نموذج أولی آلی مبتکر منخفض التکلفة لتعبئة وتغلیف الفاکهة والخضر على أساس الوزن

تعتبر عملیة التعبئة والتغلیف هی واحدة من التقنیات الأکثر شیوعاً وإسهاماً لحفظ الأغذیة وتوزیعها. یهدف هذا البحث إلى تصمیم نظام تحکم مبتکر منخفض التکلفة لنموذج أولی لتعبئة وتغلیف منتجات الفاکهة والخضر باستخدام أحدث تقنیات التحکم الهندسیة (تقنیة حلقة الطور المقطوعة  phase locked loop والمتکاملة مع تقنیة تعدیل عرض النبضة pulse width modulation لتصمیم نظام التحکم ذو الحلقة المغلقة للحفاظ على ثبات سرعة دوران موتور إدارة السیر الناقل للخضر والفاکهة من أجل تعبئتها فی وحدة الوزن. وقد أجریت سلسلة من الدراسات والترتیبات بین المنتجات الزراعیة ودوائر التحکم فی أنظمة الحلقات المفتوحة والمغلقة والأجزاء المیکانیکیة من أجل التزامن المناسب.
طریقة عمل ووحدات نموذج التعبئة والتغلیف الأولی
ویهدف نموذج التعبئة والتغلیف إلى تعبئة نفس الوزن (واحد کیلوجرام) من المنتجات الزراعیة المختلفة وتعبئتها فی طبق من البولی إیثیلین عالیة الکثافة ومغطاة بشرائح بلاستیکیة شفافة من البولیمر. تم تصنیع وترکیب النموذج الأولی المبتکر لتعبئة وتغلیف محاصیل الفاکهة والخضر بمعمل قسم الهندسة الزراعیة، کلیة الزراعة، جامعة کفرالشیخ، وتم إجراء المعاملات التجریبیة لعملیة التعبئة والتغلیف خلال موسمی الربیع والصیف لعام 2017م.

وحدتی نقل الثمار والعبوات 

یتم النقل من القادوس إلى وحدات الوزن ثم اللحام من خلال نظامی نقل مختلفین من أنظمة النقل المیکانیکی، النقل بالسیر وبالهواء المضغوط. تم إستخدام إثنین من الإسطوانات الهوائیة الأفقیة والرأسیة. الإسطوانة الهوائیة الأفقیة مثبتة بأسفل السیر الناقل وتستخدم حین إنتهاء عملیة الملئ لوزن محدد سابقاً لدفع وإنزلاق طبق التعبئة لتکون مغلفة فی ورقة من البلاستیک البولیمر لتکون بعد ذلک فی وحدة الغلق واللحام. الإسطوانة الهوائیة الرأسیة الآخرى مثبتة فوق ملف التسخین فی وحدة الغلق واللحام. وتستخدم هذه الإسطوانة لدفع ملف التسخین لیضغط على مواد التعبئة والتغلیف لیقوم بعملیة اللحام.
وحدة الوزن
تتکون وحدة الوزن من صفیحة معدنیة مثبتة على خلیة حمل سعة وزن خمسة کیلو جرام مثبت فوقها لمبة إنبعاث أشعة تحت حمراء والتی تقوم بوظیفة إبتداء تشغیل موتور إدارة السیر الناقل لثمار الخضر والفاکهة من القادوس إلى خلیة الوزن عند وضع العبوة الفارغة للملئ والتی تقطع بدورها خط الأشعة تحت الحمراء الموجود فوق الصفیحة.
وحدة قفل وغلق العبوة
تم إستخدام ملفات التسخین للحام وقفل الشرائح البولیمر بعد عملیات الوزن والتغلیف، والتی تکون مثبتة أسفل الأسطوانة. 
للحصول على نظام تحکم أمثل فقد أجریت هذه الدراسة على عدة محاور:
1- دراسة الخواص الطبیعیة للمنتجات الزراعیة المراد تعبئتها وتغلیفها على أساس الوزن
تم إختیار نوعین من الفاکهة وهما اللیمون والبرقوق ونوع آخر من الخضر وهو الطماطم لأشکالها الکرویة.
من أهم النتائج المتحصل علیها من دراسة الخواص الطبیعیة أن:
                أ‌-         اللیمون والبرقوق لدیهما أعلى مؤشر کرویة 4,94 و 8,92٪ على الترتیب، فی حین أن الطماطم لدیها أقل مؤشر کرویة 27,76٪.
              ب‌-       السیر الناقل المدبب له معامل إحتکاک أعلى من السیر المسطح قدره 12 ± 72,0˚ و 13 ± 94,0˚ و18 ± 15,2˚مع اللیمون والبرقوق والطماطم على التوالی.
              ت‌-       الحجم الظاهری یؤثر بشکل کبیرعلى دقة الوزن:
الطماطم هى الأقل دقة على المیزان وهی 6,1029 ± 2,3جرام نظراً لأعلى حجم ظاهری لها یبلغ 790 ± 12,23سم³ وأدنى مؤشر کرویة بنسبة 27,76٪ ونسبة العرض إلى إلارتفاع 3,63٪. ومن ناحیة أخرى، اللیمون لدیه أعلى دقة وزن 38,1007 ± 55,3جرام.
2- تصمیم وتحلیل أداء الثلاثة نظم التحکم المدمجة باستخدام برنامج التصمیم الإفتراضی بروتوس 8
تم إستخدام الأجهزة ذات المصادر المفتوحة open sources (محکمات الأردوینو الدقیقة) لتصنیع وحدة التحکم والتشغیل المبتکرة منخفضة التکلفة للنموذج الأولی من خلال ثصمیم ثلاثة نظم تحکم مدمجة:
                   أ‌-      الأول لجلب البیانات من خلیة الحمل load cell للوقوف على وزن العبوة لحظة بلحظة حتى الوصول إلى الوزن المطلوب (واحد کیلوجرام) لإعطاء أمرالإیقاف لموتور الإدارة حتى یتوقف السیر الناقل عن النقل وإعطاء أمر آخر للمکبس الهوائی الأفقی لدفع العبوة نحو وحدة غلق ولحام العبوة، ثم للمکبس الهوائی الرأسی لدفع ملف التسخین والضغط على العبوة لإجراء عملیة اللحام والغلق.
                 ب‌-    الثانی وهو خاص بنظام التحکم ذو الحلقة المفتوحة open loop control system للتحکم فی سرعة دوران موتور إدارة السیر الناقل. تم إستخدام تقنیة تعدیل عرض النبضة pulse width modulation مباشرة لتنظیم سرعة موتور السیر الناقل فی نظام التحکم ذو الحلقة المفتوحة بناءاً على تعدیل قیمة المقاومة یدویاً لمقاومة متغیرة للتحکم فی سرعة الموتور حیث تنظم دائرة تعدیل عرض النبضة مقدار القدرة الکهربائیة المضافة إلى دوائر الحلقة المفتوحة.
                 ت‌-    الثالث وهو خاص بنظام التحکم ذو الحلقة المغلقة close loop control system للتحکم فی سرعة دوان موتور إدارة السیر الناقل بحیث تضمن ثبوتیة سرعة دوران الموتور عند السرعة المقررة لذلک. تم إستخدام تقنیة حلقة الطور المقطوعة  phase locked loop والمتکاملة مع تقنیة تعدیل عرض النبضة pulse width modulation حیث تم إستخدام تقنیة تعدیل عرض النبضة لتوفیر الإشارة المرجعیة إلى مقارن الطور (کومباراتور). تم ضبط مشفر اللفات rotary encoder على       600 نبضة فی اللفة الواحدة وفقاً لتردد الإشارة المرجعیة للحصول على النسبة المناسبة لعمل المقارن XOR Comparator.
3- المقارنة بین نظامی التحکم ذو الحلقة المفتوحة open loop control system والحلقة المغلقة close loop control system للتحکم فی سرعة دوران موتور إدارة السیر الناقل والذی یعمل بالتیار المستمر، والتی تؤثر بدورها على دقة الوزن للمنتجات الزراعیة تحت الدراسة، نتیجة لتأثیر سرعة ملئ العبوة على دقة المیزان.  لذا یجب ضبط سرعة السیر الناقل على السرعة الملائمة للحصول على أعلى دقة وزن للعبوة الواحدة (واحد کیلوجرام).  
4- دراسة أداء وحدات النقل والوزن والقفل للحصول على أمثل ظروف تشغیل.
وحدة قفل وغلق العبوة
من أهم النتائج المتحصل علیها:
من خلال الإجراءات التجریبیة، کان ضغط الإسطوانة الهوائیة الرأسیة المثبت بأسفلها ملف التسخین الأمثل هو 4بار ودرجة حرارة ملف التسخین 54درجة مئویة للحصول على أفضل غلق بلا أیة عیوب ظاهریة من إنصهار زائد فی الغلاف أو ثقوب مع وقت لحام 33,4ثانیة.
وحدة النقل
سرعة دوران موتور إدارة السیر الناقل
من أهم النتائج المتحصل علیها أن نظام التحکم ذو الحلقة المفتوحة open loop control system لموتور السیر الناقل، أنه عند التحمیل الکامل للموتور تنخفض سرعة دورانه فی نطاق من 33 إلى 40٪. فی حین أن نظام التحکم ذو الحلقة المغلقة  close loop control system یبقی سرعة دوران موتور السیر الناقل ثابتة، ولکنه یستهلک المزید من الطاقة الکهربائیة من 50 إلى 55٪.
وحدة الوزن
تم عمل دراسة مقارنة بین نظامی التحکم ذو الحلقة المفتوحة والحلقة المغلقة لموتور إدارة السیر الناقل وتأثیرهما على دقة وزن العبوة، حیث تم عمل تحلیل إحصائی برسم منحنى التوزیع الطبیعی والإنحراف المعیاری ومعامل الإختلاف ومتوسط الأوزان لخمسون عبوة عشوائیة (یفترض أن وزن کل عبوة واحد کیلوجرام بالضبط) من الثلاث منتجات الزراعیة (الطماطم، البرقوق، اللیمون).
من أهم النتائج المتحصل علیها أن:
عبوات الفاکهة والخضر والتی تم تعبئتها بنظام التحکم ذو الحلقة المغلقة (وحدة التحکم المدمجة الثالثة) لها أعلى دقة وزن حیث أن لها أقل معامل إختلاف ومتوسط ± إنحراف معیاری 00315,0 و 00264,0 و 00242,0 و 56,1029±24,3 و 74,1026±71,2 و 88,1007±44,2 لعبوات الطماطم والبرقوق واللیمون على التوالی. مما یدل على أن إستخدام وحدة التحکم المدمجة الثالثة جنباً إلى جنب مع وحدة التحکم الأولى (الرئیسیة) هما الأمثل فی الإدارة الآلیة للنموذج الأولی لتعبئة الفاکهة والخضر مما یدل على أن هذه الوحدات صالحة للتطبیق على نطاق أوسع فی مصانع تعبئة الفاکهة والخضر.
 
المساهمة الإقتصادیة لوحدة التحکم المدمجة لوحدات تعبئة وتغلیف الفاکهة والخضر على أساس الوزن
تم عمل دراسة مقارنة بین تکالیف شراء وحدات تحکم جاهزة الصنع من الخارج ووحدات التحکم المدمجة فی الدراسة الحالیة، حیث تم شراء عناصر ومکونات وحدات التحکم من شرکتی رام إلیکترونیک وفیوتشر إلیکترونیک بالقاهرة، حیث کانت تکلفة تصمیم وحدة التحکم المدمجة الأولى (الرئیسیة) والثانیة (وحدة التحکم ذو الحلقة المفتوحة) والثالثة (وحدة التحکم ذو الحلقة المغلقة) 697 و 05,19 و 05,64  جنیهاً مصریاً على الترتیب.
یحتاج هذا العمل إلى المزید من الإجراءات البحثیة لاستکمال إبتکار مواد تعبئة وتغلیف ذکیة مبتکرة.