可編程控制器在飲料灌裝流水線裝箱包裝設(shè)備改造中的應(yīng)用

摘要：以一啤酒生產(chǎn)廠家為例，介紹了一種以現(xiàn)用設(shè)備原有電氣控制線路為基礎(chǔ)對其灌裝流水線裝箱包裝設(shè)備進(jìn)行改造的方法，該方法對于行業(yè)內(nèi)類似舊設(shè)備控制系統(tǒng)改造，在設(shè)計方案、設(shè)計可靠性等方面有普遍性和代表意義。

關(guān)鍵詞：可編程控制器;電磁閥;電氣裝置

0? ? 引言

“十一五”期間，我國國民經(jīng)濟(jì)保持了持續(xù)平穩(wěn)較快發(fā)展，相應(yīng)地帶動了我國飲料行業(yè)的快速發(fā)展，許多飲料類產(chǎn)品取得了不錯的銷量。產(chǎn)量的上升促使飲料行業(yè)生產(chǎn)廠家高度重視生產(chǎn)設(shè)備自動化程度及產(chǎn)出比，也推動了行業(yè)的發(fā)展。

以飲料行業(yè)的啤酒生產(chǎn)企業(yè)為例，據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2018年1月—12月全年中國規(guī)模以上啤酒企業(yè)（規(guī)模以上啤酒企業(yè)起點標(biāo)準(zhǔn)為年主營業(yè)務(wù)收入2 000萬元）累計產(chǎn)量3 812.2萬kL，同比增長0.5%。其中2018年12月，中國規(guī)模以上啤酒企業(yè)產(chǎn)量208.9萬kL，同比增長2.3%。在這種情況下，啤酒行業(yè)在正常生產(chǎn)的前提下，都在各自挖潛，積極進(jìn)行技術(shù)改造，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，以期在市場競爭的機(jī)制下，更有利地占領(lǐng)市場。為適應(yīng)企業(yè)技術(shù)發(fā)展需求，啤酒企業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)灌裝流水線中裝箱包裝設(shè)備節(jié)點，就在技改方面呈現(xiàn)出了一定的變化趨勢。

1? ? 現(xiàn)狀及解決方案

啤酒等瓶裝飲料生產(chǎn)行業(yè)中的大部分廠家，目前灌裝流水線中裝箱包裝節(jié)點使用的是連桿裝箱包裝設(shè)備，這種設(shè)備一次完整的動作可以同時包裝4箱（紙箱、塑料、聚丙烯等各種材質(zhì)的包裝箱）即4×24瓶或者3箱即3×24瓶。作為可連續(xù)生產(chǎn)裝箱的包裝機(jī)械設(shè)備，在液體灌裝流水線中，連桿裝箱包裝設(shè)備主要完成飲料液體瓶裝成品的抓起、抬高、裝箱、復(fù)位等料等工作。該類工作原理的設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用等特點，在液體飲料生產(chǎn)企業(yè)的灌裝流水線上普遍使用。

在灌裝流水線中，裝箱包裝節(jié)點的設(shè)備是整個流水線系統(tǒng)運行的核心，裝箱包裝節(jié)點的設(shè)備雖不是直接生產(chǎn)啤酒的相關(guān)設(shè)備，但卻是實現(xiàn)生產(chǎn)流程自動化所必需的重要部件。

對于這種設(shè)備的電儀的控制，是液體灌裝流水線中包裝機(jī)安全、可靠運行的重要保證。

時下，國內(nèi)啤酒生產(chǎn)企業(yè)灌裝流水線中設(shè)備的控制單元，基本上采用的是89C系列、ARM單片機(jī)CPU構(gòu)成的控制板及電氣元件、電機(jī)等組合的控制方式。這種控制方式設(shè)計復(fù)雜、抗干擾性差且繼電器使用數(shù)量多，而且液體飲料類產(chǎn)品灌裝流水線處于高溫、高濕的工作環(huán)境，極易造成裝箱包裝節(jié)點故障，容易發(fā)生事故。

同時，對于由單片機(jī)控制板構(gòu)成的系統(tǒng)，在日常檢修及故障判斷、系統(tǒng)元器件檢測方面，都需要專門的儀器和具有專業(yè)知識的維修人員，這樣也增加了企業(yè)在人工成本上的支出。

隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的高速發(fā)展，PLC控制技術(shù)逐漸被應(yīng)用于生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)中，以取代設(shè)備原先使用的控制元器件及線路，這在日常檢維修及人員素質(zhì)的要求上都大大低于原系統(tǒng)，便利性更佳，因而成為連桿裝箱包裝等設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

基于上述客觀條件和市場需求，為響應(yīng)啤酒行業(yè)用戶的要求，我們選擇了遼寧華潤雪花集團(tuán)下屬一家啤酒生產(chǎn)廠家的灌裝流水線中的裝箱包裝設(shè)備進(jìn)行改造。

2? ? 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該啤酒生產(chǎn)廠家的灌裝流水線中連桿裝箱包裝設(shè)備是同類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，具有普遍性和代表性。該設(shè)備的控制系統(tǒng)由單片機(jī)控制板、電機(jī)執(zhí)行等部分組成，工藝過程如圖1所示。

在裝箱包裝設(shè)備控制部分改造分析會上，技術(shù)人員充分聽取了該廠工藝操作人員、電氣維護(hù)人員等的意見，實地考察、調(diào)研了這類流水線包裝設(shè)備的工作過程和控制特點。裝箱包裝設(shè)備控制的輸入、輸出單元，基本上都是數(shù)字量信號，DI/DO信號來源為光電型開關(guān)、接近開關(guān)、電磁閥、步進(jìn)電機(jī)等;設(shè)備的生產(chǎn)工藝以連續(xù)的流程控制為主。以PLC為主的控制系統(tǒng)，在數(shù)字量、邏輯控制及順序控制方面有著其他控制系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢，因此，本項目的控制系統(tǒng)采用新的基于PLC控制系統(tǒng)的控制模式設(shè)計。

該啤酒生產(chǎn)廠家全廠其他自動化設(shè)備基本使用的是德國Siemens（西門子）公司的PLC控制系統(tǒng)，為實現(xiàn)改造后啤酒生產(chǎn)廠家設(shè)備備件的統(tǒng)一化及日常維護(hù)的聯(lián)通化，同時，根據(jù)采集和控制點數(shù)，選用Siemens的S7-200 PLC作為新改造后的系統(tǒng)控制器;根據(jù)控制系統(tǒng)的DI/DO規(guī)模和通信網(wǎng)絡(luò)配置，為滿足日后升級的需求，選擇了CPU 226及模擬量、數(shù)字量擴(kuò)展模塊。

控制系統(tǒng)核心CPU數(shù)據(jù)存儲空間為13K字節(jié)程序，CPU模塊集成了40個DI/DO（24DI/16DO），最多可擴(kuò)展7個I/O模塊（248路數(shù)字量或35路模擬量I/O點）。CPU模塊集成6路獨立的高速計數(shù)器，2路獨立的高速脈沖輸出，通過軟件集成的PID指令，可組態(tài)8路PID控制器，PID輸出可組態(tài)AO/DO模式。CPU具有2個物理RS485通信/編程口（PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和刻編程的自由口方式通信），完全滿足于本次改造對控制系統(tǒng)的需求。

3? ? 系統(tǒng)功能設(shè)計

（1）該包裝設(shè)備控制系統(tǒng)的電機(jī)可以進(jìn)行點動、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，以帶動夾瓶裝置往復(fù)運動裝箱。瓶電機(jī)和兩個箱電機(jī)分別用作傳輸瓶和傳輸箱;七個電磁閥和與之對應(yīng)的氣缸，分別控制“夾頭” “定位器” “出箱臂” “進(jìn)箱臂” “箱導(dǎo)向”;設(shè)“手動”和“自動”操作兩個切換開關(guān)。

（2）在包裝設(shè)備的控制前臺和設(shè)備后部、側(cè)面都加裝3只高靈敏度的光電檢測傳感器，在現(xiàn)場工作人員誤入包裝機(jī)的危險區(qū)域時，設(shè)備立即緊急停車，保證操作人員的人身安全。

（3）在啤酒罐裝流水線的傳送帶上安裝日本歐姆龍公司的專用皮帶測速旋轉(zhuǎn)編碼器，測量灌裝流水線的傳送帶速度。當(dāng)PLC系統(tǒng)檢測到灌裝流水線傳送帶的電機(jī)運行異常時，立即停車，包裝設(shè)備也停止工作。

（4）PLC系統(tǒng)DI回路中有光電及接近開關(guān)等信號輸入，DO回路有DC24 V電磁閥等設(shè)備，改造后的PLC系統(tǒng)單獨配置西門子公司DC20 A輸出的STOP電源，為外圍的此類傳感器、執(zhí)行元件如各輸入、輸出元件單獨供電，保障了PLC電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PLC控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

（5）為了使改造后的控制系統(tǒng)安全可靠運行，系統(tǒng)在設(shè)計時采取了數(shù)種防護(hù)措施。在接地方面：強(qiáng)電設(shè)備分開接地，接地線的截面積大于2 mm2;PLC輸入采用專用的帶保險功能的端子接入系統(tǒng)，DO采用繼電器隔離，完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動線圈和PLC端子的隔離，消除線圈吸合、斷開時的電磁性沖擊等對系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。

（6）為了保護(hù)操作過程中的人身安全，避免在工作中操作人員發(fā)生意外而造成的人身傷害，設(shè)計了保護(hù)裝置。本裝置由光電及接近開關(guān)等組合構(gòu)成，組成一個禁區(qū)邊界范圍，在設(shè)備使用過程中，操作人員或其他物體一旦進(jìn)入該禁區(qū)或保護(hù)門被打開，通過邏輯判斷，整條流水線立即停機(jī)并報警。

（7）根據(jù)生產(chǎn)需要將原灌裝流水線上的蒸汽測量溫度、壓力等一些參數(shù)測量儀表信號接入PLC控制系統(tǒng)，由PLC控制系統(tǒng)統(tǒng)一采集及顯示。

（8）系統(tǒng)改造后，在現(xiàn)場安裝一個Siemens的KTP700 Basic觸摸屏，通過MPI通信口和PLC控制系統(tǒng)通信，直觀顯示各種工藝參數(shù)和流程，便于操作工掌握整個流水線的工作情況。

4? ? 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)程序設(shè)計分為兩部分：PLC編程設(shè)計及觸摸屏程序設(shè)計。

觸摸屏程序設(shè)計采用博圖V14軟件，程序設(shè)計的主要工作是驅(qū)動配置、變量連接及運行畫面組態(tài)。

本文主要介紹PLC程序的設(shè)計。PLC程序采用Siemens MicroWIN V4.0 SP9軟件編程，邏輯控制流程圖如圖3所示。

改造后PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計基礎(chǔ)，主要依據(jù)該流水線交工資料中包裝設(shè)備機(jī)電單元的電氣控制原理、接線圖，PLC程序設(shè)計按照流水線的工藝操作流程以及根據(jù)生產(chǎn)實際需求確定的功能進(jìn)行，新增加了操作防護(hù)、參數(shù)在線設(shè)定等新功能。

將原有設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)DI/DO信號，作為PLC系統(tǒng)的I/O點，原電氣系統(tǒng)由繼電器、時間繼電器等硬件完成的控制功能，改造后由PLC替代完成。

進(jìn)箱臂部分主要I/O對照表如表1所示。

5? ? 包裝設(shè)備舉箱移箱動作調(diào)試舉例

（1）根據(jù)舉臂桿機(jī)械限位位置，調(diào)整光電傳感器SQ1和對稱反射板的安裝距離，使SQ1處于“導(dǎo)通”的工作狀態(tài)時，調(diào)整到“擋光”位置，PLC系統(tǒng)DI通道HR0003的報警到位指示燈亮。以同樣的方法調(diào)整好光電開關(guān)SQ2、SQ3、SQ4…SQ10。

（2）根據(jù)落臂桿機(jī)械限位位置，調(diào)整光電傳感器接近開關(guān)JQ0和對稱反射板的安裝距離，使“夾頭”動作在運動軌跡的最低點時接近“擋塊”位置，并使PLC系統(tǒng)DI通道HR0012箱復(fù)位指示燈亮。以同樣的方法調(diào)整好接近開關(guān)JQ2、JQ3、JQ4、JQ5。

（3）啤酒罐裝流水線測速的旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B、Z相，按說明書接線調(diào)試，在Siemens MicroWIN V4.0 SP9編程軟件中對編碼器的高速計數(shù)功能進(jìn)行組態(tài)配置，采用Z相加軟件復(fù)位方法。配置好后，按下按鈕5SA后或超速、失速等設(shè)定參數(shù)到限后，傳送帶電機(jī)立即停車，裝箱包裝設(shè)備也應(yīng)立即停止工作。

（4）按動設(shè)備上的對應(yīng)操作按鈕（可通過系統(tǒng)觸摸屏上的軟按鈕實現(xiàn)同樣功能），可單獨控制啤酒進(jìn)箱電機(jī)、啤酒出箱電機(jī)、破瓶移位電機(jī)的啟動、關(guān)停。設(shè)備停機(jī)后，將按鈕位置打到“關(guān)”。1SA和2SA分別控制“出箱臂”和“瓶定位”，10SA、15SA分別控制“導(dǎo)向”和“變距”。

（5）經(jīng)調(diào)試模擬，設(shè)備動作都已正確時，將“手動”擋轉(zhuǎn)為“自動”擋，按下“系統(tǒng)運行”開關(guān)，即可完成啤酒自動裝箱包裝操作。

6? ? 結(jié)語

該啤酒廠家經(jīng)改造后的啤酒灌裝流水線的裝箱包裝設(shè)備，控制系統(tǒng)整體上的物理接線量大大減少，控制柜體積縮小，自動化程度以及設(shè)備運行控制的可靠性大大提高，極大地降低了日常儀表、電氣維保人員的工作量。

本文介紹的項目改造案例，對于行業(yè)內(nèi)類似舊設(shè)備控制系統(tǒng)改造，在設(shè)計方案、設(shè)計可靠性等方面具有普遍性和代表意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Siemens S7-200系統(tǒng)編程手冊[Z].

收稿日期：2020-03-03

作者簡介：蔡振宇（1970—），男，遼寧丹東人，工程師，研究方向：自動化。