基于單片機(jī)的啤酒灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 非，黃 川，張 敏，李東波

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

基于單片機(jī)的啤酒灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 非，黃 川，張 敏，李東波

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

提出了一種運(yùn)用STC15F2K60S2系列單片機(jī)控制啤酒灌裝機(jī)的方法，即結(jié)合啤酒灌裝生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制流程，主要針對(duì)從抽真空到灌裝吹氣結(jié)束的每一步操作，對(duì)灌裝過(guò)程中的真空閥、二氧化碳閥、酒液閥的開(kāi)閉以及灌裝時(shí)間、充氣時(shí)間等進(jìn)行了控制,實(shí)現(xiàn)了啤酒灌裝機(jī)的快速、高精度自動(dòng)灌裝，為啤酒灌裝機(jī)的控制提供了技術(shù)支持。

單片機(jī)；灌裝機(jī)；STC15F2K60S2

中國(guó)連續(xù)多年保持世界第一大啤酒生產(chǎn)國(guó)稱(chēng)號(hào)，快速發(fā)展的啤酒消費(fèi)業(yè)刺激著啤酒灌裝設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。啤酒包裝制造業(yè)在我國(guó)啤酒工業(yè)的促動(dòng)下積極地吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)并通過(guò)不斷地自主創(chuàng)新得以發(fā)展壯大[2]。啤酒灌裝生產(chǎn)線也在啤酒業(yè)的發(fā)展下得到充分發(fā)展，國(guó)內(nèi)啤酒灌裝生產(chǎn)線雖然可以滿足啤酒灌裝功能，但是整線的自動(dòng)化程度不高，隨著灌裝生產(chǎn)線向高能高效發(fā)展，啤酒產(chǎn)業(yè)對(duì)于啤酒包裝生產(chǎn)線的要求也逐漸提高，不僅要保證瓶子的準(zhǔn)確到位以及灌裝動(dòng)作的連貫、精確，而且要求在保證灌裝準(zhǔn)確性的前提下，滿足高速、高效率灌裝，因而對(duì)灌裝機(jī)的控制部分提出了更高的要求。傳統(tǒng)的灌裝過(guò)程采用繼電器控制，由于響應(yīng)不夠快并且容易出現(xiàn)故障，難以滿足更高的要求。目前單片機(jī)因其具有集成度高、響應(yīng)速度快、可控制性強(qiáng)、穩(wěn)定安全、體積小、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制以及日常生活中，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理。因此,將單片機(jī)用于控制啤酒灌裝機(jī)中的進(jìn)瓶、抽氣、灌裝、出瓶以及碎瓶等方面的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)就成為啤酒制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 啤酒灌裝生產(chǎn)線工作流程

啤酒灌裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程：空瓶進(jìn)入洗瓶機(jī)進(jìn)行清理，清洗干凈后經(jīng)由傳送帶傳送到螺桿分瓶裝置中，將一批空啤酒瓶分成單個(gè)，接著單個(gè)的啤酒瓶在撥輪進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)的作用下進(jìn)入托瓶機(jī)構(gòu)中，然后在氣動(dòng)升降裝置中上升至灌裝閥底部，此時(shí)通過(guò)各種凸輪以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制抽真空過(guò)程、充二氧化碳過(guò)程、灌酒過(guò)程以及吸氣、CIP清洗過(guò)程的啟動(dòng)與關(guān)閉，灌裝結(jié)束后出瓶、壓蓋、貼標(biāo)、裝箱、堆垛。圖1所示為啤酒灌裝生產(chǎn)線中灌裝機(jī)的局部，也是本文主要研究的對(duì)象。

圖1 啤酒灌裝機(jī)系統(tǒng)圖

啤酒灌裝生產(chǎn)線中需要進(jìn)行檢測(cè)與控制的工作主要包括：空瓶清洗之前對(duì)于瓶子質(zhì)量的檢測(cè)以及清洗后對(duì)空瓶清洗是否合格的檢測(cè)，分瓶進(jìn)瓶過(guò)程中對(duì)于玻璃瓶卡瓶、爆瓶、倒瓶的檢測(cè)與響應(yīng)，灌裝機(jī)灌裝過(guò)程中對(duì)各個(gè)操作流程的控制(這是最復(fù)雜的部分)。生產(chǎn)線中對(duì)壓蓋機(jī)的控制以及對(duì)貼標(biāo)、裝箱的控制，還有對(duì)洗瓶、出瓶過(guò)程的控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單，本文不做介紹，現(xiàn)主要研究對(duì)灌裝機(jī)的控制。圖2所示為啤酒生產(chǎn)線控制流程。

圖2 啤酒生產(chǎn)線控制流程示意圖

2 啤酒灌裝機(jī)工作原理

啤酒灌裝機(jī)主要部件為酒缸和灌裝閥。灌裝機(jī)酒缸是一個(gè)環(huán)繞在灌裝機(jī)頂部的不銹鋼環(huán)形罐，主要負(fù)責(zé)在裝瓶過(guò)程中存放啤酒和二氧化碳。本文研究的灌裝機(jī)含有144個(gè)相同的灌裝閥。每個(gè)灌裝閥具有4個(gè)閥門(mén)：真空閥、啤酒灌裝閥、減壓閥、二氧化碳閥。真空閥負(fù)責(zé)在灌裝之前去除瓶中的空氣，二氧化碳閥主要負(fù)責(zé)往玻璃瓶?jī)?nèi)充二氧化碳備壓，啤酒灌裝閥負(fù)責(zé)將啤酒注入瓶中，而減壓閥負(fù)責(zé)在灌裝之后排出瓶中的過(guò)量壓力。通過(guò)控制環(huán)周?chē)膫鞲衅鞯捻憫?yīng)以及控制凸輪的觸發(fā)就可以按照所需的閥門(mén)操作順序進(jìn)行灌裝，并根據(jù)輸進(jìn)星形輪和輸出星形輪的位置控制閥口密封打開(kāi)和關(guān)閉[3]。

灌裝機(jī)的控制主要包括對(duì)預(yù)抽真空、充二氧化碳備壓以及清洗、酒液灌裝、灌酒沉淀、吸氣除殘留、吹氣去酒沫等的控制。預(yù)抽真空采用的是凸輪控制，由撥輪機(jī)構(gòu)進(jìn)入灌裝機(jī)下部托盤(pán)位置的啤酒瓶在升降機(jī)構(gòu)的作用下，上升至酒液灌裝閥下端，然后在升降凸輪的作用下頂開(kāi)對(duì)中罩密封口，進(jìn)入預(yù)抽真空階段，此時(shí)真空閥在單片機(jī)的控制下開(kāi)啟真空閥預(yù)抽真空。然后當(dāng)灌裝機(jī)旋轉(zhuǎn)到?jīng)_洗啟動(dòng)器位置時(shí)，通過(guò)該位置的傳感器傳輸信號(hào)給單片機(jī)控制二氧化碳閥開(kāi)啟，對(duì)灌裝機(jī)進(jìn)行充氣清洗，二氧化碳會(huì)流入瓶中并接受8個(gè)階段的凈化，清洗掉瓶?jī)?nèi)殘留的氧氣。隨后酒缸備壓，接著進(jìn)入灌裝階段，在灌裝階段通過(guò)感應(yīng)啟動(dòng)器所處的位置控制酒液灌裝開(kāi)始時(shí)機(jī)，而灌裝結(jié)束指令由單片機(jī)內(nèi)部的中斷指令以及閉閥位置共同控制，灌裝結(jié)束后有一段延時(shí)沉淀過(guò)程，沉淀結(jié)束后通過(guò)觸發(fā)吸氣閥吸除閥道內(nèi)部殘留液體，最后通過(guò)回氣口吹氣吹掉瓶頸處泡沫。圖3與圖4分別為灌裝機(jī)控制流程與工作過(guò)程圖。

圖3 灌裝機(jī)控制流程

圖4 灌裝機(jī)工作過(guò)程圖

圖4中1為預(yù)抽真空，2為沖洗，3為第二次抽真空，4為備壓，5為灌裝，6為灌裝沉淀完畢，7為閥門(mén)閉合，8為吸氣過(guò)程，9為回風(fēng)管吹氣。

3 灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制部分主要涉及6個(gè)啟動(dòng)器的控制、時(shí)間延時(shí)控制和中斷控制等。由于在需要控制的抽真空、沖洗、備壓、灌裝、吸氣、吹酒等過(guò)程中，每個(gè)操作機(jī)構(gòu)都需要將根據(jù)開(kāi)關(guān)按鈕狀態(tài)的變化產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)量信號(hào)以及相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)儀表的傳感器測(cè)量到的位置信號(hào)傳遞給單片機(jī)處理，然后用單片機(jī)來(lái)控制閥的開(kāi)合，從而達(dá)到控制啤酒灌裝機(jī)灌裝過(guò)程的目的。

STC15F2K60S2系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的新一代805單片機(jī)，具有高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)。圖5所示為STC15F2K60S2單片機(jī)引腳圖，共有40個(gè)引腳。該單片機(jī)采用STC第八代加密技術(shù)，加密性超強(qiáng)，且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8～12倍；圖6所示為STC15F2K60S2單片機(jī)內(nèi)部構(gòu)造圖，其中集成高精度R/C時(shí)鐘，±1%溫飄，常溫下溫飄5‰，5MHz～35MHz寬范圍可設(shè)置，省掉昂貴的外部晶振；3路PWM/PCA，8路高速 10位A/D轉(zhuǎn)換(30萬(wàn)次/s)，針對(duì)電機(jī)控制及強(qiáng)干擾場(chǎng)合[4-5]。

圖5 STC15F2K60S2單片機(jī)引腳圖

圖6 STC15F2K60S2單片機(jī)內(nèi)部原理圖

控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)主控模塊以及開(kāi)關(guān)量采集模塊、信號(hào)調(diào)理電路、位置傳感器檢測(cè)模塊、光電隔離模塊。備壓過(guò)程中二氧化碳閥是否關(guān)閉取決于酒缸壓力傳感器反饋的信號(hào)。在啤酒灌裝過(guò)程中，當(dāng)單片機(jī)統(tǒng)計(jì)的流過(guò)電磁流量計(jì)的流量到達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)，關(guān)閉電磁流量計(jì)，電磁流量計(jì)的狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉，從而反饋關(guān)閉酒液閥。灌裝沉淀過(guò)程則是在灌裝閥關(guān)閉后通過(guò)延時(shí)實(shí)現(xiàn)。圖7所示為控制系統(tǒng)配置框圖。

開(kāi)關(guān)量采集模塊如圖8所示。

控制系統(tǒng)中所用的傳感器為位置傳感器，采集方法類(lèi)似煙味開(kāi)關(guān)，這里不再贅述。

信號(hào)調(diào)理電路如圖9所示。

由于采用低電平實(shí)現(xiàn)控制指令要比采用高電平效果好得多，所以采集時(shí)采用高電平，在單片機(jī)入口轉(zhuǎn)換成TTL電平，且中間采用光電耦合隔離，電路如圖10所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合啤酒生產(chǎn)線工作流程和灌裝機(jī)工作原理，提出了一種運(yùn)用STC15F2K60S2單片機(jī)控制啤酒灌裝機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為控制啤酒灌裝機(jī)的抽氣、沖洗、備壓、灌裝、沉淀以及吸氣、吹氣過(guò)程按照正確的順序進(jìn)行提供了具體方法，該控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，能夠滿足灌裝線灌裝需求，并為實(shí)現(xiàn)快速精確灌裝提供技術(shù)支持。但是由于研究條件的限制，文中提到的控制系統(tǒng)并未應(yīng)用于實(shí)踐中，其可靠性還需要投入生產(chǎn)實(shí)際中使用后才能驗(yàn)證。后續(xù)工作會(huì)做相關(guān)設(shè)備的控制實(shí)驗(yàn)研究，以完善基于單片機(jī)的啤酒灌裝機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)實(shí)踐。

圖7 控制系統(tǒng)配置框圖

圖8 開(kāi)關(guān)量采集模塊

圖9 信號(hào)調(diào)理電路

圖10 光電隔離電路

[1] 徐宏海，陶廣軍，張財(cái)政，等.臺(tái)達(dá)PLC與觸摸屏在分子篩灌裝機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32(7)：142-144.

[2] 曾榮，江征風(fēng)，李玉琳，等.一種藥液灌裝機(jī)進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2010，37(6)：90-92.

[3] 唐朝輝，童一飛，何非，等.一種減速器扭矩測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014，43(6)：47-49.

[4] 張敏，李東波，何非，等.包裝線碼垛吊具方案設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014，43(8)：10-13.

[5] 郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

Microcontroller-basedcontrolsystemdesignforbeerfillingmachine

HE Fei，HUANG Chuan，ZHANG Min，LI Dongbo

(Nanjing University of Science and Technology，Jiangsu Nanjing，210094，China)

It introduces a method for controlling beer filling machine based on STC15F2K60S2 Series MCU,which is combined with the automation of beer filling production line process control. Aiming at every step of the operation from the vacuum to the filling of the blowing end, vacuum valve, filling valve, carbon dioxide in the process liquor valve and the filling time, this design controls all process, achieves a rapid, high precision automatic filling beer filling machine, provides technical support for the control of beer filling machine.

microcontroller; filling machine; STC15F2K60S2

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.11.013

2014-11-02

何非(1982—)，男，江蘇靖江人，南京理工大學(xué)講師，博士，主要研究方向?yàn)橹圃鞓I(yè)信息化。

TH82

A

2095-509X(2014)11-0058-05