混合坚果全自动分装计量系统的设计研究

[导读]摘要:针对坚果加工行业存在的生产效率低、设备自动化水平不高等问题,根据行业标准设计了一款混合坚果全自动分装计量系统,在建立了混合包装计量数学模型的基础上,改进了组合算法,使得该计量系统最大限度地满足了混料包装行业的需求。

引言

随着人们生活水平的提高,我国食品结构已由原来的温饱型格局逐渐向风味型、营养型和享受型方向转变。其中,休闲食品市场的规模呈几何倍增长,尤其是混合坚果已然成为休闲食品的主力军,跃升为休闲食品领域的第一大品类。在国家卫生计生委2016年发布的《中国居民膳食指南(2016)》中,将坚果与籽类食品列入日常膳食结构表中,每人每天推荐食用量为25~35g。由此可见,营养、健康是食品行业发展的主流方向,多品种、独立包装的混合坚果成为休闲食品发展的趋势。然而食品行业的蓬勃发展也带来了诸多问题,例如设备不能满足产能需求,经常需要利用人工操作,生产过程中由于工人近距离接触原料,导致食品安全问题增加,霉菌超标、大肠杆菌超标等问题频频暴露在大众视线中。为解决上述问题,食品行业亟需设计一款适合混料包装的全自动分装计量设备。

1生产现况

(1)纯人工方式。每7~10人分成一组,每个人分别称量一种物料,将称量好的物料倒入专用的盛料容器,最终按配比重量要求装入三边封的包装袋,装完后再用半自动封口机封好包装袋。这种方式劳动强度大,工人容易产生疲劳,人为出错的概率大,不利于食品的安全管理,且生产效率低下,无法满足快速增长的产能需求。

(2)半自动方式。对于形状相对规则的物料(如巴旦木、榛子等)通过圆盘振动下料,预先放入碗式提升机的小碗中,不规则的物料由人工称量完成后补加到碗式提升机,最后按配比重量要求送入给袋式包装机中进行包装。这种方式由于坚果本身个头偏差大,圆盘振动的光电检测和数粒不准确,误差率高,容易造成品种缺料或分量不足的现象,达不到营养配比要求。

2解决方案

鉴于现有混合坚果生产中存在的问题,设计了一种全新的全自动混料分装计量系统。将若干个计量通道(图1)按圆周排列围成一圈,按混合坚果的种类要求指定各计量通道所需计量的物料。该系统通过组合计量的方式将选中的每一种物料同时放料进入给袋式包装机,最终将符合营养配比要求的物料分装成一包混合坚果。

该全自动分装计量系统的具体工作流程和操作步骤如下:

(1)按照所需的混合坚果种类设置物料仓组数,将每组对应的坚果物料投入到相应的物料仓内。

(2)通过供料振动器把各物料仓内的坚果物料平缓地输送到线性振动器中。

(3)线性振动器控制物料的出料量,按混合坚果的配比要求称量各类坚果物料到计量斗中。

(4)称量完成的物料放入记忆斗储存,重量值在控制单元中被储存。

(5)将各个计量通道中计量斗和记忆斗中的重量值收集反馈,控制器按照设定的物料配比要求,通过组合算法选中符合计量要求的计量斗和记忆斗,给出被选中的料斗放料信号,从而分装出一包符合设定配比要求的混合坚果。

连续重复上述过程,不断获取料斗中的重量值,通过组合运算,选出符合配比要求的混合坚果放料包装。这款混合坚果全自动计量分装系统在严格保证营养配比的同时,替代了大部分人工,杜绝了大部分人工与物料近距离接触的可能,保证了食品安全与品质。

3混合包装计量的数学模型与组合算法改进

假设混合坚果包装的总重量为M,四种类别的坚果物料需要的配比重量分别为MA、MB、MC、MD。由此可以得出:

假设设备共有n个计量斗和记忆斗,将同一种类的坚果看成一组分配,A种坚果物料分配的斗数为x个,B种坚果物料分配的斗数为y个,C种坚果物料分配的斗数为:个,D种坚果物料分配的斗数为m个,由此可以得出:

假设每个计量斗和记忆斗中的重量值分别为m1,m2,…,mn,MA、MB、MC、MD分别为对应分配斗中某几个料斗的重量值的和,即从分配的料斗中选几个料斗的重量值组合成需要的配比重量,根据组合原理得到,组合成ZA、ZB、ZC、ZD的方法分别有:

把分装一包混料坚果看成一个事件,把每一种坚果物料按配比得出所需重量看成是完成这一事件的各个环节,得出一种坚果重量值的方法看作环节中的元素。那么,根据乘法原理得出完成一包混料坚果的方法数0为:

如果总斗数n为32,那么完成一包混料坚果0的组合结果为4294967296种,42亿多种组合方式都要计算,对于嵌入式系统来说无法满足计算周期的时间要求,对于计量包装系统来说也是致命的,计算速度根本无法满足生产效率要求。

目前有两种方法能提升计算速度:(l)更换硬件,采用更高速度的处理器来计算,相应的成本也会激增,这种方法显然不是最佳:(2)改进算法。

众所周知,在42亿多种组合方式中有绝大部分都是无效的。为了减少这些无效组合,可以观察求和公式Ⅹin=0C(n,i),如果i只取很少的某几个值,那么加和的结果就会明显变小,例如:取n=l0,i从0取到l0的加和结果为l024:如果i只取4、5两个值,那么加和结果仅为462,这样组合结果就小了一半多。因此,可以通过控制i的取值个数来控制组合方式的数量。

假设前x个料斗都是装A种物料的,那么每个料斗中的重量值分别为ml,m2,…,mx,把重量值从小到大进行排列得到新的重量数列为minl,min2,…,minx,当ⅩiL=lmini≥ZA时的最小L值即为最多料Lmax斗数的组合,把重量值从大到小进行排列得到max1,max2,…,maxx,当ⅩiL=1maxi≥ZA时的最小L值即为最少斗数Lmin的组合。那么可能组合出重量值ZA所有方式

的加和为:

因此可以通过控制每个料斗中的重量m1与ZA的关系,确定可能出现符合结果的组合相应的最多斗数和最少斗数,这样就直接过滤掉超出或不够组出ZA重量值的所有无效组合。

同理,可以得出另外B、C、D种物料的可能组合方式:

如果将第A组物料的x个料斗中的重量值控制在可以得到Lmin=3,Lmax=4。如果将32个料斗分成A、B、C、D组,则每一组都为8个料斗,即x=y=z=m=8。

根据式(8)得出第A组物料的组合结果方式是:C(8,3)＋C(8,4)=126(种)

根据式(7),在确定了斗数范围后:

这个组合数与全组合数4294967296相比较已经缩小到了原来的1/17。

虽然已经将确定的无效组合全部过滤掉了,但是2.5亿多次的计算量对于嵌入式系统来说还是相当庞大的,仍然无法有效提升计量系统的工作效率。观察式(12)可以得出,最终数值很大是由于前段的4次方导致,即乘法原理。因此需要转换思维,考虑是否能够不用乘法原理也能实现相同的功能。如果把分装一包混料坚果看成一个事件,把每一种坚果物料按配比得出所需重量看成是完成这一事件的各个环节,得出一种坚果重量值的方法看作环节中的元素。每完成一个环节,就把当前环节的最优结果留下,那么再进行下一个环节时,跟前一个环节就是加法的关系,这样就将乘法原理巧妙转换成了类似加法的原理,得出完成一包混料坚果的方法数0为: