解决不均匀食品的定量包装填充技术问题的设计方法

阮 宇

（湛江市质量计量监督检测所，湛江 524096）

1 食品定量包装填充技术存在的问题

食品定量包装的净含量控制水平，是判断食品生产企业水平的一个重要因素。定量包装商品是指以销售为目的，在一定的量限范围内具有统一的质量、体积、长度标注等标识内容的预包装商品。从1995年起，我国根据国际法制计量组织（OIML）的有关规定先后发布了《定量包装商品计量管理规定》《商品量计量违法行为处罚规定》等法规，旨在规范市场定量包装商品，保障消费者的合法权益。

视密度相对稳定、自流性好、颗粒大小均匀的固体物料可采用容积式定量填充，而颗粒大小不均匀不规则、视密度不稳定的粉、粒物料可采用称重式定量填充，但这两种定量填充包装技术的填充速度慢，完成大批量生产要求比较吃力。同时，由于片或块状不规则固体物料的特性是个体不可分割，大小不一致，如腊肠、薯片、果脯、凤爪、鸡翅类食品等，这种物料的净含量计量很难控制。此类食品既难以使用容积式定量填充，又不能采用称重式定量填充。如采用手工过秤计量的传统定量填充方式，定量精度差，填充速度低。

2 解决不均匀食品的定量包装填充技术问题的设计方法

现设计电脑组合秤，其原理基于组合称量技术，解决不均匀食品的定量包装计量问题，有效提高计量精度和速度。

按料斗的个数来分，电脑组合秤可分为10、16、20、28、32、40、48、56个，比较普遍的是：20、24或 28个。每一组配备称料斗和储料斗各一个，料斗的容量在200～500mL，分度值为0.1g，总容纳质量可达500kg，最快能够每分钟称量打包350次。电脑组合秤是智能组合型定量自动包装衡器的一种，通过组合称量技术可以调整产品在定量包装计量过程中的重量，使大批量的定量包装任务能更加容易实现，从而丰富了称量功能和扩展了定量秤的应用范围。

2.1 组合称量的工作原理

组合秤由以下两个部分组成：计算机和数个相同性能的独立称量部件。实例中使用10个称料斗，给料器中的物料被电磁振动进入备料斗，暂时储存起来，紧接着打开备料斗，物料倾泄入称量斗，通过称量装置称量物料重量，计算机系统同时计算出当中最接近或稍大于标定值的称量斗的组合，确定为物料的输出总量。这样就实现了快速而准确地对粗颗粒或小块状等不规则的散体物料的称重和包装。

称重传感器（一般是2或3个）及控制开关的闸门均安装在一个称料斗上，料斗内物料的重量经过称重传感器称得后通过电信号的形式输送到计算机，再由系统根据参数的设定值进行计算分析后，对各组数据进行筛选，选取产品目标重量范围内的最佳称料斗组合作为输出的结果。被选中的称料斗由系统标记并发出指令，打开最佳组合的若干个称料斗的闸门，将物料释放并集中到卸料斗里，再排入待装包装袋内等候包装。没有选中的称量斗里的物料仍存放于斗内，等候下一个工作循环，直接参与组合计算。若连续30个工作循环过程中，某个称料斗都不能被选取，则系统会强迫选中该称料斗，在含有该称料斗重量的组合中进行计算得出最佳组合，并在卸掉该称料斗内的物料后对该斗上的称重传感器进行自动调零。

在保证计量精度的前提下，电脑组合秤的每一个料斗的加料预设值设置为待装重量的1/5到1/3。电脑组合秤系统运行组合计算时没有采用全部组合，根据参与组合的称料斗数目，计算机运用式（1）能够计算出其组合个数。

式中，m为称量斗的总数量；i为参与组合的斗数量。

图1 控制流程

组合秤的计算机控制系统如图1所示。组合秤要完成60包/min以上的任务，包括检测重量、计算组合、选取最佳的称斗组合等。控制中心选用美国Microchip公司生产的高级PLC（Programmable Logic Controller）单片机，可以在一个指令周期内完成“8位×8位”的二进制乘法，指令为单周期、单字指令，它采用16位的RISC指令集、二级流水取指方式、哈佛总线，结构优点突出：性价比高、功耗低、功能强、指令集小、速度快、体积小等。

本系统则选用该款高性能的PIC（Peripheral Interface Controller）单片机（8位CPU），检测、计算、控制输出一气呵成，能同时满足组合秤实时控制时对精度的要求和包装时对速度的要求。控制系统的工作流程如下：多路开关接到单片机发送的控制信号后，以时间先后的顺序分别选取称重传感器10个，放大控制信号后，再经过A/D转换，10个信号被输入到单片机，经组合分析计算后，最佳组合的称量斗编号组被确定，系统控制对应编号的称量斗的步进电机的方向以及转速，打开该组的各称料斗的料门，把物料卸出，料门关闭，完成一组工作循环。系统设置了状态开关检测储料斗中的物料位置，还有功能显示、工作异常报警和键盘电路的设计，进一步完善了系统功能。

2.2 组合称量的控制软件设计

控制软件由主程序、A/D采集、数据滤波、组合计算、显示子程序、键盘服务子程序等几组模块组成。根据组合称量系统的要求，设计采用结构化的方法。主程序的设计框图如图2所示。

组合计算的程序模块按以下思路设计：秤量的分度值设为0.1g，选其中3～5个料斗，进行组合计算后即可以得到合适的组合。每次从10个料斗中选i个进行计算，i=3时，对应的组合编号为（a、b、c）；i=4时，对应的组合编号为（a、b、c、d）；i=5时，对应的组合编号为（a、b、c、d、e）。假定M的目标重量为100g，A、B、C、D、E分别为编号a、b、c、d、e对应的称量值，组合后的加和值为W。高级的PIC单片机的结构形式先进，执行指令的速度快，系统CPU的晶振频率为40MHz，在该频率时只需100ns就可以完成一条指令，也就是说完成1千万条的指令也仅仅需要1s的时间，这种速度完全能满足组合秤的工作要求。组合计算的程序框图如图3所示。

图2 主程序设计框图

图3 组合计算的程序框图

3 结语

实践证明，高级PIC单片机作为控制中心的组合称量系统优点突出，节省成本，方便操作，使组合称量技术得到应用与发展。