PLC在啤酒包裝自動化控制方面的應用
PLC在啤酒包裝自動化控制方面的應用
摘要：隨著啤酒行業的飛速發展，啤酒的銷量也越來越大，啤酒包裝自動化生產線是啤酒行業中不可或缺的生產設備，對其在裝酒過程中啤酒瓶位置的控制、灌裝壓力的控制、速度的控制以及出廠前對酒的裝箱計數和定時的控制。本文將可編程程序控制器（PLC）用于啤酒灌裝生產中，解決了壓力、位置、速度、計數等多參數輸入、輸出問題的控制。
關鍵詞：PLC，包裝自動化，啤酒生產，自動控制
隨著包裝市場的需求，啤酒、飲料等液體食品的加工和制造設備正朝著高速、穩定和智能化的方向去發展。食品包裝技術在很大程度上得到了改進，使自動化包裝機設備的需求越來越大。啤酒包裝是啤酒生產過程中重要的一環，隨著啤酒行業的飛速發展，啤酒包裝越來越受到人們的重視。擁有一套技術先進、設計合理的包裝生產線，既可以生產出優質的產品還可以降低成本，提高啤酒行業的經濟效益。本系統采用可編程控制器，專門為工業環境二設計的一種數字運算電子系統，它可以采用可編程的存儲器、用來存儲執行的邏輯運算、算術運算、定時、計數等。通過模擬量和數字量的輸入與輸出，從而控制啤酒包裝自動化的生產。下面就從幾個主要的方面來介紹啤酒包裝生產線的設計。
1 啤酒包裝車間的組成
自動包裝生產線是按照產品包裝工藝過程，由多臺自動機、中間傳送儲存裝置、檢測與控制裝等聯接起來而形成的包裝生產系統[1]。在啤酒行業中，啤酒包裝線的主要組成設備有卸箱機、洗瓶機、驗瓶機、灌裝壓蓋機、貼標機、裝箱機等。對于設計一套高效的啤酒包裝系統，了解啤酒包裝車間的流程尤為重要。啤酒包裝機械是啤酒工廠的重要設備，它也是啤酒釀造之后，準備出廠的最后工序。因此，它的好壞直接關系到啤酒的質量和啤酒的外觀，甚至會關心到一個企業在市場上的競爭力，一個完整的啤酒包裝車間工作流程由圖1所示。
圖1 啤酒包裝車間工作流程
2 控制系統的結構及其工作原理
1.1 整體的控制系統
本文所設計的控制系統對位置的控制是指對儲酒倉中啤酒位置和在線酒瓶中啤酒位置的實時控制；對壓力的控制是指對灌裝系統中保護氣體CO2的壓力控制；對于速度的調節是指對裝酒的速度和空瓶、滿瓶傳輸帶上速度的調節；對啤酒裝箱瓶數和流水線暫停時間的控制；對空瓶、滿瓶到位，打開或關閉裝酒閥門的實時檢測與控制?？刂葡到y的結構框圖如圖2所示。
圖2 多參數啤酒灌裝系統結構框圖
1.2 控制系統的工作原理
本文所設計的系統是一個多輸入、多輸出的主從式拖動控制系統，整個生產線的控制由OMRON C200H完成，其局部的控制采用E40B控制器。對系統壓力檢測采用恒壓力閉環控制，其目的是對空瓶質量檢驗和除去空瓶中的空氣。由于系統傳送帶為分段式結構，為了防止局部過快或過慢都會導致酒瓶堆堵或斷續，因此對于整個系統來說，調節傳送帶的速度就顯得非常重要了。
在該系統中，M為主電機，M1~M26為傳送帶拖動電機，整個系統的速度都以M的轉速為基準。當發生異?，F象時，則要求M勻減速至停車，反之作勻加速直至設定的速度。
2 系統中的關鍵技術
2.1 酒瓶中啤酒位置的控制
當系統的裝酒泵打開時，設裝酒泵的流量為q(L/s)，則t時間內裝酒量為Q=qt[2]。當酒瓶的大小一定時，酒瓶中酒的高度h應與Q成函數關系，即h=f(Q)。因此，在裝酒的時間相等的情況下，只要控制裝酒泵中的流量恒定，就能夠在裝酒時確保酒的高度相等且為定值。裝酒泵的出口壓力H與出口流量有著一一對應的關系，且滿足H-Q特性[3]。因此，只要保證裝酒泵出口壓力恒定就能夠保證出酒流量的恒定，從而確定了啤酒瓶中啤酒的位置，其原理框圖如圖3所示。
圖3 恒壓力控制系統原理框圖
在此設計中，利用壓力傳感器代替了流量傳感器，間接解決了在線檢測酒瓶中啤酒位置的難題，本系統不僅簡化了設計方案，降低了生產成本還提高了系統的控制精度。
2.2 速度調節技術
在本系統的速度調節控制中，采用了目前流行的變頻技術，用穩定性更強的交流電機代替了原生產線上的直流電機，通過改變變頻器的控制信號來實現整個生產線上速度的調節和速度的設定。其控制系統框圖如圖4所示，其控制系統的速度調節規律如圖5所示。
圖4 速度調節系統框圖
在本系統中，當PLC接到堵塞或者異常信號時，則會發出一個開關信號K，將減速信號S接入調速回路，S信號能夠在規定的時間內均勻地從0增加到速度設定值SP，其速度增加的斜率將是生產線遭遇故障減速停車的斜率；反之，當K斷開時，生產線將在SP的作用下使傳送帶勻加速上升直至所設定的速度。
在電機的PID控制方面，采用Honeywell公司的E40B控制器，將輸入的信號U全部傳送到M1~M26的控制回路中，將其設為電機轉速的設定值，在這種情況下實現了整個生產線的同步協調控制。
2.3 包裝計數定時的控制
PTC8253需要完成兩個功能：一是對啤酒瓶進行計數；二是傳送帶暫停3秒鐘，需要定時器工作。在啤酒瓶檢測部分，當啤酒瓶從光源和光敏電阻之間通過時，會使晶體管T導通，這樣會在發射極上產生一個脈沖信號，將此脈沖作為啤酒瓶的計數脈沖，PTC8253上的CLK0引腳對啤酒瓶進行計數。在3秒定時部分，通道1作為定時器，工作在方式1，CLK1產生100Hz的時鐘脈沖。PTC8253的輸出端OUT1送到流水線的工作臺，進行3秒鐘的定時。當時間到后，重啟傳送帶，繼續工作，通道0就開始工作。通道0與通道1相互配合，來完成啤酒的裝箱。
2.4 異常情況控制
在啤酒自動包裝系統中，殺菌機的作業非常重要，但是由于設備故障或者其它原因，可不可避免會造成殺菌機停車，這樣會使啤酒在殺菌機內停留的時間過長，造成PU值過高，加快了啤酒的氧化，因此在殺菌機故障停車后，需要采取一些措施。
在殺菌機和貼標機之間建立一個存儲的平臺，當設備出現故障時，啤酒進入平臺進行暫時的存儲，待儀器故障被排除后重新進入鏈板。
當殺菌機故障停車時，首先將關閉殺菌機的噴頭和蒸汽閥門，以防水溫升高。在故障排除后，需要重新啟動儀器等待水溫重新達到工藝要求之后才能重新開啟殺菌機。
3 結論
在啤酒瓶中啤酒高度的檢測設計中，將酒位檢測控制變為恒壓力檢測，不僅簡化了控制方案而且還節省了成本。
采用PID控制算法，能夠實現對裝酒速度的調節與設定，同時能夠對整個生產線進行勻加速、勻減速或恒速的控制。
將PTC8253做計數器使用，同時又做定時器使用，將兩者結合起來，用啤酒瓶計數結束的信號去啟動定時器，定時器的結束信號又作為計數器開始的信號，兩者相互作用充分發揮了可編程通用的定時、計數的功能。
PLC技術運用到啤酒的自動包裝設計中，在很大程度上提高了啤酒生產的自動化水平，為提高我國的啤酒生產水平打下堅實的基礎。
