食品是指各種供人食用或者飲用的成品和原料，包括加工食品、半成品和未加工食品。食品能提供人體所需的營(yíng)養(yǎng)素和能量，滿足人體的營(yíng)養(yǎng)需要。
烘焙食品泛指面食制品中采用焙烤工藝的一大類產(chǎn)品，焙烤食品通常是以小麥等谷物粉料（如面粉）、酵母、食鹽、砂糖和水為基本原料，添加適量油脂、乳品、雞蛋或食品添加劑，通過發(fā)面、高溫焙烤過程而熟化的一大類食品。它不僅具有豐富的營(yíng)養(yǎng)，而且品類繁多，形色俱佳，應(yīng)時(shí)適口，具有較好的保存性，便于攜帶和存放，現(xiàn)已成為食品消費(fèi)市場(chǎng)的熱點(diǎn)。烘焙食品在歐美非常流行，是人們的主餐食品之一，在中國(guó)，面包、蛋糕和餅干等烘焙食品也逐漸成為我國(guó)居民的早餐主食。整個(gè)行業(yè)的年增長(zhǎng)速度超過20%，遠(yuǎn)高于中國(guó)食品行業(yè)的平均發(fā)展速度。據(jù)預(yù)測(cè)，隨著消費(fèi)群體的擴(kuò)大，其市場(chǎng)容量將逐年增長(zhǎng)，到2020年我國(guó)烘焙食品行業(yè)銷售收入將達(dá)到5500億人民帀。
在一些中大規(guī)模的烘焙食品生產(chǎn)企業(yè)，為保證食品的生產(chǎn)質(zhì)量，要對(duì)各種烘焙食品的生產(chǎn)原料精確計(jì)量；或?yàn)楸ＷC配方的高準(zhǔn)確性，對(duì)主要原料進(jìn)行配比控制和計(jì)量，而這些過程都需要應(yīng)用稱重技術(shù)。本文將介紹國(guó)外一些大型烘焙食品生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用的實(shí)例，以供國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)設(shè)計(jì)、技術(shù)改造時(shí)參考。
面粉配料
一家德國(guó)食品公司有幾百名員工，在世界各地生產(chǎn)各種食品原料和配料，用于烘焙食品、糖果和乳制品等。2008年8月，公司決定用SIWAREX FTC電子稱重組件更換現(xiàn)有過時(shí)的稱重系統(tǒng)，以便為烘培產(chǎn)品食品原料的生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的和連續(xù)的面粉配料，以達(dá)到可持續(xù)的高產(chǎn)品質(zhì)量。面粉配料過程是將原料送入可進(jìn)行稱量的配料容器（稱量料倉），再通過控制稱量料倉下方卸料的輸送螺旋的轉(zhuǎn)速來控制配料量。
配料量約為1～4t/h，稱量料倉每次可裝料200千克。稱量料倉放空后，從料倉上方的料斗可通過重新裝料設(shè)備快速重新裝滿。
該項(xiàng)目原采用SIMATIC S5早期的PLC控制系統(tǒng)，現(xiàn)采用SIMATIC S7 PLC 控制系統(tǒng)改造，系統(tǒng)在安裝后不久就投入運(yùn)行，并達(dá)到了所有規(guī)定的要求。
失重秤是通過檢測(cè)稱量料倉內(nèi)物料重量的減少（失重）進(jìn)行計(jì)量的。其工作原理是：首先打開重新裝料設(shè)備，將料斗中的原料裝入稱量料倉，當(dāng)稱量料倉的料位達(dá)到高限時(shí)，關(guān)閉重新裝料設(shè)備。此時(shí)，通過作為配料裝置的螺旋輸送機(jī)從稱量料倉內(nèi)卸除原料，進(jìn)入重力式配料模式。由于稱量料倉的原料逐漸減少，當(dāng)稱量料倉的料位達(dá)到低限時(shí)，再次打開重新裝料設(shè)備，將料斗中的原料裝入稱量料倉，與此同時(shí)，螺旋輸送機(jī)繼續(xù)工作，仍從稱量料倉內(nèi)卸除原料，進(jìn)入體積式配料模式，直至稱量料倉的料位再次達(dá)到高限。
由于稱量料倉裝有稱重傳感器，可將其信號(hào)傳送至控制器。在重力式配料模式，控制器以固定的時(shí)間間隔采樣，并對(duì)前后兩個(gè)相鄰的采樣值進(jìn)行減法運(yùn)算，所得值為單位時(shí)間稱量料倉減少的料量，即代表通過螺旋輸送機(jī)卸出的原料瞬時(shí)流量。瞬時(shí)流量與設(shè)定流量比較后，通過控制變頻器調(diào)整螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，以維持設(shè)定流量。在體積式配料模式，控制器維持切換前重力式配料模式的螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速不變，以恒體積流量的方式繼續(xù)工作。我們知道，失重秤工作在重力式配料模式的準(zhǔn)確度很高，而工作在體積式配料模式的準(zhǔn)確度稍低，但由于重新裝料的速度很快，失重秤工作在重力式配料模式的時(shí)間大約是工作在體積式配料模式時(shí)間的十倍以上，所以失重秤的綜合準(zhǔn)確度仍然很高。圖1是配料和重新裝料的稱量料倉運(yùn)行重量曲線，圖2是失重式稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖1 配料和重新裝料的稱量料倉運(yùn)行重量曲線。
圖2 失重式稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
奶酪配料
貝爾公司（Bel）在法國(guó)西北部，生產(chǎn)各種各樣的奶酪，其使用五臺(tái)失重秤進(jìn)行奶酪生產(chǎn)配料，以產(chǎn)出組成奶酪所需的各種粉料。各種原料分別送到混合系統(tǒng)的料倉，采用失重式秤進(jìn)行配料。但是失重式秤配料的電子控制系統(tǒng)已經(jīng)過時(shí)，不僅維護(hù)成本昂貴而且非常費(fèi)時(shí)。因此公司決定保持計(jì)量應(yīng)用的機(jī)械部件，如失重秤和調(diào)整物料量的變頻器。電子控制系統(tǒng)則選用帶SIWAREX FTC稱量組件的SIMATIC S7-315 CPU控制系統(tǒng)，并通過以太網(wǎng)連接到WinCC操作員控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，配方的現(xiàn)場(chǎng)管理和計(jì)量的設(shè)置使用TP 270觸摸屏顯示器。
五臺(tái)失重秤分三個(gè)階段進(jìn)行了調(diào)試：第一個(gè)周末，一臺(tái)失重秤投入使用；第二個(gè)周末，兩臺(tái)失重秤投入使用；最后兩臺(tái)失重秤在第三個(gè)周末投入使用。
Bel公司舊的配料系統(tǒng)不能由操作者確定各種成分的數(shù)量，只能確定一批配料的總重量。而現(xiàn)在的解決方案，操作者可直接確定一批配料的總重量和每種成分的數(shù)量。與此同時(shí)，所有成分和總的重量數(shù)據(jù)，在WinCC軟件的幫助下，可以完整地記錄下來，記錄數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存三個(gè)月。新系統(tǒng)使用后，配料過程的性能得到相當(dāng)大的改善，例如在發(fā)生物料給料故障時(shí)，這可能會(huì)導(dǎo)致不正確的配料，而借助于記錄配料量數(shù)據(jù)，可對(duì)原因進(jìn)行分析，確定故障原因，并及時(shí)改變配料進(jìn)行補(bǔ)救。新系統(tǒng)加強(qiáng)了質(zhì)量管理，優(yōu)化了產(chǎn)品質(zhì)量，客戶反饋奶酪產(chǎn)品味道更好，而且配料量也增大了40%。
圖3 貝爾公司的配料設(shè)備。
圖4 觸摸屏上顯示的正常的配料操作過程。
烘焙面團(tuán)配料
全球最大的面包供應(yīng)商之一需要一臺(tái)開放式可沖洗的定量皮帶秤和一臺(tái)封閉式帶防塵裝置的定量皮帶秤，以提供準(zhǔn)確的和可重復(fù)的配方控制。最終，其采用封閉式帶防塵裝置的WW200定量皮帶秤用于控制面粉/糖的混合物，流量為6.5t/h，定量皮帶秤上方的大料倉裝有面粉/糖的混合物，為防止搭拱，安裝了CLS200料位開關(guān)檢測(cè)低料位。另外，其還采用開放式可沖洗的WW200定量皮帶秤用于控制脂肪量，流量為2t/h。然后兩種物料混合，作為烘焙面團(tuán)配料最基本的成分，再送往烤箱制作甜甜圈（donuts）。這兩個(gè)裝置是全不銹鋼制，可快速更換皮帶，減少產(chǎn)品堆積，方便清掃，符合FDA & USDA美國(guó)食品藥品管理局和美國(guó)農(nóng)業(yè)部的要求，也符合EC（歐共體）No1935 / 2004的規(guī)定。
圖5 封閉式帶防塵裝置的WW200定量皮帶秤。
該公司的控制系統(tǒng)SIMATIC S7-400 PLC集成了所有部分的配方控制，新加入的兩臺(tái)新的定量皮帶秤，則通過SIWAREX FTC稱重模塊接入ET 200M模塊化I/O站后，再借助Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與S7-400PLC連接。烘焙面團(tuán)配料系統(tǒng)可由客戶自行調(diào)試和啟動(dòng)，系統(tǒng)投運(yùn)已一年，始終保持著要求的準(zhǔn)確度。
面包稱重
人們喜歡面包，像果醬面包（Toast with jam）、奶酪面包（chunk of baguettewith cheese）、三明治（sandwich）。據(jù)了解，在北美每人每年平均消耗24kg的面包！加拿大東部的一個(gè)面包生產(chǎn)商每年生產(chǎn)數(shù)以百萬計(jì)的面包。面對(duì)巨大的市場(chǎng)需求，該公司計(jì)劃提高自動(dòng)化水平，以降低成本，提高生產(chǎn)率。
原來從烤箱中取出熱的新鮮面包后，將面包放置在不銹鋼平臺(tái)機(jī)械秤上稱重，以驗(yàn)證每一個(gè)面包的重量是否達(dá)到面包包裝袋上所標(biāo)記的重量，如果重量的偏差大于允許的公差范圍，這個(gè)面包就不能出售。然而現(xiàn)有的平臺(tái)機(jī)械秤卻不夠準(zhǔn)確，需要更換。因此，公司計(jì)劃安裝新的不銹鋼平臺(tái)電子秤，稱重平臺(tái)使用了WL260不銹鋼單點(diǎn)稱重傳感器支承，稱重傳感器的防護(hù)等級(jí)是IP67，可在水沖洗環(huán)境中應(yīng)用。稱重傳感器連接到SIWAREX WP231稱重模塊，模塊自帶的RS485Modbus將模塊直接連接到HMI（人機(jī)界面）的觸摸屏，便于就地操作。一個(gè)二級(jí)Ethernet I/P端口將模塊連接到控制系統(tǒng)?？蛻艨衫肏MI的顯示值檢驗(yàn)面包的重量，以確保面包重量在公差要求范圍內(nèi)。WP231通過標(biāo)準(zhǔn)的四個(gè)數(shù)字輸出中的兩個(gè)作為可視顯示，一個(gè)連接到綠燈，一個(gè)連接到紅燈。綠色意味著面包的重量合格，而紅色意味著面包的重量不合格。采用這一解決方案，可使客戶加工面包的速度提高30%。由于平臺(tái)電子秤的體積比老式的平臺(tái)機(jī)械秤小很多，節(jié)省的空間就可以安裝第二臺(tái)平臺(tái)電子秤，以進(jìn)一步增加產(chǎn)量。
新的平臺(tái)電子秤安裝方便、配置靈活，用戶評(píng)價(jià)說這一稱重解決方案是自切片面包出現(xiàn)以來最好的設(shè)備！
圖6 采用人機(jī)界面觸摸屏對(duì)每一個(gè)面包都要單獨(dú)稱重，操作方便。
結(jié)束語
隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)食品的質(zhì)量提出了更高的要求。烘焙食品以制作方便、味道鮮美和易于保存越來越受到更多人的喜愛。而先進(jìn)的稱重技術(shù)，包括本文中介紹的失重秤、定量皮帶秤和平臺(tái)電子秤將使生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平提高，生產(chǎn)效率提高，進(jìn)而產(chǎn)品質(zhì)量也得以提升！