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食品饮料行业的自动化应用发布日期：2017-02-25 浏览次数：1876
随着人们对健康，绿色和营养食品需求日益增加，食品饮料制造商面临着就如何提高产品质量、满足日益严格的行业规范需求、提高产能、优化企业生产流程、缩短产品的上市时间、降低企业的生产和运营成本等很多问题。而采用现代的自动化控制和管理信息系统，提高企业的信息化管理水平就是有效地解决以上问题的途径。
自动化致力于食品工业，从农产品的加工处理，食品厂的焙烤成型，啤酒厂的酿造（糖化，过滤，发酵）和灌装贴标，到批次和配方控制，直到整个制造执行系统（MES），都能提供一体化解决方案，这些方案包括基础自动化系统和信息管理系统，目标是协助食品饮料生产企业更好地面对市场的变化、全球化的竞争以及不断提高生产工艺的水平。 
焙烤厂的典型生产工艺流程
一、材料处理
工厂内的材料处理区是接收原材料的地方。输入的材料从运输车辆上转移到工厂指定的仓库内。这些材料可能储存在仓库的货架上，或者放在现场的散装货物集装箱内。
当材料到达工厂时，材料的接收要记录在一个业务系统内。这个业务系统可能是工厂ERP或者财务系统，仓库系统或者可能是一个MES系统。材料接收通过条形码读码器或者手写输入系统。该业务系统将材料的接收和该业务生成的采购订单联系起来。业务系统还管理工厂的库存，以便确保有充足数量的原材料可以满足生产安排的需求。
在大多数工厂的材料处理区内，自动化程度较低。可能有条形码读码器阅读进入货盘的信息，但是大多数数据的录入是手写执行的。叉车将材料运送到存储区的货架上，或者材料被直接转移到设施的批量存储区域。
原材料通过不同运输工具运送到工厂，包括铁路、船运和卡车。在整个生产过程中都可能需要添加材料，但是，大多数材料处理在加工之前进行。最常见的材料包括：
①大用量配料（干） – 通常使用铁路或卡车运送，在大地窖或料箱内储存。典型的大用量配料有面粉、糖、水果和马铃薯。
② 大用量液体配料 – 通常使用铁路、卡车或圆桶运送，在液体罐中储存。自动液体输送系统十分常见，这种系统通常持续将液体配料循环 输送到所有的搅拌器。典型的大用量液体配料有高果糖玉米糖浆，水，鲜奶和果汁。
③小用量配料 – 通常用货盘、提袋或更大用量材料使用的圆桶运送。更小用量的材料用小袋运送，然后再进一步用盒子和货盘装盛，存放 在原料仓库的货架或地面上。叉车将材料从运输车辆上搬运到原材料仓库。某些类型的小用量配料自动输送系统十分普遍，它们可以将 小用量配料输送到搅拌加工设备。盐是小用量配料的一种。
④手添加配料 – 用托盘、提袋或圆桶运送。有一些配料的需要量很小。这些配料预先称重，随后在搅拌过程中添加。手添加配料有萃取 物、香料和/或调味料。
通常在工厂有预称重区域。可能位于原材料仓库内，或者位于紧邻生产区域的地方。预称重区域是原材料集中和称重进行成批生产的地方。如果需要两袋酵母，领取两袋，放在预称重区域。另外，对于许多产品，有一些材料需要用手添加入批量产品。从一个大容器内称出一定量（在产品配方中确定）的手添加配料，将所需的物量（按体积或重量）分配给当前一批产品。
二、搅拌
在大多数食品生产厂，加工过程的第一步就是搅拌工作。在工厂生产的每种产品有一个特殊的配方，确定使用什么原材料，用多少，什么时候添加，以及在搅拌工作过程中的添加顺序。配方还确定操作温度，搅拌持续时间和其它需要遵循的步骤。为了得到具有相同质量的产品，必须确保正确遵守配方要求。
原材料被送到生产场地，添加到储存罐或搅拌器内。这一工作可能使用带有电泵或输送器的自动系统控制完成，或者由操作人员搬动材料（手工添加）进入生产场地，用手工方式加入搅拌容器。在搅拌步骤完成后，这批材料或面团被转移到成型和焙烤区域生成产品。
搅拌是一项高度自动化的操作，大多数搅拌工作使用PLC或DCS控制系统。受到控制的现场设备类型包括：
①阀门 – 阀门通常由来自控制系统操纵的电磁阀的气压操作。
②传输系统 – 搅拌螺旋、皮带和其它将固体材料送到生产区域的方法和搅拌容器。由与控制系统连接的电动机驱动。
③泵 – 系统内的液体用电泵运送，一些电泵的速度可以改变，与控制系统连接，通常与电机起动器连接。
④传感器 – 在搅拌区域，使用许多不同类型的传感器。它们包括流量、液面、压力、温度、混浊度等。这些传感器与控制系统上的输入/ 输出卡连接。
⑤ 搅拌器 – 在加工中使用的位于箱体内的搅拌器由控制系统操作。
在控制系统上使用的操作员界面，通常是按钮或者单回路控制器（主要用在旧系统上）。然而，在过去15年，这些界面转换成为可以让操作人员看到过程和初始行动的显示。例如，可能是工厂生产场所独立的VersaView计算机或者PanelView终端，或者是在中央控制室内，提供所有操作图像的类似于硬件监视接口的RSView。
操作人员根据某一种具体的配方生产一种产品。每家公司保有产品配方和质量参数，并将其作为产品规范。配方管理是食品生产厂确保质量一致性的关键步骤。有些配方写在一张纸上，交给工厂生产场地的操作人员，所有操作均由手工完成。在某些情况下，配方被编入控制系统，操作人员启动一系列工作。而在另外一些情况下，配方保持在中央数据库内，当生产过程开始时，下载到控制系统。在过去15年，实施基于S88批量标准的控制系统的趋势越来越强烈。这些系统（如RSBatch）用于管理配料和搅拌工作。使用这些标准，可以使规范得到重新使用并减少了建立新配方和产品的时间，因此能够获得明显的节约。
三、焙烤和成型
经过搅拌过程得到的面团被送到焙烤和成型区进行最后加工。运送搅拌容器、和面槽、提袋中的面团，或者将面团移到另一个运送容器可以完成输送工作。
操作的第一步是形成面团以便焙烤。在大多数情况下，批量材料是非常粘稠的溶液，不容易移动或处理。产品成型需要使用各种机器。在一些情况下，挤压机被用于脆饼干等产品的成型；其它机器输送面团经过一个喷嘴，形成一块块曲奇。在饼干生产中，有一台机器将面团压成饼，送入烤炉焙烤。
自动化机械在成型区域执行操作。在大多数情况下，食品行业方面的OEM供应商会随它们的自动化系统一同提供这些机器，包括一个可编程序逻辑控制器控制操作，运动控制，和一些类型的操作员界面。该机器可以调整，可以设置传送不同形状和大小的产品。自动化系统编程可以使用相同设备生产各种不同的产品。配方或程序存储在自动化系统内，必须参考共同配方，确保产品的一致性。在产品经过焙烤操作之前，要经过一些检查，确保尺寸达到产品规范。对于不合格产品（大小不符合标准或破碎），可以把它们挑出来，将面团送回成型机械重新加工。
然后，经过成型加工的产品被输送执行焙烤操作。一些焙烤工作只是简单地使用干燥炉把水从成品中除去。其它烤炉将产品焙烤到某个指定温度。在传送带上的产品随传送带移动通过烤炉（烘干或焙烤）。确定传送带的速度，保证产品在烤炉中正确的滞留时间，完全将产品烤熟，而不会烤焦。
烤炉通常被修建为一个长加热通道。整个烤炉可能保持一个单一温度，或者，也可以设计有多个加热区域，维持在不同的温度。对于一些应用，第一个加热区域的温度可能较高，然后在其它区域温度逐渐降低，这样可以确保彻底烤熟。根据被正在被生产的产品，工作的实际状况将有所不同。对于一些产品，要在烤炉中保持一致的温度，确保生产出一致的产品。
传送系统和烤炉各有一个自动化系统用于控制操作。操作人员可以挑选一个预先确定的调节点，或者手动设定烤炉温度。变速电动机用于控制传送系统，因此，它可以针对每种通过烤炉的产品进行调整。烤炉加热系统由自动化系统中的一个PID回路或者一个单回路控制器进行控制，维持恒定温度。加热烤炉的一种方式是使蒸汽通过烤炉的热交换器。PID控制操作一个阀门，通过这个阀门，蒸汽可以进入热交换器。另一种方法是使用煤气灶加热烤炉。PID控制回路执行煤气灶控制，保持正确的煤气和空气比例为烤炉产生热量。温度和滞留时间影响成品的质量。HMI可能是产品温度和传送带速度唯一的一个读出器，或者可能是一个基于计算机的系统，当状况超出控制限度时用于得到数据并报警。
当产品离开烤炉时，有些产品也许需要执行进一步的加工。可能包括在产品上喷洒调味料，使相同的产品具有不同的味道。一个自动系统控制对产品的喷洒，添加的调味料的类型，喷洒到产品上的调味料的质量流和喷洒的时间。
此外，在焙烤之后，产品的尺寸可能需要重新加工。比如撒盐饼干这样的产品，通过烤炉时是一大块。在烤炉的出口，这一整块饼干通过一系列工作台，将产品分成单个大小的产品。其它产品可能被分成几小段。这些工作使用的自动化系统由专门生产相应产品的原始设备制造商提供，由PLC控制。
四、包装
成品被转移到包装区域，在那里产品被分装到单个容器内（包装管、包装袋等），接着，多个这样的容器被放在盒子里，然后将盒子码堆在货盘上。每种产品都有自己独特的包装和标签。标签非常重要，因为FDA规则确定了在每个标签上所需的信息类型。产品正确的标记非常重要，它有助于确保产品的安全。
包装生产线包括一系列机器，每台机器在工作中都起到一种具体的作用。第一台机器将产品分装到单独的容器内。例如，在酸奶厂，一个加注器把产品注入到容器内。在脆饼干厂，机器可能把产品分装到一个单独的容器内，或者放入不同尺寸的袋子里。在各种情况下，机器都必须准确地把正确数量的产品放在容器内，达到标签上的规范要求。这些操作大多使用已经印有标签的包装材料完成。在产品离开装填机时，要印制一个带有产品批次以及生产日期和地点等信息的确认标签。
包装生产线上的下一台机器用于将小包装产品分装到箱子里，以待装运。经过装填工序的产品到达“装箱机”的工作位置，装箱机把确定数量的产品分装到箱子里，封好箱子。在箱子上贴好标签，以确认产品、生产线和生产日期。
然后将箱子放在码堆机上，它可以堆好箱子等待装运。最后的机器在这些箱子外包裹塑料材料，确保装运时不会移动。每个货盘都将贴上标签，标示放在货盘上的产品。过去，这一项工作只需在货盘上粘贴条形码即可完成。而最近零售商的要求是，要求生产商在货盘上放置一块射频识别芯片，标示货盘上的产品。对货盘进行标示是为了提供更多精确信息，追踪货盘和产品。
专业生产包装机的原始设备制造商将供应包装生产线上所有的机器。这些机器十分复杂，结合了PLC和运动控制系统，对操作进行控制。操作人员通过随系统提供的一些操作员界面操作机器，例如，按钮、操作员终端或计算机。
在建立新的生产线时，食品厂过去经常购买单独的机器，然后自己进行安装和启动。最近，这种模式已经发生了变化，专业从事包装的包装原始设备制造商或工程公司对包装生产线的安装负全部责任。在生产线安装时，常常随生产线交付硬件监视接口，提供生产线上所有机器的操作图像，当前状态和报警。
许多现有包装生产线通过安装硬件监视接口而得到升级，可以提供整个包装区域的可视性。另外还安装了许多数据采集系统，用于收集关于产品包装数量，正常运行时间和停工时间，停工的根本原因等信息。这些系统通常将数据加载到一个中央数据库内，在报告中要指出这些登录的数据用于审查和分析。
五、仓库
包装区域的货盘被送到仓库保存，然后交付分销商或零售商。当货盘进入仓库时，关于每个货盘上的产品和质量的信息被采集并输入仓库管理系统。这些信息是从货盘上的条形码或射频识别芯片上收集的。
货盘的存放由工厂使用的仓库管理系统决定。许多工厂装备有自动存取系统（ASRS），可以将货盘送到某个存放位置的某一行，一直存放到最后装运。
在接到装货命令时，由ASRS或操作人员操作的叉车取出将要运输的货盘。它们被送到装运码头，装上卡车或者铁路车箱，运送到分销中心或零售商。关于货盘在运输车辆上的放置顺序，许多公司有固定的计划，可以缩短拖车装卸的时间。
六、自动化提供的解决方案
自动化确定了食品行业中的六个关键业务问题：
1. 数据管理
需要一种解决方案，测量、收集、记录和报告一些关键数据，对于监督生产和遵守食品安全规定。例如，危害分析和关键控制点（HACCP）以及生物恐怖法案，这些数据是必需的。
2. 产品追踪和追查
需要一种解决方案，追查并记录在生产的各个步骤中所使用的资源（原材料、人力、设备）和所采取的行动。食品生产商需要一种解决方案，能够生成每批生产的完整记录。
3. 生产优化
需要更好地监督和控制生产工作，以便提高效率和有效性，提高产量降低废品率和操作成本。
4. 订单和过程执行
需要安排和监督生产订单，提供工作说明和程序，对操作进行分析，提高工厂的执行能力。
5. 配方和产品管理
需要自动化和信息解决方案，更好地管理全体和现场具体的产品配方和生产过程，确保一致性。
6. 资产利用
需要设计、监督和控制生产设施内资产的安全和使用，包括设备、机器、公用设施和劳动者，
闽公网安备 35021202000469号