PLC在啤酒包装自动化控制方面的应用

PLC在啤酒包装自动化控制方面的应用

摘要：随着啤酒行业的飞速发展，啤酒的销量也越来越大，啤酒包装自动化生产线是啤酒行业中不可或缺的生产设备，对其在装酒过程中啤酒瓶位置的控制、灌装压力的控制、速度的控制以及出厂前对酒的装箱计数和定时的控制。本文将可编程程序控制器（PLC）用于啤酒灌装生产中，解决了压力、位置、速度、计数等多参数输入、输出问题的控制。

关键词：PLC，包装自动化，啤酒生产，自动控制

随着包装市场的需求，啤酒、饮料等液体食品的加工和制造设备正朝着高速、稳定和智能化的方向去发展。食品包装技术在很大程度上得到了改进，使自动化包装机设备的需求越来越大。啤酒包装是啤酒生产过程中重要的一环，随着啤酒行业的飞速发展，啤酒包装越来越受到人们的重视。拥有一套技术先进、设计合理的包装生产线，既可以生产出优质的产品还可以降低成本，提高啤酒行业的经济效益。本系统采用可编程控制器，专门为工业环境二设计的一种数字运算电子系统，它可以采用可编程的存储器、用来存储执行的逻辑运算、算术运算、定时、计数等。通过模拟量和数字量的输入与输出，从而控制啤酒包装自动化的生产。下面就从几个主要的方面来介绍啤酒包装生产线的设计。

1 啤酒包装车间的组成

自动包装生产线是按照产品包装工艺过程，由多台自动机、中间传送储存装置、检测与控制装等联接起来而形成的包装生产系统[1]。在啤酒行业中，啤酒包装线的主要组成设备有卸箱机、洗瓶机、验瓶机、灌装压盖机、贴标机、装箱机等。对于设计一套高效的啤酒包装系统，了解啤酒包装车间的流程尤为重要。啤酒包装机械是啤酒工厂的重要设备，它也是啤酒酿造之后，准备出厂的最后工序。因此，它的好坏直接关系到啤酒的质量和啤酒的外观，甚至会关心到一个企业在市场上的竞争力，一个完整的啤酒包装车间工作流程由图1所示。

图1 啤酒包装车间工作流程

2 控制系统的结构及其工作原理

1.1 整体的控制系统

本文所设计的控制系统对位置的控制是指对储酒仓中啤酒位置和在线酒瓶中啤酒位置的实时控制；对压力的控制是指对灌装系统中保护气体CO2的压力控制；对于速度的调节是指对装酒的速度和空瓶、满瓶传输带上速度的调节；对啤酒装箱瓶数和流水线暂停时间的控制；对空瓶、满瓶到位，打开或关闭装酒阀门的实时检测与控制。控制系统的结构框图如图2所示。

图2 多参数啤酒灌装系统结构框图

1.2 控制系统的工作原理

本文所设计的系统是一个多输入、多输出的主从式拖动控制系统，整个生产线的控制由OMRON C200H完成，其局部的控制采用E40B控制器。对系统压力检测采用恒压力闭环控制，其目的是对空瓶质量检验和除去空瓶中的空气。由于系统传送带为分段式结构，为了防止局部过快或过慢都会导致酒瓶堆堵或断续，因此对于整个系统来说，调节传送带的速度就显得非常重要了。

在该系统中，M为主电机，M1~M26为传送带拖动电机，整个系统的速度都以M的转速为基准。当发生异常现象时，则要求M匀减速至停车，反之作匀加速直至设定的速度。

2 系统中的关键技术

2.1 酒瓶中啤酒位置的控制

当系统的装酒泵打开时，设装酒泵的流量为q(L/s)，则t时间内装酒量为Q=qt[2]。当酒瓶的大小一定时，酒瓶中酒的高度h应与Q成函数关系，即h=f(Q)。因此，在装酒的时间相等的情况下，只要控制装酒泵中的流量恒定，就能够在装酒时确保酒的高度相等且为定值。装酒泵的出口压力H与出口流量有着一一对应的关系，且满足H-Q特性[3]。因此，只要保证装酒泵出口压力恒定就能够保证出酒流量的恒定，从而确定了啤酒瓶中啤酒的位置，其原理框图如图3所示。

图3 恒压力控制系统原理框图

在此设计中，利用压力传感器代替了流量传感器，间接解决了在线检测酒瓶中啤酒位置的难题，本系统不仅简化了设计方案，降低了生产成本还提高了系统的控制精度。

2.2 速度调节技术

在本系统的速度调节控制中，采用了目前流行的变频技术，用稳定性更强的交流电机代替了原生产线上的直流电机，通过改变变频器的控制信号来实现整个生产线上速度的调节和速度的设定。其控制系统框图如图4所示，其控制系统的速度调节规律如图5所示。

图4 速度调节系统框图

    在本系统中，当PLC接到堵塞或者异常信号时，则会发出一个开关信号K，将减速信号S接入调速回路，S信号能够在规定的时间内均匀地从0增加到速度设定值SP，其速度增加的斜率将是生产线遭遇故障减速停车的斜率；反之，当K断开时，生产线将在SP的作用下使传送带匀加速上升直至所设定的速度。

在电机的PID控制方面，采用Honeywell公司的E40B控制器，将输入的信号U全部传送到M1~M26的控制回路中，将其设为电机转速的设定值，在这种情况下实现了整个生产线的同步协调控制。

2.3 包装计数定时的控制

PTC8253需要完成两个功能：一是对啤酒瓶进行计数；二是传送带暂停3秒钟，需要定时器工作。在啤酒瓶检测部分，当啤酒瓶从光源和光敏电阻之间通过时，会使晶体管T导通，这样会在发射极上产生一个脉冲信号，将此脉冲作为啤酒瓶的计数脉冲，PTC8253上的CLK0引脚对啤酒瓶进行计数。在3秒定时部分，通道1作为定时器，工作在方式1，CLK1产生100Hz的时钟脉冲。PTC8253的输出端OUT1送到流水线的工作台，进行3秒钟的定时。当时间到后，重启传送带，继续工作，通道0就开始工作。通道0与通道1相互配合，来完成啤酒的装箱。

2.4 异常情况控制

在啤酒自动包装系统中，杀菌机的作业非常重要，但是由于设备故障或者其它原因，可不可避免会造成杀菌机停车，这样会使啤酒在杀菌机内停留的时间过长，造成PU值过高，加快了啤酒的氧化，因此在杀菌机故障停车后，需要采取一些措施。

在杀菌机和贴标机之间建立一个存储的平台，当设备出现故障时，啤酒进入平台进行暂时的存储，待仪器故障被排除后重新进入链板。

当杀菌机故障停车时，首先将关闭杀菌机的喷头和蒸汽阀门，以防水温升高。在故障排除后，需要重新启动仪器等待水温重新达到工艺要求之后才能重新开启杀菌机。

3 结论

在啤酒瓶中啤酒高度的检测设计中，将酒位检测控制变为恒压力检测，不仅简化了控制方案而且还节省了成本。

采用PID控制算法，能够实现对装酒速度的调节与设定，同时能够对整个生产线进行匀加速、匀减速或恒速的控制。

将PTC8253做计数器使用，同时又做定时器使用，将两者结合起来，用啤酒瓶计数结束的信号去启动定时器，定时器的结束信号又作为计数器开始的信号，两者相互作用充分发挥了可编程通用的定时、计数的功能。

PLC技术运用到啤酒的自动包装设计中，在很大程度上提高了啤酒生产的自动化水平，为提高我国的啤酒生产水平打下坚实的基础。