熟食自動(dòng)化無(wú)菌包裝生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)

張華 楊學(xué)敏

摘?要：當(dāng)今社會(huì)， “有機(jī)”“低脂”“無(wú)添加”，成為消費(fèi)者的熱搜關(guān)鍵詞。而無(wú)添加的熟食因保質(zhì)期太短無(wú)法遠(yuǎn)距離攜帶和保存，熟食自動(dòng)化無(wú)菌包裝生產(chǎn)線利用正壓無(wú)菌風(fēng)保持操作室內(nèi)無(wú)菌狀態(tài)，在保持食物味道的基礎(chǔ)上，極大地提高了產(chǎn)品的保質(zhì)期。

關(guān)鍵詞：熟食;無(wú)菌包裝;生產(chǎn)線

中圖分類號(hào)：TB?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.07.075

0?引言

自古以來(lái)民以食為天，中國(guó)是一個(gè)擁有五千年文明歷史的國(guó)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(wú)時(shí)無(wú)刻不觸動(dòng)著旅行者的神經(jīng)和味蕾。熏雞是內(nèi)蒙古的傳統(tǒng)名食，制作加工有近百年的歷史，同扒雞、燒雞并稱為全國(guó)三大名雞，因肉質(zhì)鮮嫩、色澤紅潤(rùn)、味道醇香、骨利肉酥，深受內(nèi)蒙古中西部地區(qū)百姓的喜愛(ài)，目前僅在呼和浩特地區(qū)就有幾十家熏雞的售賣店。但因其近百年來(lái)熏雞的加工方法一直沿用傳統(tǒng)的大鍋鹵煮2-3小時(shí)，撈出瀝水，再放到烤箱中用180℃的糖煙進(jìn)行熏烤3分鐘的制作工藝。傳統(tǒng)的加工制作方法雖然最大限度地保留了食物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、色澤和口感，但保質(zhì)期僅為2-3天，無(wú)法遠(yuǎn)距離攜帶和保存，本文設(shè)計(jì)的熟食自動(dòng)化無(wú)菌包裝生產(chǎn)線，利用正壓無(wú)菌風(fēng)保持操作室內(nèi)無(wú)菌狀態(tài)，在保持食物味道的基礎(chǔ)上，可以大幅提高產(chǎn)品的保質(zhì)期。

1?熟食自動(dòng)化無(wú)菌包裝生產(chǎn)線整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

熟食自動(dòng)化無(wú)菌包裝生產(chǎn)線由烤箱、轉(zhuǎn)接裝置、傳送帶、包裝機(jī)、無(wú)菌室、電氣控制柜六部分組成，熟食自動(dòng)化無(wú)菌包裝生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

熟食轉(zhuǎn)接裝置、傳送帶、包裝機(jī)都被罩在無(wú)菌室內(nèi)，電氣控制柜它是整套生產(chǎn)線的大腦，指揮生產(chǎn)線完成熟食的熏烤、傳送以及包裝等的一系列動(dòng)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(guān)鍵的裝置，為方便人工裝載熏制食物和無(wú)菌包裝設(shè)置了兩道門。

轉(zhuǎn)接裝置：用于將烤箱里熏制完成的食物從烤箱里搬運(yùn)到傳送帶上。

傳送帶：將烤箱里熏制好的食物運(yùn)輸?shù)桨b機(jī)位置。

包裝機(jī)：將滑落到包裝機(jī)內(nèi)的熟食進(jìn)行包裝，并且保證包裝切斷封口不會(huì)傷害熟食的外觀。

無(wú)菌室：將轉(zhuǎn)接裝置、傳送帶、包裝機(jī)都罩在其中，并通過(guò)無(wú)菌氣泵源源不斷地為其吹入無(wú)菌風(fēng)，保證熟食轉(zhuǎn)運(yùn)、傳送、包裝過(guò)程中不接觸空氣中的細(xì)菌。

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

自動(dòng)工作模式：烤箱對(duì)糖盤加熱，產(chǎn)生糖煙，對(duì)熟食進(jìn)行熏制，熏制完成，烤箱停止加熱，烤箱上的第二道門自動(dòng)打開，轉(zhuǎn)接裝置啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)接裝置碰到烤箱內(nèi)的旋轉(zhuǎn)裝置后產(chǎn)生傾斜，將熏制好的熟食滑落到轉(zhuǎn)接裝置上，后又通過(guò)傳送帶將熟食送到包裝機(jī)上進(jìn)行包裝。

2?機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(duì)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(zhuǎn)的熏烤架;第二道門在自動(dòng)工作模式下熏烤完成自動(dòng)開啟，將食品送入無(wú)菌室內(nèi)的轉(zhuǎn)接裝置，在熟食熏制的時(shí)候這兩道門是關(guān)閉的?？炯苁怯蓚魉玩湕l和旋轉(zhuǎn)載物籠構(gòu)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(tài)（為了保持放入的熟食不改變姿態(tài)）隨著鏈條的運(yùn)動(dòng)在烤箱里旋轉(zhuǎn)，一個(gè)載物籠里可以同時(shí)放入三只雞（熏烤其它食物時(shí)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(dǎo)軌，為了安裝轉(zhuǎn)接裝置?？鞠涞耐獠垦b有交流220V的減速電機(jī)，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)鏈輪一起旋轉(zhuǎn)，這樣確保了每只雞在熏制的過(guò)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(jīng)180℃的高溫產(chǎn)生糖煙，完成熟食熏制。

2.2?轉(zhuǎn)接裝置

轉(zhuǎn)接裝置是用于將烤箱里熏制完成的食物搬運(yùn)到傳送帶上的裝置。轉(zhuǎn)接裝置是半圓形的，將這個(gè)半圓形一劈為二，一半固定在箱體導(dǎo)軌的滑塊上，可以繞著滑塊旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)接裝置裝滿的時(shí)候它是閉合的，在需要將食物放到傳輸帶上的時(shí)候自動(dòng)打開，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接裝置閉合及張開的兩種狀態(tài);另一半上裝有直流電機(jī)，直流電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)著兩個(gè)齒輪，這兩個(gè)齒輪分別于兩條齒條嚙合，通過(guò)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)接裝置可以通過(guò)烤箱上的第二道門出入烤箱，實(shí)現(xiàn)了將熏烤好的食物搬運(yùn)到傳送帶上的功能。

2.3?傳送帶

在交流220V減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，將烤箱里熏制好的熏雞運(yùn)輸?shù)桨b機(jī)位置，傳送帶采用的是不銹鋼鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)，因?yàn)檠u的表面有糖和油，傳送帶在運(yùn)輸熏雞的過(guò)程中會(huì)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(gè)有一定傾斜角度的圓錐形漏斗，當(dāng)熏雞運(yùn)動(dòng)到傳送帶的末端時(shí)，熏雞就會(huì)滑落到傾斜的圓錐漏斗里，熏雞以豎直的姿態(tài)從漏斗里滑出。

2.4?包裝機(jī)

在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，將從漏斗里滑出的熏雞進(jìn)行包裝。包裝機(jī)由紙卷筒、象鼻式成型器、拉紙輪、熱封器、切刀和步進(jìn)電機(jī)組成，包裝紙從卷筒經(jīng)拉紙輪輥下來(lái)，通過(guò)象鼻式成型器形成袋筒，經(jīng)包裝機(jī)進(jìn)口處的拉紙輪將袋筒輥進(jìn)包裝機(jī)，此時(shí)熱封器對(duì)袋筒進(jìn)行縱向熱封，當(dāng)縱向熱封的長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)切刀進(jìn)行切斷封口，此時(shí)便完成了一次熱封包裝。為了在切斷封口的時(shí)候不傷到熏雞，保證熏雞完全從包裝機(jī)內(nèi)離開，這里采用了步進(jìn)電機(jī)作為包裝機(jī)的驅(qū)動(dòng)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)可以按照我們?cè)O(shè)定的長(zhǎng)度尺寸從而走出相應(yīng)的距離。

2.5?無(wú)菌室

通過(guò)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(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口將無(wú)菌泵吹出來(lái)的無(wú)菌風(fēng)從此口進(jìn)入到無(wú)菌室里，排風(fēng)口用于將無(wú)菌室里多余的無(wú)菌風(fēng)排出，從而保證了無(wú)菌室里始終是新鮮的無(wú)菌風(fēng)。

3?氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

3.1?氣動(dòng)回路

使用2個(gè)二位五通電磁閥來(lái)單獨(dú)控制每個(gè)氣缸的單獨(dú)動(dòng)作，氣動(dòng)回路圖如圖2所示。

3.2?氣動(dòng)執(zhí)行元件選擇

根據(jù)控制要求，以上機(jī)構(gòu)所需氣缸需要?dú)飧卓稍谝欢ǚ秶鷥?nèi)自由伸縮，行程距離為200mm和350mm，可調(diào)節(jié)氣壓，且具有磁性，可安裝節(jié)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(wú)菌泵來(lái)提供，空氣壓縮機(jī)有電動(dòng)機(jī)直接壓縮，氣壓可在0～5Mpa之間調(diào)節(jié)，符合所選用氣缸的要求，所以是氣源的最佳選擇。

3.4?氣動(dòng)控制元件選擇

氣動(dòng)控制元件必須可以接收PLC的輸出信號(hào)，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(shè)計(jì)

4.1?控制原理

第一步，在手動(dòng)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(jī)的驅(qū)動(dòng)下烤箱內(nèi)的鏈條帶著載雞籠旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，當(dāng)載雞籠旋轉(zhuǎn)到第一道門口時(shí)，松開放雞按鈕電機(jī)停止，人工進(jìn)行將煮熟的雞放入到載雞籠里，重復(fù)以上步驟，直到每個(gè)載雞籠里都放滿雞子即可。

第二步，打到自動(dòng)模式后按下啟動(dòng)按鈕，此時(shí)烤箱上的電機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)給糖盤以180℃的高溫進(jìn)行加熱產(chǎn)生糖煙，鏈條帶著載雞籠在烤箱內(nèi)旋轉(zhuǎn)起來(lái)，對(duì)雞子進(jìn)行熏制，3分鐘后熏制完畢，烤箱電機(jī)自動(dòng)停止，等待1分鐘后烤箱上第二道門在氣缸的作用下自動(dòng)打開。

第三步，烤箱上第二道門后接雞裝置上的直流電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)，接雞裝置通過(guò)烤箱上的第二道門進(jìn)入烤箱內(nèi)，當(dāng)接雞裝置上的限位開關(guān)被觸動(dòng)后直流電機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)烤箱電機(jī)啟動(dòng)帶著載雞籠旋轉(zhuǎn)，當(dāng)載雞籠碰到接雞裝置的卡點(diǎn)后產(chǎn)生傾斜將熏雞滑落到接雞裝置里。

第四步，當(dāng)接雞裝置上的光電傳感器檢測(cè)到熏雞時(shí)，烤箱電機(jī)停止，接雞裝置上的直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)著接雞裝置從烤箱里移動(dòng)出來(lái)，當(dāng)接雞裝置上的另一個(gè)限位開關(guān)被觸動(dòng)后，直流電機(jī)停止延時(shí)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(jī)的方向運(yùn)行過(guò)去，當(dāng)熏雞運(yùn)行到傳送帶的末端后掉入漏斗里，被漏斗里的傳感器檢測(cè)到后，傳送帶停止運(yùn)行，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)對(duì)熏雞進(jìn)行包裝，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行到設(shè)定的距離后停止同時(shí)切縫裝置啟動(dòng)進(jìn)行切斷封口，封口后傳送帶再次啟動(dòng)，重復(fù)以上步驟，直到將烤箱里的熏雞全部包裝完畢，設(shè)備停止運(yùn)行。

4.2?電氣元件選擇

（1）控制器：因包裝機(jī)由步進(jìn)電機(jī)控制，所以PLC需選用帶有晶體管輸出的型號(hào)，又因PLC需要13個(gè)輸入點(diǎn)和9個(gè)輸出點(diǎn)，結(jié)合兩者要求，選用西門子CPU226 DC/DC/DC。

（2）開關(guān)電源：PLC與傳感器上需接24V直流電源，所以需使用開關(guān)電源將220V交流電源變?yōu)?4V直流電源。

（3）步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器：包裝機(jī)由步進(jìn)電機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)需至少有兩相，所以選用步科的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器Kinco 2M-530與步進(jìn)電機(jī)2S58Q-02976。

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

（5）直流減速電機(jī)：額定電壓24V，轉(zhuǎn)速為25r/min。

（5）傳感器：每個(gè)氣缸上安裝兩個(gè)磁性開關(guān)，轉(zhuǎn)接裝置上安裝一個(gè)光電傳感器，傳送帶末端安裝對(duì)射式傳感器。

4.3?PLC I/O口分配

熟食自動(dòng)化無(wú)菌包裝生產(chǎn)線控制器PLC的I/O口分配見(jiàn)表1所示。

4.4?電氣原理圖

熟食自動(dòng)化無(wú)菌包裝生產(chǎn)線電氣原理圖，如圖3所示。

4.5?控制程序

熟食自動(dòng)化無(wú)菌包裝生產(chǎn)線部分程序如圖4所示。

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