啤酒灌裝生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)

張賽昆

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，100176）

0 引言

灌裝是啤酒生產(chǎn)的最后一道工序﹐對保持啤酒的質(zhì)量﹐賦予啤酒的商品外觀形像有直接影響。灌裝后的啤酒應(yīng)符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)﹐盡量減少CO損失和減少封入容器內(nèi)的空氣含量。

桶裝﹕桶的材質(zhì)為鋁或不銹鋼﹐容量為15﹑20﹑25﹑30﹑50l。其中30l為常用規(guī)格。桶裝啤酒一般是未經(jīng)巴氏殺菌的鮮啤酒。鮮啤酒口味好﹐成本低﹐但保存期不長﹐適于當(dāng)?shù)劁N售。

瓶裝﹕為了保持啤酒質(zhì)量﹐減少紫外缐的影響﹐一般采用棕色或深綠色的玻璃瓶?？掌拷?jīng)浸瓶槽(鹼液2～5%﹐40～70℃)浸泡﹐然后通過洗瓶機洗凈﹐再經(jīng)灌裝機灌入啤酒﹐壓蓋機壓上瓶蓋。經(jīng)殺菌機巴氏殺菌后﹐檢查合格即可裝箱出廠。

罐裝﹕罐裝啤酒于1935年起始于美國。第二次世界大戰(zhàn)中因軍需而發(fā)展很快。戰(zhàn)后經(jīng)一系列技術(shù)改造﹐需要量逐步上升。1966年﹐美國的瓶裝與罐裝之比已為52﹕46。罐體材料為鋁或銅。罐裝啤酒體輕﹐運輸攜帶和開啟飲用方便﹐因此很受消費者歡迎﹐發(fā)展很快。PET(聚對苯二甲酸乙二酯)塑料瓶裝﹕自1980年后投放市場﹐數(shù)量逐年增加。其優(yōu)點為高度透明﹐重量輕﹐啟封后可再次密封﹐價格合理。主要缺點為保氣性差﹐在存放過程中﹐CO逐漸減少。增添涂層能改善保氣性﹐但貯存時間也不能太長。PET瓶不能預(yù)先抽空或巴氏殺菌﹐需采用特殊的灌裝程序﹐以避免攝入空氣和污染雜菌。本文設(shè)備為瓶裝生產(chǎn)線。

無論是國產(chǎn)生產(chǎn)線，還是引進生產(chǎn)線，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備之間的傳輸數(shù)據(jù)方式可由現(xiàn)場總線代替。連接自動化控制系統(tǒng)和現(xiàn)場智能設(shè)備之間的多分支結(jié)構(gòu)、雙向傳輸、數(shù)字化的通訊網(wǎng)絡(luò)即為現(xiàn)場總線。要想獲得設(shè)備中大量數(shù)據(jù)，對故障點及時判斷，可以依靠診斷功能，將發(fā)生故障的時間降低，實現(xiàn)了對實時數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。因此，采用現(xiàn)場總線，是外界與自動化、底層現(xiàn)場設(shè)備之間的信息交換、綜合自動化的有效實施、集成企業(yè)信息實現(xiàn)的前提?，F(xiàn)場總線相比較傳統(tǒng)設(shè)備之間一對一的接線方式，簡化了所有連線，大大減少維護、安裝、設(shè)計的工作量，大量節(jié)省了曹家、電纜及相應(yīng)接口設(shè)備，還可連接ERP系統(tǒng)，一體化管、控、測。

1 MODBUS總線

在上世紀(jì)七十年代MODBUS總線協(xié)議誕生，該協(xié)議為完全開放的通訊協(xié)議，而這種協(xié)議目前在自動化儀表方面得以廣泛應(yīng)用。MODBUS協(xié)議已經(jīng)成為工業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)、控制器相互之間通過該協(xié)議可以通信，是在電子控制器上應(yīng)用的通用語言。不同廠商通過MODBUS總線所生產(chǎn)的控制設(shè)備能夠以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的方式實現(xiàn)集中監(jiān)控。采用主站查詢從站的方式作為MODBUS總線協(xié)議，而RJ45、RS422、RS485、RS232等均可以作為物理接口，光纖或屏蔽雙絞線可作為通訊介質(zhì)。但用雙絞線、并采用RS232接口布袋中繼器的通訊速率為20Kbps，最大距離為15米。

2 INTTERBUS總線

INTTERBUS現(xiàn)場總線能夠構(gòu)的拓?fù)湫问街T多，其串行總線較為開放。嵌套連接方式允許有十六級，在不適用中繼器網(wǎng)絡(luò)時，設(shè)備之間的最大距離為13公里。本地總線和遠(yuǎn)程總線構(gòu)成了INTTERBUS總線，遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)采用遠(yuǎn)程總線，網(wǎng)絡(luò)自身不供電，采用RS-485進行傳輸。INTTERBUS同時傳送電源和數(shù)據(jù)，其有著自身獨特的環(huán)路結(jié)構(gòu)，環(huán)路采用了標(biāo)準(zhǔn)電纜。環(huán)路允許智能終端儀表的直接接入，能夠連接數(shù)字、模擬設(shè)備，還可以將連接復(fù)雜的執(zhí)行器和傳感器。INTTERBUS總線能夠?qū)φ麄€網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)控，具有很高監(jiān)視診斷功能。與此同時，它還能夠按照設(shè)計要求，利用總線網(wǎng)絡(luò)自身具有的變結(jié)構(gòu)功能，將總線的某個子總線段連接和關(guān)斷。在現(xiàn)場的維護、診斷、調(diào)試、安裝等方面，監(jiān)控功能是有效的工具。對部件錯誤和安裝錯誤進行識別和確定是現(xiàn)場總線具體功能，具有輸出、輸入狀態(tài)顯示，輸出狀態(tài)可在調(diào)試時設(shè)置，同時智能設(shè)備的參數(shù)也可以保存。

3 MODBUS PLUS總線

MODBUS PLUS總線協(xié)議適用于工業(yè)實時控制局域網(wǎng)的建立，主計算機數(shù)據(jù)采集、連接操作員接口、遠(yuǎn)程編程、上傳與下載程序、數(shù)據(jù)監(jiān)測、過程控制等等是其典型應(yīng)用。MODBUS PLUS總線協(xié)議物理接口時RS485，通訊速率為1Mbps，最大節(jié)點數(shù)位64個，為一種異步半雙工通訊對等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。1Mbps為MODBUS PLUS總線網(wǎng)絡(luò)通訊速率。其實時控制裝置不會因通訊量或加載等原因而降低性能，例如：I/O裝置的能力。因此，MODBUS PLUS總線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)^程數(shù)據(jù)進行快速存取。它具有諸多特點，如易于安裝、對等通訊、綜合高速等，通過使用低成本的光纖電纜或成本低廉的雙絞線電纜，是的其他數(shù)據(jù)源、可編程邏輯控制器、計算機等作為同位體在整個網(wǎng)絡(luò)中進行通信。

4 設(shè)計自動控制系統(tǒng)

企業(yè)安裝一條啤酒全自動灌裝生產(chǎn)線，產(chǎn)量為24000瓶/H，貼標(biāo)機工作站、灌裝機工作站、封箱機工作站為進口設(shè)備，其他工作站設(shè)備為國產(chǎn)設(shè)備。MODBUS以及INTTERBUS工業(yè)現(xiàn)場總線應(yīng)用于國產(chǎn)工作站設(shè)備控制系統(tǒng)連接，而且以MB+網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)來連接整條生產(chǎn)線上PLC，并且連接上位機，通過組態(tài)監(jiān)控整條生產(chǎn)線。

4.1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

整體自動控制系統(tǒng)為雙層網(wǎng)絡(luò)，INTERBUS網(wǎng)作為下層，串接MOMENTUM分布式I/O模式；而MB+網(wǎng)作為上層，即采集數(shù)據(jù)及信息管理層，用于循環(huán)、快速地域現(xiàn)場設(shè)備交換數(shù)據(jù)，其可掛節(jié)點為三十二個。

4.2 功能

將七個PLC現(xiàn)場控制站設(shè)置與整線中，這七個PLC現(xiàn)場控制站分別是酒瓶清洗工作站、酒瓶傳送工作站、酒瓶殺菌工作站、包裝箱卸箱工作站、包裝箱輸送工作站、分道裝箱工作站、CIP工作站?，F(xiàn)場控制站需要負(fù)責(zé)發(fā)送控制指令、并完成數(shù)據(jù)的采集，可以說現(xiàn)場控制站是控制的核心，在I/O基板上插入其處理器適配器與通信適配器就能夠按照功能模塊進行工作，在DIN導(dǎo)軌上安裝I/O基板，所有的I/O模塊采用INTERBUS通訊電纜就能夠連接起來。分布式I/O模塊、INTERBUS-S通訊適配器、MB+選項適配器、CPU等，都是現(xiàn)場控制站的主要硬件。與主控室相關(guān)的數(shù)據(jù)的輸出和采集可通過遠(yuǎn)程I/O節(jié)點、I/O模塊、MB+通信適配器共同構(gòu)成。

采用硬雙機熱備系統(tǒng)作為中間信息處理部分，正常運行狀態(tài)下，相應(yīng)程序由主機執(zhí)行，主控室遠(yuǎn)程I/O節(jié)點與現(xiàn)場控制站之間的數(shù)據(jù)可進行轉(zhuǎn)換，當(dāng)CRP、NOM、CPU、主機電源等失效的情況下，在50ms的時間內(nèi)，實現(xiàn)備機工作狀態(tài)的自動切換。在此，來看一下中間信息處理部分的硬件組成。采用同軸電纜網(wǎng)絡(luò)的相互連接為遠(yuǎn)程I/O處理模塊；而同步模塊包括接受和發(fā)送兩個光纖通訊端口；擴展通訊能力由MB+通訊模塊為系統(tǒng)提供；CPU含有兩個通訊端口，分別是MB+、MODBUS。采用開放的MB+網(wǎng)作為通訊網(wǎng)絡(luò)，用BM+網(wǎng)線電纜、MB+分支器、MB+站分支電纜連接MB+通訊模塊，主網(wǎng)上所能夠連接的節(jié)點有32個，根據(jù)情況還可以再擴展32個節(jié)點，但需要通過MB+通訊模塊。每個現(xiàn)場控制站的操作員站可由一個觸摸屏擔(dān)當(dāng)，連接MOMENT CPU自帶的MODBUS口與觸摸屏，就能對各個機臺的情況進行監(jiān)控了。在查詢和監(jiān)控各機臺的狀態(tài)時，可通過動畫、圖形、圖表等直觀方式，應(yīng)用組態(tài)軟件來實現(xiàn)。上位機還能夠在主控室中進行擴展，在對整條生產(chǎn)線情況進行監(jiān)控時，作為MB+的節(jié)點，上位機可采用組態(tài)軟件，查詢和監(jiān)控生產(chǎn)線上各臺設(shè)備的狀態(tài)時，通過動畫、圖形、圖表等直觀的方式來實現(xiàn)控制。

5 結(jié)束語

企業(yè)自2010年投入使用該系統(tǒng)后，運行可靠、穩(wěn)定。啤酒灌裝生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)節(jié)約了電纜量，很大程度上減少了維護、安裝、設(shè)計系統(tǒng)的工作量。CONCEPT軟件可以編寫多種編程語言，而啤酒灌裝設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)功能由現(xiàn)場控制站控制程序?qū)崿F(xiàn)。而將現(xiàn)場總線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用整條生產(chǎn)線中，有效地實現(xiàn)了企業(yè)管、控、測一體化，在整線中還可通過擴展上位機來增加社會效益。

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