單端洗瓶機控制系統分析與設計

張明 許銀萍 張宇軒

創新

單端洗瓶機控制系統分析與設計

/合肥中辰輕工業機械有限公司

分析一種常見單端洗瓶機主要組成及工作原理，通過總結該類機主要控制要求，給出單端洗瓶機控制系統的硬件設計、程序設計及HMI人機界面設計。

單端；洗瓶機；控制系統；人機界面

1 前言

飲料、啤酒行業最早和廣泛使用的玻璃瓶單端洗瓶機，占地面積小、結構緊湊、清洗干凈徹底、維修簡單，得到青睞。隨著自動化程度的提高，洗瓶機的控制也實現了電機同步運轉控制、溫度自動控制、跟蹤噴淋控制、故障檢測和診斷等智能化控制系統。在實際使用過程中，對于操作者，尤其是新手，很難直接上崗，經常出現變量經驗值誤輸入、故障問題難以及時排除等問題。

本文以某廠典型的YPD424B單端洗瓶機為例，分析并設計出一套自動控制與人機界面結合的操作裝置，其全部生產過程由可編程控制器、變頻調速技術以及目前最流行的工業級人機界面組成的電控系統進行實時控制，使得設備的檢測、維修更加簡單、快捷。

2 單端洗瓶機主要組成及工作原理

此機器是屬于連續浸泡加內外噴沖式洗瓶機，主要由進瓶裝置、槽體、載瓶鏈和載瓶架、主傳動系統、出瓶裝置、液位顯示及控制組成。需要洗滌的玻璃瓶，由輸瓶帶輸送到洗瓶機的進瓶理瓶臺上，在理瓶臺排列完成后，由進瓶裝置把玻璃瓶送入由主鏈帶動的載瓶架之瓶盒中，再依次進入預浸泡槽、浸泡槽I、浸泡槽II、浸泡槽III、熱水槽和溫水槽，最后由出瓶裝置送出。各個浸泡槽的堿液濃度和溫度要求不同，液位高低也不同，要求每槽溫差梯度不能超過39℃，否則容易碎瓶。槽體內部結構如圖1。

3 控制系統分析與方案設計

3.1 系統控制方案

（1）整機工作畫面能在人機界面動態顯示，輸瓶臺速度、搓瓶臺速度能根據產能自動調整。

（2）輸入現場要求的設定值后，各槽溫度、液位能實時動態調整。

（3）洗瓶機出現驅動過載、排瓶堵瓶倒瓶、進瓶跳瓶、電機過載等問題時必須在觸摸屏上有彈窗顯示。

（4）啟動主電機，各電機、風機開始工作。若機器出現臨時故障，電機風機不停機。出現過載，電機風機都要立即停止運行。進瓶復位電機、排瓶故障電機能電動控制。

（5）主電機啟動后，除標泵、堿液沖洗泵、回收泵能啟動，若主傳動控制因為設備出現故障而臨時暫停，泵不需要停機。當泵出口壓力小于設定值，除標泵、堿液沖洗泵、回收泵都要延時停機。當泵過載或者按下停止按鈕，相應泵必須立即停止。

（6）主電機啟動后，當任一堿槽液位低于設定值或浸泡槽III溫度高于設定值時，補水控制閥能自動打開，出現三個堿液添加閥同時打開的狀況，補水閥須延時關閉。主電機啟動，新水閥自動打開，主電機停止時，此閥會延時關閉。主電機啟動，當箱體液位低于設定值時，堿液添加箱補水閥自動打開，高于設定值時，延時自動關閉。當槽內實際濃度檢測值低于設定值，或者液位低于設定值時，對應閥門延時自動打開加濃堿，當槽體濃度值高于設定值且液位高于設定值，對應閥門要立即關閉。系統通過自動整定調節閥開度來控制堿槽溫度，使其精度保證在±5℃范圍內。

以上控制方案，有利于解決當前設備中各電機、泵啟停難以操控正確的問題，也能解決故障不能及時停機、報警的問題。

3.2 控制系統硬件與軟件設計

3.2.1 硬件設計

根據上述控制要求，計算得出需要110個開關量（62個輸入開關量、48個輸出開關量）、24個模擬量輸入口，3個模擬量輸出口。考慮后選用西門子S7-1500 型PLC（14數字量輸入口+10數字量輸出口+2模擬量輸入口+2模擬量輸出口）作為主控制模塊，配有標準型 CPU（6ES7 511-1AK01-0AB0），再加上3個數字量輸入輸出模塊（16數字量輸入口+16數字量輸出口）、3個模擬量輸入模塊（8模擬量輸入口）、1個模擬量輸出模塊（4模擬量輸出口）。另外還需要三個變頻器對主傳動電機、進瓶裝置和出瓶裝置進行速度控制，使得其運行速度可根據生產情況來設置定速運行。

3.2.2 軟件設計

在西門子專門的程序編輯軟件TIA博途STEP7 V15中進行設備組態、變量地址分配、程序設計、人機界面設計。

（1）程序設計

根據要求共設計了七個程序塊，分別是主驅動控制、泵控制、閥控制、故障報警、溫度控制、狀態顯示。

主驅動控制：設計主傳動控制程序、主電機手自動控制程序，設置所有定時器的時間參數，建立主機產能與輸瓶臺電機速度、搓瓶電機速度的關系。設計程序多，此處列舉一段主控制程序（圖2）。

泵控制：設計各泵、除標電機、鼓風機、抽濕風機啟停（圖3）。

閥控制：設計新水閥、補水閥、堿液添加閥的啟停（圖4）。

故障報警：設計各處限位開關動作、泵出口壓力低、排瓶堵瓶、進瓶跳瓶、報警燈、蜂鳴器、泵、電機過載等報警程序（圖5）。

溫度控制：主要采用PID_Compact指令設計各槽溫度控制程序（圖6）。

（2）HMI人機界面設計

人機界面設計是專為可編程控制器（PLC）而設計的互動式工作站，具備與（PLC）連接監控能力，可用文字、數字、圖形同步顯示（PLC）內部接點狀態，采用液晶顯示和觸摸按鍵，進行對PLC 組成的自控系統監視操作。本系統觸摸屏畫面采用西門子TIA博途軟件設計，包含主界面、生產監控、泵控制、故障顯示、溫度設定、液位設定。

主界面畫面（圖7）中導航鍵用于切換各個操作界面；

生產監控頁面（圖8）能直觀洗瓶機各處泵、液位及整機運行狀態；

泵控制頁面（圖9）可切換整機、泵及所有電機的自動與手動操作模式，并有停止按鍵；

閥控制頁面（圖10）中SV處可根據現場要求輸入三堿槽的濃度設定值，PV處可觀察實際值；

液位設定頁面（圖11）用于輸入堿液添加箱以及三堿液槽的液位設定值，同時觀察實際液位值；

溫度設定頁面（圖12）中SV處可輸入各堿槽溫度設定值及PID參數值，且能觀察各堿槽溫度實際值；

故障控制頁面（圖13）隨時可觀察到各限位開關狀態、泵壓力報警、泵過載、排瓶堵瓶、輸瓶卡瓶，并能彈窗顯示等。

4. 結論

本機的整個生產過程，用可編程控制器PLC進行自動控制，正常生產時應置于運行程序。當機器處于運行程序時，機器的整個生產過程的動作將由可編程控制器由掃描方式接收現場多種輸入設備的狀態信號和來自傳感器的檢測信號，并按編制好的程序所規定的任務產生相應的控制信號，自動依次完成進瓶過程、各泵運行、出瓶過程等整個生產過程動作的監控。現場人員反饋認為，這種結合自動控制與人機界面操作的單端洗瓶機，操作維護容易，且能及時找出并處理故障。

[1]陳立定.王軍會.洗瓶機控制系統分析與設計［J］. 食品工業,2010（1）:97—99．

[2] 薛迎成.PLC 與觸摸屏控制技術［M］.北京: 中國電力出版社,2008

[3]劉小春.基于 PLC 的水箱水位 PID 控制系統設計［J］.裝備制造技術， 2017( 6):171-173．

[4]薛迎成. PLC 與觸摸屏控制技術［M］. 北京: 中國電力出版社，2008

[5]鮑兆臣.觸摸屏技術及其未來發展方向［J］.建材世界， 2014， 35( 5):74—77．

Analysis and design of Control System for single-end bottle washing machine

Analyzing the main composition and working principle of a common single-end bottle washing machine, presenting the hardware design, program design and HMI man-machine interface design of the control system of the machine by summarizing the main control requirements of the machine.

Single-End; Bottle washing machine; Control system; Human-machine interface