天然气隧道炉食品加工区的智能化改造_陈冬鸥.pdf

天然气隧道炉食品加工区的智能化改造陈冬鸥（广东省机械技师学院，广东 广州 ）摘要：阐述食品加工区的智能化改造方案。构建以 为中心的以太网网络系统，利用搬运机器人完成食盘的搬运，实现自动化上下料；利用温度传感器、电压电磁阀等对隧道炉内各类食品烘烤的温度和时长进行调节和控制；利用基于视觉系统的外观缺陷检测设备实现产品外观在线高速自动化检测，降低人工判别误差，提高生产效率，确保产品质量，使其更符合现代自动化生产需求。关键词：隧道炉；电路系统智能化改造；以太网网络系统；外观缺陷检测机中图分类号：（，）：，：；收稿日期：引言隧道炉是通过热的传导、对流、辐射来完成食品烘烤的一种机械设备。根据热源，隧道炉可分为电热隧道炉和天然气隧道炉，以天然气隧道炉为例，整个食品生产过程可分为食品制作区、食品加工区和食品包装区。其中以隧道炉为中心的食品加工区按功能又可细分为上下料区、烤制区和传动输送区，其电路控制部分一般由接触器、按钮、热继电器、点火器等硬件连接而成。多数中小企业在使用隧道炉进行食品加工时都采用人工上料、收料的方式，依赖人工检测食品的合格与否，而后把合格的产品送入传动输送链条进行包装。而这会存在以下问题：人工上下料的人工成本高，另外由于隧道炉上下料区有一定高度，工人在上下料时可能导致食品摔坏、破损；经过隧道炉烤制的食品刚出炉时温度很高，用人工收料容易发生烫伤等事故；以面包为例，烘烤后其成品的大小、颜色等外观存在的差异并不大，通过人工判别食品的合格与否，对工人的经验要求较高，且误差较大。为此，本文针对上述问题进行 智能型控制系统改造，阐述整体智能化改造的方案思路，并罗列硬件电路所需要的设备、元件及其功能作用，以期能通过智能化改造减小投入成本，减少工伤事故，达到降本增效的商业目的。整体方案设计针对天然气隧道炉食品加工区存在的问题，本文利用工业机器人实现隧道炉自动上下料，以温度传感器、温度调节器、电压电磁阀等作为现场设备，以 作为控制中心对隧道炉内各类食品烘烤的温度和时长进行调节和控制，并通过外观缺陷检测机监测食品外观，判别食品合格与否。系统采用西门子 工业以太网，它是基于 （）的强大区域和单元网络，提供开放的、适用于工业环境各种控制级别的通信系统，符合国家和国际标准，符合 网络参考模型。系统使用 工业以太网的总线型拓扑结构，工业以太网使用 和 通信协议，网络内的 、触摸屏、变频器、监控计算机都在同一网段，符合（简单的网络管理协议），它们使用基于 的网络管理能很方便地互相访问并进行数据交换，需要拓展设备时只需要添加交换机就能扩展出多个接口。而控制级通信网络采用 现场总线标准，使用 传输技术，采用电工技术自动控制 屏蔽双绞线和光纤等作为传输介质，实现分布式现场设备传感器与控制器间的数据交换。食品加工的智能化改造人工上料通常是将食盘（放有待烤制的面团）放到传动轴上，由传动轴输送到烤制区进行烤制，在狭长的烤制区内通过输送链条与电热元件完成输送和均匀烘烤的工作，最后随着传动链条的滚动，烤制完毕的食盘被推送到下料传动轴上，由工人端走，转送至包装区。在此系统中，上下料环节可改造成由搬运机器人完成食盘的搬运工作，实现自动化上下料。总体改造布局如图 所示，搬运机器人搬运食盘，配合皮带式输送、光电传感器、位置传感器、温度传感器等现场设备的使用完成食品的加工流程。启动时，先由搬运机器人将食盘从制作区搬运到加工区，而后通过平面皮带带动食盘前进，送入隧道炉烤制区。变频器针对不同烘烤对象对传动输送链条进行无极调速，从而控制烘烤时间。隧道炉内温度调节器、电动执行阀、温度传感器等实时反馈炉内实时温度，其反馈信号与设定温度值进行比较的结果经 运算后调节电动执行器，从而控制隧道炉天然气的进气量，保证炉内烤制区恒温。图 食品加工区改造布局图 搬运机器人搬运机器人代替传统的人工作业，可以很大程度上降低人力成本，增加自动化率，减少人工误差，提高生产效益。搬运机器人接收 系统发送的命令，执行相应动作，并反馈执行结果给 。该系统选用库卡机器人将已制作成固定大小、待烤制的面团搬运至加工区。通过示教器对搬运机器人行走控制进行程序编程，主要完成以下功能：搬运机器人将面团从初始原点（制作区终端）搬运到中转区的食盘（指定地点），放件完成，返回到初始位置，并反馈放件完成信号给 ，准备开始下一个取件放件流程，重复执行（一个食盘固定放置的面团数）次后，将中转区上的食盘搬运至平面皮带上（指定地点，食品加工区平面皮带输送链条上），皮带运行带动食盘进入烤炉加工，而搬运机器人又返回初始位置，至此完成一个搬运周期。温度传感器和温度调节器温度传感器是指能感受温度并将温度转换成可用输出信号的传感器，它是温度测量仪表的核心，按测量方式分为接触式和非接触式两类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。该系统采用 热电阻温度传感器采集模块，其主机工作温度范围为 ，采集温度范围为 ，显示精度为，综合精度为 。它可以实现两路现场温度的采集，同时利用其自身的 总线串行通信接口可方便地和环境监控主机或其他工控主机进行联网，而且采用三相四线接线制，可对线阻进行有效补偿。温度调节器采用微分先行的控制算法，带有外给定和阀位控制功能，通常与各类传感器、变送器配合使用，实现对温度、压力、液位、容量、速度等物理量的测量显示，并配合各种执行器对电加热设备和电磁、电动阀进行 调节和控制、报警控制、数据采集等。隧道炉的功能是用天然气作为能源，通过加热元器件加热的方式进行升温，对产品进行热处理。为了节省能源，提高产品的良品率，必须对加热进行有效控制，如何有效控制就成为隧道炉温度控制的最核心任务，而且为了实现对不同食品的加工，隧道炉内温度可调也是一项重要的功能要求，需要能人工设定控制温度。在实际烤制的过程中，经常会出现上温区温度还未达到设定值而下温区已经超温等问题，使得炉膛内温度不能适应产品制备的实际需要。系统为了实现炉内温度的均匀与可控，将电压电磁阀装接在通入隧道炉的天然气管道中，并在隧道炉炉膛内上、中、下部设置温度传感器。系统通过对温度采集模块的自动监 测，将 隧 道 炉 炉 膛 内 的 温 度 检 测 信 号 反 馈 给 ，根据温度反馈信号调节电压电磁阀的开度，从而控制天然气管道出气量，保证烤炉产品的质量。变频系统随着电力电子技术及新型半导体器件的迅速发展，交流调速技术得到不断完善和提高，逐步完善的变频器以其良好的输出波形、优异的性能、高性价比等优点在交流电机上得到广泛应用。为了更好地对食品烤制时间进行控制，在隧道炉内的传送链条用变频器实现无级调速。由于该变频系统的动态性能要求不高，因此采用恒 控制系统，该系统结构简单，能够满足电机的平滑变速要求。系 统 使 用 西 门 子 型 、型变频器。食品加工前需要根据所烤制的产品对传动链条的速度、烤炉内的温度进行设置。与变频器通信使用 ，通过报文对变频器发出控制指令，变频器将电机实际运行的转速、电流反馈回 ，以便监视。基于视觉系统的外观缺陷检测机食品烤制后下料，先要进行产品检测，剔除不合格产品，再进行产品包装。传统的人工检测方式已经不能满足（下转第 页）自动控制电工技术口函数，采用不同填充颜色、边界线条、透明度来绘制、区分公共卫生事件高、中、低防范风险分区信息，形成公共卫生事件风险分区图层。在配变位置方面，参照智瞰平台提供的 （）接口，通过不同颜色的点区分公变、专变等信息，形成配变位置信息图层。在电网中压线路方面、电网施工项目段，通过智瞰提供的 （）接口，以不同颜色的线段区分不同线路信息，形成线路路径地理走向、电网施工位置段信息图层。在完成所有图层绘制后，结合地理信息底图进行叠加显示，从而实现含电力设施及建设相关信息的公共卫生事件防控“一张图”。在完成“一张图”数据各图层信息展示后，通过能监测鼠键动作的 接口函数 （），实时监测鼠标在地图上的点击位置。依据鼠标点击位置信息，相应利用 （）接口函数弹出自定义的卡片信息，用以展示公共卫生事件各风险分区相关管控要求、范围、密接场所，对应电网公司制定的应急保障措施、内部管控要求等信息。结语本文基于南网智瞰平台，将公共卫生事件相关的风险管控区域、电网营业厅、电力施工段信息转为 格式的地理经纬度坐标集合并部署在智瞰服务器端。通过南网智瞰平台提供的 接口编制 程序用以读取 数据，在浏览器侧通过点、线、面等图元形式绘制相应图层，并结合智瞰地理信息底图叠加显示，实现在“一张图”上将受各级公共卫生事件防控风险分区影响的电网设备、营业厅、施工段信息直观展示出来，有利于快速制定相应的防范应对措施，合理、精准地分配人力与物资，保障各级公共卫生事件防控风险分区内用户用电的安全稳定。在公共卫生事件随时有爆发可能的情况下，公共卫生事件防控“一张图”能为电网企业应急管理提供重要的参考依据。参考文献 董靓媛 新冠肺炎疫情对电网运行的影响分析 河背电力技术，（）：张远镇 县域供电企业疫情期间电力施工安全管控 农电管理，（）：谭佳新冠疫情大考下长三角电力应急能力建设启示电力与能源，（）：郭再福浅谈疫情期间电力施工企业的安全管理农电管理，（）：李京疫情期间电力企业安全生产防控探讨现代职业安全，（）：（上接第 页）现在的要求，为了避免瑕疵对品牌、口碑造成影响，需改用先进技术进行外观质量把控。外观缺陷检测机利用机器视觉模拟人类视觉，从具体的实物进行图像的采集、处理、计算、控制和应用。在平面皮带始端装设基于视觉系统的外观缺陷检测机，其系统原理如图所示。光照系统是整个系统性能稳定的重要保障，合适的光线能将食品 的 检 测 目 标 尽 可 能 地 突 出，增 加 对 比 度 和 正 确度。图像采集设备采集待检食品的图像后，经初步处理传送给图像处理设备；图像处理设备通过算法，将采集的图像与基准图像作对比、分析、计算，判断该图像是否存在外观缺陷；若存在外观缺陷，则通过推杆（气动）将该产品推入对应滑道，否则产品顺着皮带输送入下一个环节。图 外观缺陷检测系统原理框图 结语本文阐述了天然气隧道炉食品加工区的智能化应用网络系统设计思路，以 为中心，将搬运机器人、现场设备、外观缺陷检测设备集于一体，实现自动上下料、均匀烤制食品、自动判别食品合格与否，提高了生产效率。工业 的发展，加快了工业转型发展，促进了大数据、物联网、云计算等现代信息技术的应用，为此需要不断学习智能化的技术与解决方案，思考技术落地并解决实际的生产问题，从而推动生产系统旧设备智能改造，创造更好的经济效益。参考文献 陈冬鸥 利用 升级改造传统天然气隧道炉的应用 自动化应用，（）：唐春霞，侯武民，李念红基于 网络技术的 污水处理系统 中国给水排水，（）：马宏骞基于组态王的 系列单回路数字显示控制仪通讯研究 电子制作，（）：曹建文矿用变频牵引电机绝缘提早失效的机理机电产品开发与创新，（）：张济民，张义伟基于机器视觉的产品瑕疵识别系统设计工业控制计算机，（）：电工技术自动控制