何 非，黃 川，張 敏，李東波

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

基于單片機(jī)的啤酒灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 非，黃 川，張 敏，李東波

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

提出了一種運(yùn)用STC15F2K60S2系列單片機(jī)控制啤酒灌裝機(jī)的方法，即結(jié)合啤酒灌裝生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制流程，主要針對從抽真空到灌裝吹氣結(jié)束的每一步操作，對灌裝過程中的真空閥、二氧化碳閥、酒液閥的開閉以及灌裝時(shí)間、充氣時(shí)間等進(jìn)行了控制,實(shí)現(xiàn)了啤酒灌裝機(jī)的快速、高精度自動(dòng)灌裝，為啤酒灌裝機(jī)的控制提供了技術(shù)支持。

單片機(jī)；灌裝機(jī)；STC15F2K60S2

中國連續(xù)多年保持世界第一大啤酒生產(chǎn)國稱號，快速發(fā)展的啤酒消費(fèi)業(yè)刺激著啤酒灌裝設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。啤酒包裝制造業(yè)在我國啤酒工業(yè)的促動(dòng)下積極地吸收國外先進(jìn)技術(shù)并通過不斷地自主創(chuàng)新得以發(fā)展壯大[2]。啤酒灌裝生產(chǎn)線也在啤酒業(yè)的發(fā)展下得到充分發(fā)展，國內(nèi)啤酒灌裝生產(chǎn)線雖然可以滿足啤酒灌裝功能，但是整線的自動(dòng)化程度不高，隨著灌裝生產(chǎn)線向高能高效發(fā)展，啤酒產(chǎn)業(yè)對于啤酒包裝生產(chǎn)線的要求也逐漸提高，不僅要保證瓶子的準(zhǔn)確到位以及灌裝動(dòng)作的連貫、精確，而且要求在保證灌裝準(zhǔn)確性的前提下，滿足高速、高效率灌裝，因而對灌裝機(jī)的控制部分提出了更高的要求。傳統(tǒng)的灌裝過程采用繼電器控制，由于響應(yīng)不夠快并且容易出現(xiàn)故障，難以滿足更高的要求。目前單片機(jī)因其具有集成度高、響應(yīng)速度快、可控制性強(qiáng)、穩(wěn)定安全、體積小、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制以及日常生活中，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理。因此,將單片機(jī)用于控制啤酒灌裝機(jī)中的進(jìn)瓶、抽氣、灌裝、出瓶以及碎瓶等方面的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)就成為啤酒制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

1 啤酒灌裝生產(chǎn)線工作流程

啤酒灌裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程：空瓶進(jìn)入洗瓶機(jī)進(jìn)行清理，清洗干凈后經(jīng)由傳送帶傳送到螺桿分瓶裝置中，將一批空啤酒瓶分成單個(gè)，接著單個(gè)的啤酒瓶在撥輪進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)的作用下進(jìn)入托瓶機(jī)構(gòu)中，然后在氣動(dòng)升降裝置中上升至灌裝閥底部，此時(shí)通過各種凸輪以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制抽真空過程、充二氧化碳過程、灌酒過程以及吸氣、CIP清洗過程的啟動(dòng)與關(guān)閉，灌裝結(jié)束后出瓶、壓蓋、貼標(biāo)、裝箱、堆垛。圖1所示為啤酒灌裝生產(chǎn)線中灌裝機(jī)的局部，也是本文主要研究的對象。

圖1 啤酒灌裝機(jī)系統(tǒng)圖

啤酒灌裝生產(chǎn)線中需要進(jìn)行檢測與控制的工作主要包括：空瓶清洗之前對于瓶子質(zhì)量的檢測以及清洗后對空瓶清洗是否合格的檢測，分瓶進(jìn)瓶過程中對于玻璃瓶卡瓶、爆瓶、倒瓶的檢測與響應(yīng)，灌裝機(jī)灌裝過程中對各個(gè)操作流程的控制(這是最復(fù)雜的部分)。生產(chǎn)線中對壓蓋機(jī)的控制以及對貼標(biāo)、裝箱的控制，還有對洗瓶、出瓶過程的控制相對比較簡單，本文不做介紹，現(xiàn)主要研究對灌裝機(jī)的控制。圖2所示為啤酒生產(chǎn)線控制流程。

圖2 啤酒生產(chǎn)線控制流程示意圖

2 啤酒灌裝機(jī)工作原理

啤酒灌裝機(jī)主要部件為酒缸和灌裝閥。灌裝機(jī)酒缸是一個(gè)環(huán)繞在灌裝機(jī)頂部的不銹鋼環(huán)形罐，主要負(fù)責(zé)在裝瓶過程中存放啤酒和二氧化碳。本文研究的灌裝機(jī)含有144個(gè)相同的灌裝閥。每個(gè)灌裝閥具有4個(gè)閥門：真空閥、啤酒灌裝閥、減壓閥、二氧化碳閥。真空閥負(fù)責(zé)在灌裝之前去除瓶中的空氣，二氧化碳閥主要負(fù)責(zé)往玻璃瓶內(nèi)充二氧化碳備壓，啤酒灌裝閥負(fù)責(zé)將啤酒注入瓶中，而減壓閥負(fù)責(zé)在灌裝之后排出瓶中的過量壓力。通過控制環(huán)周圍的傳感器的響應(yīng)以及控制凸輪的觸發(fā)就可以按照所需的閥門操作順序進(jìn)行灌裝，并根據(jù)輸進(jìn)星形輪和輸出星形輪的位置控制閥口密封打開和關(guān)閉[3]。

灌裝機(jī)的控制主要包括對預(yù)抽真空、充二氧化碳備壓以及清洗、酒液灌裝、灌酒沉淀、吸氣除殘留、吹氣去酒沫等的控制。預(yù)抽真空采用的是凸輪控制，由撥輪機(jī)構(gòu)進(jìn)入灌裝機(jī)下部托盤位置的啤酒瓶在升降機(jī)構(gòu)的作用下，上升至酒液灌裝閥下端，然后在升降凸輪的作用下頂開對中罩密封口，進(jìn)入預(yù)抽真空階段，此時(shí)真空閥在單片機(jī)的控制下開啟真空閥預(yù)抽真空。然后當(dāng)灌裝機(jī)旋轉(zhuǎn)到?jīng)_洗啟動(dòng)器位置時(shí)，通過該位置的傳感器傳輸信號給單片機(jī)控制二氧化碳閥開啟，對灌裝機(jī)進(jìn)行充氣清洗，二氧化碳會(huì)流入瓶中并接受8個(gè)階段的凈化，清洗掉瓶內(nèi)殘留的氧氣。隨后酒缸備壓，接著進(jìn)入灌裝階段，在灌裝階段通過感應(yīng)啟動(dòng)器所處的位置控制酒液灌裝開始時(shí)機(jī)，而灌裝結(jié)束指令由單片機(jī)內(nèi)部的中斷指令以及閉閥位置共同控制，灌裝結(jié)束后有一段延時(shí)沉淀過程，沉淀結(jié)束后通過觸發(fā)吸氣閥吸除閥道內(nèi)部殘留液體，最后通過回氣口吹氣吹掉瓶頸處泡沫。圖3與圖4分別為灌裝機(jī)控制流程與工作過程圖。

圖3 灌裝機(jī)控制流程

圖4 灌裝機(jī)工作過程圖

圖4中1為預(yù)抽真空，2為沖洗，3為第二次抽真空，4為備壓，5為灌裝，6為灌裝沉淀完畢，7為閥門閉合，8為吸氣過程，9為回風(fēng)管吹氣。

3 灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制部分主要涉及6個(gè)啟動(dòng)器的控制、時(shí)間延時(shí)控制和中斷控制等。由于在需要控制的抽真空、沖洗、備壓、灌裝、吸氣、吹酒等過程中，每個(gè)操作機(jī)構(gòu)都需要將根據(jù)開關(guān)按鈕狀態(tài)的變化產(chǎn)生的開關(guān)量信號以及相當(dāng)于現(xiàn)場儀表的傳感器測量到的位置信號傳遞給單片機(jī)處理，然后用單片機(jī)來控制閥的開合，從而達(dá)到控制啤酒灌裝機(jī)灌裝過程的目的。

STC15F2K60S2系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的新一代805單片機(jī)，具有高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)。圖5所示為STC15F2K60S2單片機(jī)引腳圖，共有40個(gè)引腳。該單片機(jī)采用STC第八代加密技術(shù)，加密性超強(qiáng)，且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8～12倍；圖6所示為STC15F2K60S2單片機(jī)內(nèi)部構(gòu)造圖，其中集成高精度R/C時(shí)鐘，±1%溫飄，常溫下溫飄5‰，5MHz～35MHz寬范圍可設(shè)置，省掉昂貴的外部晶振；3路PWM/PCA，8路高速 10位A/D轉(zhuǎn)換(30萬次/s)，針對電機(jī)控制及強(qiáng)干擾場合[4-5]。

圖5 STC15F2K60S2單片機(jī)引腳圖

圖6 STC15F2K60S2單片機(jī)內(nèi)部原理圖

控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)主控模塊以及開關(guān)量采集模塊、信號調(diào)理電路、位置傳感器檢測模塊、光電隔離模塊。備壓過程中二氧化碳閥是否關(guān)閉取決于酒缸壓力傳感器反饋的信號。在啤酒灌裝過程中，當(dāng)單片機(jī)統(tǒng)計(jì)的流過電磁流量計(jì)的流量到達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)，關(guān)閉電磁流量計(jì)，電磁流量計(jì)的狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉，從而反饋關(guān)閉酒液閥。灌裝沉淀過程則是在灌裝閥關(guān)閉后通過延時(shí)實(shí)現(xiàn)。圖7所示為控制系統(tǒng)配置框圖。

開關(guān)量采集模塊如圖8所示。

控制系統(tǒng)中所用的傳感器為位置傳感器，采集方法類似煙味開關(guān)，這里不再贅述。

信號調(diào)理電路如圖9所示。

由于采用低電平實(shí)現(xiàn)控制指令要比采用高電平效果好得多，所以采集時(shí)采用高電平，在單片機(jī)入口轉(zhuǎn)換成TTL電平，且中間采用光電耦合隔離，電路如圖10所示。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合啤酒生產(chǎn)線工作流程和灌裝機(jī)工作原理，提出了一種運(yùn)用STC15F2K60S2單片機(jī)控制啤酒灌裝機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為控制啤酒灌裝機(jī)的抽氣、沖洗、備壓、灌裝、沉淀以及吸氣、吹氣過程按照正確的順序進(jìn)行提供了具體方法，該控制系統(tǒng)簡單實(shí)用，能夠滿足灌裝線灌裝需求，并為實(shí)現(xiàn)快速精確灌裝提供技術(shù)支持。但是由于研究條件的限制，文中提到的控制系統(tǒng)并未應(yīng)用于實(shí)踐中，其可靠性還需要投入生產(chǎn)實(shí)際中使用后才能驗(yàn)證。后續(xù)工作會(huì)做相關(guān)設(shè)備的控制實(shí)驗(yàn)研究，以完善基于單片機(jī)的啤酒灌裝機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)實(shí)踐。

圖7 控制系統(tǒng)配置框圖

圖8 開關(guān)量采集模塊

圖9 信號調(diào)理電路

圖10 光電隔離電路

[1] 徐宏海，陶廣軍，張財(cái)政，等.臺達(dá)PLC與觸摸屏在分子篩灌裝機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32(7)：142-144.

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[4] 張敏，李東波，何非，等.包裝線碼垛吊具方案設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014，43(8)：10-13.

[5] 郭天祥.51單片機(jī)C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

Microcontroller-basedcontrolsystemdesignforbeerfillingmachine

HE Fei，HUANG Chuan，ZHANG Min，LI Dongbo

(Nanjing University of Science and Technology，Jiangsu Nanjing，210094，China)

It introduces a method for controlling beer filling machine based on STC15F2K60S2 Series MCU,which is combined with the automation of beer filling production line process control. Aiming at every step of the operation from the vacuum to the filling of the blowing end, vacuum valve, filling valve, carbon dioxide in the process liquor valve and the filling time, this design controls all process, achieves a rapid, high precision automatic filling beer filling machine, provides technical support for the control of beer filling machine.

microcontroller; filling machine; STC15F2K60S2

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.11.013

2014-11-02

何非(1982—)，男，江蘇靖江人，南京理工大學(xué)講師，博士，主要研究方向?yàn)橹圃鞓I(yè)信息化。

TH82

A

2095-509X(2014)11-0058-05