摘要：以一啤酒生產(chǎn)廠家為例，介紹了一種以現(xiàn)用設(shè)備原有電氣控制線路為基礎(chǔ)對(duì)其灌裝流水線裝箱包裝設(shè)備進(jìn)行改造的方法，該方法對(duì)于行業(yè)內(nèi)類似舊設(shè)備控制系統(tǒng)改造，在設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)可靠性等方面有普遍性和代表意義。

關(guān)鍵詞：可編程控制器;電磁閥;電氣裝置

0? ? 引言

“十一五”期間，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)保持了持續(xù)平穩(wěn)較快發(fā)展，相應(yīng)地帶動(dòng)了我國(guó)飲料行業(yè)的快速發(fā)展，許多飲料類產(chǎn)品取得了不錯(cuò)的銷量。產(chǎn)量的上升促使飲料行業(yè)生產(chǎn)廠家高度重視生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度及產(chǎn)出比，也推動(dòng)了行業(yè)的發(fā)展。

以飲料行業(yè)的啤酒生產(chǎn)企業(yè)為例，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2018年1月—12月全年中國(guó)規(guī)模以上啤酒企業(yè)（規(guī)模以上啤酒企業(yè)起點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)為年主營(yíng)業(yè)務(wù)收入2 000萬元）累計(jì)產(chǎn)量3 812.2萬kL，同比增長(zhǎng)0.5%。其中2018年12月，中國(guó)規(guī)模以上啤酒企業(yè)產(chǎn)量208.9萬kL，同比增長(zhǎng)2.3%。在這種情況下，啤酒行業(yè)在正常生產(chǎn)的前提下，都在各自挖潛，積極進(jìn)行技術(shù)改造，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，以期在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制下，更有利地占領(lǐng)市場(chǎng)。為適應(yīng)企業(yè)技術(shù)發(fā)展需求，啤酒企業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)灌裝流水線中裝箱包裝設(shè)備節(jié)點(diǎn)，就在技改方面呈現(xiàn)出了一定的變化趨勢(shì)。

1? ? 現(xiàn)狀及解決方案

啤酒等瓶裝飲料生產(chǎn)行業(yè)中的大部分廠家，目前灌裝流水線中裝箱包裝節(jié)點(diǎn)使用的是連桿裝箱包裝設(shè)備，這種設(shè)備一次完整的動(dòng)作可以同時(shí)包裝4箱（紙箱、塑料、聚丙烯等各種材質(zhì)的包裝箱）即4×24瓶或者3箱即3×24瓶。作為可連續(xù)生產(chǎn)裝箱的包裝機(jī)械設(shè)備，在液體灌裝流水線中，連桿裝箱包裝設(shè)備主要完成飲料液體瓶裝成品的抓起、抬高、裝箱、復(fù)位等料等工作。該類工作原理的設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)，在液體飲料生產(chǎn)企業(yè)的灌裝流水線上普遍使用。

在灌裝流水線中，裝箱包裝節(jié)點(diǎn)的設(shè)備是整個(gè)流水線系統(tǒng)運(yùn)行的核心，裝箱包裝節(jié)點(diǎn)的設(shè)備雖不是直接生產(chǎn)啤酒的相關(guān)設(shè)備，但卻是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程自動(dòng)化所必需的重要部件。

對(duì)于這種設(shè)備的電儀的控制，是液體灌裝流水線中包裝機(jī)安全、可靠運(yùn)行的重要保證。

時(shí)下，國(guó)內(nèi)啤酒生產(chǎn)企業(yè)灌裝流水線中設(shè)備的控制單元，基本上采用的是89C系列、ARM單片機(jī)CPU構(gòu)成的控制板及電氣元件、電機(jī)等組合的控制方式。這種控制方式設(shè)計(jì)復(fù)雜、抗干擾性差且繼電器使用數(shù)量多，而且液體飲料類產(chǎn)品灌裝流水線處于高溫、高濕的工作環(huán)境，極易造成裝箱包裝節(jié)點(diǎn)故障，容易發(fā)生事故。

同時(shí)，對(duì)于由單片機(jī)控制板構(gòu)成的系統(tǒng)，在日常檢修及故障判斷、系統(tǒng)元器件檢測(cè)方面，都需要專門的儀器和具有專業(yè)知識(shí)的維修人員，這樣也增加了企業(yè)在人工成本上的支出。

隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的高速發(fā)展，PLC控制技術(shù)逐漸被應(yīng)用于生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)中，以取代設(shè)備原先使用的控制元器件及線路，這在日常檢維修及人員素質(zhì)的要求上都大大低于原系統(tǒng)，便利性更佳，因而成為連桿裝箱包裝等設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

基于上述客觀條件和市場(chǎng)需求，為響應(yīng)啤酒行業(yè)用戶的要求，我們選擇了遼寧華潤(rùn)雪花集團(tuán)下屬一家啤酒生產(chǎn)廠家的灌裝流水線中的裝箱包裝設(shè)備進(jìn)行改造。

2? ? 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該啤酒生產(chǎn)廠家的灌裝流水線中連桿裝箱包裝設(shè)備是同類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，具有普遍性和代表性。該設(shè)備的控制系統(tǒng)由單片機(jī)控制板、電機(jī)執(zhí)行等部分組成，工藝過程如圖1所示。

在裝箱包裝設(shè)備控制部分改造分析會(huì)上，技術(shù)人員充分聽取了該廠工藝操作人員、電氣維護(hù)人員等的意見，實(shí)地考察、調(diào)研了這類流水線包裝設(shè)備的工作過程和控制特點(diǎn)。裝箱包裝設(shè)備控制的輸入、輸出單元，基本上都是數(shù)字量信號(hào)，DI/DO信號(hào)來源為光電型開關(guān)、接近開關(guān)、電磁閥、步進(jìn)電機(jī)等;設(shè)備的生產(chǎn)工藝以連續(xù)的流程控制為主。以PLC為主的控制系統(tǒng)，在數(shù)字量、邏輯控制及順序控制方面有著其他控制系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此，本項(xiàng)目的控制系統(tǒng)采用新的基于PLC控制系統(tǒng)的控制模式設(shè)計(jì)。

該啤酒生產(chǎn)廠家全廠其他自動(dòng)化設(shè)備基本使用的是德國(guó)Siemens（西門子）公司的PLC控制系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)改造后啤酒生產(chǎn)廠家設(shè)備備件的統(tǒng)一化及日常維護(hù)的聯(lián)通化，同時(shí)，根據(jù)采集和控制點(diǎn)數(shù)，選用Siemens的S7-200 PLC作為新改造后的系統(tǒng)控制器;根據(jù)控制系統(tǒng)的DI/DO規(guī)模和通信網(wǎng)絡(luò)配置，為滿足日后升級(jí)的需求，選擇了CPU 226及模擬量、數(shù)字量擴(kuò)展模塊。

控制系統(tǒng)核心CPU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間為13K字節(jié)程序，CPU模塊集成了40個(gè)DI/DO（24DI/16DO），最多可擴(kuò)展7個(gè)I/O模塊（248路數(shù)字量或35路模擬量I/O點(diǎn)）。CPU模塊集成6路獨(dú)立的高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的高速脈沖輸出，通過軟件集成的PID指令，可組態(tài)8路PID控制器，PID輸出可組態(tài)AO/DO模式。CPU具有2個(gè)物理RS485通信/編程口（PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和刻編程的自由口方式通信），完全滿足于本次改造對(duì)控制系統(tǒng)的需求。

3? ? 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）該包裝設(shè)備控制系統(tǒng)的電機(jī)可以進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，以帶動(dòng)夾瓶裝置往復(fù)運(yùn)動(dòng)裝箱。瓶電機(jī)和兩個(gè)箱電機(jī)分別用作傳輸瓶和傳輸箱;七個(gè)電磁閥和與之對(duì)應(yīng)的氣缸，分別控制“夾頭” “定位器” “出箱臂” “進(jìn)箱臂” “箱導(dǎo)向”;設(shè)“手動(dòng)”和“自動(dòng)”操作兩個(gè)切換開關(guān)。

（2）在包裝設(shè)備的控制前臺(tái)和設(shè)備后部、側(cè)面都加裝3只高靈敏度的光電檢測(cè)傳感器，在現(xiàn)場(chǎng)工作人員誤入包裝機(jī)的危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，設(shè)備立即緊急停車，保證操作人員的人身安全。

（3）在啤酒罐裝流水線的傳送帶上安裝日本歐姆龍公司的專用皮帶測(cè)速旋轉(zhuǎn)編碼器，測(cè)量灌裝流水線的傳送帶速度。當(dāng)PLC系統(tǒng)檢測(cè)到灌裝流水線傳送帶的電機(jī)運(yùn)行異常時(shí)，立即停車，包裝設(shè)備也停止工作。

（4）PLC系統(tǒng)DI回路中有光電及接近開關(guān)等信號(hào)輸入，DO回路有DC24 V電磁閥等設(shè)備，改造后的PLC系統(tǒng)單獨(dú)配置西門子公司DC20 A輸出的STOP電源，為外圍的此類傳感器、執(zhí)行元件如各輸入、輸出元件單獨(dú)供電，保障了PLC電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PLC控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

（5）為了使改造后的控制系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取了數(shù)種防護(hù)措施。在接地方面：強(qiáng)電設(shè)備分開接地，接地線的截面積大于2 mm2;PLC輸入采用專用的帶保險(xiǎn)功能的端子接入系統(tǒng)，DO采用繼電器隔離，完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線圈和PLC端子的隔離，消除線圈吸合、斷開時(shí)的電磁性沖擊等對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。

（6）為了保護(hù)操作過程中的人身安全，避免在工作中操作人員發(fā)生意外而造成的人身傷害，設(shè)計(jì)了保護(hù)裝置。本裝置由光電及接近開關(guān)等組合構(gòu)成，組成一個(gè)禁區(qū)邊界范圍，在設(shè)備使用過程中，操作人員或其他物體一旦進(jìn)入該禁區(qū)或保護(hù)門被打開，通過邏輯判斷，整條流水線立即停機(jī)并報(bào)警。

（7）根據(jù)生產(chǎn)需要將原灌裝流水線上的蒸汽測(cè)量溫度、壓力等一些參數(shù)測(cè)量?jī)x表信號(hào)接入PLC控制系統(tǒng)，由PLC控制系統(tǒng)統(tǒng)一采集及顯示。

（8）系統(tǒng)改造后，在現(xiàn)場(chǎng)安裝一個(gè)Siemens的KTP700 Basic觸摸屏，通過MPI通信口和PLC控制系統(tǒng)通信，直觀顯示各種工藝參數(shù)和流程，便于操作工掌握整個(gè)流水線的工作情況。

4? ? 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)分為兩部分：PLC編程設(shè)計(jì)及觸摸屏程序設(shè)計(jì)。

觸摸屏程序設(shè)計(jì)采用博圖V14軟件，程序設(shè)計(jì)的主要工作是驅(qū)動(dòng)配置、變量連接及運(yùn)行畫面組態(tài)。

本文主要介紹PLC程序的設(shè)計(jì)。PLC程序采用Siemens MicroWIN V4.0 SP9軟件編程，邏輯控制流程圖如圖3所示。

改造后PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，主要依據(jù)該流水線交工資料中包裝設(shè)備機(jī)電單元的電氣控制原理、接線圖，PLC程序設(shè)計(jì)按照流水線的工藝操作流程以及根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求確定的功能進(jìn)行，新增加了操作防護(hù)、參數(shù)在線設(shè)定等新功能。

將原有設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)DI/DO信號(hào)，作為PLC系統(tǒng)的I/O點(diǎn)，原電氣系統(tǒng)由繼電器、時(shí)間繼電器等硬件完成的控制功能，改造后由PLC替代完成。

進(jìn)箱臂部分主要I/O對(duì)照表如表1所示。

5? ? 包裝設(shè)備舉箱移箱動(dòng)作調(diào)試舉例

（1）根據(jù)舉臂桿機(jī)械限位位置，調(diào)整光電傳感器SQ1和對(duì)稱反射板的安裝距離，使SQ1處于“導(dǎo)通”的工作狀態(tài)時(shí)，調(diào)整到“擋光”位置，PLC系統(tǒng)DI通道HR0003的報(bào)警到位指示燈亮。以同樣的方法調(diào)整好光電開關(guān)SQ2、SQ3、SQ4…SQ10。

（2）根據(jù)落臂桿機(jī)械限位位置，調(diào)整光電傳感器接近開關(guān)JQ0和對(duì)稱反射板的安裝距離，使“夾頭”動(dòng)作在運(yùn)動(dòng)軌跡的最低點(diǎn)時(shí)接近“擋塊”位置，并使PLC系統(tǒng)DI通道HR0012箱復(fù)位指示燈亮。以同樣的方法調(diào)整好接近開關(guān)JQ2、JQ3、JQ4、JQ5。

（3）啤酒罐裝流水線測(cè)速的旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B、Z相，按說明書接線調(diào)試，在Siemens MicroWIN V4.0 SP9編程軟件中對(duì)編碼器的高速計(jì)數(shù)功能進(jìn)行組態(tài)配置，采用Z相加軟件復(fù)位方法。配置好后，按下按鈕5SA后或超速、失速等設(shè)定參數(shù)到限后，傳送帶電機(jī)立即停車，裝箱包裝設(shè)備也應(yīng)立即停止工作。

（4）按動(dòng)設(shè)備上的對(duì)應(yīng)操作按鈕（可通過系統(tǒng)觸摸屏上的軟按鈕實(shí)現(xiàn)同樣功能），可單獨(dú)控制啤酒進(jìn)箱電機(jī)、啤酒出箱電機(jī)、破瓶移位電機(jī)的啟動(dòng)、關(guān)停。設(shè)備停機(jī)后，將按鈕位置打到“關(guān)”。1SA和2SA分別控制“出箱臂”和“瓶定位”，10SA、15SA分別控制“導(dǎo)向”和“變距”。

（5）經(jīng)調(diào)試模擬，設(shè)備動(dòng)作都已正確時(shí)，將“手動(dòng)”擋轉(zhuǎn)為“自動(dòng)”擋，按下“系統(tǒng)運(yùn)行”開關(guān)，即可完成啤酒自動(dòng)裝箱包裝操作。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

該啤酒廠家經(jīng)改造后的啤酒灌裝流水線的裝箱包裝設(shè)備，控制系統(tǒng)整體上的物理接線量大大減少，控制柜體積縮小，自動(dòng)化程度以及設(shè)備運(yùn)行控制的可靠性大大提高，極大地降低了日常儀表、電氣維保人員的工作量。

本文介紹的項(xiàng)目改造案例，對(duì)于行業(yè)內(nèi)類似舊設(shè)備控制系統(tǒng)改造，在設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)可靠性等方面具有普遍性和代表意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Siemens S7-200系統(tǒng)編程手冊(cè)[Z].

收稿日期：2020-03-03

作者簡(jiǎn)介：蔡振宇（1970—），男，遼寧丹東人，工程師，研究方向：自動(dòng)化。