可編程控制器在飲料灌裝流水線裝箱包裝設備改造中的應用

摘要：以一啤酒生產廠家為例，介紹了一種以現用設備原有電氣控制線路為基礎對其灌裝流水線裝箱包裝設備進行改造的方法，該方法對于行業內類似舊設備控制系統改造，在設計方案、設計可靠性等方面有普遍性和代表意義。

關鍵詞：可編程控制器;電磁閥;電氣裝置

0? ? 引言

“十一五”期間，我國國民經濟保持了持續平穩較快發展，相應地帶動了我國飲料行業的快速發展，許多飲料類產品取得了不錯的銷量。產量的上升促使飲料行業生產廠家高度重視生產設備自動化程度及產出比，也推動了行業的發展。

以飲料行業的啤酒生產企業為例，據國家統計局發布的數據，2018年1月—12月全年中國規模以上啤酒企業（規模以上啤酒企業起點標準為年主營業務收入2 000萬元）累計產量3 812.2萬kL，同比增長0.5%。其中2018年12月，中國規模以上啤酒企業產量208.9萬kL，同比增長2.3%。在這種情況下，啤酒行業在正常生產的前提下，都在各自挖潛，積極進行技術改造，降低企業生產成本，以期在市場競爭的機制下，更有利地占領市場。為適應企業技術發展需求，啤酒企業生產的重要環節灌裝流水線中裝箱包裝設備節點，就在技改方面呈現出了一定的變化趨勢。

1? ? 現狀及解決方案

啤酒等瓶裝飲料生產行業中的大部分廠家，目前灌裝流水線中裝箱包裝節點使用的是連桿裝箱包裝設備，這種設備一次完整的動作可以同時包裝4箱（紙箱、塑料、聚丙烯等各種材質的包裝箱）即4×24瓶或者3箱即3×24瓶。作為可連續生產裝箱的包裝機械設備，在液體灌裝流水線中，連桿裝箱包裝設備主要完成飲料液體瓶裝成品的抓起、抬高、裝箱、復位等料等工作。該類工作原理的設備具有結構簡單、堅固耐用等特點，在液體飲料生產企業的灌裝流水線上普遍使用。

在灌裝流水線中，裝箱包裝節點的設備是整個流水線系統運行的核心，裝箱包裝節點的設備雖不是直接生產啤酒的相關設備，但卻是實現生產流程自動化所必需的重要部件。

對于這種設備的電儀的控制，是液體灌裝流水線中包裝機安全、可靠運行的重要保證。

時下，國內啤酒生產企業灌裝流水線中設備的控制單元，基本上采用的是89C系列、ARM單片機CPU構成的控制板及電氣元件、電機等組合的控制方式。這種控制方式設計復雜、抗干擾性差且繼電器使用數量多，而且液體飲料類產品灌裝流水線處于高溫、高濕的工作環境，極易造成裝箱包裝節點故障，容易發生事故。

同時，對于由單片機控制板構成的系統，在日常檢修及故障判斷、系統元器件檢測方面，都需要專門的儀器和具有專業知識的維修人員，這樣也增加了企業在人工成本上的支出。

隨著現代控制技術的高速發展，PLC控制技術逐漸被應用于生產設備的控制系統中，以取代設備原先使用的控制元器件及線路，這在日常檢維修及人員素質的要求上都大大低于原系統，便利性更佳，因而成為連桿裝箱包裝等設備控制系統發展的必然趨勢。

基于上述客觀條件和市場需求，為響應啤酒行業用戶的要求，我們選擇了遼寧華潤雪花集團下屬一家啤酒生產廠家的灌裝流水線中的裝箱包裝設備進行改造。

2? ? 控制系統結構

該啤酒生產廠家的灌裝流水線中連桿裝箱包裝設備是同類產品的標準設備，具有普遍性和代表性。該設備的控制系統由單片機控制板、電機執行等部分組成，工藝過程如圖1所示。

在裝箱包裝設備控制部分改造分析會上，技術人員充分聽取了該廠工藝操作人員、電氣維護人員等的意見，實地考察、調研了這類流水線包裝設備的工作過程和控制特點。裝箱包裝設備控制的輸入、輸出單元，基本上都是數字量信號，DI/DO信號來源為光電型開關、接近開關、電磁閥、步進電機等;設備的生產工藝以連續的流程控制為主。以PLC為主的控制系統，在數字量、邏輯控制及順序控制方面有著其他控制系統不可比擬的優勢，因此，本項目的控制系統采用新的基于PLC控制系統的控制模式設計。

該啤酒生產廠家全廠其他自動化設備基本使用的是德國Siemens（西門子）公司的PLC控制系統，為實現改造后啤酒生產廠家設備備件的統一化及日常維護的聯通化，同時，根據采集和控制點數，選用Siemens的S7-200 PLC作為新改造后的系統控制器;根據控制系統的DI/DO規模和通信網絡配置，為滿足日后升級的需求，選擇了CPU 226及模擬量、數字量擴展模塊。

控制系統核心CPU數據存儲空間為13K字節程序，CPU模塊集成了40個DI/DO（24DI/16DO），最多可擴展7個I/O模塊（248路數字量或35路模擬量I/O點）。CPU模塊集成6路獨立的高速計數器，2路獨立的高速脈沖輸出，通過軟件集成的PID指令，可組態8路PID控制器，PID輸出可組態AO/DO模式。CPU具有2個物理RS485通信/編程口（PPI通信協議、MPI通信協議和刻編程的自由口方式通信），完全滿足于本次改造對控制系統的需求。

3? ? 系統功能設計

（1）該包裝設備控制系統的電機可以進行點動、正轉和反轉，以帶動夾瓶裝置往復運動裝箱。瓶電機和兩個箱電機分別用作傳輸瓶和傳輸箱;七個電磁閥和與之對應的氣缸，分別控制“夾頭” “定位器” “出箱臂” “進箱臂” “箱導向”;設“手動”和“自動”操作兩個切換開關。

（2）在包裝設備的控制前臺和設備后部、側面都加裝3只高靈敏度的光電檢測傳感器，在現場工作人員誤入包裝機的危險區域時，設備立即緊急停車，保證操作人員的人身安全。

（3）在啤酒罐裝流水線的傳送帶上安裝日本歐姆龍公司的專用皮帶測速旋轉編碼器，測量灌裝流水線的傳送帶速度。當PLC系統檢測到灌裝流水線傳送帶的電機運行異常時，立即停車，包裝設備也停止工作。

（4）PLC系統DI回路中有光電及接近開關等信號輸入，DO回路有DC24 V電磁閥等設備，改造后的PLC系統單獨配置西門子公司DC20 A輸出的STOP電源，為外圍的此類傳感器、執行元件如各輸入、輸出元件單獨供電，保障了PLC電源系統的穩定性。PLC控制系統原理圖如圖2所示。

（5）為了使改造后的控制系統安全可靠運行，系統在設計時采取了數種防護措施。在接地方面：強電設備分開接地，接地線的截面積大于2 mm2;PLC輸入采用專用的帶保險功能的端子接入系統，DO采用繼電器隔離，完成執行機構驅動線圈和PLC端子的隔離，消除線圈吸合、斷開時的電磁性沖擊等對系統產生的干擾。

（6）為了保護操作過程中的人身安全，避免在工作中操作人員發生意外而造成的人身傷害，設計了保護裝置。本裝置由光電及接近開關等組合構成，組成一個禁區邊界范圍，在設備使用過程中，操作人員或其他物體一旦進入該禁區或保護門被打開，通過邏輯判斷，整條流水線立即停機并報警。

（7）根據生產需要將原灌裝流水線上的蒸汽測量溫度、壓力等一些參數測量儀表信號接入PLC控制系統，由PLC控制系統統一采集及顯示。

（8）系統改造后，在現場安裝一個Siemens的KTP700 Basic觸摸屏，通過MPI通信口和PLC控制系統通信，直觀顯示各種工藝參數和流程，便于操作工掌握整個流水線的工作情況。

4? ? 控制系統程序設計

系統程序設計分為兩部分：PLC編程設計及觸摸屏程序設計。

觸摸屏程序設計采用博圖V14軟件，程序設計的主要工作是驅動配置、變量連接及運行畫面組態。

本文主要介紹PLC程序的設計。PLC程序采用Siemens MicroWIN V4.0 SP9軟件編程，邏輯控制流程圖如圖3所示。

改造后PLC控制系統的硬件設計基礎，主要依據該流水線交工資料中包裝設備機電單元的電氣控制原理、接線圖，PLC程序設計按照流水線的工藝操作流程以及根據生產實際需求確定的功能進行，新增加了操作防護、參數在線設定等新功能。

將原有設備的電氣控制系統DI/DO信號，作為PLC系統的I/O點，原電氣系統由繼電器、時間繼電器等硬件完成的控制功能，改造后由PLC替代完成。

進箱臂部分主要I/O對照表如表1所示。

5? ? 包裝設備舉箱移箱動作調試舉例

（1）根據舉臂桿機械限位位置，調整光電傳感器SQ1和對稱反射板的安裝距離，使SQ1處于“導通”的工作狀態時，調整到“擋光”位置，PLC系統DI通道HR0003的報警到位指示燈亮。以同樣的方法調整好光電開關SQ2、SQ3、SQ4…SQ10。

（2）根據落臂桿機械限位位置，調整光電傳感器接近開關JQ0和對稱反射板的安裝距離，使“夾頭”動作在運動軌跡的最低點時接近“擋塊”位置，并使PLC系統DI通道HR0012箱復位指示燈亮。以同樣的方法調整好接近開關JQ2、JQ3、JQ4、JQ5。

（3）啤酒罐裝流水線測速的旋轉編碼器的A、B、Z相，按說明書接線調試，在Siemens MicroWIN V4.0 SP9編程軟件中對編碼器的高速計數功能進行組態配置，采用Z相加軟件復位方法。配置好后，按下按鈕5SA后或超速、失速等設定參數到限后，傳送帶電機立即停車，裝箱包裝設備也應立即停止工作。

（4）按動設備上的對應操作按鈕（可通過系統觸摸屏上的軟按鈕實現同樣功能），可單獨控制啤酒進箱電機、啤酒出箱電機、破瓶移位電機的啟動、關停。設備停機后，將按鈕位置打到“關”。1SA和2SA分別控制“出箱臂”和“瓶定位”，10SA、15SA分別控制“導向”和“變距”。

（5）經調試模擬，設備動作都已正確時，將“手動”擋轉為“自動”擋，按下“系統運行”開關，即可完成啤酒自動裝箱包裝操作。

6? ? 結語

該啤酒廠家經改造后的啤酒灌裝流水線的裝箱包裝設備，控制系統整體上的物理接線量大大減少，控制柜體積縮小，自動化程度以及設備運行控制的可靠性大大提高，極大地降低了日常儀表、電氣維保人員的工作量。

本文介紹的項目改造案例，對于行業內類似舊設備控制系統改造，在設計方案、設計可靠性等方面具有普遍性和代表意義。

[參考文獻]

[1] Siemens S7-200系統編程手冊[Z].

收稿日期：2020-03-03

作者簡介：蔡振宇（1970—），男，遼寧丹東人，工程師，研究方向：自動化。