食品包裝機械的自動控制

時間：2018-12-27作者：廣東精威智能機器有限公司瀏覽：70

聶學(xué)俊， 熊光潔， 湯曉華
摘  要：食品包裝機械自動化有利于提高設(shè)備的生產(chǎn)率，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生活需求，保證食品
包裝的一致性和安全性．指出要實現(xiàn)食品包裝機械自動化，需要考慮包括控制器、傳感器、伺服驅(qū)
動技術(shù)、人機交互界面及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等問題；同時從食品包裝機械自動化的發(fā)展趨勢看，要加強對設(shè)
備的數(shù)控化，設(shè)備信息的一體化及設(shè)備故障診斷的智能化等方面的研究．
關(guān)鍵詞：食品包裝機械；控制；自動化
中圖分類號：TS203；TP2                文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

    食品包裝機械是指能完成全部或部分產(chǎn)品和食品包裝過程的機械．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，包裝還包括計量或在包裝件』二蓋印等工序．食品包裝機械具有自己的特點：1)種類繁多，功能各異，較新快．目前世界上包裝機械的品種已達(dá)到2 000種左右，這還不包括一些輔助機械和包裝材料機械、包裝容器的加工機械在內(nèi)．隨著社會產(chǎn)品不斷增多，包裝材料和包裝工藝的變換，包裝機構(gòu)的運動副*較新，并向較高的技術(shù)水平發(fā)展．2)包裝機械機構(gòu)復(fù)雜，要求動作精確，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：l：藝等)，對包裝機械的設(shè)計和制造要求高(如精度、剛度和耐磨性等)．
1 食品包裝機械實現(xiàn)自動控制的必要性
食品和包裝機械形成行業(yè)已20多年，相對于食品工業(yè)，還是一個新行業(yè)．目前國內(nèi)食品包裝機械企業(yè)組合化和機電一體化生產(chǎn)力較低，多數(shù)食品包裝機械企業(yè)以生產(chǎn)單機為主，生產(chǎn)效率低、能耗高，穩(wěn)定性和可靠性差，控制技術(shù)和自動化技術(shù)應(yīng)用較少．這幾年是世界技術(shù)飛速發(fā)展的時期，新技術(shù)不斷在行業(yè)上應(yīng)用，而國內(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*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需求，對食品包裝機械提出了以下要求：1)食品包裝機械的生產(chǎn)效率越高越好．2)食品包裝機械具有很高的柔性和靈活性，能有效保證包裝機械可根據(jù)被包裝物品的要求和包裝材料的不同，實現(xiàn)包裝規(guī)格化、標(biāo)準(zhǔn)化，符合集合包裝的要求．3)對食品包裝機械在工作過程中發(fā)生的故障要*排除．4)食品包裝機械具有自動識別功能．5)食品包裝機械的包裝過程要實現(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，實現(xiàn)食品包裝機械的自動化，尤其是實現(xiàn)具有高度柔性的自動包裝線，不僅體現(xiàn)了現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展方向，同時也可以使企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟效益．
2 食品包裝機械實現(xiàn)自動控制的途徑
自動化技術(shù)可有效提高食品包裝機械的國內(nèi)外競爭力，對我國食品包裝機械發(fā)展具有重要意義，是我國食品包裝機械發(fā)展的必由之路．
2．1 食品包裝機械的控制方式
食品從生產(chǎn)到包裝，整個過程可采用3種控制方式：開環(huán)控制，對產(chǎn)品質(zhì)量和包裝要求不高的食品包裝機械，可采用此種方式．成本低、可靠性高是其優(yōu)勢．閉環(huán)控制，利用安裝在食品包裝機械上的各種傳感器檢測設(shè)備的工作狀態(tài)，并將檢測到的信息反饋到設(shè)備的控制器來實現(xiàn)閉環(huán)控制．對產(chǎn)品質(zhì)量和包裝要求高的食品包裝機械，可采用此種方式．半閉環(huán)控制，利用安裝在食品包裝機械上某些位置的傳感器檢測設(shè)備的工作狀態(tài)，這些檢測到的信息只是間接反映了設(shè)備的工作狀態(tài)．對產(chǎn)品質(zhì)量和包裝要求較高的食品包裝機械，半閉環(huán)控制是可以選擇．
2．2食品包裝機械上的控制器
自動化控制產(chǎn)品已逐步應(yīng)用在食品包裝機械行業(yè)．就目前在食品包裝機械上采用的控制器而言，可以分為以下幾類、’：1)采用簡單的繼電器回路，利用按鈕對設(shè)備進(jìn)行操作控制，設(shè)備功能單一固定，柔性差，自動化水平低．2)使用可編程邏輯控制器(PLC)強大的順序控制和邏輯控制功能，對食品包裝機械進(jìn)行控制，設(shè)備的可靠性和靈活性得到較大的提升；同時為了方便操作人員操縱設(shè)備，采用人機交互圖形界面(HMI)，交互性好，食品包裝機械的自動化水平得到*提高，這也是目前在國內(nèi)食品包裝機械應(yīng)用較廣泛的一種方式．3)總線技術(shù)的成熟，使在食品包裝機械上使用PROFIBUS—DP、CC—LINK和DEVI—CENET等現(xiàn)場總線技術(shù)、遠(yuǎn)程I／O技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)成為事實．這在一定程度上發(fā)揮了自動化產(chǎn)品的優(yōu)勢，為整個生產(chǎn)線的無人化操作以及為設(shè)備的傳動、檢測等工序的無縫銜接提供了便利．4)采用計算機作為主控機，PLC等工業(yè)計算機作為現(xiàn)場控制器，對設(shè)備進(jìn)行管理．
同時PackML技術(shù)在食品包裝機械上的應(yīng)用，使得食品包裝機械自動化技術(shù)進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化，控制接口規(guī)范化，提高設(shè)備的靈活性和市場適應(yīng)能力．
2．3食品包裝機械上的驅(qū)動技術(shù)
食品包裝機械的動作組成多，動作細(xì)，速度快，而且各個動作在設(shè)備的工作過程中要協(xié)調(diào)一致，以便實現(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)的食品包裝機械一般采用一個主電機作為動力源，通過復(fù)雜的機械傳動，實現(xiàn)各個分動作．整個機械結(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**的伺服驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用到食品包裝機械上，可以使整個設(shè)備的機械傳動裝置得到精簡．如在食品包裝機械上應(yīng)用三軸聯(lián)動或多軸聯(lián)動伺服驅(qū)動技術(shù)，既能保證設(shè)備可靠高效的運行，又能使整個設(shè)備的機械傳動機構(gòu)簡單化．食品包裝機械上常用的伺服電機有步進(jìn)電機、直流電機和交流電機，設(shè)備的速度控制可通過步進(jìn)電機的細(xì)分技術(shù)、直流電機的PWM技術(shù)、交流電機的變頻技術(shù)等來實現(xiàn)．
伺服驅(qū)動技術(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)食品包裝機械中采用的伺服驅(qū)動技術(shù)不同，將其劃分高、中、低檔，這與食品包裝機械采用的控制方式相對應(yīng)，有利于食品包裝機械的產(chǎn)品升級．
2．4食品包裝機械上的傳感器
要實現(xiàn)食品包裝機械設(shè)備的自動化，在設(shè)備上安裝傳感器是**的．如在食品飲料存儲罐的監(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．廣東組合秤領(lǐng)域，有一家規(guī)模制造企業(yè)，就是廣東精威智能機器有限公司，這家企業(yè)產(chǎn)品線寬且深，象上述四類傳感器，產(chǎn)品線上都用到了，而且每一類都是大量使用到的。
3 食品包裝機械自動化的發(fā)展方向
3．1 食品包裝機械的數(shù)控化
將開發(fā)數(shù)控機床的成功經(jīng)驗應(yīng)用到食品包裝機械的設(shè)計與開發(fā)上，采用數(shù)字控制，可以應(yīng)用程序來控制食品包裝機械的包裝過程和包裝動作，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械的設(shè)備**．
3．2食品包裝機械的信息一體化
    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)用到食品包裝機械上，可以大大縮短設(shè)備的設(shè)計開發(fā)周期，在設(shè)計過程中可應(yīng)用人機工程學(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；對設(shè)計出來的結(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)計滿足綠色環(huán)保的要求；應(yīng)用CAPP技術(shù)將產(chǎn)品的各個零件盡量標(biāo)準(zhǔn)化，對零件進(jìn)行編碼歸類，對每一類零件進(jìn)行加工工藝規(guī)劃，存儲到加工知識庫中；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．食品包裝機械設(shè)備從市場需求和調(diào)研開始，到最后設(shè)備的維修和保養(yǎng)整個過程可以統(tǒng)一歸納到CIMS中去．在食品包裝機械上采用CAX技術(shù)，有利于適應(yīng)市場快速多變的需求8-9．
3．3食品包裝機械監(jiān)控和故障診斷智能化
    為了提高食品包裝機械的自動化程度，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*系統(tǒng)．利用多傳感器信息融合的監(jiān)控系統(tǒng)，對設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控．發(fā)現(xiàn)問題時，可利用設(shè)備故障診斷*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*實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和設(shè)備故障診斷、自動排除，減少人工參與，保證食品包裝機械生產(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．同時借助現(xiàn)有的商用網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備制造商可以很輕松實現(xiàn)異地對生產(chǎn)線的監(jiān)控、診斷和修改，提高自己的產(chǎn)品在市場上的競爭力．
4 結(jié)束語
在“十二五”期間，食品包裝機械總產(chǎn)值可望突破4000億元。”。目前在食品包裝機械快速發(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械設(shè)計中，應(yīng)注重提高設(shè)備的自動化水平，在設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中充分應(yīng)用**的控制和伺服驅(qū)動技術(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，以實現(xiàn)設(shè)備的完全自動化、高效化、節(jié)能化、綠色化．
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