包裝線無壓力控制平衡自動控制系統

劉 炯，邢偉華，蔡文彬，王繼燕

(1.內蒙古自治區流程工業信息化企業重點實驗室；2.呼和浩特市排水事業管理局，內蒙古 呼和浩特 010020)

筆者以灌酒機前面的多變單輸瓶鏈道為例，介紹這種無壓力控制系統。在過去，灌酒機的速度為20 000瓶/時，灌酒機前面的多變單輸瓶鏈道對整條線效率的影響不是很突出，但是當灌酒機已發展到48 000瓶/時，甚至54 000瓶/時，瓶子在高速的多變單輸瓶鏈道上出現倒瓶、堵塞或爆瓶的故障次數明顯增多。針對高速灌裝線上的一系列問題，國外的啤酒設備生產企業非常重視這一點，例如KRONES、HEUFT、KHS等企業的包裝線產品，都設計了無壓力控制，這些國外企業的無壓力輸瓶控制的原理不盡相同，提出了各種不同的無壓力控制算法。筆者通過對國內高速灌裝線上一系列問題的深入研究和吸取國外無壓力的經驗的基礎上，設計了新型無壓力控制系統。

1 無壓力控制系統的結構

圖1為灌酒機前面的多變單輸瓶鏈道平面機械結構與電器元件分布圖，箭頭方向為瓶流方向，帶字的圓圈表示各個傳感器的安裝位置。整個無壓力控制系統由7個電機(M1～M7)、1個壓力開關、一組光電對射開關、6個光電反射開關、導向欄、護欄及2個收集臺等機電結構構成。

圖1 為灌酒機前面的多變單輸瓶鏈道平面機械結構與電器元件分布

2 無壓力控制系統的工作原理

根據生產情況，可將整個無壓力控制系統分為4個工作狀態：引瓶狀態、動態微調狀態、堵瓶狀態、追縫狀態。

2.1 引瓶狀態

即多變單輸瓶鏈道的初始填充瓶狀態，從無瓶或缺瓶填充至動態微調狀態，是多變單輸瓶鏈道與機臺同步運行的前提。當壓力開關GS1被觸發時，引瓶狀態開始，電機M1～M7低速運行，進行初始化單列鏈道填充，光電反射開關R2先被觸發，系統降速，至光電反射開關R1也被觸發，引瓶狀態結束。

2.2 動態微調狀態

當無壓力系統的引瓶狀態完成時，灌酒機啟動運行，系統開始動態微調狀態運行。反射開關C1和C2之間鏈道上可容納的瓶數是一個固定值“X”。無壓力系統動態微調狀態運行時，反射開關C1和C2之間鏈道上瓶子的數量是動態值“Y”。當“Y=X”時，系統正常速度運行；當“YX”時，系統開始減速，至“Y=X”時，系統恢復正常速度。

2.3 堵瓶狀態

系統運行時，M4鏈道上的瓶子沒有很好地形成單列時，光電對射開關DS被觸發并開始計時，系統自動進入解堵狀態，電機M1～M4降速，通過M4、M5鏈道的速差緩解擁擠狀況，在限定的時間內擁堵情況解除，電機M1～M4恢復正常速度運行；如果在設定的時間內無法解除擁堵情況時，系統將自動進入堵瓶狀態，即系統立刻停止運行。系統停止后，操作員人工解除擁堵后，人工恢復系統正常運行。

2.4 追縫狀態

系統運行時，由于灌酒機工藝要求瓶子進入灌酒機前無間隙，所以M6、M7單列輸瓶鏈道上的瓶子之間出現縫隙時，就必須調整相關電機速度減小瓶間縫隙。當反射開關T1位置出現縫隙時，系統以一個較高的速度運行，直至反射開關T2處沒有縫隙為止，系統恢復正常；當反射開關T2位置出現縫隙時，無壓力系統以一個更高的速度運行，直至反射開關T1處沒有縫隙為止，系統恢復正常；如果瓶子至灌酒機時仍然有較大縫隙，可能導致灌酒機停機，系統也同步停機。這種情況下，系統回復運行時，自動進入引瓶狀態。

3 無壓力控制系統的鏈道速度與灌酒機速度實時匹配的控制原理

從圖1灌酒機前面多變單鏈道結構示意圖可以看到，電動機拖動鏈道轉動的機械結構為：三相異步電動機拖動減速機，減速機再通過傳動軸拖動固定在鏈道上的平頂鏈輪的轉動，鏈道與平頂鏈輪同速轉動。在理想環境下，無壓力系統輸瓶鏈道的速度與灌酒機速度的實時同步，忽略瓶子在輸送鏈道上的滑動，輸瓶鏈道與瓶子同速向前運動。灌酒機的速度與電動機的頻率的基準關系公式如下：

(1)

公式(1)表示，每分鐘每赫茲電動機轉動的圈數，r/(min·Hz)；

B=A/i

(2)

公式(2)表示，每分鐘每赫茲減速機轉動的圈數，r/(min·Hz)；

SDW=π·DW

(3)

公式(3)表示，平頂鏈輪的周長，mm；

(4)

公式(4)表示，電動機所帶的鏈道每分鐘每赫茲鏈道所走的長度，m/(min·Hz)；

(5)

公式(5)表示，單列鏈道速度與灌酒機速度的比例關系，m/(min)；

(6)

公式(6)表示，單列鏈道速度與電動機頻率的比例關系，Hz；

其中：

Vm——灌酒機的速度，瓶/h；

Vc——鏈道的速度，m/min；

Db——啤酒瓶的瓶身直徑，mm；

Dw——平頂鏈輪的直徑，mm；

SDw——平頂鏈輪的周長，mm；

Fc——單列鏈道與灌酒機速度實時匹配，所要求電動機的實時頻率，Hz；

f——三相異步電動機的額定頻率，Hz；

n——三相異步電動機的額定轉速，r/min；

i——減速機與電動機之間的速比；

4 用于計數和追縫的光電反射開關在無壓力控制系統中的用法

光電反射開關在無壓力控制系統中用于計數和追縫的使用原理如下：①圖2光電反射開關(sensor)在無壓力控制系統中用于計數的時序圖。

圖2 光電傳感器用于計數的時序

當傳感器sensor=1時，表示傳感器被觸發。當傳感器sensor=0時，表示傳感器未被觸發。

當傳感器sensor=0并且濾波時間到達圖2濾波時間t(橫虛線)處，計數進行加1。

②圖3光電反射開關(sensor)在無壓力控制系統中用于追縫的時序圖。

當傳感器sensor=1時，表示傳感器被觸發。當傳感器sensor=0時，表示傳感器未被觸發。當傳感器sensor=1并且濾波時間到達圖3濾波時間T(橫虛線)時，說明瓶子與瓶子之間存在縫隙。

5 控制系統的主要優勢

①通過對啤酒灌酒機前面多變單輸瓶工藝的長時間研究，根據實際生產所遇到的各種問題，編寫了相應的控制算法模塊，大大減少了現場調試人員的調試周期。②異步電動機的控制采用變頻器調速，調速精度高，平滑性好，確保了鏈道可以實現平穩均勻的加減速。③控制信號全部采用數字量信號，所以變頻器頻率的設定比較準確，不會受到溫漂、信號電壓等誤差的影響。④有效地減少了倒瓶、堵瓶發生的次數，顯著地降低了瓶與瓶之間碰撞的噪音。⑤控制系統與機械設備充分配合，將整條生產線的效率提升至85%以上。

6 結束語

本無壓力控制系統生產線已經在我國啤酒廠的生產線上調試成功，尤其在提升啤酒包裝線的效率上取得的非常好的效果。盡管如此，由于機械工藝的精度、瓶源的質量、瓶源的標準化等一系列原因，我國目前的啤酒包裝線效率還有提升的空間。