1 引言     

随着人们对食品卫生的要求不断提高， 食品的灌装包装过程显得越来越重要。 自动化的灌装方式不仅能减轻操作人员的劳动强度， 而其能最大限度的减少人员与裸露食品的接触， 对食品的质量保证起到很好的作用。 目前应用较为广泛的非含汽液体灌装方式主要有两种： 低真空式灌装和流量计式灌装。 而称重灌装属于一种新兴灌装方式， 以其适应面广、 灌装精度高、 运行稳定、 维护简单等优势得到快速的发展。

2 各种灌装方式的特点概述

（ 1 ） 低真空灌装

这种灌装方式是在瓶中的压力低于大气压下进行灌装， 利用真空的作用， 使得料罐中的产品进入到瓶子中去， 并且将瓶中高出设定液位的液体吸出， 达到定量灌装的目的， 这种灌装方式灌装机结构较为简单， 生产效率高， 前期运用相当广泛， 是较早的自动灌装方式［1］ 。

但由于其定量的方式是固定灌装的液位， 但容器由于制造过程中的偏差， 每个瓶子的容量差别较大， 液位相同时净含量偏差较大， 特别是类似 PET 、 PE 罐子， 在灌装过程中， 受负压的影响， 容器容积变化较大［2］ 。 此外， 由于负压灌装要求容器在灌装过程中是密闭的， 所以灌装设备的灌装阀门必须与瓶口接触， 这就容易导致一些敏感性的食品受到污染。 目前这种灌装方式由于设备结构相对简单， 设备成本相对低廉， 在一些低附加值的饮料行业应用非常广泛。

（ 2 ） 流量计式灌装

流量计式灌装方式是在每个灌装阀门上安装一个流量计用以计量流过该阀门液体体积， 当液体体积达到设定值时关闭阀门， 从而达到定量灌装的目的。 这种灌装方式相对低真空灌装方式定量精度高， 且非接触式灌装， 避免了瓶口污染的隐患， 阀门结构简单， 易于清洗， 且不受容器软硬程度的影响， 保持灌装容量的恒定。 该灌装方式的缺点是适应面相对较窄， 无法处理易产生气泡或者低导电率的液体， 若产品已产生气泡， 例如酱油、 牛奶等， 则液体的密度不均匀，液体体积与重量不能相对应， 因此流量计无法正确定量。 而对于低导电率或者不导电的液体， 例如食用油等， 流量计无法进行体积计量。

（ 3 ） 称重式灌装

称重式灌装方式类似于流量计灌装， 每个灌装阀门和一个动态电子秤对应， 瓶子置于电子秤上， 当秤上的重量达到设定值时， 关闭阀门， 从而达到定量的目的。 该灌装方式不仅具有流量计灌装方式的优点， 还克服了流量计灌装方式适应面窄的问题， 不仅适用于液体灌装， 也适用于低粘稠度酱料、 膏状物料等物料的灌装。

从上述对比可以看出， 将称重技术应用到液体灌装上可以有效的解决常规灌装方法所存在的一些问题。 因此目前国内行业内一些知名的灌装设备制造企业都在大力开发称重式的灌装设备。

3 一种称重式灌装系统的简介

这里介绍的一种称重式灌装系统是由编者组织自主研发并应用于生产的一套灌装设备， 主要包括主控单元、 计数单元、 快灌阀门控制单元、 慢灌阀门控制单元的 PLC 控制器［ 3 ］ ， 以及连接储液罐的快灌阀门和慢灌阀门。

其基本工作原理是， 主控单元用于驱动履带控制器，用于传输待灌装的瓶子， 在接收到计数单元的触发后［ 4 ］ ， 驱动推瓶控制器将等待灌装的瓶子传输至电子秤上，快速阀门、 慢速阀门位于电子称上方，快灌阀门控制单元、 慢灌阀门控制单元分别用于开启快灌阀门、 慢灌阀门进行灌装［ 5 ］ 。 当电子秤检测到灌装重量达到第一设定值时， 触发快灌阀门单元关闭快灌阀门， 当电子秤检测到灌装重量达到第二设定值时， 触发慢灌阀门单元关闭慢灌阀门。
 

下面结合基本原理图说明该套称重灌装系统的具体工作过程。

进瓶输送带 8 将待灌装瓶子送入机器内部并排列整齐。 计数传感器 7记录进入机器的瓶子数量并将信号传递到 PLC 控制器， 当达到设定数量时，PLC 控制器控制止瓶气缸阻挡后面的瓶子继续进入。 这样就完成了第一步的进瓶过程。

瓶子进入机器后， 推瓶气缸将待灌装的瓶子推到电子秤 5 上， 电子秤数量可以根据生产线的速度要求， 设置若干套。 磁感应开关确认推瓶到位后， 气缸退回。 与此同时， 电子秤已经完成空瓶重量的称量并将此重量清零， 及完成 “去皮” 过程。 完成去皮过程后， PLC 控制灌装阀门打开， 开始灌装。 电子秤实时将重量信息传递给PLC ， PLC 将数值与设定的灌装目标值进行对比， 当重量最终达到设定目标值时， PLC 控制灌装阀门关闭。 此时完成了瓶子的灌装。

在灌装的同时， 下一个进瓶过程同步已经完成， 在推瓶气缸的作用下， 空瓶再一次被推到电子秤上， 同时空瓶将已经灌装结束的满瓶推到出瓶输送带上，出瓶输送带将灌装满的瓶子输送出机器， 这样就完成了整个灌装过程。

该系统关键的一项要求是配置快灌阀门和慢灌阀门，目的在于精确的控制灌装净含量。 在刚开始灌装时， 为了减轻物料落入空瓶时的冲击， 防止物料溅起，灌装的流速不易过大， 因此可以只是开启慢灌阀门， 此状态下阀门的流量较小， 物料冲击较小， 当灌装的物料达到一定量时，可以开启快灌阀门， 以加大流量， 加快灌装速度。 正如前面所述， 当达到电子秤的第一设定值时， 快灌阀门会关闭， 此时只有慢灌阀门继续灌装。 目的在于， 在接近目标灌量时， 为了减少物料冲击及从灌嘴到瓶口这段没有落入瓶子的物料的重量偏差 （称之为 “飞行误差”） 所导致的最终灌装量偏差， 柔和的慢速灌装更有利于减少这种偏差。

除合理控制灌装阀门的流速外， 控制液位储罐的液位也十分重要， 保持储罐内压力和液位的恒定， 是有效控制“飞行误差” 关键。 因此该系统配置了 PID 压力调节系统和液位传感器， 用于将储罐内的压力和液位控制在一定的范围。

4 灌装系统在实际应用中的优势

该系统通过电子秤结合 PLC 对物料进行自动称量， 对液体物料实现连续式自动灌装， 可以提高效率， 减轻工人劳动强度。 由于每个瓶子在灌装前， 电子秤都对瓶子进行了 “去皮” 处理， 因此消除了容器皮重偏差对灌装结果的影响， 确保灌装精度。 通过调整电子秤设定值可方便调整灌装量， 无需机械调整。通过储液罐加压方式， 极大的提高了灌装速度， 储液罐压力控制采用 PID 控制原理， 有效降低压力波动， 保证了压力的稳定性。 采用两种灌装速度控制方式，既提高了灌装的速度， 又保证了灌装精度。 如果配合分拣系统使用， 一台设备可以同时罐装不同重量的产品， 提升了生产线的柔性和设备利用率。

对于灌装的净含量偏差， 按照一种 5kg 的产品规格计算， 相对于定容积的灌装方式， 由原来的平均正偏差 15克降低至现在的 6 克， 减少了灌装偏差损耗， 每年减少的灌装偏差损耗是一笔十分可观的收入， 这样的净含量控制水平是人工或者其它灌装方式不可比拟的。

由于产品种类规格较多， 一条生产线生产多种规格产品的情况较多， 而应该改系统的设备在转换品种的过程中，几乎不需要更换任何机械件， 只需要在控制系统中修改灌装目标值即可， 大大提高了设备的利用率， 因此这样的灌装设备得到了广泛的应用。 目前该种灌装方式也以其明显的优势， 在国内外饮料食品行业得到了快速的发展和应用。

5 结束语

称重式灌装机利用高精度的动态称重称， 结合快灌阀门和慢灌阀门， 实现了容器的精确定量灌装， 能最大限度的降低产品的损耗， 它的成功应用， 对保证产品质量、 提高生产效率以及节省成本发挥了十分重要的作用。

参考文献：

［ 1 ］ 孙智慧， 徐克非 . 包装机械概论 ［ M ］ . 北京： 印刷工业出版社， 2007.

［ 2 ］ 郑晓 . 液位定量式灌装机的灌装精度概率模型与可靠度计算模型 ［ J ］ . 包装工程， 2002 （ 02 ）： 28-33.

［ 3 ］ 陈志新， 宋学军 . 电器与 PLC 控制技术 ［ M ］ . 北京： 北京大学出版社， 2006.

［ 4 ］ 张文明 . 全自动液体灌装机 ［ J ］ . 机电一体化， 2003 （ 6 ）：46-49.

［ 5 ］ 史建华， 史淑君 . 气动技术在全自动灌装机中的应用 ［ J ］ . 包装与食品机械， 2004 ， 22 （ 2 ）： 38-40.

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