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1 引言     

隨著人們對食品衛(wèi)生的要求不斷提高， 食品的灌裝包裝過程顯得越來越重要。 自動化的灌裝方式不僅能減輕操作人員的勞動強度， 而其能最大限度的減少人員與裸露食品的接觸， 對食品的質(zhì)量保證起到很好的作用。 目前應(yīng)用較為廣泛的非含汽液體灌裝方式主要有兩種： 低真空式灌裝和流量計式灌裝。 而稱重灌裝屬于一種新興灌裝方式， 以其適應(yīng)面廣、 灌裝精度高、 運行穩(wěn)定、 維護簡單等優(yōu)勢得到快速的發(fā)展。

2 各種灌裝方式的特點概述

（ 1 ） 低真空灌裝

這種灌裝方式是在瓶中的壓力低于大氣壓下進行灌裝， 利用真空的作用， 使得料罐中的產(chǎn)品進入到瓶子中去， 并且將瓶中高出設(shè)定液位的液體吸出， 達(dá)到定量灌裝的目的， 這種灌裝方式灌裝機結(jié)構(gòu)較為簡單， 生產(chǎn)效率高， 前期運用相當(dāng)廣泛， 是較早的自動灌裝方式［1］ 。

但由于其定量的方式是固定灌裝的液位， 但容器由于制造過程中的偏差， 每個瓶子的容量差別較大， 液位相同時凈含量偏差較大， 特別是類似 PET 、 PE 罐子， 在灌裝過程中， 受負(fù)壓的影響， 容器容積變化較大［2］ 。 此外， 由于負(fù)壓灌裝要求容器在灌裝過程中是密閉的， 所以灌裝設(shè)備的灌裝閥門必須與瓶口接觸， 這就容易導(dǎo)致一些敏感性的食品受到污染。 目前這種灌裝方式由于設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單， 設(shè)備成本相對低廉， 在一些低附加值的飲料行業(yè)應(yīng)用非常廣泛。

（ 2 ） 流量計式灌裝

流量計式灌裝方式是在每個灌裝閥門上安裝一個流量計用以計量流過該閥門液體體積， 當(dāng)液體體積達(dá)到設(shè)定值時關(guān)閉閥門， 從而達(dá)到定量灌裝的目的。 這種灌裝方式相對低真空灌裝方式定量精度高， 且非接觸式灌裝， 避免了瓶口污染的隱患， 閥門結(jié)構(gòu)簡單， 易于清洗， 且不受容器軟硬程度的影響， 保持灌裝容量的恒定。 該灌裝方式的缺點是適應(yīng)面相對較窄， 無法處理易產(chǎn)生氣泡或者低導(dǎo)電率的液體， 若產(chǎn)品已產(chǎn)生氣泡， 例如醬油、 牛奶等， 則液體的密度不均勻， 液體體積與重量不能相對應(yīng)， 因此流量計無法正確定量。 而對于低導(dǎo)電率或者不導(dǎo)電的液體， 例如食用油等， 流量計無法進行體積計量。

（ 3 ） 稱重式灌裝

稱重式灌裝方式類似于流量計灌裝， 每個灌裝閥門和一個動態(tài)電子秤對應(yīng)， 瓶子置于電子秤上， 當(dāng)秤上的重量達(dá)到設(shè)定值時， 關(guān)閉閥門， 從而達(dá)到定量的目的。 該灌裝方式不僅具有流量計灌裝方式的優(yōu)點， 還克服了流量計灌裝方式適應(yīng)面窄的問題， 不僅適用于液體灌裝， 也適用于低粘稠度醬料、 膏狀物料等物料的灌裝。

從上述對比可以看出， 將稱重技術(shù)應(yīng)用到液體灌裝上可以有效的解決常規(guī)灌裝方法所存在的一些問題。 因此目前國內(nèi)行業(yè)內(nèi)一些知名的灌裝設(shè)備制造企業(yè)都在大力開發(fā)稱重式的灌裝設(shè)備。

3 一種稱重式灌裝系統(tǒng)的簡介

這里介紹的一種稱重式灌裝系統(tǒng)是由編者組織自主研發(fā)并應(yīng)用于生產(chǎn)的一套灌裝設(shè)備， 主要包括主控單元、 計數(shù)單元、 快灌閥門控制單元、 慢灌閥門控制單元的 PLC 控制器［ 3 ］ ， 以及連接儲液罐的快灌閥門和慢灌閥門。

其基本工作原理是， 主控單元用于驅(qū)動履帶控制器，用于傳輸待灌裝的瓶子， 在接收到計數(shù)單元的觸發(fā)后［ 4 ］ ， 驅(qū)動推瓶控制器將等待灌裝的瓶子傳輸至電子秤上，快速閥門、 慢速閥門位于電子稱上方，快灌閥門控制單元、 慢灌閥門控制單元分別用于開啟快灌閥門、 慢灌閥門進行灌裝［ 5 ］ 。 當(dāng)電子秤檢測到灌裝重量達(dá)到第一設(shè)定值時， 觸發(fā)快灌閥門單元關(guān)閉快灌閥門， 當(dāng)電子秤檢測到灌裝重量達(dá)到第二設(shè)定值時， 觸發(fā)慢灌閥門單元關(guān)閉慢灌閥門。

進瓶輸送帶 8 將待灌裝瓶子送入機器內(nèi)部并排列整齊。 計數(shù)傳感器 7記錄進入機器的瓶子數(shù)量并將信號傳遞到 PLC 控制器， 當(dāng)達(dá)到設(shè)定數(shù)量時，PLC 控制器控制止瓶氣缸阻擋后面的瓶子繼續(xù)進入。 這樣就完成了第一步的進瓶過程。

瓶子進入機器后， 推瓶氣缸將待灌裝的瓶子推到電子秤 5 上， 電子秤數(shù)量可以根據(jù)生產(chǎn)線的速度要求， 設(shè)置若干套。 磁感應(yīng)開關(guān)確認(rèn)推瓶到位后， 氣缸退回。 與此同時， 電子秤已經(jīng)完成空瓶重量的稱量并將此重量清零， 及完成 “去皮” 過程。 完成去皮過程后， PLC 控制灌裝閥門打開， 開始灌裝。 電子秤實時將重量信息傳遞給PLC ， PLC 將數(shù)值與設(shè)定的灌裝目標(biāo)值進行對比， 當(dāng)重量最終達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值時， PLC 控制灌裝閥門關(guān)閉。 此時完成了瓶子的灌裝。

在灌裝的同時， 下一個進瓶過程同步已經(jīng)完成， 在推瓶氣缸的作用下， 空瓶再一次被推到電子秤上， 同時空瓶將已經(jīng)灌裝結(jié)束的滿瓶推到出瓶輸送帶上， 出瓶輸送帶將灌裝滿的瓶子輸送出機器， 這樣就完成了整個灌裝過程。

該系統(tǒng)關(guān)鍵的一項要求是配置快灌閥門和慢灌閥門，目的在于精確的控制灌裝凈含量。 在剛開始灌裝時， 為了減輕物料落入空瓶時的沖擊， 防止物料濺起， 灌裝的流速不易過大， 因此可以只是開啟慢灌閥門， 此狀態(tài)下閥門的流量較小， 物料沖擊較小， 當(dāng)灌裝的物料達(dá)到一定量時，可以開啟快灌閥門， 以加大流量， 加快灌裝速度。 正如前面所述， 當(dāng)達(dá)到電子秤的第一設(shè)定值時， 快灌閥門會關(guān)閉， 此時只有慢灌閥門繼續(xù)灌裝。 目的在于， 在接近目標(biāo)灌量時， 為了減少物料沖擊及從灌嘴到瓶口這段沒有落入瓶子的物料的重量偏差 （稱之為 “飛行誤差”） 所導(dǎo)致的最終灌裝量偏差， 柔和的慢速灌裝更有利于減少這種偏差。

除合理控制灌裝閥門的流速外， 控制液位儲罐的液位也十分重要， 保持儲罐內(nèi)壓力和液位的恒定， 是有效控制“飛行誤差” 關(guān)鍵。 因此該系統(tǒng)配置了 PID 壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和液位傳感器， 用于將儲罐內(nèi)的壓力和液位控制在一定的范圍。

4 灌裝系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢

該系統(tǒng)通過電子秤結(jié)合 PLC 對物料進行自動稱量， 對液體物料實現(xiàn)連續(xù)式自動灌裝， 可以提高效率， 減輕工人勞動強度。 由于每個瓶子在灌裝前， 電子秤都對瓶子進行了 “去皮” 處理， 因此消除了容器皮重偏差對灌裝結(jié)果的影響， 確保灌裝精度。 通過調(diào)整電子秤設(shè)定值可方便調(diào)整灌裝量， 無需機械調(diào)整。 通過儲液罐加壓方式， 極大的提高了灌裝速度， 儲液罐壓力控制采用 PID 控制原理， 有效降低壓力波動， 保證了壓力的穩(wěn)定性。 采用兩種灌裝速度控制方式， 既提高了灌裝的速度， 又保證了灌裝精度。 如果配合分揀系統(tǒng)使用， 一臺設(shè)備可以同時罐裝不同重量的產(chǎn)品， 提升了生產(chǎn)線的柔性和設(shè)備利用率。

對于灌裝的凈含量偏差， 按照一種 5kg 的產(chǎn)品規(guī)格計算， 相對于定容積的灌裝方式， 由原來的平均正偏差 15克降低至現(xiàn)在的 6 克， 減少了灌裝偏差損耗， 每年減少的灌裝偏差損耗是一筆十分可觀的收入， 這樣的凈含量控制水平是人工或者其它灌裝方式不可比擬的。

由于產(chǎn)品種類規(guī)格較多， 一條生產(chǎn)線生產(chǎn)多種規(guī)格產(chǎn)品的情況較多， 而應(yīng)該改系統(tǒng)的設(shè)備在轉(zhuǎn)換品種的過程中，幾乎不需要更換任何機械件， 只需要在控制系統(tǒng)中修改灌裝目標(biāo)值即可， 大大提高了設(shè)備的利用率， 因此這樣的灌裝設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。 目前該種灌裝方式也以其明顯的優(yōu)勢， 在國內(nèi)外飲料食品行業(yè)得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。

5 結(jié)束語

稱重式灌裝機利用高精度的動態(tài)稱重稱， 結(jié)合快灌閥門和慢灌閥門， 實現(xiàn)了容器的精確定量灌裝， 能最大限度的降低產(chǎn)品的損耗， 它的成功應(yīng)用， 對保證產(chǎn)品質(zhì)量、 提高生產(chǎn)效率以及節(jié)省成本發(fā)揮了十分重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

［ 1 ］ 孫智慧， 徐克非 . 包裝機械概論 ［ M ］ . 北京： 印刷工業(yè)出版社， 2007.

［ 2 ］ 鄭曉 . 液位定量式灌裝機的灌裝精度概率模型與可靠度計算模型 ［ J ］ . 包裝工程， 2002 （ 02 ）： 28-33.

［ 3 ］ 陳志新， 宋學(xué)軍 . 電器與 PLC 控制技術(shù) ［ M ］ . 北京： 北京大學(xué)出版社， 2006.

［ 4 ］ 張文明 . 全自動液體灌裝機 ［ J ］ . 機電一體化， 2003 （ 6 ）：46-49.

［ 5 ］ 史建華， 史淑君 . 氣動技術(shù)在全自動灌裝機中的應(yīng)用 ［ J ］ . 包裝與食品機械， 2004 ， 22 （ 2 ）： 38-40.

 

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