【方原柏专栏】称重技术让烘焙食品更美味、更健康

1 概述

食品是指各种供人食用或者饮用的成品和原料，包括加工食品，半成品和未加工食品。食品能提供人体所需的营养素和能量，满足人体的营养需要。

烘焙食品泛指面食制品中采用焙烤工艺的一大类产品，焙烤食品通常是以小麦等谷物粉料（如面粉）、酵母、食盐、砂糖和水为基本原料，添加适量油脂、乳品、鸡蛋、添加剂，通过发面、高温焙烤过程而熟化的一大类食品。它不仅具有丰富的营养，而且品类繁多，形色俱佳，应时适口，具有较好的保存性，便于携带和存放，现已成为食品消费市场的热点。烘焙食品在欧美非常流行，是人们的主餐食品之一，在中国，面包、蛋糕，饼干等烘焙食品逐渐成为我国居民的早餐主食。整个行业的年增长速度超过20%，远高于中国食品行业的发展速度。据预测，随着消费群体的扩大，其市场容量逐年增长，到2020年我国烘焙食品行业销售收入将达到5500亿人民帀。

在一些中大规模的烘焙食品生产企业，为保证食品的生产质量，要对各种烘焙食品的生产原料精确计量或为保证配方的准确，要对主要原料进行配比控制和计量，这都需要应用称重技术。本文将介绍国外一些大型烘焙食品生产企业应用的实例，以供国内相关企业设计、技术改造时参考。

2 面粉配料

一家德国食品公司有几百名员工，在世界各地生产各种食品原料和配料，用于烘焙食品、糖果、乳制品等。2008年8月，公司决定用SIWAREX FTC电子称重组件更换现有过时的称重系统，以便为烘培产品食品原料的生产提供准确的和连续的面粉配料，以达到持续高的产品质量。面粉配料过程是将原料送入可进行称量的配料容器（称量料仓），再通过控制称量料仓下方卸料的输送螺旋的转速，控制配料量。

配料量约为1～4t/h，称量料仓每次可装料200kg。称量料仓放空后，从料仓上方的料斗可通过重新装料设备快速重新装满。

该项目原采用SIMATIC S5早期的PLC控制系统，现采用SIMATIC S7 PLC 控制系统改造，系统在安装后不久就投入运行，达到所有规定的要求。

失重秤是通过检测称量料仓内物料重量的减少（失重）进行计量的，其工作原理是：首先打开重新装料设备，将料斗中的原料装入称量料仓，当称量料仓的料位达到高限时，关闭重新装料设备，此时，通过作为配料装置的螺旋输送机从称量料仓内卸除原料，进入重力式配料模式。由于称量料仓的原料逐渐减少，当称量料仓的料位达到低限时，再次打开重新装料设备，将料斗中的原料装入称量料仓，与此同时，螺旋输送机继续工作，仍从称量料仓内卸除原料，进入体积式配料模式，直至称量料仓的料位再次达到高限。

由于称量料仓装有称重传感器，其信号送控制器。在重力式配料模式，控制器以固定的时间间隔采样，并对前后两个相邻的采样值进行减法运算，所得值为单位时间称量料仓减少的料量，即代表通过螺旋输送机卸出的原料瞬时流量，瞬时流量与设定流量比较后，通过控制变频器调整螺旋输送机转速，以维持设定流量。在体积式配料模式，控制器维持切换前重力式配料模式的螺旋输送机转速不变，以恒体积流量的方式继续工作。我们知道，失重秤工作在重力式配料模式的准确度很高，而工作在体积式配料模式的准确度稍低，但由于重新装料的速度很快，失重秤工作在重力式配料模式的时间大约是工作在体积式配料模式时间的十倍以上，所以失重秤的综合准确度很高。图1是配料和重新装料的称量料仓运行重量曲线，图2是失重式称重系统结构框图。

图1  配料和重新装料的称量料仓运行重量曲线

图2  失重式称重系统结构框图

3奶酪配料

Bel公司在法国西北部，生产各种各样的奶酪，贝尔公司使用五台失重秤进行奶酪生产配料，以产出组成奶酪所需的各种粉料。各种原料分别送到混合系统的料仓，采用失重式秤进行配料。但由于失重式秤配料的电子控制系统已过时，维护成本昂贵和费时。因此决定保持计量应用的机械部件，如失重秤和调整物料量的变频器。电子控制系统选用带SIWAREX FTC称量组件的SIMATIC S7-315 CPU控制系统，并通过以太网连接到WinCC操作员控制和监测系统，配方的现场管理和计量的设置使用TP 270触摸屏显示器。

五台失重秤分三个阶段进行了调试：第一个周末，一台失重秤投入使用；第二个周末，2台失重秤投入使用；最后2台失重秤在第三个周末投入使用。

Bel公司旧的配料系统不能由操作者确定各种成分的数量，只能确定一批配料的总重量。而现在的解决方案，操作者可直接确定一批配料的总重量和每种成分的数量。与此同时，所有成分和总的重量数据，在WinCC软件的帮助下，可以完整地记录下来，记录数据可储存三个月。新系统使用后，配料过程的性能得到相当大的改善，例如在发生物料给料故障时，这可能会导致不正确的配料，而借助于记录配料量数据，可对原因进行分析，确定故障原因，并及时改变配料进行补救。新的功能加强了质量管理，优化了产品质量，客户反馈是奶酪产品味道更好了，而配料系统的配料量也增大了40%。

图3 贝尔公司的配料设备

图4 触摸屏上显示的正常的配料操作过程

4 烘焙面团配料

世界上最大的面包供应商之一需要一台开放式可冲洗的定量皮带秤和一台封闭式带防尘装置的定量皮带秤，以提供准确的和可重复的配方控制。封闭式带防尘装置的WW200定量皮带秤用于控制面粉/糖的混合物，流量为6.5t/h，定量皮带秤上方的大料仓装有面粉/糖的混合物，为防止搭拱，安装了CLS200料位开关检测低料位；开放式可冲洗的WW200定量皮带秤用于控制脂肪量，流量为2t/h。然后两种物料混合，作为烘焙面团配料最基本的成分，再送往烤箱制作甜甜圈（donuts）。这两个装置是全不锈钢制，可快速更换皮带、减少产品堆积，方便清扫，符合FDA & USDA美国食品药品管理局和美国农业部的要求，也符合EC（欧共体）No1935 / 2004的规定。

图5  封闭式带防尘装置的WW200定量皮带秤

该公司的控制系统SIMATIC S7-400 PLC集成了所有部分的配方控制，新加入的两台新的定量皮带秤，是通过SIWAREX FTC称重模块接入ET 200M模块化I/O站后，再借助Profibus-DP现场总线与S7-400PLC连接。烘焙面团配料系统可由客户自行调试和启动，系统投运已一年，始终保持要求的准确度。

5 面包称重

人们喜欢面包，像果酱面包（Toast with jam）、奶酪面包（chunk of baguette with cheese）、三明治（sandwich）。在加拿大东部的一个面包生产商每年生产数以百万计的面包，据介绍，在北美每人每年平均消耗24kg的面包！该公司计划提高自动化水平，以降低成本，提高生产率。

原来从烤箱中取出热的新鲜面包后，将面包放置在不锈钢平台机械秤上称重，以验证每一个面包的重量是否达到面包包装袋上所标记的重量，如果重量的偏差大于允许的公差范围，这个面包就不能出售。现有的平台机械秤不够准确，需要更换，公司计划安装新的不锈钢平台电子秤，称重平台使用了WL260不锈钢单点称重传感器支承，称重传感器的防护等级是IP67，可在水冲洗环境中应用。称重传感器连接到SIWAREX WP231称重模块，模块自带的RS485 Modbus将模块直接连接到HMI（人机界面）的触摸屏，作为秤的就地操作。一个二级Ethernet I/P端口将模块连接到控制系统。客户可利用HMI的显示值检验面包的重量，以确保面包重量在公差要求范围内。WP231通过标准的四个数字输出中的两个作为可视显示，一个连接到绿灯，一个连接到绿灯。绿色意味着面包的重量合格，而红色意味着面包的重量不合格。采用这一解决方案，可使客户加工面包的速度加快30%。由于平台电子秤的体积比老式的平台机械秤小很多，节省的空间就可以安装第二台平台电子秤，以进一步增加产量。

新的平台电子秤安装方便、配置灵活，用户说这一称重解决方案是自切片面包以来最好的东西！

图6  采用人机界面触摸屏对每一个面包都要单独称重，操作方便

6结束语

随着人们生活水平的不断提高，对食品的质量提出了更高的要求。烘焙食品以制作方便、味道鲜美和易于保存越来越受到更多人的喜爱。而先进的称重技术，包括本文中介绍的失重秤、定量皮带秤和平台电子秤将使生产过程自动化水平提高，生产效率提高，而产品的质量更好！

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