随着人们生活节奏的加快，当前很多工薪阶层人员由于工作繁忙，没有充足时间来做饭，大多选择购买快餐盒饭。当前盒饭中的饭菜配置和包装，主要通过人工方式进行，严重地影响到盒饭打包的效率，另外，各个盒饭饭菜份量也差别较大，会影响盒饭的质量。基于以上两点，拟提出一种基于 PLC 的盒饭包装饭菜计量控制系统，来对盒饭中的饭菜进行较准确的测量，以保证盒饭的质量和盒饭打包的效率，减少人力成本。

1 系统整体结构
设计的称量计量系统主要分成三大部分，即饭菜贮藏模块、称量模块和饭菜下发模块。饭菜贮藏模块中，还包括饭菜混合搅拌模块，防止饭菜中成分分布不均匀。在贮藏模块的下端设置一个开关控制电磁阀，根据称量模块所称饭菜质量的大小和所设定的饭菜质量之差占设定饭菜质量的百分比不同，进行电磁阀开度大小调节，尽量实现饭菜较准确的测量。另外，为了实现盒饭中菜肴的多样性，可以在盒饭包装系统中将各种不同菜肴分别放入不同的储存器，当用户选择不同盒饭时，则通过运输传送带将打包的饭盒停在不同菜肴的储存罐下，实现盒饭中菜肴的多样化。另外，为了提高盒饭包装的效率，尽量将同一类型的盒饭套餐，选择同一时刻通过流水线的方式进行盒饭中饭菜的分配和计量，并在流水线最后一个环节对饭盒进行封装和打包。这样可以避免盒饭饭菜分配控制系统因套餐内菜种类的不一样，而不停来回更换控制程序，影响盒饭自动包装的效率。
 

2 电磁阀调节原理

系统拟采用闭环自动控制技术来达到饭菜准确称量的目的，而闭环的自动控制必须具有反馈环节，基于反馈以减少系统的不确定性，从而控制系统输出值尽可能接近或等于人们的期望值 [1] 。从理论上讲，闭环自动控制可以做到快速、准确，甚至无误差，与开环控制相比具有强大的优越性 [2] 。
反馈环节的 3 个要素为测量、比较和执行 [3] 。测量被控变量实际值是为了与人们的期望值进行比较，然后利用实际值与期望值的偏差来执行调节控制，并校正系统的实际输出值 [4] 。为了实现调节控制过程，目前工程实践中应用最为广泛的一种控制方式是 PID 调节，它是比例（proportion）、积分（integral）、微分（derivative）调节的缩写 [5] 。考虑到盒饭包装中实时迅速的要求，仅采用 PID 调节方式，无法满足实时要求，因此该计量控制系统采用简单闭环控制算法 [6] ，主要根据称量模块计算出饭菜实时质量与设定的饭菜质量存在的偏差值占设定饭菜质量的百分比，将储存罐下面的电磁阀分成不同的开度大小 [7] 。当饭菜实际值与设定值之间的差值占饭菜质量设定值的百分比小于 25%时，则将电磁阀开度大小设定为 50%，若该百分比小于 10%时，则将电磁阀开度自动调节为25%。其能按照生产工艺要求在生产过程中自动调节不同电磁阀的开度大小，尽量达到饭菜恒定质量的目的。可以看出系统的菜流量由饭菜质量偏差与电磁阀开关大小相结合来控制，具有结构简单、稳定性好、工作可靠和调节方便等优点。

3 系统硬件选择和设计

该系统主要有称量传感器模拟量的输入和电磁阀开关开度大小模拟量输出，因此采用日本某公司FX2N 系列 FX2N-80MR-001 的 PLC。称量传感器和电磁阀开关都需要模拟信号的输入和输出，而 PLC的 CPU 只能处理数字信号，因此需要在该系统的设计上添加一个扩展模拟量输入/输出模块，以将传感器的模拟量输出信号转化为数字信号 [8] ，并根据饭菜实际值与饭菜设定值之间的偏差值占饭菜设定值的百分比，选择不同开度大小，并转化为模拟量输出控制电磁阀开关开度大小。该系统上模拟量输入/输出扩展模块也考虑了FX2N 系列产品，选用 FX2N-4AD 和 FX2N-4DA 扩展模块。这 2 个模块都有 4 个 12 位的模拟量通道 [9] ，符合该系统的设计要求。
 

4 I/O 分配
 

5 主要 PLC 控制程序

5.1 A/D 模拟量输入程序

称量传感器的称量范围为 0~1 kg，先将称量传感器的质量信号转换为0~10 V的电压信号，再通过PLC的 FX2N-4AD 扩展模块将 0~10 V 的电压信号转换为0~2047 的数字量信号 [10] ，并保存在 D10，D11 中。
 

5.2 电磁阀调节控制程序

主要根据称量传动器所测饭菜的实际质量与当前所设定饭菜质量的差值占饭菜设定值的百分比，来确定电磁阀的开度大小。若设定的电磁阀开度种类越多，其饭菜质量控制就越准确，但会影响到饭菜下发的速度，从而影响盒饭包装的效率。该系统主要采用4 类电磁阀的开度，分别为 100%，50%，25%和 0%

根据当前所测定的差值百分比，选择对应电磁阀开度，并将该开度保存在 D105 中，进行后续电磁阀开度的设定。
 

5.3 D/A 模拟量输出程序

将 D105 所保存的电磁阀开度通过 FX2N- 4DA模块转换为电流或脉冲信号 [11—13] ，来控制电子阀开关的开度。

6 仿真和验证部分

为了验证该控制程序的可实现性和正确性，文中采用组态王软件进行功能的模拟仿真，根据饭菜实际质量与所设定饭菜质量之间的差值占饭菜质量设定值的百分比，来计算出阀门的开度 [14—15] 。为了简单模拟盒饭自动包装过程，在应用组态软件仿真中，假定存在 2 种不同的盒饭，每种盒饭中只有 1 种菜，这样需要设定 3 个饭菜储存罐，其中 1 个存储饭，另 2个存储 2 种不同的菜，通过皮带运输机进行流水作业。
 

开始仿真状态，其所有状态都为初始状态，饭和菜的质量设定值分别为 500 g 和 30 g，饭、菜储存器下面的阀门都为关闭状态，右下方的 2 个指示表用来指示饭和菜阀门的开度大小，当前开度为 0。客户选定第 1 种套餐后，首先向饭盒加饭，当饭的实际值为 400 g 时，由于该系统采用流水线盒饭打

包方式，饭质量实际值与设定值偏差占设定值的20%，所以其饭阀门开度大约在 50%左右，而 2 个菜阀门开度仍然为 0。
 

当盒饭中饭的质量达到设定值 500 g 时，饭阀门关闭，皮带运输机启动，将盒饭的餐盘移动到菜 1 储存罐下，开始菜 1 的下发测量操作。当称量传感器测定菜质量实际值为 29 g 时，其阀门开度变为 25%。

当客户选择第 2 套餐时，其实际仿真结果与选择第 1 种套餐的操作结果相似，只是现在菜阀门开度指示表表示菜 2 储存器下面电磁阀开关的开度。当第 2种套餐中饭和菜质量的实际值达到了设定值 500 和20 g 时，饭下放阀门完全关闭，菜 2 电磁阀开度为100%
 

7 结语

采用了一种自动闭环控制算法，通过盒饭中饭菜质量的实际值和设定值之间差值占饭菜质量设定值的百分比，来控制饭菜下放的阀门开度，调节饭菜下放的速度，以便快速且较准确地测量盒饭中饭菜的质量。通过对控制程序的仿真测试，该系统达到了预期的效果。

1）能快速地自动测量盒饭饭菜的质量，保证了每份盒饭的品质，也加快了盒饭打包的速度。

2）该饭菜自动称量系统是实现盒饭自动打包系统的一个重要组成部分，有助于盒饭自动打包功能的实现。

3）采用自动闭环控制算法，可以提高饭菜称量的速度，加快了盒饭称量的效率。

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