牙膏生產自動化技術改造探討

劉奇偉 龍趙祥

(柳州兩面針股份有限公司，廣西 柳州 545006)

引言

生產過程自動化主要是設備的自動化。在上世紀80年代初，我國牙膏企業的生產過程控制系統均采用繼電器邏輯控制、人工磅稱計量方式進行牙膏生產。采用這種技術設計制造的制膏、灌裝、包裝等生產控制系統的結構非常簡單，成本低廉，但存在系統運行可靠性、安全性及可維護性較差等問題。

80年代中后期，出現了可編程序控制器PLC為主控單元，以數字化電子稱、數字化流量計為計量單元的控制模式的制膏設備系統在國內外的廣泛運用，采用這種技術的制膏設備系統具有可靠性高、準確計量、自動化程度高，從而保證了膏體的質量。

在90年代，隨著數據總線技術、網絡技術在工業中的運用，基于可編程序控制器PLC為主控單元，以數字化電子稱、數字化流量計為計量單元的控制模式的制膏設備系統引入工控PC作為系統總控，實現生產計劃、工藝和配方編輯下載，生產數據、狀態參數上傳，生產過程實時監控，打印生產報告等，制膏系統自動化程度和可靠性越來越高。這個時期，我國牙膏行業的制膏系統廣泛采用這種技術進行自動化改造；而牙膏灌包裝設備也采用了可編程序控制器PLC控制技術、光電技術，使整個牙膏行業的自動化程度得到質的飛躍。

進入本世紀，網絡技術的高速發展引發了信息化時代的到來，牙膏生產系統引入了信息管理概念，系統向網絡化、信息化、全自動化發展。基于PLC控制的伺伏控制技術的發展和運用，牙膏生產系統向高速、高效率方向發展。

本文以我公司的生產系統情況為例，采用信息網絡新技術，對牙膏生產全過程自動化進行了技術改造。經過改造后的牙膏生產系統，實現了全自動化生產，減少了人為因素的影響，進一步提高了牙膏的質量和生產效率。

1 技改的系統

牙膏生產過程中，影響產品的質量及安全的環節主要有：準確稱量各種原料、從管道全部輸送到制膏鍋內、制膏過程中實現嚴格的生產工藝控制、灌裝過程中實現自動并準確稱量、生產全過程的數據記錄及時準確、出現問題及時處理等。

技改的目的就是針對上述各環節，通過先進的手段，實現主要原料的自動輸送、貯存，各原料準確按配方全自動計量，制膏機制膏過程按工藝程序全自動完成，制膏現場做到無人化，從灌裝、小盒包裝、大箱包裝、堆垛都能自動協調進行。實施技改的系統包括：①原料自動輸送、貯存控制系統；②原料自動計量控制和制膏自動控制系統；③灌裝、包裝自動控制系統；④中央控制系統(包括生產管理系統、實時過程監控系統、實時圖象監控系統)；⑤生產調度實時顯示系統；⑥實時通訊系統等。

2 控制流程

根據生產設備狀況，對生產環節的關鍵節點進行自動化控制，詳細控制系統結構見圖1。

圖1 控制系統結構

3 各系統改造方案

3.1原料輸送、貯存自動控制系統

本單元為牙膏生產自動化系統中的公共單元，控制系統主要由現場PLC、人機界面可視化PC、控制主站、傳感器、馬達、閥門構成。可獨立完成包括粉料風送控制、緩沖罐貯存監控；液料泵送控制、緩沖罐貯存監控、液料庫罐存量監控。在執行主控任務的同時，通過工業以太網與各制膏系統、上位中央控制工控PC進行數據通訊，記錄和工況實時顯示，工控PC可以進行輸送速度、貯存量、氣壓等參數，設定投料現場有生產調度實時顯示屏(投料PC)。有投料品種確認系統，確保投料準確無誤。在自動系統發生故障時，可進行手動控制；即便系統上一層出現故障時，下一層也能獨立完成自動或半自動控制。

3.2原料自動計量控制及制膏自動化系統

本單元的控制系統主要由現場PLC、人機界面觸摸屏、控制主站、電子稱、在線質量檢測儀表、溫度壓力傳感器、馬達、閥門構成。工藝、配方由上位工控PC計算機下載，系統按配方自動完成粉料計量、液料計量，按工藝要求全自動按程序完成順序進料、制膏工藝過程、進行質量監控。在執行主控任務的同時，通過工業以太網與上位中央控制工控PC進行數據通訊，記錄和工況實時顯示，輸出生產報告。在上位計算機及其網絡出現故障時，下層也能通過現場人機界面觸摸屏獨立進行自動或半自動控制。控制主站故障時，單機能手動操作控制。系統有過程斷點記憶保護功能，確保故障停機或人為停機生產工藝過程安全，確保產品質量。

3.3牙膏灌裝、包裝自動控制系統

在本系統中，現有設備已經配置牙膏自動灌裝、自動小盒包裝生產線，自身自帶PLC和人機界面，需再配套自動大箱機，形成從膏體灌裝到裝大箱包裝的全自動生產線，增加灌裝機自動加膏、灌膏自動穩壓，以保證牙膏支重穩定。生產線的自動灌裝機、自動小盒包裝機、中包裝自動堆垛機的PLC完成自身的主控，灌、包裝生產線現場有生產狀態實時顯示屏，由中央控制室對生產進行調度控制。

3.4中央控制系統(包括生產管理系統、實時過程監控系統、實時圖象監控系統)

自動計量及制膏自動化是系統的核心，中央控制必須圍繞核心展開。中央控制系統應包括：①生產管理系統，含批次管理、配方管理、定義工藝流程、控制管理、過程管理、質量管理、物流管理、操作者管理等。授權人可以通過中央控制工控PC進行配方編輯、修改、貯存、下載系統自動執行；授權人可以中央控制工控PC進行批次生產計劃的編輯、修改、貯存、下載系統自動執行；同樣授權人可以通過中央控制工控PC進行定義、修改工藝流程、下載系統自動執行；系統必須對操作者權限進行確認；還可以進行控制管理、過程管理、質量管理、物流管理等。②實時過程監控系統，通過中央控制工控PC、網絡對整個牙膏生產系統運行工況進行監控、通過中央控制工控PC顯示器和大屏幕投影墻對整個牙膏生產系統運行工況進行實時顯示監視。③實時圖象監控系統，生產現場安裝攝像頭，通過中央控制工控PC顯示器和大屏幕投影墻對整個牙膏生產現場進行實時顯像監視。

3.5實時電子顯示系統

實時電子系統用于顯示生產調度信息。由于制膏現場已實現無人化生產，制膏現場可不安裝電子顯示屏，因為制膏機的觸摸屏可顯示工控PC下載的調度文本信息。在投料現場和灌、包裝安裝電子顯示屏是出于生產調度目視化管理目的，保證生產過程銜接無差錯，從節約成本角度考慮，同樣可以利用現場過程控制的觸摸屏顯示工控PC下載的調度文本信息。

3.6實時通訊系統

實時通訊系統是基于生產調度聯絡和設備維修聯絡的系統，由于在生產過程中遇到問題時需要及時聯系，一般情況下建議使用手持步話機系統更方便些。

4 總結

經過自動化技術改造后的牙膏生產系統，制膏過程實現現場無人化，減少了人為因素造成稱量不準和錯誤的問題，膏體質量大幅度提高；噸膏體投料時間從原來的10分鐘縮短至4分鐘，制膏時間從原來的90分鐘縮短至30分鐘，大幅度提高生產效率，從而提高了生產效益。同時，由于實現了自動化過程控制，通過全封閉控制系統，實現了物料自動跟蹤、產品質量指標實時監控、生產工藝優化等，提高了生產效益和產品的質量，技改取得了良好的效果。