本文是一篇机械论文，本课题立足于碗装食品生产自动化系统的需求进行研究，借鉴国内外自动化生产线设计方案，对企业生产车间进行自动化改进完善，完成了碗装食品生产工艺流程的自动化设计以及各个子系统的控制系统。
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
1.1.1课题研究背景
我国是世界大国之一，其人口众多，食品消费在人们日常消费项目中不可或缺。食品行业消费在我国居民消费项目中有着极为重要的地位，促使食品生产行业在国民社会经济发展过程中起着巨大的推动作用。食品销售经济逐年上升，这极大的推动了食品行业以较快的发展速度不断变化发展[1]。随着国内改革开放以来，居民的经济收入也快速发展，以及居民生活水平的不断提高，大家对食品的消费选择也日益多样化、便携化及快餐化，快餐化及便携式食品俨然已经成为居民日常食品消费选择的新宠[2]。原来以物质温饱型食品为其主体消费形式的我国食品消费的格局正在悄悄发生变化，逐渐地走向风味型、营养型、便捷型甚至有更多功能型的食品个性化消费方向进行发展和转化[3]。国民需求食品种类的不断增加，对食品行业的创新性有了迫切需求，促使市场上各式各样的食品琳琅满目。食品市场发展的需求不断扩大，食品行业也在不断快速发展，随之带来的市场竞争也在不断增加，食品行业也开始悄悄的发生转变，呈现出一片前所未有的繁荣景象。由于近年来食品行业的繁盛景象，使得我国食品行业的竞争性、多样性也越发明显，生产食品企业迫切需要食品种类创新及提高企业生产效率。因此食品行业的繁荣发展离不开企业生产食品的工具，从而进一步推动了生产食品机械设备的进步与发展[4-5]。
各种琳琅满目的食品产品的出现，不仅丰富了大众对食品的选择，这也很大程度上促使食品行业对机械自动化行业发展的推动，机械自动化装备以较快的发展速度不断需求客户发展。随着食品生产产品及需求的不断变化，对食品机械行业的技术的发展也起到了积极的推动作用。在全球制造业技术提升的大背景下，食品机械自动化行业也在不断朝着智能化、自动化的技术方向发展。几年前，食品机械自动化技术只占食品机械自动化行业的30%，如今却已占到该行业的50%以上，这些机械自动化装备大量使用微电脑和检测装置，使得设备提高了食品生产的自动化程度，并且生产食品的智能化程度及自动化程度上对食品机械行业有了很大的推广应用[6-8]。
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1.2食品机械自动化系统国内外研究与发展现状
1.2.1食品机械自动化发展趋势
目前世界处于德国提出的工业4.0阶段，机械自动化技术水平的提升体现在设备中计算机技术、机械技术、检测传感技术、电子技术、液压与气压传动技术等科学技术的快速发展下，形成了复杂的多学科交叉的自动化控制系统[17]。在自动化产品研发方面，美国的研发能力一直都走在全球前列，从早期研发的数控机床、集成电路、可编程序控制器等方面。目前自动化系统出现了被控对象、控制器及控制任务等复杂程度的提升的现象，德国的工业4.0更是将工业自动化的热潮推向了高峰[18]。与此同时，食品机械自动化装备水平也随之有所提高。目前市场上的食品机械装备的自动化系统发展为多元的需求，主要为了提高客户在市场上的竞争力为需求，体现在以下方面:
一是生产效率越高越好。生产效率高可以降低产品生产的成本，满足快速交货期。食品机械自动化设备的目标要求一般是加工工序要相互衔接，不需要人工搬运环节，包括人工中间控制衔接，整个机械自动化装备设计按生产工序排列，生产时做到顺序启动及随时停机。如灌装机械自动化设备从灌汁容器自动上线到灌汁灌装、搬运、封装全部自动在车间内机械自动化装备上进行。
二是更好的适应生产产品的变化。食品机械自动化装备要具有很高的柔性和灵活性，食品生产机械自动化设备允许在有限的规格尺寸范围内的加工产品的外部尺寸可以变化。由于生产出来的产品生命周期一般要短于设备的使用寿命，所以为了产品尺寸的变化不需要更换昂贵的生产机械自动化装备。
三是设备方便维修保养。许多机械自动化装备预先将电脑编好的程序输入设备安装的微电脑中，当设备出现常见的故障时，微电脑就可以自行诊断故障，甚至可以复到原厂设置模式。有些设备安装了物联网设备，成功实现了远程诊断排除故障的功能，使设备维护更加的方便。
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第二章 碗装食品生产分析及自动化系统方案设计
2.1碗装食品生产工况概述
2.1.1生产作业模式分析
梅菜扣肉生产车间是该食品公司的主要生产车间之一，该车间为20m×15m，在这个车间内放有一台长为5.5米的电加热碗口抽真空封膜机图2.1封装线，车间内的真空封装机节拍为13秒同时封装4碗产品。该车间生产梅菜扣肉这款碗装固液食材混合的产品为全部人工流水生产。生产梅菜扣肉的人工流水线的作业方式为多人分组再将各组生产成果集成的模式操作生产，在人工相互配合作业的工程中使用了一些极为简单的机械工具，集中生产完毕后由专门的工人将待封装的梅菜扣肉产品放到小推车中摆好，然后将碗装的梅菜扣肉专人放入封装机中进行抽真空封装。在生产过程中本企业是以集中人力批量生产作业为模式。当订单到达时，企业所有生产员工集中在一个时间段内进行生产。此种作业生产方式是集中作业间歇式生产模式。
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为了满足该封装机的运行节拍，该车间需要四十二人同时进行生产，车间生产框图2.3所示，分工合作的模式加工生产。梅菜扣肉生产车间内，将员工分为四队同时进行加工生产，每个小队十名员工的操作台为长方形不锈钢桌子并排相接而成。第一步是将切好的片状肉块放入碗内，因肉片为冷冻后的产品，将其放入碗内摆出形状的操作需要人员进行整理肉块，所以比较占用时间，需要三人同时进行。第二步是把第一步碗内装好带有肉块的碗用手推到第二个步骤的员工处。第二步只需要两个人进行操作，该工艺步骤内的员工每人面前都放有一台电子秤，首先将碗放到电子秤上称重，然后向碗内加入定量的汤汁，然后将碗取下推给旁边的员工。
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2.2碗装食品生产合格指标概述
碗装食品在生产完毕后要求每碗产品的质量控制在5g误差之内，所以在每碗加入各种食材的重量是一定的，各种食材加入碗内重量要严格一致，最终经过捣实工艺后，每碗重量要保证在有限的误差内，产品才是合格品。碗装食品在捣实工艺中，因为人工利用机械工具进行捣实，碗装产品内为固液共存食材，人工在捣实过程中捣实力量不均匀等各种因素，导致在捣实过程后的产品不合格。
碗装食品在捣实工艺后，会出现两种形式的废品。一种废品是因为食材冷冻后质地较硬，捣实过程中人工捣实上下往复锤击次数不够，导致捣实工艺完成后，碗内食材高于碗的边沿成度过大，导致碗装食品封装时不能完全抽真空，出现废品。另一种废品是因为在人工捣实工艺过程中因为人工捣实用力不均匀，碗内的固液共存食材在碗与碗罩配合处被挤压出来，导致产品的质量减轻，出现废品。还有一种产品废品，也是因为在人工捣实过程中，碗内汤汁在碗与碗罩之间被挤压一处，导致封装碗边沿被污染，是封装后的产品存在封装不严密的情况，致使产品保质期下降，出现产品废品。
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由于以上分析，我们可以得出产品合格指标要看两项评价标准如图2.5所示。一项评价标准为碗装固液食材产品捣实工艺后食材相对于碗边的形状高度，如果捣实工艺后捣实面平整且捣实工艺后食材高度小于碗的边沿高度，就是比较理想的形状高度。另一项评价标准为碗的边沿被挤压出的汤汁污染。因其汤汁粘稠，被挤压出来的汤汁必定会在碗的边沿处粘连，使碗边污染影响封装的严密性，甚至导致产品重量不足。所以好的生产产品是在捣实工艺后碗内食材形状平整，高度不超过碗的边沿高度，且碗的边沿没有发现溢出汤汁。
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第三章 碗装食品生产自动化系统硬件设计 .................................... 21
3.1碗装食品生产自动化系统硬件构成 ...................... 21
3.2自动捣实控制模块硬件设计 ...................... 21
第四章 碗装食品生产自动化系统软件设计 .................................... 45
4.1控制系统软件设计方案概述 ................................. 45
4.1.1自动捣实控制模块软件方案设计 ................................ 45
4.1.2自动浇汁控制模块软件方案设计 ................................ 46
第五章 控制参数研究与试验分析 .............................. 53
5.1控制参数研究方法概述 ............................. 53
5.2自动捣实控制模块试验分析 .......................... 53
第五章 控制参数研究与试验分析
5.1控制参数研究方法概述
碗装食品生产自动化系统是解决企业生产碗装固液共存食材生产的一套自动化系统。该系统经过前期工况分析及软硬件系统的搭建，初步完成了自动化系统的搭建。但该自动化系统搭建完成后因被控量为工程实际问题，需要现场检验分析本自动化系统应用于碗装食品生产自动化控制系统是否有效。控制参数要以实际工况试验进行确定被控量，并检验控制系统效果[69]。
该系统应用包括四部分组成，自动捣实控制模块应用、自动浇汁控制模块、输送机及碗罩回传模块。在该系统中输送机为恒转速运动进行运输碗，自动浇汁控制模块仅需光电开关启动定量浇汁，上述两项及碗罩回传模块应用可以比较成熟的直接应用于本工程项目。自动控制系统中捣实工艺比较复杂，目前现有的仿真软件无法实现碗内捣实固液共存食材捣实的有效仿真效果，必须要根据工程项目现场实际进行试验分析，通过现场试验得出的有效数据进行捣实工艺数字化控制被测量，从而已达到模仿人工捣实工艺的效果。
该生产自动化系统的控制关键部分为碗装食品自动捣实控制模块的人工替代环节。该环节主要为了保证产品在捣实过程中汤汁不会从碗与碗罩配合之间溢出问题。碗装食品在人工进行捣实工艺操作过程中，人的主观能动性较大且主观控制量复杂。自动捣实控制模块进行捣实工艺时压盘的速度、加速度、位置及旋转的被控量必须与人工操作捣实工艺相近，才能很好的替代人工进行碗装食品的捣实环节。人工进行捣实工艺过程中动作控制较复杂，需要经过合理的分析人工操作并将被控量梳理出来，然后经过现场试验进行确定被控量的参数范围，最后经过正交实验，进行综合确定最佳控制参数。
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第六章 总结与展望
6.1总结
本课题立足于碗装食品生产自动化系统的需求进行研究，借鉴国内外自动化生产线设计方案，对企业生产车间进行自动化改进完善，完成了碗装食品生产工艺流程的自动化设计以及各个子系统的控制系统。以自动化系统各个工位的控制需求为基础设计控制系统，根据设计搭建完成的控制系统进行控制参数研究，自动化系统对生产进行数字化控制实际生产测试，测试结果与预期目标结果一致。通过实际现场及正交试验分析进行生产控制参数优化，生产出的碗装食品的质量优质且稳定，减少了企业的人工成本，提高了企业的生产效率。设计完成的碗装食品生产自动化系统生产梅菜扣肉产品预计一天8小时产量为8880-9000碗。本文主要完成内容如下:
（1）阐述了食品机械自动化工业化的发展背景以及实现食品机械自动化生产的目的与意义，在阅读国内外文献的基础上对国内外较通用的生产线进行技术总结，以此为设计方案基础进行碗装食品生产自动化系统工艺流程规划，分析了企业生产碗装食品过程中的设备需求，基于原有碗装食品生产节拍及工艺流程，对生产车间进行自动化的改进与完善，完成了生产碗装食品时捣实工艺、浇汁工艺、搬运产品、碗罩回传等各部分生产工具自动化、便捷化的需求分析。
（2）完成碗装生产自动化系统的软硬件系统搭建，介绍了自动化系统中各个子模块设计方案。自动化系统的控制核心为PLC，且要实现人机交互功能的数字化控制。自动捣实控制模块介绍了电机的选型与作用，PLC的接线I/O口及程序设计，机械构件的设计。自动浇汁控制模块阐述了气动系统的控制设计，设计了气动控制的原理图。还介绍了输送机的选型设计，及自动化系统中机械结构的设计，进而完成人机交互软件编程设计。对设计完成的自动化系统进行实际运行调试。发现控制系统的不足并改善。
参考文献（略）