飲料食品定量灌裝智能控制系統(tǒng)設(shè)計

張柯，張琦

河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院（鄭州 450046）

隨著食品工業(yè)快速發(fā)展，市場上對食品機(jī)械需求量與日俱增，尤其是食品包裝類機(jī)械。近年來，飲料需求量不斷增多，從而推動飲料市場快速發(fā)展，飲料生產(chǎn)企業(yè)對于機(jī)械設(shè)備的需求量逐漸增多[1-2]。隨著消費(fèi)者生活質(zhì)量不斷提升，消費(fèi)者對于飲料食品的安全要求越來越高，企業(yè)生產(chǎn)中不僅需要保證產(chǎn)品的衛(wèi)生安全，而且需要保證灌裝精度，因此需要保證灌裝設(shè)備的控制系統(tǒng)具有高度的自動化和智能化[3-4]。

傳統(tǒng)的灌裝機(jī)械設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)采用繼電器和交流接觸器控制方法，該控制方法自動化和智能化程度低、穩(wěn)定性差，不能滿足生產(chǎn)企業(yè)對于灌裝設(shè)備的高灌裝質(zhì)量和高度自動化的要求。可編程控制器（PLC）是指通過程序編程控制內(nèi)部繼電器通斷，驅(qū)動外部電路的動作，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制[5]。PLC控制器主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中，PLC控制器能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量采集、智能算法編寫、實(shí)時數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及與外部設(shè)備通信，PLC還有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，因此PLC逐漸取代傳統(tǒng)的繼電器系統(tǒng)而被工控領(lǐng)域廣泛使用[6]。為提高灌裝系統(tǒng)的智能化、自動化，提升灌裝設(shè)備的灌裝精度，開發(fā)一套基于PLC和觸摸屏的自動定量灌裝伺服控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮PLC可編程性強(qiáng)、可靠性高和伺服電機(jī)控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，有效提升定量灌裝精度和灌裝設(shè)備的自動化程度，從而滿足飲料加工企業(yè)的工藝控制要求。

1 灌裝機(jī)工藝流程

控制系統(tǒng)在設(shè)計之前需要對灌裝工藝流程進(jìn)行詳細(xì)分析，通過控制系統(tǒng)對機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)不同工藝目標(biāo)。飲品灌裝工藝流程為：空瓶→空瓶殺菌機(jī)→沖瓶→灌裝→封蓋→貼標(biāo)簽。

空瓶經(jīng)過傳送帶傳送至殺菌機(jī)中，通過消毒液配置設(shè)備進(jìn)行滅菌處理。滅菌后的空瓶則進(jìn)入到灌裝設(shè)備中準(zhǔn)備進(jìn)行灌裝，灌裝完成后的瓶子在過渡盤的帶動下進(jìn)入到封蓋設(shè)備中，封蓋設(shè)備對灌裝完成后的瓶子進(jìn)行加蓋處理，在出瓶機(jī)構(gòu)的作用下將灌裝封蓋完成后的產(chǎn)品送出進(jìn)入到貼標(biāo)設(shè)備中，貼標(biāo)設(shè)備將外觀標(biāo)簽貼入瓶壁，則完成整個灌裝流程。

飲料灌裝機(jī)主要由三大部分組成，分別為控制系統(tǒng)、灌裝封蓋系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)。

1) 控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是飲料灌裝機(jī)的核心關(guān)鍵部分，通過控制器發(fā)送相應(yīng)指令，控制外部電路進(jìn)而驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，使得整個灌裝系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動。控制系統(tǒng)的靈活性和智能性關(guān)系到整個灌裝機(jī)的精確度和協(xié)調(diào)性，灌裝機(jī)控制器核心為PLC和觸摸屏，操作人員可以通過觸摸屏監(jiān)控整個灌裝機(jī)的工作情況。

2) 灌裝封蓋系統(tǒng)。灌裝封蓋系統(tǒng)主要由兩大部分構(gòu)成：加蓋機(jī)構(gòu)和灌裝閥體。灌裝系統(tǒng)在PLC控制器指令下，完成取蓋→灌裝→加蓋3個順序動作，進(jìn)而提高灌裝機(jī)的自動化程度。

3) 檢測系統(tǒng)。飲料灌裝檢測系統(tǒng)主要通過質(zhì)量傳感器采集瓶體和液體飲料質(zhì)量實(shí)現(xiàn)飲品的定量灌裝。飲料經(jīng)過配料后將液體灌入到瓶體中，質(zhì)量傳感器將采集到的質(zhì)量信息傳送到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)根據(jù)智能控制算法決定后續(xù)動作。

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)設(shè)計的主要依據(jù)就是灌裝機(jī)工藝流程，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)灌裝機(jī)工藝流程，灌裝機(jī)控制系統(tǒng)需要對各伺服電機(jī)、氣動系統(tǒng)及灌裝系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。采用可編程控制器PLC和觸摸屏作為控制系統(tǒng)的核心，PLC的主要優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高、易于編程，可以根據(jù)需要不斷擴(kuò)展[7-8]。設(shè)計的飲料定量灌裝機(jī)的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制器主要包括PLC、人機(jī)觸摸屏、光電傳感器、各伺服系統(tǒng)和氣壓系統(tǒng)等組成。

系統(tǒng)使用MT6070IH人機(jī)觸摸屏，觸摸屏為7寸彩色TFT液晶顯示屏，該款觸摸屏能夠?qū)崿F(xiàn)灌裝系統(tǒng)與操作人員的良好交互，且可靠性高、編程簡單易實(shí)現(xiàn)。觸摸屏分辨率為800 ppi×480 ppi，程序能夠通過USB串口下載，并用擁有無風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)，400 MHz CPU使得該款觸摸屏能夠快速與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

根據(jù)飲料食品液體定量灌裝控制要求和工藝流程，選擇松下公司FP-XC60R PLC及威綸通MT6070IH觸摸屏作為控制系統(tǒng)核心。PLC在不擴(kuò)展的情況下?lián)碛?2點(diǎn)輸入和28點(diǎn)輸出，通過USB通信端口與計算機(jī)直接連接，能夠?qū)崿F(xiàn)多路模擬量的采集并具有高速計數(shù)器、脈沖式輸出的定位控制功能，且具有豐富的通信插件，可實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的實(shí)時通信。作為適用于小規(guī)模設(shè)備控制的小型通用 PLC，具有充實(shí)的基本性能，雖然只是AC電源、螺絲端子臺、繼電器輸出的通用型式，但具有32k步的程序容量，0.32 μs指令處理速度，最大382點(diǎn)的I/O控制的基本性能。灌裝機(jī)控制系統(tǒng)電氣原理如圖2所示，執(zhí)行元件主要指電磁閥及質(zhì)量采集傳感器等。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖2 灌裝系統(tǒng)電氣原理圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

完整的灌裝機(jī)控制系統(tǒng)包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分，在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上需要結(jié)合灌裝機(jī)工藝流程進(jìn)行軟件編程，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)灌裝機(jī)自動、高效運(yùn)行，根據(jù)設(shè)計要求，飲料食品灌裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件主要包括PLC程序設(shè)計和人機(jī)觸摸屏界面設(shè)計兩大部分。

3.1 PLC軟件

PLC控制系統(tǒng)軟件實(shí)際上就是根據(jù)系統(tǒng)控制要求將工藝流程通過軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)，食品定量灌裝機(jī)控制對象有伺服電機(jī)、各種氣缸電磁閥及其他電機(jī)，控制較為負(fù)責(zé)、程序量大，因此采用模塊程序編程法進(jìn)行編程。在程序設(shè)計中，控制系統(tǒng)主要包括啟動模塊、停機(jī)模塊、參數(shù)初始化模塊、故障處理模塊、故障報警模塊、伺服運(yùn)動控制模塊、電磁閥控制模塊，系統(tǒng)運(yùn)行后通過調(diào)用各模塊子程序，完成食品灌裝的目的。該程序設(shè)計方法，可對灌裝機(jī)各功能模塊分別進(jìn)行調(diào)試，從而提高程序可讀性和通用性，便于后期程序升級和管理。灌裝機(jī)總體流程如圖3所示。

圖3 灌裝機(jī)總體流程

3.2 人機(jī)界面設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)灌裝機(jī)高效運(yùn)行，并對灌裝機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時進(jìn)行監(jiān)控，采用人機(jī)觸摸屏作為灌裝系統(tǒng)的上位系統(tǒng)，操作人員可通過觸摸屏完成灌裝參數(shù)的直接輸入，并可實(shí)時對灌裝系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測。觸摸屏與PLC通過RS-232串口進(jìn)行連接后，分別對觸摸屏和PLC通訊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置便可建立二者之間的通訊。根據(jù)用戶設(shè)計要求，飲料食品灌裝機(jī)人機(jī)界面設(shè)計主要有主控畫面、顯示畫面及故障顯示畫面。人機(jī)界面如圖4所示。

圖4 人機(jī)界面

4 結(jié)語

設(shè)計一款基于松下FP-XC60R PLC和觸摸屏等硬件組成的飲料食品定量灌裝智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)、可編程性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。介紹灌裝系統(tǒng)工藝流程，在工藝流程基礎(chǔ)上設(shè)計控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。可編程控制器PLC可大幅提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，觸摸屏可實(shí)現(xiàn)灌裝機(jī)參數(shù)的快速輸入、數(shù)據(jù)采集及故障顯示。在硬件基礎(chǔ)上對灌裝機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行PLC編程和觸摸屏人機(jī)畫面編程。該系統(tǒng)在投入運(yùn)行后，設(shè)備穩(wěn)定可靠，大幅提升生產(chǎn)效率。