熟食自動化無菌包裝生產線的設計

張華 楊學敏

摘?要：當今社會， “有機”“低脂”“無添加”，成為消費者的熱搜關鍵詞。而無添加的熟食因保質期太短無法遠距離攜帶和保存，熟食自動化無菌包裝生產線利用正壓無菌風保持操作室內無菌狀態，在保持食物味道的基礎上，極大地提高了產品的保質期。

關鍵詞：熟食;無菌包裝;生產線

中圖分類號：TB?文獻標識碼：A?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.07.075

0?引言

自古以來民以食為天，中國是一個擁有五千年文明歷史的國度，這里的飲食文化更是博大精深。從東北的手把肉、烤羊腿再到廣東的文昌雞、烤乳豬，各地的美食無時無刻不觸動著旅行者的神經和味蕾。熏雞是內蒙古的傳統名食，制作加工有近百年的歷史，同扒雞、燒雞并稱為全國三大名雞，因肉質鮮嫩、色澤紅潤、味道醇香、骨利肉酥，深受內蒙古中西部地區百姓的喜愛，目前僅在呼和浩特地區就有幾十家熏雞的售賣店。但因其近百年來熏雞的加工方法一直沿用傳統的大鍋鹵煮2-3小時，撈出瀝水，再放到烤箱中用180℃的糖煙進行熏烤3分鐘的制作工藝。傳統的加工制作方法雖然最大限度地保留了食物的營養價值、色澤和口感，但保質期僅為2-3天，無法遠距離攜帶和保存，本文設計的熟食自動化無菌包裝生產線，利用正壓無菌風保持操作室內無菌狀態，在保持食物味道的基礎上，可以大幅提高產品的保質期。

1?熟食自動化無菌包裝生產線整體機構設計

熟食自動化無菌包裝生產線由烤箱、轉接裝置、傳送帶、包裝機、無菌室、電氣控制柜六部分組成，熟食自動化無菌包裝生產線結構圖如圖1所示。

熟食轉接裝置、傳送帶、包裝機都被罩在無菌室內，電氣控制柜它是整套生產線的大腦，指揮生產線完成熟食的熏烤、傳送以及包裝等的一系列動作。

烤箱：烤箱由外殼、烤架以及糖盤三部分組成，是熏烤熟食最關鍵的裝置，為方便人工裝載熏制食物和無菌包裝設置了兩道門。

轉接裝置：用于將烤箱里熏制完成的食物從烤箱里搬運到傳送帶上。

傳送帶：將烤箱里熏制好的食物運輸到包裝機位置。

包裝機：將滑落到包裝機內的熟食進行包裝，并且保證包裝切斷封口不會傷害熟食的外觀。

無菌室：將轉接裝置、傳送帶、包裝機都罩在其中，并通過無菌氣泵源源不斷地為其吹入無菌風，保證熟食轉運、傳送、包裝過程中不接觸空氣中的細菌。

電氣控制柜：是整套生產線的大腦，指揮生產線完成熟食的熏烤、傳送以及包裝等的一系列動作。

自動工作模式：烤箱對糖盤加熱，產生糖煙，對熟食進行熏制，熏制完成，烤箱停止加熱，烤箱上的第二道門自動打開，轉接裝置啟動運行，當轉接裝置碰到烤箱內的旋轉裝置后產生傾斜，將熏制好的熟食滑落到轉接裝置上，后又通過傳送帶將熟食送到包裝機上進行包裝。

2?機械結構設計

2.1?烤箱

烤箱高1800mm，寬900mm，由外殼、烤架以及糖盤三部分組成，外殼采用304鋼。外殼上有兩道面對面開啟的門，第一道門是為方便人工將待熏烤的熟食放入可旋轉的熏烤架;第二道門在自動工作模式下熏烤完成自動開啟，將食品送入無菌室內的轉接裝置，在熟食熏制的時候這兩道門是關閉的。烤架是由傳送鏈條和旋轉載物籠構成，載物籠是半圓形的，以懸掛的方式安裝在傳送鏈條上，載物籠以豎直的狀態（為了保持放入的熟食不改變姿態）隨著鏈條的運動在烤箱里旋轉，一個載物籠里可以同時放入三只雞（熏烤其它食物時需要更換），烤箱的箱體里固定著兩根齒條，在兩根齒條的正上方分別z裝有兩副導軌，為了安裝轉接裝置。烤箱的外部裝有交流220V的減速電機，電機通過聯軸器帶動鏈輪一起旋轉，這樣確保了每只雞在熏制的過程中受到的糖煙量是均勻的，烤架的整體是可以從烤箱中取出的，這樣便于烤架的清洗和消毒;烤架的下面是糖盤，經180℃的高溫產生糖煙，完成熟食熏制。

2.2?轉接裝置

轉接裝置是用于將烤箱里熏制完成的食物搬運到傳送帶上的裝置。轉接裝置是半圓形的，將這個半圓形一劈為二，一半固定在箱體導軌的滑塊上，可以繞著滑塊旋轉，在轉接裝置裝滿的時候它是閉合的，在需要將食物放到傳輸帶上的時候自動打開，實現轉接裝置閉合及張開的兩種狀態;另一半上裝有直流電機，直流電機同時驅動著兩個齒輪，這兩個齒輪分別于兩條齒條嚙合，通過直流電機的正反轉，使轉接裝置可以通過烤箱上的第二道門出入烤箱，實現了將熏烤好的食物搬運到傳送帶上的功能。

2.3?傳送帶

在交流220V減速電機的驅動下，將烤箱里熏制好的熏雞運輸到包裝機位置，傳送帶采用的是不銹鋼鏈式傳動，因為熏雞的表面有糖和油，傳送帶在運輸熏雞的過程中會有糖和油沾到傳送帶上，采用不銹鋼金屬傳送鏈有利于清洗也保證了傳送帶的使用壽命。傳送帶的末端是一個有一定傾斜角度的圓錐形漏斗，當熏雞運動到傳送帶的末端時，熏雞就會滑落到傾斜的圓錐漏斗里，熏雞以豎直的姿態從漏斗里滑出。

2.4?包裝機

在步進電機的驅動下，將從漏斗里滑出的熏雞進行包裝。包裝機由紙卷筒、象鼻式成型器、拉紙輪、熱封器、切刀和步進電機組成，包裝紙從卷筒經拉紙輪輥下來，通過象鼻式成型器形成袋筒，經包裝機進口處的拉紙輪將袋筒輥進包裝機，此時熱封器對袋筒進行縱向熱封，當縱向熱封的長度達到設定值時，啟動切刀進行切斷封口，此時便完成了一次熱封包裝。為了在切斷封口的時候不傷到熏雞，保證熏雞完全從包裝機內離開，這里采用了步進電機作為包裝機的驅動，因為步進電機可以按照我們設定的長度尺寸從而走出相應的距離。

2.5?無菌室

通過密封膠將亞格力板拼接成高為300mm，寬為900mm的殼體，殼體上有進風口和排風口，進風口將無菌泵吹出來的無菌風從此口進入到無菌室里，排風口用于將無菌室里多余的無菌風排出，從而保證了無菌室里始終是新鮮的無菌風。

3?氣動回路設計

3.1?氣動回路

使用2個二位五通電磁閥來單獨控制每個氣缸的單獨動作，氣動回路圖如圖2所示。

3.2?氣動執行元件選擇

根據控制要求，以上機構所需氣缸需要氣缸可在一定范圍內自由伸縮，行程距離為200mm和350mm，可調節氣壓，且具有磁性，可安裝節流閥，傳感器。所以選擇MAL25-200和MAL25-350氣缸。

3.3?氣源選擇

氣源采用無菌泵來提供，空氣壓縮機有電動機直接壓縮，氣壓可在0～5Mpa之間調節，符合所選用氣缸的要求，所以是氣源的最佳選擇。

3.4?氣動控制元件選擇

氣動控制元件必須可以接收PLC的輸出信號，且可控制氣體的通斷，所以選擇ZPCAC的二位五通雙控電磁閥，且額定電壓為DC24V 3.0W。

4?電路設計

4.1?控制原理

第一步，在手動模式下，將烤箱的第一道門打開，按下控制柜上的放熏雞按鈕，在電機的驅動下烤箱內的鏈條帶著載雞籠旋轉運行，當載雞籠旋轉到第一道門口時，松開放雞按鈕電機停止，人工進行將煮熟的雞放入到載雞籠里，重復以上步驟，直到每個載雞籠里都放滿雞子即可。

第二步，打到自動模式后按下啟動按鈕，此時烤箱上的電機啟動，同時給糖盤以180℃的高溫進行加熱產生糖煙，鏈條帶著載雞籠在烤箱內旋轉起來，對雞子進行熏制，3分鐘后熏制完畢，烤箱電機自動停止，等待1分鐘后烤箱上第二道門在氣缸的作用下自動打開。

第三步，烤箱上第二道門后接雞裝置上的直流電機正轉啟動，接雞裝置通過烤箱上的第二道門進入烤箱內，當接雞裝置上的限位開關被觸動后直流電機停止運行，同時烤箱電機啟動帶著載雞籠旋轉，當載雞籠碰到接雞裝置的卡點后產生傾斜將熏雞滑落到接雞裝置里。

第四步，當接雞裝置上的光電傳感器檢測到熏雞時，烤箱電機停止，接雞裝置上的直流電機反轉，驅動著接雞裝置從烤箱里移動出來，當接雞裝置上的另一個限位開關被觸動后，直流電機停止延時0.5s后在氣缸的作用下，接雞裝置打開熏雞滑落到傳送帶上。

第五步，在傳送帶的作用下熏雞向包裝機的方向運行過去，當熏雞運行到傳送帶的末端后掉入漏斗里，被漏斗里的傳感器檢測到后，傳送帶停止運行，此時步進電機啟動對熏雞進行包裝，當步進電機運行到設定的距離后停止同時切縫裝置啟動進行切斷封口，封口后傳送帶再次啟動，重復以上步驟，直到將烤箱里的熏雞全部包裝完畢，設備停止運行。

4.2?電氣元件選擇

（1）控制器：因包裝機由步進電機控制，所以PLC需選用帶有晶體管輸出的型號，又因PLC需要13個輸入點和9個輸出點，結合兩者要求，選用西門子CPU226 DC/DC/DC。

（2）開關電源：PLC與傳感器上需接24V直流電源，所以需使用開關電源將220V交流電源變為24V直流電源。

（3）步進電機及驅動器：包裝機由步進電機控制，步進電機需至少有兩相，所以選用步科的步進驅動器Kinco 2M-530與步進電機2S58Q-02976。

（4）交流220V減速電機：額定電壓為220V，額定功率為60W，轉速：3000r/min，減速比為1∶6。

（5）直流減速電機：額定電壓24V，轉速為25r/min。

（5）傳感器：每個氣缸上安裝兩個磁性開關，轉接裝置上安裝一個光電傳感器，傳送帶末端安裝對射式傳感器。

4.3?PLC I/O口分配

熟食自動化無菌包裝生產線控制器PLC的I/O口分配見表1所示。

4.4?電氣原理圖

熟食自動化無菌包裝生產線電氣原理圖，如圖3所示。

4.5?控制程序

熟食自動化無菌包裝生產線部分程序如圖4所示。

參考文獻

[1]呂景泉.自動化生產線安裝與調試（2版）[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[2]茍曉衛.PLC與觸摸屏快速入門與實踐[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3]宋宇，朱偉華.傳感器與自動檢測技術[M].北京：北京理工大學出版社，2013.

[4]劉軍營.液壓與氣壓傳動[M].西安：西安電子科技大學出版社，2014.

[5]王志新.電機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2011.