一、摘要：
灌裝機是酒水、飲料類等食品加工行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一。目前正向著灌裝的高速化 、多功能化、智能化的方向發(fā)展。例如高速化，我們公司引進意大利CFT1200罐/min冷罐。多功能化，同一臺設(shè)備，可進行茶飲料，咖啡飲料、豆乳飲料和果汁飲料等多種飲料的熱灌裝，均可進行玻璃瓶與聚酯瓶的灌裝。例如：我們公司引進意大利CFT600罐/分鐘，就能實現(xiàn)冷、熱雙功能灌裝。智能化：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種功能的傳感器和可編程控制器普遍 應(yīng)用于灌裝機的控制系統(tǒng)中，而且大型設(shè)備更是采用計算機控制，人機界面，精確、計量精確。
本文的灌裝機自動控制系統(tǒng)，包括設(shè)置在灌裝室外的總電柜（4），設(shè)置一獨立的操作室（12），其內(nèi)設(shè)置上位機（1），灌裝室內(nèi)不設(shè)分電柜，將分電柜合并到室外的總電柜（4）內(nèi)，總電柜（4）通過一條通信線（5）與上位機（1）通信，進行數(shù)據(jù)交換。本控制全部電氣模塊集中控制，能夠精確計算，解決‘空瓶’與‘無蓋’產(chǎn)品現(xiàn)象。提高機械效率，使用企業(yè)生產(chǎn)成本降低，給企業(yè)帶來更多盈利。
二、關(guān)鍵詞：空瓶、無蓋、冷疑水；
三、前言（改善前）：
問題點：因為灌裝間采用10萬級藥品和生物潔凈室空氣凈化，實現(xiàn)無菌灌裝，整個灌注間密閉設(shè)計。當(dāng)CIP高溫清洗時蒸氣冷疑水對電氣設(shè)備影響非常大。洗機完成后經(jīng)常出現(xiàn)電氣故障，從而造成模塊損壞，多次非計劃長時間停機。
因用MP277做軟PLC，描掃時間夠快，導(dǎo)致灌裝機36000瓶/時高速運行時，經(jīng)常出現(xiàn)‘空瓶’與‘無蓋’產(chǎn)品出現(xiàn)。
灌裝機自動控制系統(tǒng)（見圖1），上位機； 2-分電柜； 3-灌裝機； 4-總電柜；
5-通信線； 6-傳遞口； 7-質(zhì)檢室； 8-冷氣入口；9-瓶蓋室； 10-空瓶入口； 11-飲料出口； 12-操作室；13-操作室進入門。
圖1：現(xiàn)有灌裝機電控圖；
四、正文：作者重點介紹液體等壓灌裝機自動控制系統(tǒng)：
4.1、液體等壓灌裝原理：
本灌裝機一種等壓灌裝機，貯液環(huán)缸內(nèi)的壓力高于瓶中的壓力，液體靠壓差流入瓶內(nèi)，最后實現(xiàn)瓶子中的壓力與貯液環(huán)缸內(nèi)的壓力相等，高速生產(chǎn)線多采用這種方法。壓力灌裝機適用于含氣體的液體灌裝，我們公司天地壹號蘋果醋含氣飲料。
4.2、灌裝機部件組成：
4.2.1、灌裝機；
4.2.2、工作臺；
4.2.3、壓蓋機；
4.2.4、管路系統(tǒng)；
4.2.5、電控系統(tǒng)；
4.3、 主要技術(shù)參數(shù)：
4.3.1、型號：YGY112
4.3.2、灌裝頭：112
4.3.3、壓蓋機頭數(shù) 18
4.3.4、額定產(chǎn)能（640mL）,36000瓶/小時；
4.3.5、主電機 15KW ;
4.3.6、裝機容量39.42KW;
4.3.7、壓縮空氣消耗量：6NM3/h (0.3Mpa);
4.3.8、CO2消耗量：120g/hL (0.4Mpa);
4.3.9、適用瓶型：高210-295mm,瓶徑：Ø66-80mm;
4.3.10、外形尺寸（長X寬X高）：3860X3440X3400mm.
4.4、改造后的硬件方面：
為了解決‘空瓶’與‘無蓋’及‘CIP時蒸氣冷疑水對電氣模塊的影響。本灌裝機自動控制系統(tǒng)，設(shè)置一獨立的操作室，其內(nèi)設(shè)置上位機操作，減少噪音對操作人員造成的損傷?？傠姽?span>設(shè)置在灌裝室外,灌裝室內(nèi)不設(shè)分電柜，將分電柜合并到室外的總電柜內(nèi)，從根上解決了冷疑水對電氣模塊的影響，總電柜通過一條通信線與上位機通信，進行數(shù)據(jù)交換。
4.4.1、電氣硬件選擇說明：本系統(tǒng)采用西門子PLC S7-300 -315-2DP 與丹佛斯FC302-15KW變頻器、人機界面MP277-10寸可觸摸型、灌裝機液位探針，主液薄膜閥、引電器、壓力傳感器、接近開關(guān)及一套自動控制元件來實現(xiàn)液位、壓力，速度、邏輯運算的自動灌裝，通過空瓶輸送帶上光電開關(guān)檢測空瓶狀態(tài)送入PLC，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運算，輸出控制變頻器高、中、低三種速度自動運行。本次PLC選用S7300-315-2DP型號，它處理二進制指令的時間約為 50 ns，每個浮點預(yù)算的時間為 0.45μs。36000瓶/小時掃描時間為36000÷60=600瓶/min÷60秒=10瓶/秒，（100000μs÷10=10000μs），實際運行動作時間10000μs>0.45μs系統(tǒng)掃描時間，因可以滿足生產(chǎn)需要。標(biāo)配128K內(nèi)存作為程序裝載存儲器的微型存儲卡（最大為 8 MB）也允許將可以項目（包括符號和注釋）保存在 CPU 中。裝載存儲器還可用于數(shù)據(jù)歸檔和配方管理。 靈活的擴展能力;多達 32 個模塊， 功耗4.5W，DC24V。2DP有網(wǎng)個DP通信口，第一個與人機界面通信用，另一個程序調(diào)試與第三方設(shè)備通信用。本次系統(tǒng)采用西門子人機界（MP277-10寸帶觸摸式）與PLC通信，通信方式為：根據(jù)控制要求1-4任一項所述的灌裝機自動控制系統(tǒng)，采用Profibus-DP,PLC地址為2，HIM地址為3; 實現(xiàn)PID參數(shù)參數(shù)賦值、狀態(tài)監(jiān)測、報警信息、生產(chǎn)數(shù)量的統(tǒng)計、閥門動行狀態(tài)、壓力與液位曲線顯示等。其中，在總電柜內(nèi)設(shè)置有西門子PLC模塊CPU S7-300/315-2DP模塊。其中，灌裝機包括瓶子對中導(dǎo)向裝置，在瓶子對中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上安裝有接近開關(guān)，進行有瓶/無瓶檢測。其中，灌裝機缸體液位由探針、進料薄膜閥、中心碳刷傳電器、壓力傳感器PLC進行自動 PID控制。間隔掃描器包括一個接近開關(guān)，當(dāng)有瓶時，導(dǎo)桿上升高度高于無瓶時的高度，該接近開關(guān)使系統(tǒng)能夠檢測出有瓶信號并發(fā)出一個脈沖信號傳到PLC模塊；當(dāng)軟PLC模塊同時接收到同步信號和有瓶信號時才給開閥氣缸電磁閥發(fā)送開閥信號；否則，作為無瓶處理，不開閥。
4.4.2、灌裝機自動控制系統(tǒng)布局：包括設(shè)置在灌裝室外的總電柜（4），設(shè)置一獨立的操作室（12），其內(nèi)設(shè)置上位機（1），灌裝室內(nèi)不設(shè)分電柜，將分電柜合并到室外的總電柜（4）內(nèi)，總電柜（4）通過一條通信線（5）與上位機（1）通信，進行數(shù)據(jù)交換； 6-傳遞口； 7-質(zhì)檢室； 8-冷氣入口；9-瓶蓋室； 10-空瓶入口； 11-飲料出口； 12-操作室；13-操作室進入門。見下圖2：
圖2：改告后灌裝機自動控制系統(tǒng)示意圖。
根據(jù)控制要求1所述的灌裝機自動控制系統(tǒng)：在總電柜（4）內(nèi)設(shè)置有西門子硬件CPU S7-300/315-2DP模塊，對灌裝機（3）進行控制。同時把之前在灌裝室內(nèi)的從站模塊移出灌裝室外，從根本上解決CIP清洗時冷疑水對電氣模塊威害，解決高速運行時‘空瓶’與‘無蓋’現(xiàn)象。
4.5、改造后的軟件程序設(shè)計思路：
4.5.1、功能：點動模式、灌裝模式、CIP模式、手動模式、自動模灌裝5種工作模式。
根據(jù)控制要求3或4所述的灌裝機自動控制系統(tǒng)：間隔掃描器包括一個接近開關(guān)，當(dāng)有瓶時，導(dǎo)桿上升高度高于無瓶時的高度，該接近開關(guān)使系統(tǒng)能夠檢測出有瓶信號并發(fā)出一個脈沖信號傳到PLC模塊；當(dāng)PLC模塊同時接收到同步信號和有瓶信號時才給開閥氣缸電磁閥發(fā)送開閥信號；否則，作為無瓶處理，不開閥。
4.5.2、環(huán)缸液位與壓力精準(zhǔn)控制：根據(jù)控制要求3所述的灌裝機自動控制系統(tǒng)：灌裝機（3）缸體液位由探針、進料薄膜閥、中心碳刷傳電器、壓力傳感器和PLC模塊進行自動 PID控制。由液位與壓力傳感器送過來4-20mA模擬信號,送入PLC模以量輸入模塊6ES7-331-7KF02-OAB0(AI8X12Bit),PLC內(nèi)部程序調(diào)用系統(tǒng)功能塊FC105,FC106 FB41,實現(xiàn)PID數(shù)據(jù)運算，最后由6ES7-332-5HF00-OAB0(A08X12Bit)輸出4-20mA控制執(zhí)行閥門精準(zhǔn)動做，當(dāng)設(shè)定數(shù)據(jù)等于實際值時停止輸出。由人機界面MP277完成數(shù)據(jù)賦值與監(jiān)視，實現(xiàn)液位與壓力自控制。（見程序附圖19 頁）
4.5.3、灌裝閥動做原理：
當(dāng)灌機在灌裝模式下，根據(jù)控制要求2所述的灌裝機自動控制系統(tǒng)：灌裝機（3）包括瓶子對中導(dǎo)向裝置，在瓶子對中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上安裝有接近開關(guān)，進行有瓶/無瓶檢測。根據(jù)控制要求3或4所述的灌裝機自動控制系統(tǒng)，裝同步信號測定檢測是在瓶子對中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上完成的,信號檢測是由一只接近開關(guān)來完的，灌裝機轉(zhuǎn)動時，每過一個灌裝閥即發(fā)出一個脈沖信號傳送到灌裝機的PLC控制系統(tǒng)，有無瓶檢測是在瓶子對中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上完成的，信號是由一只接近開關(guān)來完成的，間隔掃描包括一個接近開關(guān)，當(dāng)有瓶時，對中導(dǎo)向桿上升高度高于無瓶時的高度（在拉下凸輪上升段），該開關(guān)使系統(tǒng)能夠檢測出有瓶信號并發(fā)出一個脈沖信號傳送到PLC，當(dāng)PLC系同時接收到同步信號和有瓶信號時才給開閥氣缸電磁閥發(fā)送開閥信號，否則，作為無瓶處理，不開閥。通過S7-30內(nèi)部系統(tǒng)功能塊FC92左移位指令來實現(xiàn)上述功能。（見程序附圖25 頁）
4.5.4、破瓶沖洗控制：
當(dāng)灌機在灌裝模式下，裝同步信號測定檢測是在瓶子對中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上完成的,信號檢測是由一只接近開關(guān)來完的，灌裝機轉(zhuǎn)動時，每過一個灌裝閥即發(fā)出一個脈沖信號傳送到灌裝機的PLC控制系統(tǒng)。有破瓶檢測是在瓶子對中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上完成的，信號是由一只接近開關(guān)來完成的，間隔掃描包括一個接近開關(guān)，當(dāng)有瓶時，對中導(dǎo)向桿上升高度高于破瓶時的高度（在拉下凸輪上升段），該開關(guān)使系統(tǒng)能夠檢測出破瓶信號并發(fā)出一個脈沖信號傳送到PLC。當(dāng)PLC系同時接收到同步信號和破瓶信號時才給開閥氣缸電磁閥發(fā)送開閥信號，否則，作為無破瓶處理，不開閥。通過S7-30內(nèi)部系統(tǒng)功能塊FC92左移位指令來實現(xiàn)上述功能。（見程序附圖26頁）
4.5.5、灌裝封蓋檢測控制：當(dāng)在灌裝狀態(tài)下，出口封蓋連續(xù)5瓶沒有蓋時，灌裝機自動停機，并在人機界面上有未封蓋報警顯示，告訴操作人員停機的原因，實現(xiàn)可視化。實現(xiàn)此功能是通過PLC內(nèi)部通過計數(shù)與比較，最后觸發(fā)人機界面的報警字實現(xiàn)位報警。（見程序附圖33 頁）
4.5.6、灌裝流程圖：
4.6、改善后的成果：
下面結(jié)合附圖進行具體說明。
現(xiàn)有的設(shè)備如圖1所示，沒有設(shè)有單獨的操作室，上位機1與灌裝機3設(shè)置在一個房間內(nèi)，噪音容易對操作人員造成損傷。如圖2所示，設(shè)置一獨立的操作室12，其內(nèi)設(shè)置上位機1，從而避免噪音對操作人員造成的損傷。
目前灌裝機采用西門子MP277軟PLC模塊控制，高速運行時刷新時間不夠快，信號丟失，導(dǎo)致空瓶與無蓋產(chǎn)品出現(xiàn)。為解決上述問題，在總電柜4內(nèi)增加一個硬件CPU S7-300/315-2DP模塊，提高CPU運算，滿足生產(chǎn)工藝，解決空瓶現(xiàn)象。由于電氣模塊IP等級低，不防蒸氣冷疑水。分布控制達不到現(xiàn)場使用要求，因此采用集中控制，將灌裝室內(nèi)的分電柜合并到室外的灌裝機總電柜4內(nèi)。通過一條通信線5與上位機通信，完成數(shù)據(jù)交換。通信線5可采用DP總線。（見程序附圖17頁）
（1）灌裝機左進右出，能夠二次抽真空，液位精度高，有瓶抽真空，無瓶不抽真空，高壓激泡。能夠進行有瓶無瓶及瓶蓋自動檢測控制。全機采用集中潤滑，噪聲小，壽命長。
（2）自動控制原理：灌裝機缸液位由探針、進料薄膜閥、中心碳刷傳電器、壓力傳感器、PLC模塊進行自動 PID控制來實缸體液位自動控制。
（3）同步信號測檢是在瓶子對中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上安裝接近開關(guān)完成。
（4）信號檢測是由一只接開關(guān)完成，灌裝機轉(zhuǎn)動時，每過一個灌裝閥即發(fā)出一個脈沖信號給PLC。
（5）有無瓶檢測是在瓶子對中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上完成。信號來源是由一只接近開關(guān)完成的，間隔掃描器包括一個接近開關(guān)，當(dāng)有瓶時，對中導(dǎo)向桿上升高度高于無瓶時的高度（在拉下凸輪上升段），該開關(guān)使系統(tǒng)能夠檢測出有瓶信號并發(fā)出一個脈沖信號傳到PLC控制系統(tǒng)。當(dāng)PLC系統(tǒng)同時接收到同步信號和有瓶信號時才給開閥氣缸電磁閥發(fā)送開閥信號。否則，作為無瓶處理，不開閥。
五、結(jié)束語：
5.1、解決飲料行業(yè)通用問題：因為灌裝間采用10萬級藥品和生物潔凈室空氣凈化，實現(xiàn)無菌灌裝，整個灌注間密閉設(shè)計。沒有設(shè)有單獨的操作室，上位機1與灌裝機3設(shè)置在一個房間內(nèi)，噪音容易對操作人員造成損傷。當(dāng)CIP高溫清洗時蒸氣冷疑水對電氣設(shè)備影響非常大。洗機完成后經(jīng)常出現(xiàn)電氣故障，從而造成模塊損壞，多次非計劃長時間停機。目前灌裝機采用西門子MP277軟PLC模塊控制，高速運行時刷新時間不夠快，信號丟失，導(dǎo)致出現(xiàn)‘空瓶’與‘無蓋’產(chǎn)品現(xiàn)象。
5.2、設(shè)置獨立的操作室12，其內(nèi)設(shè)置上位機1，從而避免噪音對操作人員造成的損傷，對生產(chǎn)操作員工環(huán)境大大改善，噪音低、舒實度提高。
5.3、全部電氣模塊集中控制，CIP高溫清洗時對電氣元件無損害。
5.4、 硬件選型上CPU S7-300/315-2DP模塊，提高CPU運算，滿足生產(chǎn)工藝，解決空瓶、無蓋現(xiàn)象。調(diào)用西門子內(nèi)部系塊實現(xiàn)液位與壓力精確控制。
5、5、采用西門子315-2DP與MP277 Proflbus-DP現(xiàn)場總線通信，技術(shù)成熟穩(wěn)定。
5.6、提高機械效率，使用企業(yè)生產(chǎn)成本降低，給企業(yè)帶來更多的盈利。