啤酒灌裝、壓蓋機(jī)PLC控制系統(tǒng)

啤酒生產(chǎn)過程分為麥芽制造、麥芽汁制造、前發(fā)酵、后發(fā)酵、過濾滅菌、包裝等幾道工序。啤酒灌裝、壓蓋機(jī)部分屬于包裝工序。啤酒經(jīng)膜過濾后由管路送入回轉(zhuǎn)酒缸，再經(jīng)酒閥進(jìn)入瓶子中，壓蓋后獲得瓶裝啤酒。啤酒灌裝、壓蓋機(jī)的工作效率和自動化程度的高低直接影響啤酒的日產(chǎn)量。

為了滿足我國啤酒行業(yè)日益擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的需求和啤酒現(xiàn)代化灌裝機(jī)械高速灌裝的要求，國內(nèi)各啤酒生產(chǎn)廠家都在積極尋求或改造本單位的啤酒灌裝生產(chǎn)設(shè)備，使其成為具有良好的使用性能，先進(jìn)的技術(shù)水平及高生產(chǎn)效率、運(yùn)行穩(wěn)妥可靠、維護(hù)成本低的啤酒現(xiàn)代化灌裝機(jī)。

2 啤酒灌裝、壓蓋機(jī)工作原理和控制部分構(gòu)成

液體灌裝機(jī)按灌裝原理可分為常壓灌裝機(jī)、壓力灌裝機(jī)和真空灌裝機(jī)。啤酒灌裝、壓蓋機(jī)采用壓力灌裝方法，是在高于大氣壓力下進(jìn)行灌裝，貯液缸內(nèi)的壓力高于瓶中的壓力，啤酒液體靠壓差流入瓶內(nèi)。

目前國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)灌裝工藝路線基本上是:利用回轉(zhuǎn)酒缸產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使安放在酒缸槽位上的空瓶通過機(jī)械機(jī)構(gòu)將固定在酒缸上部的欲抽真空閥打開，對已封好的瓶子進(jìn)行抽真空處理，撥轉(zhuǎn)外操作閥桿，打開氣閥，對瓶內(nèi)充填CO2氣體，抽真空凸輪繼續(xù)打開真空閥，將瓶內(nèi)空氣與CO2混合氣體抽出，氣閥再次打開，對瓶內(nèi)充填CO2氣體，灌裝閥內(nèi)的液閥在瓶內(nèi)壓力接近背壓氣體壓力時打開，酒液順瓶壁注入瓶內(nèi)，通過氣動或電動控制灌裝閥實(shí)現(xiàn)啤酒的灌裝。

當(dāng)今國際先進(jìn)的啤酒灌裝、壓蓋機(jī)的控制系統(tǒng)主要由光電開關(guān)位置檢測部分、走瓶帶、酒缸轉(zhuǎn)速的變頻調(diào)速部分、主控由可編程控制器、觸摸屏等組成。灌裝、壓蓋機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置與PLC可編程控制、變頻無級調(diào)速、人機(jī)界面等現(xiàn)代自動控制技術(shù)手段完整的結(jié)合，形成機(jī)電一體化。

3 控制部分改造方案

國內(nèi)很多啤酒廠家現(xiàn)使用的灌裝、壓蓋機(jī)的控制系統(tǒng)的自動化程度參差不齊;所有手動按鈕和工藝開關(guān)都設(shè)置在一個操作箱的面板上，PLC控制器大都為日本OMRON公司或三菱公司的早期產(chǎn)品，設(shè)備連鎖控制、保護(hù)設(shè)置少，加之啤酒灌裝的現(xiàn)場環(huán)境惡劣，潮濕度大，使開關(guān)等接觸觸點(diǎn)銹蝕嚴(yán)重，系統(tǒng)的信號檢測部分故障率較高，造成設(shè)備控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性低，設(shè)備正常運(yùn)行周期短等現(xiàn)象。

以實(shí)際改造的丹東鴨綠江啤酒有限公司的灌裝、壓蓋機(jī)的控制系統(tǒng)為例，介紹改造方法，闡明改造這類設(shè)備的控制思想和思路;根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際工藝條件，重新編寫了PLC的運(yùn)行程序。針對啤酒灌裝、壓蓋機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際狀況，并根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際工藝條件，重新設(shè)計(jì)了設(shè)備的PLC控制系統(tǒng)。這種改造方法和思路同樣可以應(yīng)用與其他液體介質(zhì)灌裝設(shè)備的改造。

3.1系統(tǒng)硬件配置

使用日本三菱公司的FX2N128MRPLC替換原系統(tǒng)使用的2臺OMRON公司的C60P PLC，原系統(tǒng)的PLC由于是老型號產(chǎn)品，和計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)需要配置特殊的通訊轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)需要增加外部I/O輸入點(diǎn)時，擴(kuò)展模塊備件較難尋。FX2N128MRPLC是集成128點(diǎn)I/O的箱體式控制器，具有運(yùn)算速度快，指令豐富、性能價(jià)格比高、聯(lián)機(jī)編程簡單、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，是三菱FX系列中功能最強(qiáng)的小型控制器。

(1) 采用三菱公司的900系列的970GOT人機(jī)觸摸屏替換原系統(tǒng)使用的面板按鈕并監(jiān)控顯示設(shè)備的運(yùn)行工作參數(shù)。970GOT HMI為高亮度的16色顯，通過匯流連接和FX2N128MRPLC的CPU直接連接，實(shí)現(xiàn)快速回應(yīng)。具有許多維護(hù)功能，如列表式編輯功能、梯形圖監(jiān)控(故障查找)功能、系統(tǒng)監(jiān)控功能等用來查找故障和維護(hù)PLC系統(tǒng)。

(2) 灌裝、壓蓋機(jī)的變頻器在改造中沒有更換，現(xiàn)場檢測信號的手段仍然采用開關(guān)式檢測，因檢測開關(guān)長期工作在濕度很大的場合，因此選擇電容式的接近開關(guān)，根據(jù)PLC I/O端子的接線方式，選擇PNP型的接近開關(guān)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

PLC控制器的程序設(shè)計(jì)重點(diǎn)和核心是圍繞著酒缸的旋轉(zhuǎn)速度控制和酒缸上60個瓶位相關(guān)位置的檢測移位、破瓶、空瓶瓶位相關(guān)位置的檢測移位和相關(guān)灌裝閥等的控制。其中的瓶位移位檢測程序中，采用了三菱PLC位左移指令，驅(qū)動執(zhí)行條件輸入每一次由OFF-ON變化時，執(zhí)行N2位移動，N2為移動的位數(shù)。

(1) 瓶位移位子程序

413 LD X055;機(jī)器計(jì)數(shù)脈沖測量檢測輸入點(diǎn)
414 PLS M49;主電機(jī)轉(zhuǎn)速測量檢測輸入點(diǎn)取上升沿微分后的位M49
416 PLF M301;主電機(jī)轉(zhuǎn)速測量檢測輸入點(diǎn)取下降沿微分后的位M301
418 LDI M590;進(jìn)瓶個數(shù)檢測
419 ANI X005;連鎖保護(hù)點(diǎn)
420 ANI X006;緊急停車保護(hù)
421 OUT M50;進(jìn)瓶瓶位是否有瓶檢測
422 LD M49;主電機(jī)轉(zhuǎn)速測量檢測輸入點(diǎn)
423 SFTL M50 M500 K60 K1
; 瓶位移位檢測，采用PLC位左移指令，這條指令是整個子控制程序的核心之一，主電機(jī)和瓶位檢測開關(guān)同步檢測移動的酒瓶，主電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，正好對應(yīng)酒缸轉(zhuǎn)過一個瓶位，PLC內(nèi)部單元內(nèi)對應(yīng)這60個瓶位的單元為M500~M559，單元個數(shù)用第一個字母K設(shè)置為K60，每次變化一位用第二個字母K設(shè)置為K1，M50反應(yīng)了瓶位的空、缺位置，并將檢測到的這個位置以電機(jī)轉(zhuǎn)速的頻率移位下去，在內(nèi)部相應(yīng)的 單元內(nèi)置“1”或“0”，控制相應(yīng)的閥門和攪拌瓶蓋的電機(jī)的開與停。系統(tǒng)在連續(xù)檢測90個空瓶位后，停止攪拌瓶蓋的電機(jī)的運(yùn)行，檢測瓶位的個數(shù)可以根據(jù)用戶的要求任意設(shè)定。
432 LD X052
; 出瓶位檢測

回轉(zhuǎn)酒缸通過壓力往瓶內(nèi)背壓裝酒的過程中，空瓶在背壓后，可能由于瓶子本身裂紋等原因?qū)е峦蝗槐浚@就需要檢測出爆瓶瓶子的位置，在這個瓶位的位置進(jìn)行打開吹掃電磁閥，噴出壓縮空氣，將瓶位上的碎瓶片吹離位置，在連續(xù)吹掃幾個瓶位后，在打開噴射電磁閥，噴射出高壓水注，在對破瓶位置周圍瓶位連續(xù)噴射幾個瓶位。

(2) 實(shí)現(xiàn)爆瓶檢測、控制的步進(jìn)控制

482 LD X055;機(jī)器計(jì)數(shù)脈沖測量檢測輸入點(diǎn)
483 PLS M49;主電機(jī)轉(zhuǎn)速測量檢測輸入點(diǎn)取上升沿微分后的位M49
485 PLF M309;主電機(jī)轉(zhuǎn)速測量檢測輸入點(diǎn)取下降沿微分后的位M309
486 LDI M70;破瓶位置檢測
487 ANI M071;連續(xù)破瓶位置檢測
488 ANI X052;進(jìn)瓶位置
489 SFTL M52 M600 K20 K1

破瓶檢測和瓶位檢測開關(guān)同步檢測移動的破瓶，主電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，正好對應(yīng)酒缸轉(zhuǎn)過一個瓶位，PLC內(nèi)部單元內(nèi)對應(yīng)這20個破瓶位的單元為M600~M619，單元個數(shù)用第一個字母K設(shè)置為K20，每次變化一位用第二個字母K設(shè)置為K1，M52反應(yīng)了破瓶的位置，并將檢測到的這個位置以電機(jī)轉(zhuǎn)速的頻率移位下去，在內(nèi)部相應(yīng)的 單元內(nèi)置“1”或“0”，控制相應(yīng)的噴射和吹掃電磁閥開與停。連續(xù)噴射和吹掃電磁閥的開聽、停時間可以根據(jù)工藝要求任意設(shè)定。

破瓶檢測和瓶位檢測的程序流程圖如圖2所示：

圖2 破瓶檢測和瓶位檢測子程序流程圖

系統(tǒng)自動化運(yùn)行可靠的保障就是控制進(jìn)出瓶蓋的同步跟蹤，既準(zhǔn)確檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測開關(guān)、破瓶檢測開關(guān)和進(jìn)瓶檢測開關(guān)三個條件。

(3) 970GOT人機(jī)觸摸屏操作終端機(jī)的軟件采用三菱公司的GT WORKS軟件包，其中GT Designer是一個用與整個GOT9000系列的繪圖套裝軟件。該軟件包操作簡單，事先可在個人計(jì)算機(jī)上組態(tài)并仿真調(diào)試，完畢后下載至人機(jī)操作終端機(jī)。同時，因?yàn)槿藱C(jī)界面又具有觸摸屏的作用，將常用的開關(guān)設(shè)在顯示屏上，方便操作。還可并以增加一些功能，如設(shè)置報(bào)警信息等。

4 改造后控制系統(tǒng)功能

系統(tǒng)正常運(yùn)行時，機(jī)器為自動控制，根據(jù)進(jìn)出瓶帶上瓶的滿缺，按設(shè)定速度或慢速運(yùn)行，進(jìn)瓶檔瓶，無瓶不下蓋，爆瓶自動沖洗，灌裝位置自動背壓，下蓋輸蓋系統(tǒng)的自動開停和安全保護(hù)等動作的協(xié)調(diào)聯(lián)鎖。原來所有按鈕的操作改造后都在觸摸屏上進(jìn)行。

5 控制系統(tǒng)檢測狀態(tài)的監(jiān)控功能

進(jìn)瓶檢測開關(guān)和破瓶檢測開關(guān)通過檢測每個壓瓶部分上面的小鐵片的位置，產(chǎn)生光電脈沖輸出，再有PLC采集，由于每個壓瓶部分上面的小鐵片的位置是活動的，在機(jī)器運(yùn)行一段時間后，壓瓶部分上面的小鐵片和檢測開關(guān)的位置發(fā)生位移，造成檢測開關(guān)誤判斷，如沒瓶判斷為有瓶，爆瓶漏檢、誤檢等造成輸出失誤，使PLC產(chǎn)生誤動作，造成如背壓、爆瓶吹、洗、瓶蓋攪拌系統(tǒng)控制失靈等故障現(xiàn)象。

在改造前的日常生產(chǎn)過程中，碰到這種現(xiàn)象時，操作工只能將各個功能開關(guān)或按扭打到手動控制檔位，使機(jī)器設(shè)備工作在無監(jiān)控狀態(tài)下，機(jī)器失去自動控制功能。造成了很大的生產(chǎn)原料如氣、水、酒的浪費(fèi)。只能在生產(chǎn)的間歇，才能由維修鉗工和電工根據(jù)檢測開關(guān)上的小發(fā)光二極管的亮和滅通過調(diào)整位移距離只有5~8mm的檢測開關(guān)的安裝位置，來修正檢測開關(guān)和小鐵片的間隙。這種檢測手段非常落后，調(diào)整后的效果反應(yīng)致后，不能及時反應(yīng)調(diào)整結(jié)果。

針對這種檢測狀況，結(jié)合改造后的灌裝、壓蓋機(jī)控制系統(tǒng)的配置，新增了這部分檢測功能，并集成在人機(jī)觸摸屏中，完成瓶位檢測。

在人機(jī)觸摸屏的界面分頁顯示屏上，可以分別時時動態(tài)顯示60個瓶位的狀態(tài)和爆瓶時的瓶位狀態(tài)，有瓶、無瓶、爆瓶、背壓開關(guān)等檢測開關(guān)、攪拌電機(jī)等電磁閥的開關(guān)狀態(tài)都以不同顏色來顯示，非常直觀。

在需要修正檢測開關(guān)和小鐵片的位置時，可以在正常生產(chǎn)的條件下，不停機(jī)，由維修人員只要根據(jù)顯示屏上的瓶位狀態(tài)，就可以在線調(diào)整，并馬上看到調(diào)整后的效果。在日常維修中，也可以用它作為狀態(tài)監(jiān)控設(shè)備，觀察輸出設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。

增加這套系統(tǒng)功能的是為保證灌狀壓蓋機(jī)的自動化控制系統(tǒng)正常運(yùn)行而專門設(shè)計(jì)的。軟件界面見圖3。

圖3 軟件界面之一

6 結(jié)束語

改造后的控制系統(tǒng)大大地簡化了復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，經(jīng)現(xiàn)場運(yùn)行情況和控制效果檢驗(yàn)，系統(tǒng)的自動化程度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，大大減少了操作人員的勞動強(qiáng)度，使啤酒灌狀的日產(chǎn)量比過去提高30%以上，故障率大大減低。體現(xiàn)了現(xiàn)代設(shè)備的自動控制技術(shù)。是在消化、吸收當(dāng)今工業(yè)控制的先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新、研制而成的目前國內(nèi)技術(shù)最先進(jìn)的灌裝控制系統(tǒng)。

本文來自2005年第7期“工業(yè)控制技術(shù)”