昆明有色冶金设计研究院 方原柏

作者简介

方原柏（1942-），男，湖北黄冈人，昆明有色冶金设计研究院电气自动化技术部教授级高工，昆明仪器仪表学会理事长，中国衡器协会技术专家委员会顾问，主要从事仪器仪表、控制系统的应用研究，曾出版《电子皮带秤的原理及应用》（1994年，冶金工业出版社）、《电子皮带秤》（2007年，冶金工业出版社）《流程行业无线通信技术及应用》（2015年，化学工业出版社）、《有色金属生产过程自动化》（2015年，人民邮电出版社）四本专著，共发表论文300篇。

摘要：近年来，我国食品行业持续保持高速增长，已经成为国民经济的支柱行业。为此，智能称重技术在食品行业日益受到关注，一些创新应用经过对原有生产工艺的改进，使食品质量更好、味道更美、生产过程更高效。本文将以一些应用实例来介绍在国内外食品行业广泛应用的各种智能称重技术。

关键词：智能称重技术；食品行业；配料；检重；重量分选

1　概述

近年来，我国食品行业持续保持高速增长，市场供应产品种类显著增加、精深加工产品比例不断上升，产品向多元、优质、功能化方向发展。中国食品行业总产值从1998年的5780亿元到2015年的11.34万亿，17年间增长了19.62倍，在中国食品行业已经成为国民经济的支柱行业，是可持续发展潜力最大的行业之一。

高新技术在发达国家的食品产业得到了较为广泛的应用，促进了行业的技术进步。智能称重技术作为信息技术的一个分支在食品行业受到关注，一些创新的应用改进了原有生产工艺并得到一定程度的推广。在国外先进智能称重技术引入中国食品行业的同时，中国衡器生产厂家也加快创新步伐，生产并开发了一些新产品，使国内食品行业技术装备水平有了较大的提高。

本文将以一些应用实例来介绍各种智能称重技术在国内外食品行业的应用，这些技术的开发和推广应用，将使食品质量更好、味道更美、生产过程更高效。

2　杯装咖啡

总部设在意大利博洛尼亚的吉马（Gima）公司专业从事茶叶、咖啡、饮料、乳制品、方便食品的生产，如所生产的杯装咖啡仅在德国每年销售量就有二十亿盒。

在杯装咖啡生产线上，用590新型灌装机（如图1所示）替代了老式595灌装机，用来以高速度生产杯装咖啡。其占地面积稍大于4m2，节约空间约70%。590新型灌装机是具有旋转移动功能的模块化装置，设计紧凑，整机不需要拆卸就可以移动，可大大缩短安装时间。它的机械模块不仅快速且易于更换，从而确保快速、高效的维护。

图1 590新型灌装机用于杯装咖啡生产

灌装机的智能控制部分包括罐装称重、运动控制和操作显示三个主要部分。罐装称重包括带称量平台的小型铝制称重传感器SIWAREX WL260 SP-S AE，称量范围0.3~3kg；SIWAREX称重模块WP321；SIMATIC ET200SP分布式I/O。运动控制包括Simotion D445-2运动控制器、SINAMICS S120变频调速装置及与带Drive-CLiQ通信接口的电机。操作显示包括与SIMATIC ET200SP分布式I/O相连的Profinet以太网网络、带Windows嵌入式操作系统的PC面板。

590新型罐装机的罐装速度为100~200盒/min，该项目成功的关键是采用了紧凑型运动控制和智能称重技术于一体的新型灌装机。

3　格兰诺拉麦片的配料

格兰诺拉（granola）麦片是欧洲生产的一种早餐和保健食品，由燕麦片、玉米片、坚果（花生米+杏仁）、肉桂粉、蜂蜜、油、葡萄干、黑巧克力碎、牛奶或果汁混合制成的。格兰诺拉麦片制造商考虑这种大规模食品生产的混合配料要求高精度和高重复性，特别是其中某些价格昂贵的成分（被称为关键成分），需要一个更高精度的给料系统。以往采用可编程控制器控制的称重系统，但由于维护的问题，难以再继续使用下去。配方所有设备的制作材料要求为食品级，生产时不产生粉尘，精度要求0.25%。安装西门子SITRANS WW100定量皮带秤后（如图2所示），流量为200kg/h，而被输送物料的体积密度很低，只有150kg/m3，WW100定量皮带秤采用悬臂式结构，皮带更换或清洗方便。

图2 麦片配料使用的WW100定量皮带秤

4　什锦早餐麦片的定制配料

德国Mymuesli公司作为世界上的第一个实现定制化的什锦早餐麦片供应商，在公司列出的麦片原料的目录中，共计有80种成分，包括燕麦、小麦、斯佩尔特小麦、葵花籽、石榴、覆盆子、草莓、黑加仑、蔓越莓、全麦、棕榈油脂、玉米粉、大米等，客户可以指定哪些成分及其数量，配料后将其装在一个重575克的包装罐中。从2007的春天开始，按客户选择的成分人工进行麦片的配料及混合。随着需求不断增长，人工操作不能满足要求，公司将人工混合配料过程用一个现代化的配料解决方案——全自动定制化什锦早餐麦片混合机来代替。

在全自动定制化什锦早餐麦片混合机里，每一种原料成分安排了一个减重秤配料站进行配料，每个减重秤配料站配有小称重料仓和电控卸料装置。在一字排开的多个减重秤配料站之前，是一个空包装罐的排队等候区（如图3所示）。所有空包装罐沿整条配料线移动排队，在每个空包装罐上标有相应客户订购配方代号的条形码，当机器读取条形码后，即按配料成分和该成分多少的信息将客户要求的配料成分灌装到相应的包装罐里。小称重料仓配有5kg称重传感器，通过SIWAREX MS称重模块接入西门子SIMATIC S7-200 CPU控制器，再加上电控卸料装置，构成一个减重秤配料站。测量准确度为0.05%，采样次数为50次/s，足以满足什锦早餐麦片配料准确度和配料速度的要求。当包装罐走完80个失重秤配料站后，通过法定的贸易平台秤测量订购混合物的最终重量，并记录保存。

图3 全自动定制化什锦早餐麦片混合机的自动化生产线 1-减重秤配料站，2-空包装罐的排队等候区

5　玉米片生产质量控制

玉米片是最常见的谷物片之一，早在100年前就开始生产了，今天，玉米片是最常见、最受欢迎的食品之一。玉米片生产过程是在添加糖、麦芽和盐以后将玉米磨碎并在蒸汽压力锅蒸煮；所产生的糊状物再混合香料、维生素等成分，然后干燥降低水分含量；随后的玉米屑送到碾压机并压成薄片；最后一步是在高温焙烧窑中烘烤薄片，使它们变脆。

一个玉米片生产商为实现准确的维生素配料和稳定的焙烧窑给料，决定采用定量皮带秤。准确的维生素配料，可确保产品的成分准确；而控制焙烧窑的进料，可使焙烧条件优化和稳定。在这两种情况下高精度和易于清洗的设备是最重要的，为适应有限的安装条件，要求低安装高度。西门子600 SD定量皮带秤（如图4所示）最大限度地减少了移动部件的数量，并减少维护和清洗工作量，完全能满足上述要求。

图4 600 SD定量皮带秤

6　巧克力成品检重

费列罗集团（FERRERO ROCHER）生产的巧克力是一个球形的，当巧克力成型脱模后，难免会有一些单颗球形巧克力破碎或者缺损，而当多颗巧克力一盒盒包装后，也有可能出现少装漏装的情况。以往工厂都是用抽样的方法来检测，如采用每小时抽检一定数量的包装盒这样的做法，以确定包装后的巧克力是否少装漏装，但因抽检率太低，不可能完全杜绝少装漏装。

随着食品规范日趋严格，产品完整性和包装盒巧克力重量合格非常关键。珠海大航的DHCW-400在线检重秤成功进驻全球第四大巧克力生产商——费列罗集团（FERRERO ROCHER）的巧克力生产线，成为新型品质管控手段。在线检重秤融入产品包装生产线，实现了巧克力重量的检测，如单颗巧克力的残损检测和包装盒巧克力的整盒缺粒检测。当检测时发现巧克力残损或盒装巧克力缺粒时，可将净含量不合格、产品漏装等不合格成品自动剔除，确保产品百分之百的重量合格。在线检重秤的分选精度已达±0.05g，检重分选速度达360次/min。

DHCW-400在线检重秤（如图5所示）分选过程分为三段：速度匹配段、称重段、剔除段。被检测产品通过输送带首先进入速度匹配段，进行产品排序，拉开产品与产品之间的距离；单盒产品进入称重段之后自动称量，称重数据高速处理系统将测出的重量与设置好的标准重量进行比对，区分出正常重量、偏轻、偏重三种规格；在剔除段，正常重量范围的产品直接送走，偏重、偏轻的产品经分选设备识别后通过声光报警装置提示并通过剔除装置自动剔除。

图5 在线检重秤

7　鸡翅称重分选

广东无穷食品有限公司生产的小包装鸡翅每袋100g，合格重量是100g（±5g），即95~105g。使用鸡翅的重量一般在20~30g之间，传统的生产方法是人工将大小不等的鸡翅进行分组，然后将4支装入一袋。但是鸡翅重量人工分组存在以下问题：人工称重工作量太大，人力资源成本很高；人工称重精度不高；人工称重的称重结果无法准确统计，生产过程无法全面控制，可能造成不必要的返工和浪费；人工称重无法保证袋装鸡翅重量合格，若重量偏高，增大生产成本；若重量偏低，与客户可能产生消费纠纷，影响公司的品牌形象。

根据现有鸡翅的重量范围为20~30g，我们使用在线称重分选机（如图6所示）对鸡翅进行五级分选，即20~22g、22~24g、24~26g、26~28g、28~30g，每一个等级相差2g，这样工人就可以把已知重量的鸡翅，进行不同组合包装，如直接使用4个24~26g，或者使用2个20~22g+2个28~30g，或者使用2个22~24g+2个26~28g，这些组合都能使产品的重量在合格重量100g（±5g）范围内。

图6 鸡翅在线称重分选机工作原理示意图

使用在线称重机分选鸡翅的好处是：无需人工称重，节省人力资源；有效控制成本，不会出现超重，增加产品利润；减少误差率，避免不必要的返工；全自动分选，大大提高了生产效率；确保客户利益不受影响，不会出现欠重的现象，有效保护了公司的形象。

8　结语

本文通过六个实例介绍了智能称重技术在食品行业的典型应用，其中包括容器秤、失重秤、定量皮带秤、成品检重、重量分选的应用技术。有智能称重技术助力，中国食品行业的发展步伐将会更快、更高效！

参考文献：

[1] SIEMENS. In the name of good taste: Modernization of dosing processes[EB/OL]. http://w3. siemens.com/mcms/sensor-systems/en/weighingsystems/Pages/casestudies.aspx.

[2] SIEMENS. Feeding the process correctly helps feed the world treats [EB/OL]. http://w3.siemens.com/mcms/sensor-systems/en/weighing-systems/Pages/casestudies. aspx.

[3] SIEMENS. Mix up-dosing-solution for online muesli [EB/OL]. http://w3. siemens. com /mcms/sensor-systems/en/weighing-systems/Pages/casestudies. aspx.

[4] SIEMENS. Crisp control [EB/OL]. http://w3. siemens. com/mcms/sensor-systems/en/weighing- systems /Pages/casestudies.aspx.

[5] 珠海市大航公司. 珠海大航自动称重机融入“费列罗巧克力集团”生产线 [EB/OL].

[6] 珠海市大航公司. 流水线重量分选秤产品附件在线重量检测应用实例 [EB/OL].

摘自2016年《今日自动化技术应用在中国》