食品包装机械的自动控制

聂学俊, 熊光洁, 汤晓华

(北京工商大学材料与机械工程学院,北京 100048)

食品包装机械是指能完成全部或部分产品和食品包装过程的机械.包装过程包括充填、裹包、封口等主要工序,以及与其相关的前后工序,如清洗、堆码和拆卸等.此外,包装还包括计量或在包装件上盖印等工序.食品包装机械具有自己的特点:1)种类繁多,功能各异,更新快.目前世界上包装机械的品种已达到2 000种左右,这还不包括一些辅助机械和包装材料机械、包装容器的加工机械在内.随着社会产品不断增多,包装材料和包装工艺的变换,包装机构的运动副迅速更新,并向更高的技术水平发展.2)包装机械机构复杂,要求动作精确,工序多,速度快,影响其结构性能的因素多(如被包装物品的尺寸、形状,包装材料、容器的质量,包装工艺等),对包装机械的设计和制造要求高(如精度、刚度和耐磨性等).

1 食品包装机械实现自动控制的必要性

食品和包装机械形成行业已20多年,相对于食品工业,还是一个新行业.目前国内食品包装机械企业组合化和机电一体化生产力较低,多数食品包装机械企业以生产单机为主,生产效率低、能耗高,稳定性和可靠性差,控制技术和自动化技术应用较少.这几年是世界技术发展最快的时期,新技术不断在行业上应用,而国内行业的基础薄弱,技术及科研力量不足,其发展相对滞后,在某种程度上拖了食品和包装工业的后腿[1-4].随着人们生活水平的迅速提高,食品行业的发展空间愈发巨大.为了满足人们日新月异的消费需求,对食品包装机械提出了以下要求:1)食品包装机械的生产效率越高越好.2)食品包装机械具有很高的柔性和灵活性,能有效保证包装机械可根据被包装物品的要求和包装材料的不同,实现包装规格化、标准化,符合集合包装的要求.3)对食品包装机械在工作过程中发生的故障要迅速排除.4)食品包装机械具有自动识别功能.5)食品包装机械的包装过程要实现绿色包装.6)保证食品生产和包装过程的安全卫生.

由此可见,实现食品包装机械的自动化,尤其是实现具有高度柔性的自动包装线,不仅体现了现代生产的发展方向,同时也可以使企业获得巨大的经济效益.

2 食品包装机械实现自动控制的途径

自动化技术可有效提高食品包装机械的国内外竞争力,对我国食品包装机械发展具有重要意义,是我国食品包装机械发展的必由之路.

2.1 食品包装机械的控制方式

食品从生产到包装,整个过程可采用3种控制方式:开环控制,对产品质量和包装要求不高的食品包装机械,可采用此种方式.成本低、可靠性高是其优势.闭环控制,利用安装在食品包装机械上的各种传感器检测设备的工作状态,并将检测到的信息反馈到设备的控制器来实现闭环控制.对产品质量和包装要求高的食品包装机械,可采用此种方式.半闭环控制,利用安装在食品包装机械上某些位置的传感器检测设备的工作状态,这些检测到的信息只是间接反映了设备的工作状态.对产品质量和包装要求较高的食品包装机械,半闭环控制是首选.

2.2 食品包装机械上的控制器

自动化控制产品已逐步应用在食品包装机械行业.就目前在食品包装机械上采用的控制器而言,可以分为以下几类[5]:1)采用简单的继电器回路,利用按钮对设备进行操作控制,设备功能单一固定,柔性差,自动化水平低.2)使用可编程逻辑控制器(PLC)强大的顺序控制和逻辑控制功能,对食品包装机械进行控制,设备的可靠性和灵活性得到极大的提升;同时为了方便操作人员操纵设备,采用人机交互图形界面(HMI),交互性好,食品包装机械的自动化水平得到迅速提高,这也是目前在国内食品包装机械应用较广泛的一种方式.3)总线技术的成熟,使在食品包装机械上使用 PROFIBUS-DP、CCLINK和DEVI-CENET等现场总线技术、远程I/O技术和网络通讯技术成为事实.这在一定程度上发挥了自动化产品的优势,为整个生产线的无人化操作以及为设备的传动、检测等工序的无缝衔接提供了便利.4)采用计算机作为主控机,PLC等工业计算机作为现场控制器,对设备进行管理.

同时PackML技术在食品包装机械上的应用,使得食品包装机械自动化技术进一步标准化,控制接口规范化,提高设备的灵活性和市场适应能力.

2.3 食品包装机械上的驱动技术

食品包装机械的动作组成多,动作细,速度快,而且各个动作在设备的工作过程中要协调一致,以便实现设备精确的位置控制和各部分严格的速度同步.传统的食品包装机械一般采用一个主电机作为动力源,通过复杂的机械传动,实现各个分动作.整个机械结构十分繁琐,故障率高,而且设备维护或维修起来较困难.将先进的伺服驱动技术应用到食品包装机械上,可以使整个设备的机械传动装置得到精简.如在食品包装机械上应用三轴联动或多轴联动伺服驱动技术,既能保证设备可靠高效的运行,又能使整个设备的机械传动机构简单化.食品包装机械上常用的伺服电机有步进电机、直流电机和交流电机,设备的速度控制可通过步进电机的细分技术、直流电机的PWM技术、交流电机的变频技术等来实现.

伺服驱动技术主要应用于食品的输送、装卸、码垛、卸垛、打标等工序.可根据食品包装机械中采用的伺服驱动技术不同,将其划分高、中、低档,这与食品包装机械采用的控制方式相对应,有利于食品包装机械的产品升级.

2.4 食品包装机械上的传感器

要实现食品包装机械设备的自动化,在设备上安装传感器是必不可少的.如在食品饮料存储罐的监控、灌装封装、混合及加工、冷却及加温、清洁、包装等工序中都要用到传感器.在食品包装机械上可应用的传感器有电感传感器、压力传感器、光电传感器、电容传感器等[6-7].

3 食品包装机械自动化的发展方向

3.1 食品包装机械的数控化

将开发数控机床的成功经验应用到食品包装机械的设计与开发上,采用数字控制,可以应用程序来控制食品包装机械的包装过程和包装动作,提高设备使用的柔性和适应面,有利于提升食品包装机械的设备价值.

3.2 食品包装机械的信息一体化

CAD技术在工程领域已得到广泛应用.将CAD技术应用到食品包装机械上,可以大大缩短设备的设计开发周期,在设计过程中可应用人机工程学,充分考虑人操作起来方便与否来进行反复多次的设计;对设计出来的结果应用CAE软件进行性能和结构的优化,使设计满足绿色环保的要求;应用CAPP技术将产品的各个零件尽量标准化,对零件进行编码归类,对每一类零件进行加工工艺规划,存储到加工知识库中;在产品的制造过程中,可应用CAM技术进行零件的加工过程仿真和数控加工代码的生成,实现产品的虚拟制造或应用数控加工技术快速制造设备.食品包装机械设备从市场需求和调研开始,到最后设备的维修和保养整个过程可以统一归纳到CIMS中去.在食品包装机械上采用CAX技术,有利于适应市场快速多变的需求[8-9].

3.3 食品包装机械监控和故障诊断智能化

为了提高食品包装机械的自动化程度,保证设备的利用率和生产率,有必要建立食品包装机械的故障诊断和监控系统.在广泛收集设备在工作过程中发生的故障现象、故障原因和故障位置的基础上,建立设备的故障诊断专家系统.利用多传感器信息融合的监控系统,对设备进行实时监控.发现问题时,可利用设备故障诊断专家系统,通过智能的正向推理和反向推理相结合,快速帮助用户确定和解决故障.企业利用网络技术也很容易实现远程监控和设备故障诊断、自动排除,减少人工参与,保证食品包装机械生产的产品在生产中没有人为接触和污染,产品质量均匀统一,安全卫生.同时借助现有的商用网络,设备制造商可以很轻松实现异地对生产线的监控、诊断和修改,提高自己的产品在市场上的竞争力.

4 结束语

在“十二五”期间,食品包装机械总产值可望突破4 000亿元[10].目前在食品包装机械快速发展的背后,大量技术含量高的设备是依靠进口.因此,在今后的食品包装机械设计中,应注重提高设备的自动化水平,在设备的机械结构领域中充分应用先进的控制和伺服驱动技术,将数字化技术融入到设备的研发和制造过程中,以实现设备的完全自动化、高效化、节能化、绿色化.

[1] 鲍庄,董华.自动化是食品包装机械发展的必然趋势[J].中国包装工业,2006(3):45.

[2] 佚名.自动化技术在食品包装机械中的应用[J].中国包装工业,2010(11):42-43.

[3] 申海鹏.自动化技术在食品包装机械中的创新与发展[J].食品安全导刊,2012(1～2):42-43.

[4] 安然.大森长空:食品包装机械创新与发展[J].中国包装工业,2011(3):30.

[5] 何孝武,杜健.自动化控制产品在食品包装机械行业的应用现状以及发展趋向[J].饮料工业,2011,14(5):41-43.

[6] 李勇,罗亚军,陈振茂.我国工业控制传感器市场发展综述[J].自动化应用,2012(1):63-64.

[7] 皮广禄.国外传感器技术的现状与发展[J].传感器世界,1999(1):7-14.

[8] 鲁战会,曹薇.浅谈食品工厂自动化与计算机集成制造[J].包装与食品机械,2000,18(1):26-30.

[9] 梁吕捷.机械自动化在食品包装领域中的应用研究[J].机械研究与应用,2011(4):4-6.

[10] 楚书峰.强化企业社会责任,促进产业高速发展[J].中外食品和包装机械,2012(1):1.