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熟食自动化无菌包装生产线的设计

范文

张华杨学敏

摘?要：当今社会， “有机”“低脂”“无添加”，成为消费者的热搜关键词。而无添加的熟食因保质期太短无法远距离携带和保存，熟食自动化无菌包装生产线利用正压无菌风保持操作室内无菌状态，在保持食物味道的基础上，极大地提高了产品的保质期。

关键词：熟食;无菌包装;生产线

中图分类号：TB?文献标识码：A?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.07.075

0?引言

自古以来民以食为天，中国是一个拥有五千年文明历史的国度，这里的饮食文化更是博大精深。从东北的手把肉、烤羊腿再到广东的文昌鸡、烤乳猪，各地的美食无时无刻不触动着旅行者的神经和味蕾。熏鸡是内蒙古的传统名食，制作加工有近百年的历史，同扒鸡、烧鸡并称为全国三大名鸡，因肉质鲜嫩、色泽红润、味道醇香、骨利肉酥，深受内蒙古中西部地区百姓的喜爱，目前仅在呼和浩特地区就有几十家熏鸡的售卖店。但因其近百年来熏鸡的加工方法一直沿用传统的大锅卤煮2-3小时，捞出沥水，再放到烤箱中用180℃的糖烟进行熏烤3分钟的制作工艺。传统的加工制作方法虽然最大限度地保留了食物的营养价值、色泽和口感，但保质期仅为2-3天，无法远距离携带和保存，本文设计的熟食自动化无菌包装生产线，利用正压无菌风保持操作室内无菌状态，在保持食物味道的基础上，可以大幅提高产品的保质期。

1?熟食自动化无菌包装生产线整体机构设计

熟食自动化无菌包装生产线由烤箱、转接装置、传送带、包装机、无菌室、电气控制柜六部分组成，熟食自动化无菌包装生产线结构图如图1所示。

熟食转接装置、传送带、包装机都被罩在无菌室内，电气控制柜它是整套生产线的大脑，指挥生产线完成熟食的熏烤、传送以及包装等的一系列动作。

烤箱：烤箱由外壳、烤架以及糖盘三部分组成，是熏烤熟食最关键的装置，为方便人工装载熏制食物和无菌包装设置了两道门。

转接装置：用于将烤箱里熏制完成的食物从烤箱里搬运到传送带上。

传送带：将烤箱里熏制好的食物运输到包装机位置。

包装机：将滑落到包装机内的熟食进行包装，并且保证包装切断封口不会伤害熟食的外观。

无菌室：将转接装置、传送带、包装机都罩在其中，并通过无菌气泵源源不断地为其吹入无菌风，保证熟食转运、传送、包装过程中不接触空气中的细菌。

电气控制柜：是整套生产线的大脑，指挥生产线完成熟食的熏烤、传送以及包装等的一系列动作。

自动工作模式：烤箱对糖盘加热，产生糖烟，对熟食进行熏制，熏制完成，烤箱停止加热，烤箱上的第二道门自动打开，转接装置启动运行，当转接装置碰到烤箱内的旋转装置后产生倾斜，将熏制好的熟食滑落到转接装置上，后又通过传送带将熟食送到包装机上进行包装。

2?机械结构设计

2.1?烤箱

烤箱高1800mm，宽900mm，由外壳、烤架以及糖盘三部分组成，外壳采用304钢。外壳上有两道面对面开启的门，第一道门是为方便人工将待熏烤的熟食放入可旋转的熏烤架;第二道门在自动工作模式下熏烤完成自动开启，将食品送入无菌室内的转接装置，在熟食熏制的时候这两道门是关闭的。烤架是由传送链条和旋转载物笼构成，载物笼是半圆形的，以悬挂的方式安装在传送链条上，载物笼以竖直的状态（为了保持放入的熟食不改变姿态）随着链条的运动在烤箱里旋转，一个载物籠里可以同时放入三只鸡（熏烤其它食物时需要更换），烤箱的箱体里固定着两根齿条，在两根齿条的正上方分别z装有两副导轨，为了安装转接装置。烤箱的外部装有交流220V的减速电机，电机通过联轴器带动链轮一起旋转，这样确保了每只鸡在熏制的过程中受到的糖烟量是均匀的，烤架的整体是可以从烤箱中取出的，这样便于烤架的清洗和消毒;烤架的下面是糖盘，经180℃的高温产生糖烟，完成熟食熏制。

2.2?转接装置

转接装置是用于将烤箱里熏制完成的食物搬运到传送带上的装置。转接装置是半圆形的，将这个半圆形一劈为二，一半固定在箱体导轨的滑块上，可以绕着滑块旋转，在转接装置装满的时候它是闭合的，在需要将食物放到传输带上的时候自动打开，实现转接装置闭合及张开的两种状态;另一半上装有直流电机，直流电机同时驱动着两个齿轮，这两个齿轮分别于两条齿条啮合，通过直流电机的正反转，使转接装置可以通过烤箱上的第二道门出入烤箱，实现了将熏烤好的食物搬运到传送带上的功能。

2.3?传送带

在交流220V减速电机的驱动下，将烤箱里熏制好的熏鸡运输到包装机位置，传送带采用的是不锈钢链式传动，因为熏鸡的表面有糖和油，传送带在运输熏鸡的过程中会有糖和油沾到传送带上，采用不锈钢金属传送链有利于清洗也保证了传送带的使用寿命。传送带的末端是一个有一定倾斜角度的圆锥形漏斗，当熏鸡运动到传送带的末端时，熏鸡就会滑落到倾斜的圆锥漏斗里，熏鸡以竖直的姿态从漏斗里滑出。

2.4?包装机

在步进电机的驱动下，将从漏斗里滑出的熏鸡进行包装。包装机由纸卷筒、象鼻式成型器、拉纸轮、热封器、切刀和步进电机组成，包装纸从卷筒经拉纸轮辊下来，通过象鼻式成型器形成袋筒，经包装机进口处的拉纸轮将袋筒辊进包装机，此时热封器对袋筒进行纵向热封，当纵向热封的长度达到设定值时，启动切刀进行切断封口，此时便完成了一次热封包装。为了在切断封口的时候不伤到熏鸡，保证熏鸡完全从包装机内离开，这里采用了步进电机作为包装机的驱动，因为步进电机可以按照我们设定的长度尺寸从而走出相应的距离。

2.5?无菌室

通过密封胶将亚格力板拼接成高为300mm，宽为900mm的壳体，壳体上有进风口和排风口，进风口将无菌泵吹出来的无菌风从此口进入到无菌室里，排风口用于将无菌室里多余的无菌风排出，从而保证了无菌室里始终是新鲜的无菌风。

3?气动回路设计

3.1?气动回路

使用2个二位五通电磁阀来单独控制每个气缸的单独动作，气动回路图如图2所示。

3.2?气动执行元件选择

根据控制要求，以上机构所需气缸需要气缸可在一定范围内自由伸缩，行程距离为200mm和350mm，可调节气压，且具有磁性，可安装节流阀，传感器。所以选择MAL25-200和MAL25-350气缸。

3.3?气源选择

气源采用无菌泵来提供，空气压缩机有电动机直接压缩，气压可在0～5Mpa之间调节，符合所选用气缸的要求，所以是气源的最佳选择。

3.4?气动控制元件选择

气动控制元件必须可以接收PLC的输出信号，且可控制气体的通断，所以选择ZPCAC的二位五通双控电磁阀，且额定电压为DC24V 3.0W。

4?电路设计

4.1?控制原理

第一步，在手动模式下，将烤箱的第一道门打开，按下控制柜上的放熏鸡按钮，在电机的驱动下烤箱内的链条带着载鸡笼旋转运行，当载鸡笼旋转到第一道门口时，松开放鸡按钮电机停止，人工进行将煮熟的鸡放入到载鸡笼里，重复以上步骤，直到每个载鸡笼里都放满鸡子即可。

第二步，打到自动模式后按下启动按钮，此时烤箱上的电机启动，同时给糖盘以180℃的高温进行加热产生糖烟，链条带着载鸡笼在烤箱内旋转起来，对鸡子进行熏制，3分钟后熏制完毕，烤箱电机自动停止，等待1分钟后烤箱上第二道门在气缸的作用下自动打开。

第三步，烤箱上第二道门后接鸡装置上的直流电机正转启动，接鸡装置通过烤箱上的第二道门进入烤箱内，当接鸡装置上的限位开关被触动后直流电机停止运行，同时烤箱电机启动带着载鸡笼旋转，当载鸡笼碰到接鸡装置的卡点后产生倾斜将熏鸡滑落到接鸡装置里。

第四步，当接鸡装置上的光电传感器检测到熏鸡时，烤箱电机停止，接鸡装置上的直流电机反转，驱动着接鸡装置从烤箱里移动出来，当接鸡装置上的另一个限位开关被触动后，直流电机停止延时0.5s后在气缸的作用下，接鸡装置打开熏鸡滑落到传送带上。

第五步，在传送带的作用下熏鸡向包装机的方向运行过去，当熏鸡运行到传送带的末端后掉入漏斗里，被漏斗里的传感器检测到后，传送带停止运行，此时步进电机启动对熏鸡进行包装，当步进电机运行到设定的距离后停止同时切缝装置启动进行切断封口，封口后传送带再次启动，重复以上步骤，直到将烤箱里的熏鸡全部包装完毕，设备停止运行。

4.2?电气元件选择

（1）控制器：因包装机由步进电机控制，所以PLC需选用带有晶体管输出的型号，又因PLC需要13个输入点和9个输出点，结合两者要求，选用西门子CPU226 DC/DC/DC。

（2）开关电源：PLC与传感器上需接24V直流电源，所以需使用开关电源将220V交流电源变为24V直流电源。

（3）步进电机及驱动器：包装机由步进电机控制，步进电机需至少有两相，所以选用步科的步进驱动器Kinco 2M-530与步进电机2S58Q-02976。

（4）交流220V减速电机：额定电压为220V，额定功率为60W，转速：3000r/min，减速比为1∶6。

（5）直流减速电机：额定电压24V，转速为25r/min。

（5）传感器：每个气缸上安装两个磁性开关，转接装置上安装一个光电传感器，传送带末端安装对射式传感器。

4.3?PLC I/O口分配

熟食自动化无菌包装生产线控制器PLC的I/O口分配见表1所示。

4.4?电气原理图

熟食自动化无菌包装生产线电气原理图，如图3所示。

4.5?控制程序

熟食自动化无菌包装生产线部分程序如图4所示。

参考文献

[1]吕景泉.自动化生产线安装与调试（2版）[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[2]苟晓卫.PLC与触摸屏快速入门与实践[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[3]宋宇，朱伟华.传感器与自动检测技术[M].北京：北京理工大學出版社，2013.

[4]刘军营.液压与气压传动[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.

[5]王志新.电机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

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