一、摘要：
灌裝機(jī)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(jìn)意大利CFT1200罐/min冷罐。多功能化，同一臺(tái)設(shè)備，可進(jìn)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(jìn)行玻璃瓶與聚酯瓶的灌裝。例如：我們公司引進(jìn)意大利CFT600罐/分鐘，就能實(shí)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(jī)的控制系統(tǒng)中，而且大型設(shè)備更是采用計(jì)算機(jī)控制，人機(jī)界面，精確、計(jì)量精確。
本文的灌裝機(jī)自動(dòng)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(dú)立的操作室（12），其內(nèi)設(shè)置上位機(jī)（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(jī)（1）通信，進(jìn)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(jì)算，解決‘空瓶’與‘無蓋’產(chǎn)品現(xiàn)象。提高機(jī)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(diǎn)：因?yàn)楣嘌b間采用10萬級(jí)藥品和生物潔凈室空氣凈化，實(shí)現(xiàn)無菌灌裝，整個(gè)灌注間密閉設(shè)計(jì)。當(dāng)CIP高溫清洗時(shí)蒸氣冷疑水對(duì)電氣設(shè)備影響非常大。洗機(jī)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(jì)劃長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。
因用MP277做軟PLC，描掃時(shí)間夠快，導(dǎo)致灌裝機(jī)36000瓶/時(shí)高速運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)‘空瓶’與‘無蓋’產(chǎn)品出現(xiàn)。
灌裝機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)（見圖1），上位機(jī)； 2-分電柜； 3-灌裝機(jī)； 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(jìn)入門。
圖1：現(xiàn)有灌裝機(jī)電控圖；
四、正文：作者重點(diǎn)介紹液體等壓灌裝機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)：
4.1、液體等壓灌裝原理：
本灌裝機(jī)一種等壓灌裝機(jī)，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?jī)?nèi)，最后實(shí)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(jī)適用于含氣體的液體灌裝，我們公司天地壹號(hào)蘋果醋含氣飲料。
4.2、灌裝機(jī)部件組成：
4.2.1、灌裝機(jī)；
4.2.2、工作臺(tái)；
4.2.3、壓蓋機(jī)；
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(hào)：YGY112
4.3.2、灌裝頭：112
4.3.3、壓蓋機(jī)頭數(shù) 18
4.3.4、額定產(chǎn)能（640mL）,36000瓶/小時(shí)；
4.3.5、主電機(jī) 15KW ;
4.3.6、裝機(jī)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(zhǎng)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(shí)蒸氣冷疑水對(duì)電氣模塊的影響。本灌裝機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)置一獨(dú)立的操作室，其內(nèi)設(shè)置上位機(jī)操作，減少噪音對(duì)操作人員造成的損傷。總電柜設(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(duì)電氣模塊的影響，總電柜通過一條通信線與上位機(jī)通信，進(jìn)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(jī)界面MP277-10寸可觸摸型、灌裝機(jī)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(dòng)控制元件來實(shí)現(xiàn)液位、壓力，速度、邏輯運(yùn)算的自動(dòng)灌裝，通過空瓶輸送帶上光電開關(guān)檢測(cè)空瓶狀態(tài)送入PLC，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算，輸出控制變頻器高、中、低三種速度自動(dòng)運(yùn)行。本次PLC選用S7300-315-2DP型號(hào)，它處理二進(jìn)制指令的時(shí)間約為 50 ns，每個(gè)浮點(diǎn)預(yù)算的時(shí)間為 0.45μs。36000瓶/小時(shí)掃描時(shí)間為36000÷60=600瓶/min÷60秒=10瓶/秒，（100000μs÷10=10000μs），實(shí)際運(yùn)行動(dòng)作時(shí)間10000μs>0.45μs系統(tǒng)掃描時(shí)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(chǔ)器的微型存儲(chǔ)卡（最大為 8 MB）也允許將可以項(xiàng)目（包括符號(hào)和注釋）保存在 CPU 中。裝載存儲(chǔ)器還可用于數(shù)據(jù)歸檔和配方管理。 靈活的擴(kuò)展能力;多達(dá) 32 個(gè)模塊， 功耗4.5W，DC24V。2DP有網(wǎng)個(gè)DP通信口，第一個(gè)與人機(jī)界面通信用，另一個(gè)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(jī)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(xiàng)所述的灌裝機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用Profibus-DP,PLC地址為2，HIM地址為3; 實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)參數(shù)賦值、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、報(bào)警信息、生產(chǎn)數(shù)量的統(tǒng)計(jì)、閥門動(dòng)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(jī)包括瓶子對(duì)中導(dǎo)向裝置，在瓶子對(duì)中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上安裝有接近開關(guān)，進(jìn)行有瓶/無瓶檢測(cè)。其中，灌裝機(jī)缸體液位由探針、進(jìn)料薄膜閥、中心碳刷傳電器、壓力傳感器PLC進(jìn)行自動(dòng) PID控制。間隔掃描器包括一個(gè)接近開關(guān)，當(dāng)有瓶時(shí)，導(dǎo)桿上升高度高于無瓶時(shí)的高度，該接近開關(guān)使系統(tǒng)能夠檢測(cè)出有瓶信號(hào)并發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)傳到PLC模塊；當(dāng)軟PLC模塊同時(shí)接收到同步信號(hào)和有瓶信號(hào)時(shí)才給開閥氣缸電磁閥發(fā)送開閥信號(hào)；否則，作為無瓶處理，不開閥。
4.4.2、灌裝機(jī)自動(dòng)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(dú)立的操作室（12），其內(nèi)設(shè)置上位機(jī)（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(jī)（1）通信，進(jìn)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(jìn)入門。見下圖2：
圖2：改告后灌裝機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖。
根據(jù)控制要求1所述的灌裝機(jī)自動(dòng)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(duì)灌裝機(jī)（3）進(jìn)行控制。同時(shí)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(shí)冷疑水對(duì)電氣模塊威害，解決高速運(yùn)行時(shí)‘空瓶’與‘無蓋’現(xiàn)象。
4.5、改造后的軟件程序設(shè)計(jì)思路：
4.5.1、功能：點(diǎn)動(dòng)模式、灌裝模式、CIP模式、手動(dòng)模式、自動(dòng)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(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)：間隔掃描器包括一個(gè)接近開關(guān)，當(dāng)有瓶時(shí)，導(dǎo)桿上升高度高于無瓶時(shí)的高度，該接近開關(guān)使系統(tǒng)能夠檢測(cè)出有瓶信號(hào)并發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)傳到PLC模塊；當(dāng)PLC模塊同時(shí)接收到同步信號(hào)和有瓶信號(hào)時(shí)才給開閥氣缸電磁閥發(fā)送開閥信號(hào)；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(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)：灌裝機(jī)（3）缸體液位由探針、進(jìn)料薄膜閥、中心碳刷傳電器、壓力傳感器和PLC模塊進(jìn)行自動(dòng) PID控制。由液位與壓力傳感器送過來4-20mA模擬信號(hào),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(shí)現(xiàn)PID數(shù)據(jù)運(yùn)算，最后由6ES7-332-5HF00-OAB0(A08X12Bit)輸出4-20mA控制執(zhí)行閥門精準(zhǔn)動(dòng)做，當(dāng)設(shè)定數(shù)據(jù)等于實(shí)際值時(shí)停止輸出。由人機(jī)界面MP277完成數(shù)據(jù)賦值與監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)液位與壓力自控制。（見程序附圖19 頁(yè)）
4.5.3、灌裝閥動(dòng)做原理：
當(dāng)灌機(jī)在灌裝模式下，根據(jù)控制要求2所述的灌裝機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)：灌裝機(jī)（3）包括瓶子對(duì)中導(dǎo)向裝置，在瓶子對(duì)中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上安裝有接近開關(guān)，進(jìn)行有瓶/無瓶檢測(cè)。根據(jù)控制要求3或4所述的灌裝機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，裝同步信號(hào)測(cè)定檢測(cè)是在瓶子對(duì)中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上完成的,信號(hào)檢測(cè)是由一只接近開關(guān)來完的，灌裝機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每過一個(gè)灌裝閥即發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)傳送到灌裝機(jī)的PLC控制系統(tǒng)，有無瓶檢測(cè)是在瓶子對(duì)中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上完成的，信號(hào)是由一只接近開關(guān)來完成的，間隔掃描包括一個(gè)接近開關(guān)，當(dāng)有瓶時(shí)，對(duì)中導(dǎo)向桿上升高度高于無瓶時(shí)的高度（在拉下凸輪上升段），該開關(guān)使系統(tǒng)能夠檢測(cè)出有瓶信號(hào)并發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)傳送到PLC，當(dāng)PLC系同時(shí)接收到同步信號(hào)和有瓶信號(hào)時(shí)才給開閥氣缸電磁閥發(fā)送開閥信號(hào)，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(shí)現(xiàn)上述功能。（見程序附圖25 頁(yè)）
4.5.4、破瓶沖洗控制：
當(dāng)灌機(jī)在灌裝模式下，裝同步信號(hào)測(cè)定檢測(cè)是在瓶子對(duì)中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上完成的,信號(hào)檢測(cè)是由一只接近開關(guān)來完的，灌裝機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每過一個(gè)灌裝閥即發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)傳送到灌裝機(jī)的PLC控制系統(tǒng)。有破瓶檢測(cè)是在瓶子對(duì)中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上完成的，信號(hào)是由一只接近開關(guān)來完成的，間隔掃描包括一個(gè)接近開關(guān)，當(dāng)有瓶時(shí)，對(duì)中導(dǎo)向桿上升高度高于破瓶時(shí)的高度（在拉下凸輪上升段），該開關(guān)使系統(tǒng)能夠檢測(cè)出破瓶信號(hào)并發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)傳送到PLC。當(dāng)PLC系同時(shí)接收到同步信號(hào)和破瓶信號(hào)時(shí)才給開閥氣缸電磁閥發(fā)送開閥信號(hào)，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(shí)現(xiàn)上述功能。（見程序附圖26頁(yè)）
4.5.5、灌裝封蓋檢測(cè)控制：當(dāng)在灌裝狀態(tài)下，出口封蓋連續(xù)5瓶沒有蓋時(shí)，灌裝機(jī)自動(dòng)停機(jī)，并在人機(jī)界面上有未封蓋報(bào)警顯示，告訴操作人員停機(jī)的原因，實(shí)現(xiàn)可視化。實(shí)現(xiàn)此功能是通過PLC內(nèi)部通過計(jì)數(shù)與比較，最后觸發(fā)人機(jī)界面的報(bào)警字實(shí)現(xiàn)位報(bào)警。（見程序附圖33 頁(yè)）
4.5.6、灌裝流程圖：
4.6、改善后的成果：
下面結(jié)合附圖進(jìn)行具體說明。
現(xiàn)有的設(shè)備如圖1所示，沒有設(shè)有單獨(dú)的操作室，上位機(jī)1與灌裝機(jī)3設(shè)置在一個(gè)房間內(nèi)，噪音容易對(duì)操作人員造成損傷。如圖2所示，設(shè)置一獨(dú)立的操作室12，其內(nèi)設(shè)置上位機(jī)1，從而避免噪音對(duì)操作人員造成的損傷。
目前灌裝機(jī)采用西門子MP277軟PLC模塊控制，高速運(yùn)行時(shí)刷新時(shí)間不夠快，信號(hào)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(gè)硬件CPU S7-300/315-2DP模塊，提高CPU運(yùn)算，滿足生產(chǎn)工藝，解決空瓶現(xiàn)象。由于電氣模塊IP等級(jí)低，不防蒸氣冷疑水。分布控制達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)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(jī)總電柜4內(nèi)。通過一條通信線5與上位機(jī)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(yè)）
（1）灌裝機(jī)左進(jìn)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(jìn)行有瓶無瓶及瓶蓋自動(dòng)檢測(cè)控制。全機(jī)采用集中潤(rùn)滑，噪聲小，壽命長(zhǎng)。
（2）自動(dòng)控制原理：灌裝機(jī)缸液位由探針、進(jìn)料薄膜閥、中心碳刷傳電器、壓力傳感器、PLC模塊進(jìn)行自動(dòng) PID控制來實(shí)缸體液位自動(dòng)控制。
（3）同步信號(hào)測(cè)檢是在瓶子對(duì)中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上安裝接近開關(guān)完成。
（4）信號(hào)檢測(cè)是由一只接開關(guān)完成，灌裝機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每過一個(gè)灌裝閥即發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)給PLC。
（5）有無瓶檢測(cè)是在瓶子對(duì)中導(dǎo)向裝置的導(dǎo)桿上完成。信號(hào)來源是由一只接近開關(guān)完成的，間隔掃描器包括一個(gè)接近開關(guān)，當(dāng)有瓶時(shí)，對(duì)中導(dǎo)向桿上升高度高于無瓶時(shí)的高度（在拉下凸輪上升段），該開關(guān)使系統(tǒng)能夠檢測(cè)出有瓶信號(hào)并發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)傳到PLC控制系統(tǒng)。當(dāng)PLC系統(tǒng)同時(shí)接收到同步信號(hào)和有瓶信號(hào)時(shí)才給開閥氣缸電磁閥發(fā)送開閥信號(hào)。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?yàn)楣嘌b間采用10萬級(jí)藥品和生物潔凈室空氣凈化，實(shí)現(xiàn)無菌灌裝，整個(gè)灌注間密閉設(shè)計(jì)。沒有設(shè)有單獨(dú)的操作室，上位機(jī)1與灌裝機(jī)3設(shè)置在一個(gè)房間內(nèi)，噪音容易對(duì)操作人員造成損傷。當(dāng)CIP高溫清洗時(shí)蒸氣冷疑水對(duì)電氣設(shè)備影響非常大。洗機(jī)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(jì)劃長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。目前灌裝機(jī)采用西門子MP277軟PLC模塊控制，高速運(yùn)行時(shí)刷新時(shí)間不夠快，信號(hào)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(dú)立的操作室12，其內(nèi)設(shè)置上位機(jī)1，從而避免噪音對(duì)操作人員造成的損傷，對(duì)生產(chǎn)操作員工環(huán)境大大改善，噪音低、舒實(shí)度提高。
5.3、全部電氣模塊集中控制，CIP高溫清洗時(shí)對(duì)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(yùn)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(shí)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(chǎng)總線通信，技術(shù)成熟穩(wěn)定。
5.6、提高機(jī)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。