剔除式飲料啤酒分瓶器設(shè)計(jì)及電氣控制

李金熱

LI Jin-re

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，南京 210046）

0 引言

所謂分瓶器，是在瓶裝啤酒及飲料進(jìn)入自動(dòng)包裝機(jī)械(例如裝箱機(jī)、瓦楞紙箱包裝機(jī)、熱收縮塑膜包裝機(jī)等)中.將排列好的瓶子進(jìn)行分組，以便進(jìn)一步包裝的機(jī)構(gòu)。它是包裝機(jī)械中一個(gè)首當(dāng)其沖的環(huán)節(jié)，它的優(yōu)劣關(guān)系到整機(jī)性能的好壞。隨著啤酒行業(yè)的快速發(fā)展，啤酒生產(chǎn)技術(shù)不斷更新，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，目前國(guó)產(chǎn)的生產(chǎn)線已達(dá)到36000瓶/小時(shí)，國(guó)外先進(jìn)的生產(chǎn)線已達(dá)到60000瓶/小時(shí)。隨著這個(gè)行業(yè)的速度往高速線方向的發(fā)展以及不同的瓶型，包括方瓶等異型瓶在多列進(jìn)入紙包和塑包機(jī)器的需求，導(dǎo)致了對(duì)剔除式分瓶器的需求。目前各企業(yè)均是引進(jìn)國(guó)外設(shè)備，德國(guó)海富HEUFT 、克朗斯KRONES 美國(guó)美灝MIHO是排名前列的典型的供應(yīng)商。由于國(guó)外產(chǎn)品的價(jià)格非常昂貴，限制了中小企業(yè)的使用，并且增加了包裝成本。因此需要開(kāi)發(fā)性能優(yōu)越、價(jià)格較低的機(jī)型，適應(yīng)于中小企業(yè)使用。

1 分瓶器基本組成及工作原理

剔除式分瓶器的主要目的是把灌注機(jī)和貼標(biāo)機(jī)等高速設(shè)備的出口出來(lái)的單列的產(chǎn)品分成兩道，進(jìn)入不同的兩個(gè)隊(duì)列，中間有護(hù)欄分隔，以進(jìn)入下一個(gè)要求分列進(jìn)入的機(jī)器，如紙包機(jī)或塑包機(jī)。紙包機(jī)或塑包機(jī)一般要求三列/四列或更多列進(jìn)入機(jī)器內(nèi)部，所以在剔除式的分瓶器后還要有相應(yīng)的二次分配的裝置。剔除式分瓶器在實(shí)現(xiàn)一列分兩列時(shí)，已經(jīng)在產(chǎn)品間產(chǎn)生了巨大的間隔，故二次分配裝置極易實(shí)現(xiàn)。

剔除式分瓶器主要包含檢測(cè)部分和分瓶裝置，如圖1所示。

檢測(cè)部分主要為光電開(kāi)關(guān)和編碼器，光電開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)位置和計(jì)數(shù)；編碼器安裝在減速機(jī)的軸上，決定電磁閥控制的分瓶頭的推出和回縮時(shí)機(jī)。

圖1 分瓶器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 分瓶裝置示意圖

分瓶裝置主要由機(jī)架、導(dǎo)向裝置、氣動(dòng)系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)架主要起支撐作用；導(dǎo)向裝置是由多塊導(dǎo)向板組合在一起，安裝在氣缸的活塞桿上，氣缸隊(duì)列通過(guò)連續(xù)性的伸出和縮回，改變出口護(hù)欄的位置，引導(dǎo)產(chǎn)品進(jìn)入不同的兩個(gè)隊(duì)列。其關(guān)鍵在于氣缸變換位置后的導(dǎo)向板的孤度以及控制氣缸伸出和縮回的時(shí)機(jī)，保證護(hù)欄的柔性切換和瓶子通過(guò)的穩(wěn)定性，不至于發(fā)生倒瓶影響生產(chǎn)效率的問(wèn)題。氣動(dòng)系統(tǒng)主要由貯氣罐、電磁閥及底座和可調(diào)氣缸等組成。氣動(dòng)原理圖如圖3所示。

圖3 分瓶器氣動(dòng)原理圖

2 控制系統(tǒng)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)分瓶器工作流程和氣動(dòng)系統(tǒng)原理分析可知, 分瓶器動(dòng)作雖不復(fù)雜,但動(dòng)作速度快，各動(dòng)作之間需要相互配合協(xié)調(diào)控制,具有多個(gè)的接近開(kāi)關(guān)以及磁感應(yīng)傳感器,控制氣動(dòng)控制回路以實(shí)現(xiàn)分瓶過(guò)程的順利進(jìn)行。

8缸分瓶器控制系統(tǒng)由人機(jī)界面HMI、PLC、編碼器等組成。

人機(jī)界面HMI根據(jù)工藝要求采用西門(mén)子TP270,完成瓶型的選擇、開(kāi)機(jī)操作、參數(shù)顯示、氣缸的行程調(diào)節(jié)、系統(tǒng)設(shè)定等功能。

PLC采用SIEMENS 313C-2DP作為控制單元，外加1塊16DI/16DO擴(kuò)展模塊、1塊SM 332 AO2x12Bit輸出模塊1塊和高速計(jì)數(shù)模塊。313C CPU模塊帶DP接口,可連接到現(xiàn)場(chǎng)的PROF IBUS2DP網(wǎng)絡(luò)上,集成于上一級(jí)控制系統(tǒng)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本程序采用SIEMENS STEP 7作為編程軟件，采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，用文件塊的形式管理編寫(xiě)的程序及程序運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)。整個(gè)控制程序可分為瓶型控制、故障處理信息處理和瓶型選擇等三個(gè)主要模塊，分別將這三個(gè)模塊設(shè)計(jì)成獨(dú)立對(duì)應(yīng)的子程序，供主程序模塊調(diào)用。程序框架如圖4所示。

1）組織塊OB1

OB1是主程序循環(huán)塊，在執(zhí)行時(shí)要調(diào)用FC100、FC490和FC504等實(shí)現(xiàn)不同功能的功能塊，另外，主程序還要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行指示等功能。

2）分瓶控制系統(tǒng)塊FC100

分瓶控制系統(tǒng)塊FC100的功能是完成1#分瓶器的分瓶控制、分瓶閥組控制和復(fù)位控制。3個(gè)功能分別由FC101、FC103和FC105功能塊實(shí)現(xiàn)。分瓶控制FC101使用高速計(jì)數(shù)器SFB47計(jì)數(shù)編碼器的脈沖數(shù)，1#分瓶控制數(shù)據(jù)存放在DB101中；分瓶閥組控制FC103實(shí)現(xiàn)8個(gè)電磁閥的手動(dòng)/自動(dòng)控制，相關(guān)數(shù)據(jù)從1#分瓶器閥組DB103 中調(diào)用；復(fù)位控制FC105是氣缸活塞桿伸狀態(tài)時(shí)，此輪最后一個(gè)瓶子走過(guò)最后一個(gè)氣缸后，復(fù)位氣缸使活塞桿處于縮回狀態(tài)。

圖4 程序框架圖

3）故障信息處理功能FC490

故障信息處理功能FC490的功能是系統(tǒng)急停故障顯示及系統(tǒng)復(fù)位指示。故障信息放入數(shù)據(jù)塊DB490，供程序調(diào)用。

4）瓶型選擇功能FC504，瓶型選擇功能FC504實(shí)現(xiàn)瓶型1與瓶型2選擇，瓶型1與瓶型2的參數(shù)通過(guò)SFC20傳送DB504中，供FC504使用。從而可以通過(guò)人機(jī)接口上的按鈕選擇瓶型。

5）另外程序中還包含初始化塊OB100、通信故障中斷組織塊OB87、機(jī)架故障組織塊OB86和診斷中斷組織塊OB82。

其中以分瓶控制子程序?yàn)槔制靠刂茐KFC100的程序如下：

Network 1

CALL "DIVIDER 01 CTRL FC" FC1011#分瓶控制FC

NOP 0 Network 2

CALL "DIVIDER 01 VAVLE GP FC" FC1031#分瓶器閥組FC

NOP 0 Network 3

CALL "DIVIDER RESET CTAL" FC105復(fù)位控制FC

NOP 0

2.3 系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)采用SIEMENS公司W(wǎng)inCC Flexible，它可以為所有基于Windows CE 的SIMATIC HMI設(shè)備組態(tài)。運(yùn)行系統(tǒng)在過(guò)程模式下執(zhí)行項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)化系統(tǒng)之間的通信、圖像在屏幕上的可視化，各種過(guò)程的操作、過(guò)程值的記錄和報(bào)警事件。觸摸屏組態(tài)主要完成運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、系統(tǒng)運(yùn)行模式選擇、參數(shù)設(shè)定及故障報(bào)警等功能。經(jīng)過(guò)組態(tài)設(shè)計(jì)后，主要有主畫(huà)面、分瓶器手動(dòng)操作、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定等4個(gè)畫(huà)面。主畫(huà)面控制瓶型的選擇；分瓶器手動(dòng)操作控制閥組的手動(dòng)調(diào)整；系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定完成觸摸屏的校正和清屏工作。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視界面如圖5所示。

圖5 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視界面

3 結(jié)束語(yǔ)

8缸剔除式分瓶器已經(jīng)應(yīng)用在24000BPH啤酒飲料灌裝線上，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試運(yùn)行,分瓶器運(yùn)行可靠、穩(wěn)定性好，倒瓶率低，每小時(shí)倒瓶率＜1/10000。因?yàn)樘娲税嘿F的進(jìn)口設(shè)備，用戶節(jié)省了采購(gòu)費(fèi)用，同時(shí)也也滿足了對(duì)方形等非傳統(tǒng)圓柱形的異性瓶的包裝需求。

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