氣調(diào)包裝是通過改變食品包裝內(nèi)部氣體成分來減緩食材呼吸速率、防止酶敗、阻止微生物生長，從而延長食品的保鮮期和貨架期。如今，氣調(diào)包裝已被廣泛應(yīng)用于各類食品的包裝中，因此，為了更好地運(yùn)用做好氣調(diào)包裝技術(shù)，就需要做好氣調(diào)包裝機(jī)組成及設(shè)計。基于此，本文就盒式氣調(diào)包裝機(jī)的組成及設(shè)計進(jìn)行了研究，相信對有關(guān)方面的需要能有一定的幫助。

1盒式氣調(diào)包裝機(jī)基本參數(shù)

本機(jī)所使用的塑料硬盒，盒式氣調(diào)包裝機(jī)功率為2000W、生產(chǎn)能力為1200～1600盒·h-1、熱封溫度為0～200℃、氣體置換率為98%。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

盒式氣調(diào)包裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

包裝盒輸送機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、鏈輪、導(dǎo)軌和帶推桿的鏈條組成。導(dǎo)軌寬度可調(diào)節(jié)，可用于不同尺寸包裝盒的輸送。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器通過PLC輸出脈沖驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，因此可通過調(diào)節(jié)輸出脈沖頻率調(diào)節(jié)包裝盒輸送速度。觸摸屏是當(dāng)前最常用的人機(jī)界面，其作用是顯示PLC中變量的狀態(tài)和寄存器中數(shù)字變量的值，發(fā)送命令和修改寄存器中的參數(shù)。包裝膜輸送機(jī)構(gòu)，主要由放膜軸、拉膜軸、記數(shù)輥、剎車電機(jī)和打碼裝置組成。包裝膜輸送長度通過記數(shù)輥記錄，并反饋給PLC對輸送長度進(jìn)行控制。在包裝膜輸送過程中打碼裝置在包裝膜上打印生產(chǎn)日期等信息。電控柜用于安裝PLC、步進(jìn)驅(qū)動器、溫控儀和電磁閥等電氣元件。

2.2氣動回路設(shè)計

氣動工作介質(zhì)是空氣，氣動回路具有清潔無污染、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于調(diào)節(jié)控制等特點(diǎn)，并且氣壓驅(qū)動可以在短時間內(nèi)釋放能量獲得高速響應(yīng)，抗沖擊能力強(qiáng)。氣動回路中的三聯(lián)體，由過濾器、調(diào)壓閥和油霧氣組成，其中過濾器用于過濾空氣，調(diào)壓閥用來調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力，油霧器給系統(tǒng)提供潤滑。通過PLC控制，電磁閥通斷來改變氣缸的工作狀態(tài)。閥座用于安裝電磁閥。下模具驅(qū)動氣缸，雙排布置，驅(qū)動下模具向上運(yùn)動。上模氣缸，雙排布置，驅(qū)動上模向下運(yùn)動。打碼氣缸，給包裝膜上打印生產(chǎn)日期等信息。

3控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要完成信號采集與處理、步進(jìn)電機(jī)控制、剎車電機(jī)控制、氣動回路控制和氣調(diào)包裝控制。信號采集是通過光電傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等元器件完成。步進(jìn)驅(qū)動器接收來自PLC的脈沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)完成定位輸送，并反饋電機(jī)工作狀態(tài)給PLC。氣缸是氣動回路的執(zhí)行元件，PLC通過控制換向電磁閥實(shí)現(xiàn)氣缸運(yùn)動控制。由于PLC對模擬量的控制比較復(fù)雜，所以熱封溫度采用溫控儀控制單獨(dú)控制。PLC通過溫度傳感器檢測溫度是否正常，若不正常則報警停機(jī)。

3.1 PLC的選擇

控制系統(tǒng)以PLC作為控制核心，PLC按以下原則選型：

（1）PLC控制器與其所允許的擴(kuò)展模塊的I/O接口的總數(shù)要與氣調(diào)包裝機(jī)控制所需接口數(shù)量匹配；（2）存儲容量與控制功能與需求相符合。PLC控制包裝機(jī)的傳動系統(tǒng)、氣動回路和氣體置換，經(jīng)估算控制系統(tǒng)需要20個輸入點(diǎn)，12個輸出點(diǎn)。一般情況下，需要預(yù)留15%的備用接口，因此需要23個輸入點(diǎn)，14個輸出點(diǎn)。綜合上述選用西門子S7-200PLC作為控制核心，該P(yáng)LC有6種CPU模塊，可擴(kuò)展7個擴(kuò)展模塊，可擴(kuò)展到256點(diǎn)數(shù)字量I/O，完全滿足盒式氣調(diào)包裝機(jī)的控制需求。

3.2系統(tǒng)I/O分配

選擇224XP型CPU和EM223擴(kuò)展單元，系統(tǒng)有20個輸入點(diǎn)，12個輸出點(diǎn)，具體I/O分配見表2。

表2系統(tǒng)I/O分配

3.3控制系統(tǒng)程序設(shè)計

編程使用STEP7-Micro/WIN編程軟件，該軟件可實(shí)現(xiàn)程序的編寫、傳送、監(jiān)控與調(diào)試等功能。PLC通電后，包裝機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入初始化子程序，推桿復(fù)位，熱封模具預(yù)熱，預(yù)熱完成后傳動系統(tǒng)開始工作。包裝盒進(jìn)入包裝通道，通道末端布有光電傳感器，包裝盒通過時觸發(fā)光電開關(guān)，上模驅(qū)動氣缸工作，上模下降，模具內(nèi)形成閉合腔，抽氣裝置將腔內(nèi)空氣抽出，然后由充氣裝置充入混合保護(hù)氣體，熱封切刀工作，切裁完成后下模驅(qū)動氣缸工作，包裝盒被頂出，輸送出包裝機(jī)。在包裝盒輸送時，包裝膜同時輸送，膜檢測光電開關(guān)檢測到膜輸送到位，打碼裝置打碼。熱封切裁完成后，收膜軸完成廢膜回收。

4試驗(yàn)研究與驗(yàn)證

盒式氣調(diào)包裝機(jī)試制、調(diào)試完成后進(jìn)行了氣體置換率和封合強(qiáng)度2個試驗(yàn)，對氣調(diào)包裝機(jī)工作能力進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1氣體置換精度試驗(yàn)

空氣中氮?dú)饧s占78%，氧氣約占21%，稀有氣體占0.939%，二氧化碳占0.031%，其余雜質(zhì)占0.03%。稀有氣體活性低不會對包裝的保鮮效果產(chǎn)生影響，二氧化碳和雜質(zhì)氣體含量低可忽略不計，因此給包裝盒中只充入二氧化碳，測量包裝內(nèi)二氧化碳含量即可得出氣體置換率。檢測工具使用德國WITT便攜式氣體分析儀。該氣體分析儀可以測出包裝中氧氣和二氧化碳含量。

在100個只充入二氧化碳的包裝盒中隨機(jī)選取10個測得二氧化碳含量結(jié)果如圖2所示。由圖2中的結(jié)果可得氣體置換率大于98%，符合設(shè)計要求。

4.2封合強(qiáng)度試驗(yàn)

包裝封口強(qiáng)度表示逐漸分離包裝盒封口所需要的作用力，它能檢驗(yàn)包裝盒封口的牢固程度和氣密性。

在100個包裝盒中隨機(jī)選取25個，每個包裝盒上取一個寬度15mm，長度100mm的試樣，使用萬能電子試驗(yàn)機(jī)測試其封口處的拉伸強(qiáng)度。

拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可得試樣最小拉伸強(qiáng)度為31.7N/15mm，封口牢固，氣密性好。

5結(jié)束語

綜上所述，如今，氣調(diào)包裝已被廣泛應(yīng)用于各類食品的包裝中，為了能更好地應(yīng)用這項技術(shù)，相應(yīng)的機(jī)器也必須要有足夠的質(zhì)量。因此，我們需要做好氣調(diào)包裝機(jī)組成及設(shè)計的工作，以為氣調(diào)包裝的進(jìn)行帶來幫助。