屋頂包裝機的控制技術
關鍵詞：屋頂包裝機；火爐；氣缸
The Control Technicality of Gable-box Packaging Machine
ZHANG you-liang，GOU xiang-min，CHENG yao
(Xian Light Industry Machinery & Design Research Institute,710086,China)
Abstract:This paper resumed the main composition and the technological process of gable-box packaging machine.It tells the main peculiarity of infeeder and former’s control system and the blow and heating system,and the principle of electricity-control of filling system.
Key words:gable-box packaging machine;oven;cylinder
屋頂包裝機是屋頂型包的包裝機，用來包裝不含汽飲料，多用于冷藏保鮮奶的包裝，其保質期為4～7天，現代超市中提供的保鮮奶多采用這種包裝形式。這種環保型包裝的保鮮奶被大多數消費者所接受，尤其方便上班族和旅游者。國內各大的乳品公司紛紛推出不同品牌的屋頂包保鮮奶，產量在逐年提高。國產屋頂包包裝機在國內占有率幾乎為零，振興民族奶制品行業，首先解決包裝設備，在這種背景下，我們吸收國外同類產品的先進技術，結合國內行情，設計出了適應我國國情的BWD50型屋頂包裝機，這里僅對該機的控制技術進行論述。
1.屋頂包包裝機的主要包裝工藝過程
1. 1包裝機的主要組成及功能
屋頂包包裝機主要由機架、傳動系統、取盒裝置、盒底成型機構、盒底加熱機構、盒底封口裝置、盒傳送裝置、盒頂成型機構、灌裝控制系統、灌裝系統、盒頂封口及日期打印機構、循環冷卻系統、風送加熱系統、氣動控制系統、集中潤滑系統、CIP清洗系統等組成。
取盒系統是將預制好的折疊盒片，通過真空吸盤從儲盒器中取出并打開，送到心軸，利用盒底加熱器、成型機構、封口器依次完成盒底的預熱、成型及封口。送盒系統是將封過底的盒子從心軸取出，通過傳送鏈傳送到盒頂成型及灌裝系統。
灌裝系統將液態奶（果汁飲料）灌注到封好底的盒中。在灌裝過程中，液位控制器對產品貯罐的液位進行檢測，將液位控制在允許的精度范圍內，確保灌裝計量的準確，灌裝控制系統檢測傳送鏈上有無紙盒，保證在沒有包裝盒時不灌裝。
盒頂封口是將預成型并灌裝好的盒子進行加熱封口，完成包裝。封口過程中通過加熱封口壓合完成封口。
日期打印是將日期字頭加熱到一定溫度，將日期烙在包裝盒上。也可采用噴碼打印機進行日期打印。為了保證消費者的權益，日期打印是必不可少的。
循環冷卻系統是對整個機器非加熱部件的冷卻降溫，保證機器正常運行及保證產品質量必不可少的部分。在包裝的過程中，包裝封口的溫度在500℃以上，對于靠近加熱器的非加熱部件，隨著包裝的進行，為了解決非加熱部件溫度不斷上升的問題，增加了循環冷卻系統。
風送加熱系統，包裝盒封接的好壞，直接影響包裝質量。盒子的封口是靠紙盒上的鍍塑膜，只能間接加熱，不能直接加熱，并且要求溫度高加熱時間短，否則會破壞膜的均勻度和結構，采用加熱空氣進行間接加熱。風送加熱系統中加熱器功率大體積小，送風停止會立即燒壞加熱器，因此風送加熱系統控制是非常重要的控制環節。
CIP系統即原位清洗系統，是奶制品、果汁、啤酒和飲料等食品加工業的重要設備組成部分，CIP清洗是保證食品加工質量和食品衛生不可缺少的工藝過程。CIP系統是為了防止產品流體和輔助流體被微生物和細菌污染而附加的工藝設備。設備運行前及運行一段時間后，必須對貯料罐、管道、設備上接觸產品流體的關鍵部位進行物理和化學清洗，清除可導致產品污染、變質的微生物和其它雜質，如礦物質結垢、奶垢等，使包裝后的食品有一定的保質期和貨架壽命。
1. 2包裝工藝流程
圖 1 包裝過程工藝流程圖
圖1所示屋頂包包裝機包裝過程工藝流程圖，可主要分為三個過程，制盒、灌裝和封口。制盒過程包括取盒張開、盒底成型和封盒底，灌裝過程包括盒傳送，盒檢測，灌裝（必要時進行CIP清洗），封口過程包括盒頂封口和日期打印。
2.主要控制過程
屋頂包包裝機的主機控制、安全控制同其它包裝機控制大同小異，對其控制過程和原理不再敘述，主要對取盒和盒成型、風送加熱系統、灌裝和CIP清洗系統控制的原理和過程進行論述。
2.1取盒及盒成型的控制
取盒及盒底成型是將預制疊放的紙盒吸出張開，成型、封盒底制成包裝盒半成品，輸送到傳送鏈供給包裝的下一道工序。
取盒及盒底成型的控制主要是由氣動控制系統完成，其原理圖如下圖所示。
取盒氣缸由閥QKF1控制換向，電磁閥Y4得電并且機控閥JKF1被觸發后，QKF1換向，氣杠桿伸出，真空吸盤取盒，并將其張開成長方體。JKF2被觸發后，JKF1回位，QKF1換向，氣杠桿回縮，真空吸盤將張開的盒子松開，傳送到心軸。盒子經過盒底成型機構預折成型，盒底加熱機構加熱后，由盒底成型氣缸進行壓合封口。
電磁閥Y1起安全保護作用，故障停機時，Y1失電，彈簧使閥回位，盒底及盒頂加熱火爐抬起，同時壓縮空氣噴嘴（圖中未示出）向火爐口吹出沒有潤滑過的潔凈空氣，以免火爐過熱，烤壞周圍的非加熱部件。正常灌裝情況下，Y1得電，這兩個氣缸處于回縮位置。盒底成型氣缸由閥QKF2控制換向，QKF3為QKF2供氣。當機控閥JKF5、JKF4、JKF3被依次觸發后，QKF2換向，盒底成型氣缸
實現伸出、封口、回縮三個動作，將盒底壓合封好，由出盒裝置送到傳送鏈上。由于有減壓閥TY1，氣缸伸出動作比封口和回縮動作要慢。Y1失電后，將不給JKF3、JKF4、JKF5供氣，氣流經過梭閥SF1控制QKF3和QKF2，使盒底成型氣缸縮回，以免碰壞盒底成型器。
2.2風送加熱控制系統
圖 3 屋頂包包裝機風送加熱控制原理圖
風送加熱系統在屋頂包包裝機中是一個獨立的閉環控制系統，包括鼓風機、盒底加熱火爐、盒頂加熱火爐、內循環水電機等，控制原理圖如圖3所示。S12、S13旋鈕開關控制盒底加熱火爐和盒頂加熱火爐及鼓風機、內循環水電機的控制電源，分別由K4M、K5M、K3M、K3M控制它們的主回路。盒底加熱火爐、盒頂加熱火爐的特點是體積小、功率大（10KW）、提供的熱空氣溫度高（500～530℃）。主回路采用3相380V星型接法，由帶有上下限報警、SSR輸出單元的溫度控制儀表控制。
由于盒底加熱火爐、盒頂加熱火爐的體積小溫度高功率大等特點，在加熱的工程中必須將火爐的熱量送出，以免火爐內部溫度過高燒壞火爐。鼓風機的送風通道就是將火爐加熱的熱空氣（500～530℃）送到加熱部位，進行制盒和封口。通過S17檢測鼓風機的壓力，確保送風系統正常工作，保護火爐不被燒壞。500多度的高溫熱空氣不可避免的要對加熱部件附近非加熱體進行加熱，溫度會不斷升高，會損壞個別部件，使包裝機無法工作。利用S15檢測冷卻水壓力，S16檢測內循環水壓力，保證在包裝過程中內循環水系統的正常工作。通過S15、S16、S17檢測控制K23，保護加熱火爐在鼓風機壓力、冷卻水壓力及內循環水壓力正常情況下加熱。
綜上所述，送風系統對加熱火爐的保護是非常重要和不可缺少的，為了增大加熱火爐的安全系數，本電路設計中采用了S18、S19檢測盒底和盒頂的火爐氣壓，防止S17在失控時保護火爐的安全工作。
還有一個不可忽視的問題是在停產關機時，關掉火爐的主回路時，不能立即關掉鼓風機和內循環電機，否則也會燒壞火爐。因此在設計本電路中，S12、S13選擇三位旋鈕開關，分別控制火爐關、火爐冷卻、火爐開。火爐開時，火爐和鼓風機及內循環水電機均開，冷卻火爐時，關火爐，鼓風機和內循環水電機不關。只有當火爐溫度降到允許溫度時，可將開關轉向火爐關位置。屋頂包包裝機不同于普通包裝機加熱系統，它具有較強的安全保護電路，也是控制電路中的一個重要控制環節。
2.3灌裝系統及其控制過程
2.3.1灌裝部分的主要構成及工作過程
本機采用活塞式定量灌裝泵灌裝。如圖4所示，每次灌裝前無盒
停灌觸發器都要檢測鏈道內是否有紙盒傳來，如果沒有紙盒，則灌裝氣缸頂起，灌裝樞軸組件帶動灌裝驅動桿向下運動，脫離灌裝凸輪，不灌裝。
當灌裝活塞由氣缸帶動向下運動時，進液單向閥打開，物料從料缸進入灌裝腔。氣缸保持向下的拉力，灌裝驅動桿緊貼凸輪，在凸輪的作用下，推動灌裝活塞向上運動，進液單向閥關閉，物料從灌裝腔進入進入灌裝頭，注入紙盒，完成灌裝過程。對不同容積的紙盒，改變紙盒尺寸定位栓的位置，可以相應調整灌裝活塞的運動行程，灌裝量也就隨之改變了。
2.3.2灌裝系統的控制過程
灌裝氣缸由NC-NF動力閥控制換向，灌裝部分的氣控原理圖如如圖5所示。
灌裝前CIP電磁閥Y6處于彈簧控制的常位，將SKF2旋到灌裝位置，SKF1旋到解鎖位置。當無盒不灌裝閥（NC-NF）JKF11被觸發后，泵開連動閥JKF9被壓下，氣流經過JKF11、梭閥SF3控制NC-NF動力閥QKF6換向，使灌裝氣缸杠桿向下縮回，灌裝活塞拉下，物料進入灌裝腔，氣缸繼續保持縮回，通過灌裝樞軸組件和紙盒尺寸定位
栓將灌裝驅動桿頂起貼緊凸輪，使其隨著凸輪的運動曲線運動，灌裝活塞推上，完成灌裝，灌完后紙盒送出。紙盒通過后，無盒停灌觸發
器臂復位，NC-NF閥JKF11復位，泵停連動閥JKF10被觸發，氣流經過復位了的JKF11到達梭閥SF4，控制NC-NF動力閥QKF6換向，使灌裝氣缸向上頂起帶動灌裝驅動桿向下運動，脫離灌裝凸輪，停止灌裝，如此循環往復。
閥QKF7向NC-NF動力閥提供兩種不同壓力的氣源，灌裝時提供約6bar的壓力，不灌裝運行CIP時提供經減壓閥TY3減壓的2.1bar的氣壓，這一路氣經過氣罐穩壓，保持壓力恒定。單向閥DXF保證外接氣源斷開時，氣罐內仍有足夠的壓力完成一個灌裝周期。截止閥KG2在停產時用來排放氣罐內的殘余氣體。閥QKF9也同樣提供兩種不同壓力的氣源，灌裝時提供約6bar的壓力，不灌裝運行CIP時提供經減壓閥TY2減壓的1.0bar的壓力。
閥QKF8在不灌裝運行CIP時向電磁閥Y6供氣，Y6在得電后也能將氣流導引向梭閥SF3，推動NC-NF動力閥換向，從而完成灌裝氣缸的運動周期。流量調節閥TL8和TL9控制調整灌裝氣缸的運動速度。油霧器用來潤滑氣缸。
屋頂包包裝機同其它液體包裝機一樣，在灌裝前后都要進行進行清洗，它具有完整的CIP清洗系統，包裝前后清洗料缸、輸料管道、灌裝閥等。運行CIP時，電磁閥Y6由閥QKF8供氣，這個電磁閥在定時器的控制下，反復換向，使飲料灌裝活塞以每分鐘30次的速度上下運動，從而達到清洗灌裝腔及灌裝活塞的目的。
3.結束語
我們在設計控制系統的過程中，大量采用了氣動控制和氣動執行機構，利用PLC和變頻調速等技術與氣控相結合，成功的設計出了該機的電氣控制系統。氣動裝置安全、高效且沒有污染，采用氣缸可以很容易實現灌裝活塞的直線往復運動，調整流量控制閥可以實現對灌裝速度的調節，調整減壓閥，就可以控制氣缸輸出力的大小，而且氣缸有很強的抗過載能力，它特有的緩沖特性可以使負載減速并平穩停止，不產生沖擊，一般的機械裝置很難做到這一點。本機的安全保護同樣重要，在設計的過程中，采取了多種安全保護。屋頂包包裝機的控制過程比較復雜，還有待于在運行中改進提高。
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