食品包裝機(jī)械的自動(dòng)控制

聶學(xué)俊, 熊光潔, 湯曉華

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院,北京 100048)

食品包裝機(jī)械是指能完成全部或部分產(chǎn)品和食品包裝過程的機(jī)械.包裝過程包括充填、裹包、封口等主要工序,以及與其相關(guān)的前后工序,如清洗、堆碼和拆卸等.此外,包裝還包括計(jì)量或在包裝件上蓋印等工序.食品包裝機(jī)械具有自己的特點(diǎn):1)種類繁多,功能各異,更新快.目前世界上包裝機(jī)械的品種已達(dá)到2 000種左右,這還不包括一些輔助機(jī)械和包裝材料機(jī)械、包裝容器的加工機(jī)械在內(nèi).隨著社會(huì)產(chǎn)品不斷增多,包裝材料和包裝工藝的變換,包裝機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副迅速更新,并向更高的技術(shù)水平發(fā)展.2)包裝機(jī)械機(jī)構(gòu)復(fù)雜,要求動(dòng)作精確,工序多,速度快,影響其結(jié)構(gòu)性能的因素多(如被包裝物品的尺寸、形狀,包裝材料、容器的質(zhì)量,包裝工藝等),對(duì)包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)和制造要求高(如精度、剛度和耐磨性等).

1 食品包裝機(jī)械實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的必要性

食品和包裝機(jī)械形成行業(yè)已20多年,相對(duì)于食品工業(yè),還是一個(gè)新行業(yè).目前國(guó)內(nèi)食品包裝機(jī)械企業(yè)組合化和機(jī)電一體化生產(chǎn)力較低,多數(shù)食品包裝機(jī)械企業(yè)以生產(chǎn)單機(jī)為主,生產(chǎn)效率低、能耗高,穩(wěn)定性和可靠性差,控制技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用較少.這幾年是世界技術(shù)發(fā)展最快的時(shí)期,新技術(shù)不斷在行業(yè)上應(yīng)用,而國(guó)內(nèi)行業(yè)的基礎(chǔ)薄弱,技術(shù)及科研力量不足,其發(fā)展相對(duì)滯后,在某種程度上拖了食品和包裝工業(yè)的后腿[1-4].隨著人們生活水平的迅速提高,食品行業(yè)的發(fā)展空間愈發(fā)巨大.為了滿足人們?nèi)招略庐惖南M(fèi)需求,對(duì)食品包裝機(jī)械提出了以下要求:1)食品包裝機(jī)械的生產(chǎn)效率越高越好.2)食品包裝機(jī)械具有很高的柔性和靈活性,能有效保證包裝機(jī)械可根據(jù)被包裝物品的要求和包裝材料的不同,實(shí)現(xiàn)包裝規(guī)格化、標(biāo)準(zhǔn)化,符合集合包裝的要求.3)對(duì)食品包裝機(jī)械在工作過程中發(fā)生的故障要迅速排除.4)食品包裝機(jī)械具有自動(dòng)識(shí)別功能.5)食品包裝機(jī)械的包裝過程要實(shí)現(xiàn)綠色包裝.6)保證食品生產(chǎn)和包裝過程的安全衛(wèi)生.

由此可見,實(shí)現(xiàn)食品包裝機(jī)械的自動(dòng)化,尤其是實(shí)現(xiàn)具有高度柔性的自動(dòng)包裝線,不僅體現(xiàn)了現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展方向,同時(shí)也可以使企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益.

2 食品包裝機(jī)械實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的途徑

自動(dòng)化技術(shù)可有效提高食品包裝機(jī)械的國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)力,對(duì)我國(guó)食品包裝機(jī)械發(fā)展具有重要意義,是我國(guó)食品包裝機(jī)械發(fā)展的必由之路.

2.1 食品包裝機(jī)械的控制方式

食品從生產(chǎn)到包裝,整個(gè)過程可采用3種控制方式:開環(huán)控制,對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和包裝要求不高的食品包裝機(jī)械,可采用此種方式.成本低、可靠性高是其優(yōu)勢(shì).閉環(huán)控制,利用安裝在食品包裝機(jī)械上的各種傳感器檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài),并將檢測(cè)到的信息反饋到設(shè)備的控制器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制.對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和包裝要求高的食品包裝機(jī)械,可采用此種方式.半閉環(huán)控制,利用安裝在食品包裝機(jī)械上某些位置的傳感器檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài),這些檢測(cè)到的信息只是間接反映了設(shè)備的工作狀態(tài).對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和包裝要求較高的食品包裝機(jī)械,半閉環(huán)控制是首選.

2.2 食品包裝機(jī)械上的控制器

自動(dòng)化控制產(chǎn)品已逐步應(yīng)用在食品包裝機(jī)械行業(yè).就目前在食品包裝機(jī)械上采用的控制器而言,可以分為以下幾類[5]:1)采用簡(jiǎn)單的繼電器回路,利用按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作控制,設(shè)備功能單一固定,柔性差,自動(dòng)化水平低.2)使用可編程邏輯控制器(PLC)強(qiáng)大的順序控制和邏輯控制功能,對(duì)食品包裝機(jī)械進(jìn)行控制,設(shè)備的可靠性和靈活性得到極大的提升;同時(shí)為了方便操作人員操縱設(shè)備,采用人機(jī)交互圖形界面(HMI),交互性好,食品包裝機(jī)械的自動(dòng)化水平得到迅速提高,這也是目前在國(guó)內(nèi)食品包裝機(jī)械應(yīng)用較廣泛的一種方式.3)總線技術(shù)的成熟,使在食品包裝機(jī)械上使用 PROFIBUS-DP、CCLINK和DEVI-CENET等現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、遠(yuǎn)程I/O技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)成為事實(shí).這在一定程度上發(fā)揮了自動(dòng)化產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì),為整個(gè)生產(chǎn)線的無人化操作以及為設(shè)備的傳動(dòng)、檢測(cè)等工序的無縫銜接提供了便利.4)采用計(jì)算機(jī)作為主控機(jī),PLC等工業(yè)計(jì)算機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)控制器,對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理.

同時(shí)PackML技術(shù)在食品包裝機(jī)械上的應(yīng)用,使得食品包裝機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化,控制接口規(guī)范化,提高設(shè)備的靈活性和市場(chǎng)適應(yīng)能力.

2.3 食品包裝機(jī)械上的驅(qū)動(dòng)技術(shù)

食品包裝機(jī)械的動(dòng)作組成多,動(dòng)作細(xì),速度快,而且各個(gè)動(dòng)作在設(shè)備的工作過程中要協(xié)調(diào)一致,以便實(shí)現(xiàn)設(shè)備精確的位置控制和各部分嚴(yán)格的速度同步.傳統(tǒng)的食品包裝機(jī)械一般采用一個(gè)主電機(jī)作為動(dòng)力源,通過復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng),實(shí)現(xiàn)各個(gè)分動(dòng)作.整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)十分繁瑣,故障率高,而且設(shè)備維護(hù)或維修起來較困難.將先進(jìn)的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到食品包裝機(jī)械上,可以使整個(gè)設(shè)備的機(jī)械傳動(dòng)裝置得到精簡(jiǎn).如在食品包裝機(jī)械上應(yīng)用三軸聯(lián)動(dòng)或多軸聯(lián)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù),既能保證設(shè)備可靠高效的運(yùn)行,又能使整個(gè)設(shè)備的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單化.食品包裝機(jī)械上常用的伺服電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和交流電機(jī),設(shè)備的速度控制可通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)、直流電機(jī)的PWM技術(shù)、交流電機(jī)的變頻技術(shù)等來實(shí)現(xiàn).

伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要應(yīng)用于食品的輸送、裝卸、碼垛、卸垛、打標(biāo)等工序.可根據(jù)食品包裝機(jī)械中采用的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)不同,將其劃分高、中、低檔,這與食品包裝機(jī)械采用的控制方式相對(duì)應(yīng),有利于食品包裝機(jī)械的產(chǎn)品升級(jí).

2.4 食品包裝機(jī)械上的傳感器

要實(shí)現(xiàn)食品包裝機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化,在設(shè)備上安裝傳感器是必不可少的.如在食品飲料存儲(chǔ)罐的監(jiān)控、灌裝封裝、混合及加工、冷卻及加溫、清潔、包裝等工序中都要用到傳感器.在食品包裝機(jī)械上可應(yīng)用的傳感器有電感傳感器、壓力傳感器、光電傳感器、電容傳感器等[6-7].

3 食品包裝機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展方向

3.1 食品包裝機(jī)械的數(shù)控化

將開發(fā)數(shù)控機(jī)床的成功經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到食品包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)與開發(fā)上,采用數(shù)字控制,可以應(yīng)用程序來控制食品包裝機(jī)械的包裝過程和包裝動(dòng)作,提高設(shè)備使用的柔性和適應(yīng)面,有利于提升食品包裝機(jī)械的設(shè)備價(jià)值.

3.2 食品包裝機(jī)械的信息一體化

CAD技術(shù)在工程領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用.將CAD技術(shù)應(yīng)用到食品包裝機(jī)械上,可以大大縮短設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)周期,在設(shè)計(jì)過程中可應(yīng)用人機(jī)工程學(xué),充分考慮人操作起來方便與否來進(jìn)行反復(fù)多次的設(shè)計(jì);對(duì)設(shè)計(jì)出來的結(jié)果應(yīng)用CAE軟件進(jìn)行性能和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,使設(shè)計(jì)滿足綠色環(huán)保的要求;應(yīng)用CAPP技術(shù)將產(chǎn)品的各個(gè)零件盡量標(biāo)準(zhǔn)化,對(duì)零件進(jìn)行編碼歸類,對(duì)每一類零件進(jìn)行加工工藝規(guī)劃,存儲(chǔ)到加工知識(shí)庫中;在產(chǎn)品的制造過程中,可應(yīng)用CAM技術(shù)進(jìn)行零件的加工過程仿真和數(shù)控加工代碼的生成,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬制造或應(yīng)用數(shù)控加工技術(shù)快速制造設(shè)備.食品包裝機(jī)械設(shè)備從市場(chǎng)需求和調(diào)研開始,到最后設(shè)備的維修和保養(yǎng)整個(gè)過程可以統(tǒng)一歸納到CIMS中去.在食品包裝機(jī)械上采用CAX技術(shù),有利于適應(yīng)市場(chǎng)快速多變的需求[8-9].

3.3 食品包裝機(jī)械監(jiān)控和故障診斷智能化

為了提高食品包裝機(jī)械的自動(dòng)化程度,保證設(shè)備的利用率和生產(chǎn)率,有必要建立食品包裝機(jī)械的故障診斷和監(jiān)控系統(tǒng).在廣泛收集設(shè)備在工作過程中發(fā)生的故障現(xiàn)象、故障原因和故障位置的基礎(chǔ)上,建立設(shè)備的故障診斷專家系統(tǒng).利用多傳感器信息融合的監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.發(fā)現(xiàn)問題時(shí),可利用設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng),通過智能的正向推理和反向推理相結(jié)合,快速幫助用戶確定和解決故障.企業(yè)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也很容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和設(shè)備故障診斷、自動(dòng)排除,減少人工參與,保證食品包裝機(jī)械生產(chǎn)的產(chǎn)品在生產(chǎn)中沒有人為接觸和污染,產(chǎn)品質(zhì)量均勻統(tǒng)一,安全衛(wèi)生.同時(shí)借助現(xiàn)有的商用網(wǎng)絡(luò),設(shè)備制造商可以很輕松實(shí)現(xiàn)異地對(duì)生產(chǎn)線的監(jiān)控、診斷和修改,提高自己的產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力.

4 結(jié)束語

在“十二五”期間,食品包裝機(jī)械總產(chǎn)值可望突破4 000億元[10].目前在食品包裝機(jī)械快速發(fā)展的背后,大量技術(shù)含量高的設(shè)備是依靠進(jìn)口.因此,在今后的食品包裝機(jī)械設(shè)計(jì)中,應(yīng)注重提高設(shè)備的自動(dòng)化水平,在設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中充分應(yīng)用先進(jìn)的控制和伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù),將數(shù)字化技術(shù)融入到設(shè)備的研發(fā)和制造過程中,以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的完全自動(dòng)化、高效化、節(jié)能化、綠色化.

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