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養(yǎng)素和能量，滿足人體的營養(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，面包、蛋糕和餅干等烘焙食品也逐漸成為我國居民的早餐主食。整個(gè)行業(yè)的年增長速度超過20%，遠(yuǎn)高于中國食品行業(yè)的平均發(fā)展速度。據(jù)預(yù)測，隨著消費(fèi)群體的擴(kuò)大，其市場容量將逐年增長，到2020年我國烘焙食品行業(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）在法國西北部，生產(chǎn)各種各樣的奶酪，其使用五臺失重秤進(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)測系統(tǒng)，配方的現(xiàn)場管理和計(jì)量的設(shè)置使用TP 270觸摸屏顯示器。
五臺失重秤分三個(gè)階段進(jìn)行了調(diào)試：第一個(gè)周末，一臺失重秤投入使用；第二個(gè)周末，兩臺失重秤投入使用；最后兩臺失重秤在第三個(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)，這可能會導(dǎo)致不正確的配料，而借助于記錄配料量數(shù)據(jù)，可對原因進(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)商之一需要一臺開放式可沖洗的定量皮帶秤和一臺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美國食品藥品管理局和美國農(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。面對巨大的市場需求，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電子秤，稱重平臺使用了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%。由于平臺電子秤的體積比老式的平臺機(jī)械秤小很多，節(jié)省的空間就可以安裝第二臺平臺電子秤，以進(jìn)一步增加產(chǎn)量。
新的平臺電子秤安裝方便、配置靈活，用戶評價(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！