关键词：屋顶包装机；火炉；气缸
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
屋顶包装机是屋顶型包的包装机，用来包装不含汽饮料，多用于冷藏保鲜奶的包装，其保质期为4～7天，现代超市中提供的保鲜奶多采用这种包装形式。这种环保型包装的保鲜奶被大多数消费者所接受，尤其方便上班族和旅游者。国内各大的乳品公司纷纷推出不同品牌的屋顶包保鲜奶，产量在逐年提高。国产屋顶包包装机在国内占有率几乎为零，振兴民族奶制品行业，首先解决包装设备，在这种背景下，我们吸收国外同类产品的先进技术，结合国内行情，设计出了适应我国国情的BWD50型屋顶包装机，这里仅对该机的控制技术进行论述。
1.屋顶包包装机的主要包装工艺过程
1. 1包装机的主要组成及功能
屋顶包包装机主要由机架、传动系统、取盒装置、盒底成型机构、盒底加热机构、盒底封口装置、盒传送装置、盒顶成型机构、灌装控制系统、灌装系统、盒顶封口及日期打印机构、循环冷却系统、风送加热系统、气动控制系统、集中润滑系统、CIP清洗系统等组成。
取盒系统是将预制好的折叠盒片，通过真空吸盘从储盒器中取出并打开，送到心轴，利用盒底加热器、成型机构、封口器依次完成盒底的预热、成型及封口。送盒系统是将封过底的盒子从心轴取出，通过传送链传送到盒顶成型及灌装系统。
灌装系统将液态奶（果汁饮料）灌注到封好底的盒中。在灌装过程中，液位控制器对产品贮罐的液位进行检测，将液位控制在允许的精度范围内，确保灌装计量的准确，灌装控制系统检测传送链上有无纸盒，保证在没有包装盒时不灌装。
盒顶封口是将预成型并灌装好的盒子进行加热封口，完成包装。封口过程中通过加热封口压合完成封口。
日期打印是将日期字头加热到一定温度，将日期烙在包装盒上。也可采用喷码打印机进行日期打印。为了保证消费者的权益，日期打印是必不可少的。
循环冷却系统是对整个机器非加热部件的冷却降温，保证机器正常运行及保证产品质量必不可少的部分。在包装的过程中，包装封口的温度在500℃以上，对于靠近加热器的非加热部件，随着包装的进行，为了解决非加热部件温度不断上升的问题，增加了循环冷却系统。
风送加热系统，包装盒封接的好坏，直接影响包装质量。盒子的封口是靠纸盒上的镀塑膜，只能间接加热，不能直接加热，并且要求温度高加热时间短，否则会破坏膜的均匀度和结构，采用加热空气进行间接加热。风送加热系统中加热器功率大体积小，送风停止会立即烧坏加热器，因此风送加热系统控制是非常重要的控制环节。
CIP系统即原位清洗系统，是奶制品、果汁、啤酒和饮料等食品加工业的重要设备组成部分，CIP清洗是保证食品加工质量和食品卫生不可缺少的工艺过程。CIP系统是为了防止产品流体和辅助流体被微生物和细菌污染而附加的工艺设备。设备运行前及运行一段时间后，必须对贮料罐、管道、设备上接触产品流体的关键部位进行物理和化学清洗，清除可导致产品污染、变质的微生物和其它杂质，如矿物质结垢、奶垢等，使包装后的食品有一定的保质期和货架寿命。
1. 2包装工艺流程
图 1 包装过程工艺流程图
图1所示屋顶包包装机包装过程工艺流程图，可主要分为三个过程，制盒、灌装和封口。制盒过程包括取盒张开、盒底成型和封盒底，灌装过程包括盒传送，盒检测，灌装（必要时进行CIP清洗），封口过程包括盒顶封口和日期打印。
2.主要控制过程
屋顶包包装机的主机控制、安全控制同其它包装机控制大同小异，对其控制过程和原理不再叙述，主要对取盒和盒成型、风送加热系统、灌装和CIP清洗系统控制的原理和过程进行论述。
2.1取盒及盒成型的控制
取盒及盒底成型是将预制叠放的纸盒吸出张开，成型、封盒底制成包装盒半成品，输送到传送链供给包装的下一道工序。
取盒及盒底成型的控制主要是由气动控制系统完成，其原理图如下图所示。
取盒气缸由阀QKF1控制换向，电磁阀Y4得电并且机控阀JKF1被触发后，QKF1换向，气杠杆伸出，真空吸盘取盒，并将其张开成长方体。JKF2被触发后，JKF1回位，QKF1换向，气杠杆回缩，真空吸盘将张开的盒子松开，传送到心轴。盒子经过盒底成型机构预折成型，盒底加热机构加热后，由盒底成型气缸进行压合封口。
电磁阀Y1起安全保护作用，故障停机时，Y1失电，弹簧使阀回位，盒底及盒顶加热火炉抬起，同时压缩空气喷嘴（图中未示出）向火炉口吹出没有润滑过的洁净空气，以免火炉过热，烤坏周围的非加热部件。正常灌装情况下，Y1得电，这两个气缸处于回缩位置。盒底成型气缸由阀QKF2控制换向，QKF3为QKF2供气。当机控阀JKF5、JKF4、JKF3被依次触发后，QKF2换向，盒底成型气缸
实现伸出、封口、回缩三个动作，将盒底压合封好，由出盒装置送到传送链上。由于有减压阀TY1，气缸伸出动作比封口和回缩动作要慢。Y1失电后，将不给JKF3、JKF4、JKF5供气，气流经过梭阀SF1控制QKF3和QKF2，使盒底成型气缸缩回，以免碰坏盒底成型器。
2.2风送加热控制系统
图 3 屋顶包包装机风送加热控制原理图
风送加热系统在屋顶包包装机中是一个独立的闭环控制系统，包括鼓风机、盒底加热火炉、盒顶加热火炉、内循环水电机等，控制原理图如图3所示。S12、S13旋钮开关控制盒底加热火炉和盒顶加热火炉及鼓风机、内循环水电机的控制电源，分别由K4M、K5M、K3M、K3M控制它们的主回路。盒底加热火炉、盒顶加热火炉的特点是体积小、功率大（10KW）、提供的热空气温度高（500～530℃）。主回路采用3相380V星型接法，由带有上下限报警、SSR输出单元的温度控制仪表控制。
由于盒底加热火炉、盒顶加热火炉的体积小温度高功率大等特点，在加热的工程中必须将火炉的热量送出，以免火炉内部温度过高烧坏火炉。鼓风机的送风通道就是将火炉加热的热空气（500～530℃）送到加热部位，进行制盒和封口。通过S17检测鼓风机的压力，确保送风系统正常工作，保护火炉不被烧坏。500多度的高温热空气不可避免的要对加热部件附近非加热体进行加热，温度会不断升高，会损坏个别部件，使包装机无法工作。利用S15检测冷却水压力，S16检测内循环水压力，保证在包装过程中内循环水系统的正常工作。通过S15、S16、S17检测控制K23，保护加热火炉在鼓风机压力、冷却水压力及内循环水压力正常情况下加热。
综上所述，送风系统对加热火炉的保护是非常重要和不可缺少的，为了增大加热火炉的安全系数，本电路设计中采用了S18、S19检测盒底和盒顶的火炉气压，防止S17在失控时保护火炉的安全工作。
还有一个不可忽视的问题是在停产关机时，关掉火炉的主回路时，不能立即关掉鼓风机和内循环电机，否则也会烧坏火炉。因此在设计本电路中，S12、S13选择三位旋钮开关，分别控制火炉关、火炉冷却、火炉开。火炉开时，火炉和鼓风机及内循环水电机均开，冷却火炉时，关火炉，鼓风机和内循环水电机不关。只有当火炉温度降到允许温度时，可将开关转向火炉关位置。屋顶包包装机不同于普通包装机加热系统，它具有较强的安全保护电路，也是控制电路中的一个重要控制环节。
2.3灌装系统及其控制过程
2.3.1灌装部分的主要构成及工作过程
本机采用活塞式定量灌装泵灌装。如图4所示，每次灌装前无盒
停灌触发器都要检测链道内是否有纸盒传来，如果没有纸盒，则灌装气缸顶起，灌装枢轴组件带动灌装驱动杆向下运动，脱离灌装凸轮，不灌装。
当灌装活塞由气缸带动向下运动时，进液单向阀打开，物料从料缸进入灌装腔。气缸保持向下的拉力，灌装驱动杆紧贴凸轮，在凸轮的作用下，推动灌装活塞向上运动，进液单向阀关闭，物料从灌装腔进入进入灌装头，注入纸盒，完成灌装过程。对不同容积的纸盒，改变纸盒尺寸定位栓的位置，可以相应调整灌装活塞的运动行程，灌装量也就随之改变了。
2.3.2灌装系统的控制过程
灌装气缸由NC-NF动力阀控制换向，灌装部分的气控原理图如如图5所示。
灌装前CIP电磁阀Y6处于弹簧控制的常位，将SKF2旋到灌装位置，SKF1旋到解锁位置。当无盒不灌装阀（NC-NF）JKF11被触发后，泵开连动阀JKF9被压下，气流经过JKF11、梭阀SF3控制NC-NF动力阀QKF6换向，使灌装气缸杠杆向下缩回，灌装活塞拉下，物料进入灌装腔，气缸继续保持缩回，通过灌装枢轴组件和纸盒尺寸定位
栓将灌装驱动杆顶起贴紧凸轮，使其随着凸轮的运动曲线运动，灌装活塞推上，完成灌装，灌完后纸盒送出。纸盒通过后，无盒停灌触发
器臂复位，NC-NF阀JKF11复位，泵停连动阀JKF10被触发，气流经过复位了的JKF11到达梭阀SF4，控制NC-NF动力阀QKF6换向，使灌装气缸向上顶起带动灌装驱动杆向下运动，脱离灌装凸轮，停止灌装，如此循环往复。
阀QKF7向NC-NF动力阀提供两种不同压力的气源，灌装时提供约6bar的压力，不灌装运行CIP时提供经减压阀TY3减压的2.1bar的气压，这一路气经过气罐稳压，保持压力恒定。单向阀DXF保证外接气源断开时，气罐内仍有足够的压力完成一个灌装周期。截止阀KG2在停产时用来排放气罐内的残余气体。阀QKF9也同样提供两种不同压力的气源，灌装时提供约6bar的压力，不灌装运行CIP时提供经减压阀TY2减压的1.0bar的压力。
阀QKF8在不灌装运行CIP时向电磁阀Y6供气，Y6在得电后也能将气流导引向梭阀SF3，推动NC-NF动力阀换向，从而完成灌装气缸的运动周期。流量调节阀TL8和TL9控制调整灌装气缸的运动速度。油雾器用来润滑气缸。
屋顶包包装机同其它液体包装机一样，在灌装前后都要进行进行清洗，它具有完整的CIP清洗系统，包装前后清洗料缸、输料管道、灌装阀等。运行CIP时，电磁阀Y6由阀QKF8供气，这个电磁阀在定时器的控制下，反复换向，使饮料灌装活塞以每分钟30次的速度上下运动，从而达到清洗灌装腔及灌装活塞的目的。
3.结束语
我们在设计控制系统的过程中，大量采用了气动控制和气动执行机构，利用PLC和变频调速等技术与气控相结合，成功的设计出了该机的电气控制系统。气动装置安全、高效且没有污染，采用气缸可以很容易实现灌装活塞的直线往复运动，调整流量控制阀可以实现对灌装速度的调节，调整减压阀，就可以控制气缸输出力的大小，而且气缸有很强的抗过载能力，它特有的缓冲特性可以使负载减速并平稳停止，不产生冲击，一般的机械装置很难做到这一点。本机的安全保护同样重要，在设计的过程中，采取了多种安全保护。屋顶包包装机的控制过程比较复杂，还有待于在运行中改进提高。
