基于數字化設計基礎的啤酒全自動灌裝生產線系統設計

楊銓，辛華健，吉雪花

（1.廣西工業職業技術學院，廣西南寧，530001;2廣西商貿高級技工學校，廣西南寧，530007）

0 引言

全自動啤酒生產線系統主要在原有生產線上通過數字化設計的方式設計一套基于PLC控制的全自動啤酒罐裝生產線控制系統，以提高機器的自動控制水平。該設計在使用MCD軟件進行機電設計仿真后采用PL作為控制器控制整個啤酒灌裝控制系統的控制單元。系統能夠利用仿真技術與軟件控制系統和生產線管理系統相連接，從而虛擬的環境上解決啤酒的生產控制。灌裝過程比較精確、嚴密，設計難度也在降低，對實際啤酒工業生產產生巨大的作用。

(1）可以有效優化啤酒的生產效率。通過數字化設計進行啤酒灌裝系統自動化控制系統的設計，可以減少設計成本，提高設計的靈活度，并且在設計過程中不影響生產，減少人工操作，容易擴展，可以有效滿足生產線優化的需求。

(2）可以改良工作的條件。通過數字化技術融入到設計中，可以有效地在虛擬環境中實現啤酒灌裝系統自動化控制后再布置到現場，生產現場不需要停工，經過優化設計后不再需要人工進行手動操作，能夠有效提升生產的先進程度，降低生產成本。

基于數字化設計基礎的全自動啤酒灌裝生產線控制系統，主要是改良生產工藝，提高機器的自動控制水平為目的。該設計采用的PLC作為整個啤酒灌裝控制系統的控制單元,利用數字化設計技術與計算機技術自動填充軟件組成控制和虛擬調試系統，并能夠與生產線管理系統相連接，從而解決啤酒灌裝生產的全自動控制。灌裝過程比較精確、嚴密，對實際啤酒工業生產產生巨大的作用。通過啤酒灌裝系統自動化控制，首先可以提高啤酒生產效率，減少人工操作，容易擴展，可以滿足客戶業務增長的需求；其次可以改良工作的條件，通過實現啤酒灌裝系統自動化控制后，生產現場不再需要人工進行手動操作，從而降低勞動成本。

1 控制系統總體設計

1.1 啤酒自動灌裝控制系統的總體控制要求

啤酒自動灌裝控制系統的總體控制要求：按照要求寫入灌裝量，系統開始運行，傳感器檢測斗門是否關閉，自動控制對啤酒物料的重量，并將設置的定值顯示在觸摸屏上，啤酒在壓力作用下進入瓶中，過程中設置凈重檢測修正，并對稱量誤差進行自動補償校驗，最后還要在灌裝控制系統中設置有相應的故障檢測、報警信號。啤酒自動灌裝控制系統主要由配料稱重儀、電磁閥和電動機等幾部分組成。

控制系統結構框圖如下：

圖1 控制系統結構框圖

1.2 啤酒生產工藝流程

啤酒生產工藝流程可以分為制麥、糊化、過濾、煮沸、酒花、回旋沉淀、冷卻、發酵、成熟、過濾、包裝、分銷等流程。現代化的啤酒廠一般已經不再設立麥芽車間，因此制麥部分也將逐步從啤酒生產工藝流程中剝離。啤酒的灌裝生產是啤酒出廠前的最后一道環節，實現自動灌裝可以有效地提升啤酒的生產效率。

1.3 灌裝控制系統用稱重儀控制原理

啤酒灌裝的控制采用可編程控制進行信號提取和控制，散裝進料采取兩級進料，粗進料時進料流量大，用短時間加入90%的公稱重量，細進料時進料流量低，5%至10%的額定重量，如果進料重量達到98%，則關閉進料閘門，而不是等到它達到100%，這樣可以保證速度和精度，具體如圖2所示。

圖2 啤酒灌裝控制系統示意圖

最先開始需要測試料斗的重量，才能進行稱重的工作，這樣可以在一定程度上，避免啤酒粘在料斗上壁，減少稱重誤差。因此，在設備停止運作時，需要對此誤差造成的因素進行相應的處理，在可控的情況下，從而保證料斗內沒有物料。也可以在系統啟動時錄入設置的定值，在傳感器的作用下判斷斗門是否到位，在調速系統下快、中、慢進料，加料信號結束后，進行穩定狀態判斷，從而進行實際測量，最后得到相關的誤差，在下一個循環進行補償校正。

此灌裝控制系統采用托利多B8520稱重儀中的有斗模式，其接線圖如圖3所示。該模式的稱重過程將在稱量斗中完成，當傳感器判斷斗門關閉時會在IN口采集到一個上升沿信號，稱重儀按照PLC程序要求給定的速度進料，設置一定的延遲，接著在其稱量作用的情況下完成稱量工作，然后傳感器會根據PLC程序判斷壓蓋信號是否到位，最后整個過程在控制器的作用中將完成灌裝過程。

圖3 稱重儀接線圖

稱重儀可將稱重傳感器信號轉換為重量數字顯示，并可對重量數據進行儲存、統計、打印的電子設備，選用的型號為托利多B8520稱重儀。

稱重系統的控制單元，可以輸入現場稱重信號，與給定值進行比較，最后輸出到可編程控制器以控制粗灌閥和精灌閥。

2 啤酒自動灌裝系統的數字化建模

根據生產工藝的要求，需要對啤酒的灌裝生產線進行數字化建模，首先采用SolidWorks軟件按照1：1的比例對灌裝生產線進行數字化建模，并在MCD軟件上根據生產工藝現場的尺寸，完成整個灌裝生產線的建模和布局，具體如圖4所示。

圖4 啤酒灌裝控制系統示意圖

3 啤酒自動灌裝系統設計

3.1 啤酒灌裝系統的仿真

完成數字化建模后，再需要在MCD軟件上對灌裝系統進行數字化仿真，在MCD設計中需要通過對啤酒全自動灌裝生產線的運動流程來分析其運動副關系（如圖5所示），并且根據生產工藝設置相應的運動副系，在確定好運動副關系后就可以添加驅動控制，并對這些驅動控制設置仿真序列，達到實現啤酒生產線的工藝流程仿真的目的。

圖5 啤酒灌裝生產線MCD仿真運動副關系

完成運動副關系的設置后，就可以將相應的控制節點與PLC的相應的控制接口和存儲器進行鏈接（具體如圖6所示），以此實現通過PLC控制MCD軟件中相應虛擬仿真部件的目的。

圖6 啤酒灌裝生產線MCD與PLC鏈接關系表

3.2 啤酒灌裝系統的控制

系統的軟件設計在主機上，通過PLC將高速進給，低速進給，前進量和目標值寫入Toledo B520稱重控制器。稱重系統的當前值可顯示在觸摸屏上，系統能進行正常運行的監管。控制系統包括控制高速，中速和低速進料門的打開和關閉，制袋操作以及鏟斗門的打開和關閉的過程。

在編程過程中，一旦打開電源，SM0.0指令隨之打開，PLC掃描周期調用正確MBUS_CTRL指令，以實現通信，“完成”將輸出功率流。其過程需設置奇偶校驗模式，并且對應匹配。而有關的CH_Ready的操作數是存儲在低位字節中八個連續通道的狀態。第0位表示連接0的接通狀態，第2位表示連接2的接通狀態，以此類推。如果已連接就對應“ 1”位，未連接則對應“ 0”位。

4 控制系統的組態仿真

4.1 系統組態環境

使用組態王軟件進行控制畫面的組態仿真，可以在畫面開發系統建立啤酒灌裝控制系統的圖形畫面。組態王Kingview 6.60擁有豐富的設備支持庫，支持1000多個廠家近4000種設備，而且腳本語言處理功能強大，方便變量導入導出及自動創建變量，具有可視化操作界面，真彩顯示圖形，支持漸進色，并有豐富的圖庫以及動畫連接，全新的WebServer架構，全面支持畫面發布、實時數據發布、歷史數據發布及數據庫數據的發布，強大的分布式報警、事件處理，支持分布式報警和歷史數據存儲，支持OCX控件的全新web發布。

4.2 組態監控畫面的建立

在開發系統“文件”菜單中執行“全部存”命令將設計的畫面和程序全部存儲。接著在工程瀏覽器中，單擊快捷工具欄上“運行”配置命令按鈕，出現“運行系統設置”對話框。在“主畫面配置”選項卡中，選中制作的圖形畫面“PC 與PC 串口通信”，單擊“確定”按鈕將其配置成主畫面。最后在工程瀏覽器中，單擊快捷工具欄上“VIEW”按鈕或在開發在啤酒灌裝生產線控制畫面中，以傳送帶對灌裝的進料速度進行控制，并且監控當前值，其仿真運行與調試畫面如圖7所示。

圖7 啤酒全自動生產線控制系統仿真畫面