洗瓶作業(yè)水循環(huán)裝置的遠(yuǎn)程智能控制設(shè)計(jì)與研究

樊明哲，呂文，唐敬友，趙成濤，徐開義

（1.瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646000；2.四川省工業(yè)和信息化研究院，四川 成都 610017；3.瀘州市和興科技有限公司，四川 瀘州 646000；4.瀘州金窖醇酒業(yè)有限公司，四川 瀘州 646000）

0 引 言

洗瓶作業(yè)是在洗瓶機(jī)前端容器中加入有機(jī)清洗劑，通過增壓泵把洗瓶水壓入帶有若干噴嘴的管線中，噴嘴下方的傳送帶工位把空瓶輸運(yùn)到對準(zhǔn)噴嘴的固定位置，完成初級沖洗作業(yè)。接著傳送帶前移進(jìn)入清水沖洗（即清洗）工序，酒瓶干燥后轉(zhuǎn)入白酒灌裝線。初洗和清洗廢水進(jìn)入收集池，一般排放到工業(yè)污水管道或生活污水管道中集中處理。由于酒瓶的清洗用水量很大（5～20 噸/小時(shí)），傳統(tǒng)的洗瓶作業(yè)耗水量和廢水排放量大?；诖?，亟待研發(fā)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化控制的洗瓶水循環(huán)裝置，通過智能化控制功能的引入，大幅提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，提升白酒生產(chǎn)洗瓶作業(yè)線管理效率和作業(yè)效率，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段。

1 總體技術(shù)路線

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

近年來智能工業(yè)不斷在各行各業(yè)涌現(xiàn)，在知網(wǎng)系統(tǒng)中可檢索到80 多萬條信息，涉及到各行各業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)和人們生活的方方面面，但還沒有見到有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于本洗瓶水循環(huán)裝置中的文獻(xiàn)報(bào)道。目前我國飲料生產(chǎn)行業(yè)的絕大多數(shù)企業(yè)采用傳統(tǒng)的飲料容器清洗方法和廢水處理排放方式，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，廢水排放量大。飲料容器清洗作業(yè)水循環(huán)利用技術(shù)還處于初步研發(fā)階段，還缺乏系統(tǒng)性的研究，更缺乏相關(guān)技術(shù)集成和智能化管理的先進(jìn)技術(shù)。因此，開發(fā)與之配套的飲料容器連續(xù)清洗作業(yè)水循環(huán)裝置的遠(yuǎn)程智能化管理系統(tǒng)是飲料制造行業(yè)的發(fā)展趨勢，對提高企業(yè)現(xiàn)代管理水平和生產(chǎn)效能具有積極的推動(dòng)作用。

1.2 技術(shù)關(guān)鍵

1.2.1 超聲波流量檢測技術(shù)

研究基于超聲波的精準(zhǔn)流量檢測技術(shù)，提升檢測精度，便于實(shí)現(xiàn)水泵的智能動(dòng)態(tài)控制調(diào)整。超聲波流量檢測技術(shù)具有對水質(zhì)要求低、流速檢測范圍寬、流態(tài)影響小、采樣間隔小、使用范圍廣、檢測精度高等特點(diǎn)。該技術(shù)采用非接觸式方式，不需要在流體中安裝相對應(yīng)的測試元件，不改變流動(dòng)體的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，也不會(huì)產(chǎn)生附加外力，在安裝、檢測時(shí)生產(chǎn)管線運(yùn)行的狀態(tài)也受影響，真正體現(xiàn)了高效、節(jié)能型流量檢測技術(shù)。

1.2.2 后端處理SSM 框架開發(fā)技術(shù)

基于目前市面流行的后端處理開發(fā)框架SSM（Spring +Spring MVC+ MyBatis），研發(fā)整個(gè)后端數(shù)據(jù)處理與分析、實(shí)時(shí)控制容器連續(xù)清洗優(yōu)化的壓力、流速軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化控制，便捷化。SSM 框架通過IOC 特性，方便解耦，簡化對重復(fù)模塊進(jìn)行集中，實(shí)現(xiàn)事務(wù)、日志、權(quán)限的控制；使用MVC 研發(fā)輕量級Web 框架，對Web 層進(jìn)行解耦，數(shù)據(jù)驗(yàn)證更加靈活與標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)庫的操作采用xml 文件配置，解除sql 和代碼的耦合，支持對象和和數(shù)據(jù)庫Orm 字段關(guān)系映射、對象關(guān)系映射標(biāo)簽和組建等。

1.2.3 無線通信技術(shù)

研發(fā)控制容器連續(xù)清洗系統(tǒng)的無線通信技術(shù)，主要包括ZigBee 組網(wǎng)技術(shù)和GPRS 通信應(yīng)用技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)容器連續(xù)清洗，研究基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)，基于IEEE 802.15.4 國際標(biāo)準(zhǔn)，其特點(diǎn)表現(xiàn)為功耗低，速率低，可靠性高，在數(shù)據(jù)傳輸過程中網(wǎng)絡(luò)路由吞吐量大，可自動(dòng)恢復(fù)并消除冗余的性能，在各個(gè)領(lǐng)域均可應(yīng)用低數(shù)據(jù)率監(jiān)控。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整個(gè)數(shù)據(jù)采集和后端系統(tǒng)的智能控制，此部分通信研發(fā)GPRS 通信應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)可以提供高速的無線數(shù)據(jù)接入服務(wù)，實(shí)現(xiàn)在電腦、智能手機(jī)終端APP 的上網(wǎng)功能和在線管理。以上兩種通信模式的有效結(jié)合保證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠通信。

1.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

通過對現(xiàn)有的洗瓶水循環(huán)作業(yè)線工作過程進(jìn)行分析，提出智能管理引入的環(huán)節(jié)，對裝置進(jìn)行升級改造，建立與水循環(huán)裝置配套的遠(yuǎn)程智能化管理系統(tǒng)。其技術(shù)關(guān)鍵在于通過進(jìn)出水泵速的智能調(diào)節(jié)控制進(jìn)出循環(huán)水的壓力和流速，用壓力和超聲波流速傳感器測量并采集循環(huán)水的壓力、流速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算和分析水流量，以壓力參數(shù)變化負(fù)反饋控制泵速實(shí)現(xiàn)水循環(huán)的穩(wěn)定流動(dòng)，最終通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)通信在終端設(shè)備上實(shí)現(xiàn)洗瓶水循環(huán)連續(xù)作業(yè)的實(shí)時(shí)管理和控制?？傮w設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

2.1 整體設(shè)計(jì)理念

目前市面上的洗瓶水循環(huán)裝置主要存在以下問題：

（1）不節(jié)水，洗瓶廢水直排，單條包裝線年耗水量約1 萬噸，廢水排放約1 萬噸；

（2）回用洗瓶水易滋生微生物，導(dǎo)致洗瓶機(jī)噴嘴和管道堵塞，污染洗瓶機(jī)；

（3）需要每天定期用弱酸對碟片和洗瓶機(jī)進(jìn)行清洗，清洗耗費(fèi)周期長，勞動(dòng)強(qiáng)度大；

（4）年耗材消耗大，2年更換高分子濾片約需2.4 萬元。

（5）使用過程無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)管。

基于以上問題，研究實(shí)現(xiàn)收集洗瓶廢水進(jìn)入出水收集池或容器，通過循環(huán)水工作泵輸送至管線中，最終使洗瓶作業(yè)的供水容器與出水容器之間形成閉循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)洗瓶水的循環(huán)利用。設(shè)備電器控制箱上電后，設(shè)備啟動(dòng)，微波發(fā)射裝置工作產(chǎn)生微波激發(fā)紫外發(fā)光裝置產(chǎn)生紫外線，同時(shí)溫控裝置自動(dòng)啟動(dòng)，按設(shè)定的工作溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)光裝置內(nèi)溫度以達(dá)到設(shè)備的最佳的紫外線發(fā)光效率。同時(shí)引入遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的遠(yuǎn)程智能化管理。

2.2 廢水在線清潔處理的設(shè)計(jì)

研究表明洗瓶廢水中含有固形物、有機(jī)清洗劑和滋生的細(xì)菌微生物，直接循環(huán)使用會(huì)污染飲料容器，使得清洗不徹底，必須進(jìn)行必要的處理。通過對廢水殘留物的成分分析，研究出可采用PVDF（聚偏二氟乙烯）納米超濾膜去除固形物，使用活性炭吸附有機(jī)清洗劑活性劑，通過微波無極定波長紫外線滅菌等技術(shù)進(jìn)行在線清潔處理。在考慮到洗瓶水循環(huán)利用的問題時(shí)發(fā)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)清洗作業(yè)并沒有有效去除有機(jī)清洗劑及其活性劑。

此問題在實(shí)驗(yàn)過程中，通過減少使水循環(huán)量，使清洗劑用量達(dá)到最??；當(dāng)運(yùn)行一定時(shí)間后，系統(tǒng)停機(jī)維護(hù)時(shí)，對于循環(huán)利用后的廢水，采用活性炭吸附+芬頓氧化工藝集中處理，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明此法可有效實(shí)現(xiàn)廢水的在線清潔處理。

3 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 裝置結(jié)構(gòu)

設(shè)備電器控制箱上電后，設(shè)備啟動(dòng)，微波發(fā)射裝置工作產(chǎn)生微波激發(fā)紫外發(fā)光裝置產(chǎn)生紫外線，同時(shí)溫控裝置自動(dòng)啟動(dòng)，按設(shè)定的工作溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)光裝置內(nèi)溫度以達(dá)到設(shè)備的最佳的紫外線發(fā)光效率。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

3.2 裝置工作狀態(tài)

通過對裝置功能特性的需求分析，確定裝置內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 裝置內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)圖

4 裝置工作狀態(tài)測試

4.1 實(shí)驗(yàn)測試流程

該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)前先檢查各個(gè)部件狀態(tài)良好，各部件按電路圖（附件）接線是否正確，運(yùn)輸所用的填充物是否清理干凈。

（1）綠色燈亮為正常運(yùn)行狀態(tài)；紅色燈亮為停止?fàn)顟B(tài)，黃色燈亮為設(shè)備故障狀態(tài)。

（2）紫外燈組工作電流表，該電流表可監(jiān)控?zé)艚M工作電流是否正常。應(yīng)在在6～8 A 左右。

（3）循環(huán)水控制綠色ON、黃色STOP、紅色OFF、控制PLC 的運(yùn)行、暫停、停止。此控制器為外接開關(guān)，方便工作人員使用操作。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 測試結(jié)果1

（4）紫外線強(qiáng)度檢查儀檢查。紫外線計(jì)量表，指示反應(yīng)器內(nèi)紫外線計(jì)量，該參數(shù)是相對值，供用戶參考。沒有絕地計(jì)量意義。用戶可以在紫外線最強(qiáng)時(shí)設(shè)定基準(zhǔn)值100%，該表有一個(gè)紫外線計(jì)量低報(bào)警供控制使用，報(bào)警計(jì)量基準(zhǔn)用戶可以自行設(shè)定。如表1所示。

表1 功能設(shè)定

（5）儀表數(shù)據(jù)反饋。儀表上電，最上面一排數(shù)碼管可以顯示測量的溫度，下面一排數(shù)碼管可以進(jìn)行溫度的顯示設(shè)定。在使用過程中，通過不同的按鍵時(shí)間可以顯示不同的狀態(tài)，比如短按進(jìn)入溫度設(shè)定狀態(tài)，此時(shí)會(huì)顯示SP 提示符，再次按設(shè)定鍵，可顯示ST 提示符，同時(shí)可以顯示之前設(shè)定的時(shí)間。若長按設(shè)定鍵5 S 以上，顯示器會(huì)進(jìn)入不同參數(shù)的設(shè)定狀態(tài)，同時(shí)出現(xiàn)不同的顯示提示符以及參數(shù)值，參數(shù)設(shè)定完畢后，再按設(shè)定鍵5 S 以上，即可實(shí)現(xiàn)退出的設(shè)定狀態(tài)。正常運(yùn)轉(zhuǎn)模式下，長按加數(shù)鍵5 S 以上，儀表回到正?？刂茽顟B(tài)。若在自整定過程中進(jìn)入了設(shè)定的狀態(tài)，自整定程序即會(huì)退出。參數(shù)顯示如表2所示，界面顯示結(jié)果如圖5所示。

表2 儀表測試結(jié)果表

圖5 測試結(jié)果2

4.2 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果分析

（1）不同的設(shè)定狀態(tài)可以通過加數(shù)鍵、減數(shù)鍵、移位鍵的按鍵市場修改不同狀態(tài)的參數(shù)，參數(shù)修改完畢，需要對設(shè)定鍵的按鍵實(shí)現(xiàn)確認(rèn)。

說明：當(dāng)LOCK 為0 時(shí)，SC 參數(shù)可修改；當(dāng)LOCK 為任意數(shù)時(shí)，除SC 參數(shù)外的其他參數(shù)均可修改。

（2）SC 參數(shù)為測量后的修正值時(shí)，其可修正傳感器及引線長短不一致引發(fā)的測量誤。若實(shí)際溫度比顯示溫度高2℃，則SC 參數(shù)溫度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加2 ℃。

（3）P參數(shù)為輸出比例寬帶值，系統(tǒng)慣性越大，P值就越大。

（4）I參數(shù)為設(shè)定的積分時(shí)間，其數(shù)值越小，積分產(chǎn)生的信號帶寬越強(qiáng)。

（5）d參數(shù)為設(shè)定的微分時(shí)間，其時(shí)間值越大，微分產(chǎn)生的信號作用越強(qiáng)；當(dāng)d為0 時(shí)，無作用。微分作用在信號變化過程中可以提高動(dòng)態(tài)變化范圍。

（6）T參數(shù)為輸出比例周期，T越小對裝置的穩(wěn)定控制性越好

（7）AL1 參數(shù)為報(bào)警1 的狀態(tài)時(shí)，設(shè)定值報(bào)警，AL1設(shè)為0 時(shí)為到點(diǎn)報(bào)警。

（8）ET 參數(shù)為0 時(shí)，系統(tǒng)無定時(shí)功能，此時(shí)時(shí)間設(shè)定菜單隱藏在系統(tǒng)設(shè)置中；ET 為1 或2 時(shí)，顯示時(shí)間設(shè)定菜單ST。

說明：若ST=0，此時(shí)系統(tǒng)不計(jì)時(shí)；ET=1 時(shí)，系統(tǒng)上電便開始計(jì)時(shí)；ET=2 時(shí)，進(jìn)入倒計(jì)時(shí)方式。按下STOP，停止運(yùn)行，不斷有連續(xù)蜂鳴聲提醒，按任一鍵可消音。

（9）Pr 參數(shù)為恒溫功率上限百分比，實(shí)現(xiàn)對控制加熱系統(tǒng)的數(shù)值輸出?？筛鶕?jù)系統(tǒng)功率配置的大小設(shè)置合適的Pr值，Pr 值小，可有效防止沖溫對裝置的影響；Pr 值增大，升溫速度迅速變化。

5 結(jié) 論

在對具有遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的洗瓶水循環(huán)裝置的設(shè)計(jì)研究過程中，結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)測試并分析，發(fā)現(xiàn)此種方式的裝置設(shè)計(jì)具備智能控制程度高、循環(huán)凈化、滅菌、抑菌、自動(dòng)正反洗、自動(dòng)保護(hù)的完整功能呈現(xiàn)。為今后在各種飲料容器清洗作業(yè)生產(chǎn)線的高度智能化作業(yè)提供了有效參考，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益。