可编程控制器在饮料灌装流水线装箱包装设备改造中的应用

摘要：以一啤酒生产厂家为例，介绍了一种以现用设备原有电气控制线路为基础对其灌装流水线装箱包装设备进行改造的方法，该方法对于行业内类似旧设备控制系统改造，在设計方案、设计可靠性等方面有普遍性和代表意义。

关键词：可编程控制器;电磁阀;电气装置

0    引言

“十一五”期间，我国国民经济保持了持续平稳较快发展，相应地带动了我国饮料行业的快速发展，许多饮料类产品取得了不错的销量。产量的上升促使饮料行业生产厂家高度重视生产设备自动化程度及产出比，也推动了行业的发展。

以饮料行业的啤酒生产企业为例，据国家统计局发布的数据，2018年1月—12月全年中国规模以上啤酒企业（规模以上啤酒企业起点标准为年主营业务收入2 000万元）累计产量3 812.2万kL，同比增长0.5%。其中2018年12月，中国规模以上啤酒企业产量208.9万kL，同比增长2.3%。在这种情况下，啤酒行业在正常生产的前提下，都在各自挖潜，积极进行技术改造，降低企业生产成本，以期在市场竞争的机制下，更有利地占领市场。为适应企业技术发展需求，啤酒企业生产的重要环节灌装流水线中装箱包装设备节点，就在技改方面呈现出了一定的变化趋势。

1    现状及解决方案

啤酒等瓶装饮料生产行业中的大部分厂家，目前灌装流水线中装箱包装节点使用的是连杆装箱包装设备，这种设备一次完整的动作可以同时包装4箱（纸箱、塑料、聚丙烯等各种材质的包装箱）即4×24瓶或者3箱即3×24瓶。作为可连续生产装箱的包装机械设备，在液体灌装流水线中，连杆装箱包装设备主要完成饮料液体瓶装成品的抓起、抬高、装箱、复位等料等工作。该类工作原理的设备具有结构简单、坚固耐用等特点，在液体饮料生产企业的灌装流水线上普遍使用。

在灌装流水线中，装箱包装节点的设备是整个流水线系统运行的核心，装箱包装节点的设备虽不是直接生产啤酒的相关设备，但却是实现生产流程自动化所必需的重要部件。

对于这种设备的电仪的控制，是液体灌装流水线中包装机安全、可靠运行的重要保证。

时下，国内啤酒生产企业灌装流水线中设备的控制单元，基本上采用的是89C系列、ARM单片机CPU构成的控制板及电气元件、电机等组合的控制方式。这种控制方式设计复杂、抗干扰性差且继电器使用数量多，而且液体饮料类产品灌装流水线处于高温、高湿的工作环境，极易造成装箱包装节点故障，容易发生事故。

同时，对于由单片机控制板构成的系统，在日常检修及故障判断、系统元器件检测方面，都需要专门的仪器和具有专业知识的维修人员，这样也增加了企业在人工成本上的支出。

随着现代控制技术的高速发展，PLC控制技术逐渐被应用于生产设备的控制系统中，以取代设备原先使用的控制元器件及线路，这在日常检维修及人员素质的要求上都大大低于原系统，便利性更佳，因而成为连杆装箱包装等设备控制系统发展的必然趋势。

基于上述客观条件和市场需求，为响应啤酒行业用户的要求，我们选择了辽宁华润雪花集团下属一家啤酒生产厂家的灌装流水线中的装箱包装设备进行改造。

2    控制系统结构

该啤酒生产厂家的灌装流水线中连杆装箱包装设备是同类产品的标准设备，具有普遍性和代表性。该设备的控制系统由单片机控制板、电机执行等部分组成，工艺过程如图1所示。

在装箱包装设备控制部分改造分析会上，技术人员充分听取了该厂工艺操作人员、电气维护人员等的意见，实地考察、调研了这类流水线包装设备的工作过程和控制特点。装箱包装设备控制的输入、输出单元，基本上都是数字量信号，DI/DO信号来源为光电型开关、接近开关、电磁阀、步进电机等;设备的生产工艺以连续的流程控制为主。以PLC为主的控制系统，在数字量、逻辑控制及顺序控制方面有着其他控制系统不可比拟的优势，因此，本项目的控制系统采用新的基于PLC控制系统的控制模式设计。

该啤酒生产厂家全厂其他自动化设备基本使用的是德国Siemens（西门子）公司的PLC控制系统，为实现改造后啤酒生产厂家设备备件的统一化及日常维护的联通化，同时，根据采集和控制点数，选用Siemens的S7-200 PLC作为新改造后的系统控制器;根据控制系统的DI/DO规模和通信网络配置，为满足日后升级的需求，选择了CPU 226及模拟量、数字量扩展模块。

控制系统核心CPU数据存储空间为13K字节程序，CPU模块集成了40个DI/DO（24DI/16DO），最多可扩展7个I/O模块（248路数字量或35路模拟量I/O点）。CPU模块集成6路独立的高速计数器，2路独立的高速脉冲输出，通过软件集成的PID指令，可组态8路PID控制器，PID输出可组态AO/DO模式。CPU具有2个物理RS485通信/编程口（PPI通信协议、MPI通信协议和刻编程的自由口方式通信），完全满足于本次改造对控制系统的需求。

3    系统功能设计

（1）该包装设备控制系统的电机可以进行点动、正转和反转，以带动夹瓶装置往复运动装箱。瓶电机和两个箱电机分别用作传输瓶和传输箱;七个电磁阀和与之对应的气缸，分别控制“夹头” “定位器” “出箱臂” “进箱臂” “箱导向”;设“手动”和“自动”操作两个切换开关。

（2）在包装设备的控制前台和设备后部、侧面都加装3只高灵敏度的光电检测传感器，在现场工作人员误入包装机的危险区域时，设备立即紧急停车，保证操作人员的人身安全。

（3）在啤酒罐装流水线的传送带上安装日本欧姆龙公司的专用皮带测速旋转编码器，测量灌装流水线的传送带速度。当PLC系统检测到灌装流水线传送带的电机运行异常时，立即停车，包装设备也停止工作。

（4）PLC系统DI回路中有光电及接近开关等信号输入，DO回路有DC24 V电磁阀等设备，改造后的PLC系统单独配置西门子公司DC20 A输出的STOP电源，为外围的此类传感器、执行元件如各输入、输出元件单独供电，保障了PLC电源系统的稳定性。PLC控制系统原理图如图2所示。

（5）为了使改造后的控制系统安全可靠运行，系统在设计时采取了数种防护措施。在接地方面：强电设备分开接地，接地线的截面积大于2 mm2;PLC输入采用专用的带保险功能的端子接入系统，DO采用继电器隔离，完成执行机构驱动线圈和PLC端子的隔离，消除线圈吸合、断开时的电磁性冲击等对系统产生的干扰。

（6）为了保护操作过程中的人身安全，避免在工作中操作人员发生意外而造成的人身伤害，设计了保护装置。本装置由光电及接近开关等组合构成，组成一个禁区边界范围，在设备使用过程中，操作人员或其他物体一旦进入该禁区或保护门被打开，通过逻辑判断，整条流水线立即停机并报警。

（7）根据生产需要将原灌装流水线上的蒸汽测量温度、压力等一些参数测量仪表信号接入PLC控制系统，由PLC控制系统统一采集及显示。

（8）系统改造后，在现场安装一个Siemens的KTP700 Basic触摸屏，通过MPI通信口和PLC控制系统通信，直观显示各种工艺参数和流程，便于操作工掌握整个流水线的工作情况。

4    控制系统程序设计

系统程序设计分为两部分：PLC编程设计及触摸屏程序设计。

触摸屏程序设计采用博图V14软件，程序设计的主要工作是驱动配置、变量连接及运行画面组态。

本文主要介绍PLC程序的设计。PLC程序采用Siemens MicroWIN V4.0 SP9软件编程，逻辑控制流程图如图3所示。

改造后PLC控制系统的硬件设计基础，主要依据该流水线交工资料中包装设备机电单元的电气控制原理、接线图，PLC程序设计按照流水线的工艺操作流程以及根据生产实际需求确定的功能进行，新增加了操作防护、参数在线设定等新功能。

将原有设备的电气控制系统DI/DO信号，作为PLC系统的I/O点，原电气系统由继电器、时间继电器等硬件完成的控制功能，改造后由PLC替代完成。

进箱臂部分主要I/O对照表如表1所示。

5    包装设备举箱移箱动作调试举例

（1）根据举臂杆机械限位位置，调整光电传感器SQ1和对称反射板的安装距离，使SQ1处于“导通”的工作状态时，调整到“挡光”位置，PLC系统DI通道HR0003的报警到位指示灯亮。以同样的方法调整好光电开关SQ2、SQ3、SQ4…SQ10。

（2）根据落臂杆机械限位位置，调整光电传感器接近开关JQ0和对称反射板的安装距离，使“夹头”动作在运动轨迹的最低点时接近“挡块”位置，并使PLC系统DI通道HR0012箱复位指示灯亮。以同样的方法调整好接近开关JQ2、JQ3、JQ4、JQ5。

（3）啤酒罐装流水线测速的旋转编码器的A、B、Z相，按说明书接线调试，在Siemens MicroWIN V4.0 SP9编程软件中对编码器的高速计数功能进行组态配置，采用Z相加软件复位方法。配置好后，按下按钮5SA后或超速、失速等设定参数到限后，传送带电机立即停车，装箱包装设备也应立即停止工作。

（4）按动设备上的对应操作按钮（可通过系统触摸屏上的软按钮实现同样功能），可单独控制啤酒进箱电机、啤酒出箱电机、破瓶移位电机的启动、关停。设备停机后，将按钮位置打到“关”。1SA和2SA分别控制“出箱臂”和“瓶定位”，10SA、15SA分别控制“导向”和“变距”。

（5）经调试模拟，设备动作都已正确时，将“手动”挡转为“自动”挡，按下“系统运行”开关，即可完成啤酒自动装箱包装操作。

6    结语

该啤酒厂家经改造后的啤酒灌装流水线的装箱包装设备，控制系统整体上的物理接线量大大減少，控制柜体积缩小，自动化程度以及设备运行控制的可靠性大大提高，极大地降低了日常仪表、电气维保人员的工作量。

本文介绍的项目改造案例，对于行业内类似旧设备控制系统改造，在设计方案、设计可靠性等方面具有普遍性和代表意义。

[参考文献]

[1] Siemens S7-200系统编程手册[Z].

收稿日期：2020-03-03

作者简介：蔡振宇（1970—），男，辽宁丹东人，工程师，研究方向：自动化。