 12 位的模擬量通道 [9] ，符合該係統的設計要求。
 

4 I/O 分配
 

5 主要 PLC 控製程序

5.1 A/D 模擬量輸入程序

稱量傳感器的稱量範圍為 0~1 kg，先將稱量傳感器的質量信號轉換為0~10 V的電壓信號，再通過PLC的 FX2N-4AD 擴展模塊將 0~10 V 的電壓信號轉換為0~2047 的數字量信號 [10] ，並保存在 D10，D11 中。
 

5.2 電磁閥調節控製程序

主要根據稱量傳動器所測飯菜的實際質量與當前所設定飯菜質量的差值占飯菜設定值的百分比，來確定電磁閥的開度大小。若設定的電磁閥開度種類越多，其飯菜質量控製就越準確，但會影響到飯菜下發的速度，從而影響盒飯包裝的效率。該係統主要采用4 類電磁閥的開度，分別為 100%，50%，25%和 0%

根據當前所測定的差值百分比，選擇對應電磁閥開度，並將該開度保存在 D105 中，進行後續電磁閥開度的設定。
 

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模塊轉換為電流或脈衝信號 [11—13] ，來控製電子閥開關的開度。

6 仿真和驗證部分

為了驗證該控製程序的可實現性和正確性，文中采用組態王軟件進行功能的模擬仿真，根據飯菜實際質量與所設定飯菜質量之間的差值占飯菜質量設定值的百分比，來計算出閥門的開度 [14—15] 。為了簡單模擬盒飯自動包裝過程，在應用組態軟件仿真中，假定存在 2 種不同的盒飯，每種盒飯中隻有 1 種菜，這樣需要設定 3 個飯菜儲存罐，其中 1 個存儲飯，另 2個存儲 2 種不同的菜，通過皮帶運輸機進行流水作業。
 

開始仿真狀態，其所有狀態都為初始狀態，飯和菜的質量設定值分別為 500 g 和 30 g，飯、菜儲存器下麵的閥門都為關閉狀態，右下方的 2 個指示表用來指示飯和菜閥門的開度大小，當前開度為 0。客戶選定第 1 種套餐後，首先向飯盒加飯，當飯的實際值為 400 g 時，由於該係統采用流水線盒飯打

包方式，飯質量實際值與設定值偏差占設定值的20%，所以其飯閥門開度大約在 50%左右，而 2 個菜閥門開度仍然為 0。
 

當盒飯中飯的質量達到設定值 500 g 時，飯閥門關閉，皮帶運輸機啟動，將盒飯的餐盤移動到菜 1 儲存罐下，開始菜 1 的下發測量操作。當稱量傳感器測定菜質量實際值為 29 g 時，其閥門開度變為 25%。

當客戶選擇第 2 套餐時，其實際仿真結果與選擇第 1 種套餐的操作結果相似，隻是現在菜閥門開度指示表表示菜 2 儲存器下麵電磁閥開關的開度。當第 2種套餐中飯和菜質量的實際值達到了設定值 500 和20 g 時，飯下放閥門完全關閉，菜 2 電磁閥開度為100%
 

7 結語

采用了一種自動閉環控製算法，通過盒飯中飯菜質量的實際值和設定值之間差值占飯菜質量設定值的百分比，來控製飯菜下放的閥門開度，調節飯菜下放的速度，以便快速且較準確地測量盒飯中飯菜的質量。通過對控製程序的仿真測試，該係統達到了預期的效果。

1）能快速地自動測量盒飯飯菜的質量，保證了每份盒飯的品質，也加快了盒飯打包的速度。

2）該飯菜自動稱量係統是實現盒飯自動打包係統的一個重要組成部分，有助於盒飯自動打包功能的實現。

3）采用自動閉環控製算法，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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