浅谈食品工厂自动化与计算机集成制造

摘要: 食品工厂的目的是最大限度的利用能源、资源及实用技术将原材料加工成所需产品。因此食品工厂系统有效地集成了各种单元操作。为满足低成本、高效益、生产出所需高质量产品的要求, 食品加工自动化技术随着低成本的微处理器发展而飞速发展。可编程序控制器提高了设备的自动化性能; 神经—模糊逻辑控制(Neuro - FuzzyLogic) 改善了食品加工的控制操作; 统计过程控制(SPC ,Statistical ProcessControl) 应用于产品在线质量控制; 自动化信息控制系统不仅对工艺流程控制至关重要, 而且确保了产品质量和生产效率。本文对食品工厂自动化的需求、困难作了初步的论述, 以机械行业为例对FMS 和CIMS 作了简单的介绍,CIMS 也将成为食品工厂发展的未来模式。

关键词: 食品自动化计算机集成制造

中图分类号: TP202 文献标识码:B 文章编号:1005 - 1295(2000) 01 - 0026 - 05

1 食品工厂自动化的需求

食品工业正面临日益剧烈的全球竞争, 因此对自动化有强烈的需求[1 ] 。

(1) 自动化可替代人工单调重复的操作,减少工人局部肌肉紧张的损害;

(2) 满足日益提高的质量要求;

(3) 可迅速有效地检测并调整生产线上的质量偏差, 减少批次之间的质量差别, 减少离线质量控制的成本;

(4) 对食品中的异物及污染物可有效检出, 减少质量风险。以下分七个方面加以介绍。

111 降低产品成本

    食品工厂的自动化,可降低劳动强度,减少损耗以及高效大批量的生产, 从而降低产品成本。一般来说,实施自动化后减少了工厂的设备数量,同时减少了人工及维修费用。自动化系统具有人所无法比拟的准确性和可重复性, 可以通过微调迅速达到最佳操作状态。因此, 自动化具有高效率、低成本的特点,且**提高了生产能力。尤其全自动称重包装技术的应用，食品厂家登上面提升产能成为可能。

112 保证质量

    现代质量控制方法如统计质量控制(Statisticalquality control , SQC) 和统计过程控制(Statisticalprocess control , SPC) 为产品质量提供了有力的保证。同时工厂自动化更有利于全面质量管理( Totalquality control , TQC) 的实施。

113 优越的信息处理能力

    计算机控制系统的数据存储容易且容量实际上是无限的, 系统可以存储大量的工艺及产品信息, 也可以形成完整的运行报告及库存清单报告。产品批次之间的质量数据可用于质量分析,帮助技术人员进行工艺改良及开发。操作者可以基于这些信息产生报表、调整工艺参数、改变系统设置、运行工艺测试等。资料报道一个冷冻比萨饼( Pizza) 生产线的在线计量系统可以自动计算出产品的平均重量、重量范围、标准差以及置信区间[2 ] 。

114 机器人的应用

现代机器人在食品工厂可控制多种操作, 新型机器人与现代传感器技术的结合促进了食品业的柔性标准化加工技术。随着抓取能力、传感器、视觉技术和尖端信息处理技术的发展, 机器人进入食品加工业已成为必然趋势。机器人的手臂可象人类手臂一样进行采摘、放置、运输、定位等操作,但力量更大、更精确、重复性更好、速度更快[3 ] 。广东精威智能机器有限公司已开发出并联机械手自动分拣码垛定制生产线系统，通过选配视觉应用系统实现自动分拣、自动码垛、自动排序智能操作。

115 视觉技术的发展

    机器视觉技术用于与生产线同步检测产品的缺陷。它可系统综合地检测食品中的异物、色泽不正、擦伤、瑕疵和其他缺陷[4 ] 。机器视觉技术在生产线在线质量控制方面有重要作用, 但是用于水果和蔬菜的分级筛选还有一些难度。

116 卫生要求

    食品卫生法规的要求越来越严格, 其方式之一是尽可能减少生产过程中人的参与与干涉, 这可通过机械化和自动化实现, 并有可能实现无人化工厂。现代控制器更紧凑且易于清洗, 自动清洗和杀菌设备提供了可靠的卫生保障。

117 其它

    食品原料的易坏性和生产的季节性更适于工厂全面综合的自动化控制和生产。

2 食品工厂实施自动化的困难

    食品加工自动化的难点在于品种各异的配方工艺、严格的卫生要求、原料及成品的易坏性以及食品生产的周期性。因此食品生产的自动化控制比其它加工工业都复杂得多。如制作比萨饼, 酱油、奶酪、肉、蔬菜等任一成分过多或过少都会影响质量、口味、外观、烹饪时间[2 ] 。因此原料的尺寸、形状及均一性的千差万别是食品加工自动化的最大障碍, 其次微生物的衍生繁殖以及物理损伤也是一大难题。另外, 在线检测风味和口味的传感器尚未开发出来[5 ] 。一般处理流体物料如饮料和乳品采用连续作业, 而其它物料大多是间歇

式,这些都正在向自动化或半自动化转变[6 ] 。

211 工艺方面

    设计自动化系统之前, 必须优化工艺及各项工艺参数, 充分正确地收集研究有关操作的综合信息。大部分食品工艺是动态的,要经过微调,与产品均一性有关的所有参数都应全部实施自动化。但是一般情况下, 熟练工的经验技能和直观知识很难用计算机系统加以明确并实施[6 ] 。食品加工控制器的设计要考虑每一个单元操作的类型、操作条件、潜在的干扰因素、操作中的测量以及有关启动和停止时问题[7 ] 。

212 加工模型方面

    为设计食品加工控制器, 必须对食品加工过程中的物理及化学变化建立数学模型, 以便于控制程序设计。数学模型有助于自动控制系统正确判断,使加工简化且准确,在有外界干扰和操作参数随时间变化时连续指导加工操作。因此掌握食品加工的内在变化规律对设计有效的控制系统是至关重要的,但其主要制约在于:大部分食品加工过程的机理并不清楚, 或者其物理、化学、微生物的有关数据人们知之甚少且难于测量[7 ] , 此时很难设计出正确的模型描述实际的加工过程。另外由于食品易变的生物特点, 更增加了控制模型设计的难度。

3 食品工厂自动化的解决方案

    食品工厂首先要明确哪些工艺需要实施自动化, 同时也应考虑控制系统将来的升级换代问题。食品厂的大部分工序可以用小规模的计算机系统部分自动化, 在以后有条件时再扩展为大规模以至全面自动化系统。控制方案及信息易被修改、拷贝和破坏,所以系统安全尤其重要。其次计算机病毒有可能摧毁整个系统, 所以系统严禁非法进入及非授权使用[8 ] 。某一仪器仪表的失灵不应当影响到非相关的其它功能, 尽可能减少突然停工的危险。分布式、模块化设计的优点可以在不中断系统运行的情况下更换失灵的设备或模块, 使部分瘫痪不致于造成整体崩溃。另外在控制程序设计中也应考虑到在线改变某些加工参数而不用停止生产线。

311 可编程控制器( PLC)

    可编程控制器成本低、安全性好、功能强大,并且减少了维修时间和维修成本[9 ] 。PLC几乎可以控制任何事情一变速器、温度、混合时间、包装线等, 还可能提供报警、监控和数据采集功能。PLC也可以控制诸如蒸发器、空压机和冷却水循环系统等能耗大的设备。

312 操作者方面

许多食品厂仍然依赖操作者的经验而忽略了科技知识。许多传统工序仍然依赖操作工的视觉、嗅觉、经验和触觉判定产品质量, 而自动化系统减少了工人的数量, 所以在此转变过程中应考虑以下几点:

(1) 信息指令要求简单明了;

(2) 信息显示方式适当———视觉、听觉或多媒体等方式;

(3) 操作界面良好;

(4) 适度现代化。自动化的主要目的是增加效率和产量, 降低消耗[10 ] 。程序应控制所有的参数并实时显示;

(5) 生产时间的缩短及培训费用的节约也应以适当方式计入自动化的成本;

(6) 新技术要便于使用;

(7) 数据信息以表格方式表示以减少失误;

(8) 注意操作者的安全。

313 适应性

    系统适应性指可用于多功能及多用途, 可以以最小的改动和较低的成本集成新技术, 从而紧跟硬件的发展。控制器可调性好、适应性强且模块化。一个好的自动化系统可以在一条生产线上生产多种产品, 而仅需微小调整。因此系统适应性可在将来加工条件或产品更改时大幅度节约投资。

4 计算机集成制造系统(CIMS)

    在生产过程自动化的基础上对生产和管理活动实施自动化,可实现工厂自动化。以数控技术、柔性制造技术、计算机辅助设计/ 计算机辅助制造技术、计算机辅助资源管理等软、硬件为基础发展起来的计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System, 简称CIMS) 是机械制造的未来,是为了将一个工厂的设计、生产和经营有机地集成起来,达到高效益、高柔性化、智能化的目的,从而实现未来工厂的全盘自动化和无人化。食品工业相对机械制造工业来说还是一个新兴的行业,由于其原料的复杂性,相关传感技术尚未成熟,有关过程模型尚处于研究阶段,因此实施自动化尚有一定的难度, 在此仅以机械制造工业作介绍。

411 CIMS 的组成及功能

    CIMS 的组成因工厂或行业的性质不同, 以及实施CIM技术的范围或规模不同而相差很大。图1 为制造业CIMS 的典型结构。人是CIMS 的核心。典型的CMIS 由管理信息系统(MIS) 、工程设计集成系统( EDIS) 、自动化制造系统(AMS) 和全面质量管理系统( TQMS) 四个功能分系统,以及计算机网络(NET) 和数据库系统(DBS) 两个支持分系统组成。

1) 管理信息系统(MIS)

MIS 是计算机辅助的企业经营和管理系统。

    目前的MIS 系统是以制造资源计划(MRP Ⅱ) 为基础, 并在经营决策和最优化生产等功能方面不断地改进和完善而成的。其目标是“无缺陷、零库存、无待工、低成本”。

2) 工程设计集成系统( EDIS)

    EDIS 是计算机辅助的产品工程设计系统, 其目标是要尽量压缩以至消除人在产品设计中的“纸”上作业,自动地由设计数据产生出制造数据,以缩短“设计—投产”周期。EDIS 主要由CAD、CAPP、CAM和仿真软件组成。工程设计集成系统EDIS 所使用的主要技术有:

(1) 成组技术( GT) : 是当今制造业中既简单又极其重要的概念, 它是根据相似性原理进行分类编码,从而把品种繁杂、规格多样和数量庞大的零件, 归结为有限的零件族。在同一族中的零件具有几何形体、物理特性、质量或加工工艺等方面的相似性,并以此为基础建立相应的工作站、制造单元、加工中心或生产线,从而使生产的加工车间有取得类似于流水生产线的规模效益。

(2) 计算机辅助设计与制造(CAD/ CAM) 技术CAD/ CAM集成技术是解决多品种、小批量、高效率生产的最有效的途径, 是实现自动化生产的基本要素, 也是提高设计制造质量和生产率的最佳办法, 是当今世界最引人注目的重大技术。尽管现有CAD/ CAM集成系统还处于初级阶段,许多集成技术还有待于继续探讨和发展, 但是集成了的CAD/ CAM系统所获得的效益也已远远超过任何非集成的CAD 和CAM的系统。

(3) 计算机辅助工艺过程设计(CAPP) 技术

    工艺过程设计是根据产品设计要求给出的信息进行产品加工方法和制造过程的设计。CAPP 能迅速编制完整而详尽的工艺文件, **提高了工艺员的工作效率, 可以获得符合企业实际条件的优化工艺方案, 给出合理的工时定额和材料消耗。CAPP 是连接CAD 和CAM的桥梁, 是实现CAD 与CAM以至CMIS 集成的一项重要技术。

3) 自动化制造系统(AMS)

    AMS 是CMIS 中制造实际产品的系统。显然,CIMS 其它三个子系统所产生的管理、设计和质量的信息流在AMS 中与物质流交汇在一起, 转变成实际产品。

4) 全面质量管理系统( TQMS)

TQMS 负责整个企业从市场预测和销售、产品设计、制造,直到售后服务中全面的质量信息采集、处理、发布和利用。其典型功能包括质量规划和决策、质量信息采集和质量分析、评价与控制。

412 CIMS 的信息集成

    计算机网络(NET) 和数据库系统(DBS) 是CIMS 实现信息集成的支持工具。计算机网络负责CIMS 中各台计算机和终端的数据通信; 数据库负责CIMS 中产生的各种类型的数据的保存和管理。CIMS 的各个功能分系统通过网络通信联系,并按权限共同享用数据库中的数据, 从而实现信息在功能的集成。一个典型的食品加工厂信息系统如图2 所示。

413 CIMS 展望

    近代工业的生产模式可分为三类: 刚性生产系统、柔性生产系统和自治、分散化生产系统。现有工业仍以刚性为主, 但在发达国家已开始普及柔性生产系统。当柔性模式趋向完善时, 就向理想的自治、分散化生产系统发展。CIM是走向自动化工厂的阶梯, 日本把CIMS 的发展分为四个阶段:

第一阶段: 用引进自动化设备的方法实现单机自动化;

第二阶段: 将数台自动化设备组合起来实现工段自动化;

第三阶段: 将各工段集成实现整个制造过程自动化;

第四阶段:制造过程和事务管理系统集成。

    日本大约有30 家先进企业已达到第三或第四阶段外, 总体水平仍然处于第一阶段向第二阶段过渡的时期。参照此方法, 我国制造业除少数几个先进企业正在开发FMS 外, 总体水平还处在需要应用计算机数控技术普及单机自动化的第一阶段。因此, CIM可以作为一种追求的目标, 在CIM集成思想的指导下, 首先从我国国情和各单位实际出发, 开发好CIM的各项单元技术, 创造各种投资少而效益高的CIM系统, 增强参与竞争的能力, 通过长期的努力逐步实现全功能的CIMS。

5 结束语

    新型的控制器、传感器及附件更精确、可靠、适应性强、紧凑、便携、成本低、便于维修、耐用且标准化。低成本、更灵敏的传感器将不断涌现。这些都将促进实现产品的完全均一和不间断生产。更好的数学模型将会使控制系统更有效。将来,加工控制可在最小操作成本下, 将操作条件控制在最优水平, 将来的关键技术问题的解决以及数字化电子元件、计算机、传感器的成本下降会极大地促进食品加工自动化。食品生产实施自动化将具有无可比拟的优越性。食品工厂对卫生管理有着严格的要求, 实施自动化可尽可能减少人的干预, 减少食品受污染的危险。食品操作长期以操作工经验加以控制,产品质量不均一, 自动化可解决这一问题并保证标准化生产。食品生产往往是多品种少批量, 且具有严格的保质期, 因此时限性强, 实施CIM在食品工业将更具有意义。