食品生产线洗瓶设备控制系统的优化改进设计

 徐敏1，赵林林1，2，姚年春1

1．江苏财经职业技术学院机械电子与信息工程学院（淮安223002）；2．南京林业大学机械电子学院（南京210037）

摘  要  介绍了食品级玻璃瓶清洗设备的工作流程，分析了系统的控制要求，构建了以泓格WinCon-8747可编程自动化控制器为核心的洗瓶控制系统，实现了食品级玻璃瓶进瓶、清洗、吹干与出瓶生产过程的全自动控制。实际运行结果证明，设计的系统具有稳定性强、精度高、易于操作与扩展等特点。

关键词玻璃瓶；清洗设备；自动控制：PAC

  在国家新版食品生产质量管理规范中，对食品的生产工艺流程与食品的质量控制极为严格。许多食品企业为抵御生产风险，保证食品质量，开始对部分生产合格率已位于行业标准下限的食品机械装备进行改造，其中重点之一即为食品级玻璃瓶清洗设备。基于设备的特殊性，洗瓶设备不单要简化其机械结构，压缩生产成本，提升产品升级换代频率，更为重要的是

需要综合采用传感技术、变频调速技术和可编程控制技术等，提高设备的机电一体化程度，保证空瓶的清洗质量，确保满足食品生产质量管理规范。

 为切实提高食品级玻璃瓶的洗净程度、洗瓶效率、智能化程度以及与其它设备的配套性，要求其具有高性能的控制器、完善的人机界面、可升级的系统软件与运动控制单元。目前，大部分设备采用PLC作为核心控制器，它性能稳定、可靠，具有优良的扩展性，但不同品牌的PLC的硬件体系之间互不兼容且需选择相应的控制规程，缺乏PC机的灵活性以及基于PC的高效编程软件。可编程自动化控制器PAC兼具PLC的稳定性与PC机的强大功能，可运用于逻辑控制、运动控制与过程控制等场合，该文提出了一种基于PAC的洗瓶机控制系统的改造方案。

 PAC采用模块化结构，便于控制系统升级，在操作系统下可利用VB.NET、eVC++等软件进行开发且具有支持多种通信协议的能力，通过自身配置的接口能够便利地与其它系统融合。因此，基于PAC的洗瓶机的控制是未来的发展趋势。

1  设备工作流程及控制要求

  玻璃瓶清洗设备主要由进瓶段、清洗段（含吹干）和出瓶段组成，总体结构如图1所示。其中，清洗段包括水槽、循环水泵、喷针与丝网输送带。在清洗段内，采用一超+水气交替喷洗。回收的循环水储存于水槽内，玻璃瓶在水中浸泡并经超声波振动清洗；而后将玻璃瓶以倒立状态送入6个清洗工位，第一、第二工位接循环水冲洗，第三工位进行压缩空气吹洗，第四、第五工位分别接去离子水、注射用水冲洗，第六工位进行压缩空气吹干。36针喷针架每6针接一固定介质，清洗一个工位。其中，第一、第五和第六工位上方有散形喷嘴，可同时对玻璃瓶的外表面进行吹洗与冲干。冲洗后的去离子水及注射用水经过滤后仍可作为循环水使用，有利于减小用水量。在出瓶段设置夹爪机械手的目的是翻转倒立的玻璃瓶，以便进入下一道工序。

 根据上述工作流程，食品级玻璃瓶清洗设备控制系统需实现下列要求：

 1)清洗设备设有自动与手动2种工作方式。自动控制方式应用于设备的启停及清洗期间整机的运行控制；手动控制方式可以满足检修或联合调试运行的需求。

 2)可以通过触摸屏调节主电动机速度，预设水槽温度、超声波发生器的频率。

 3)通过闭环温度控制系统实现加热装置的启停，保证水槽内水温维持在80℃～85℃之间。

 4)实现水位的自动调节，并通过触摸屏实现各清洗介质的压力值（循环水压力≥0.1 M Pa，去离子水、注射用水压力≥0.2 M Pa，压缩空气压力≥0.15 M Pa）的实时监测。

 5)检测超声波强度，确保清洗质量。

 6)将现场监测数据传送至上位计算机，以保证与生产线联机运行时的稳定、可靠。

2控制系统方案设计及硬件配置

2.1系统方案

 为了满足以上控制要求，系统选用了PAC控制器作为控制系统的下位机，控制清洗设备的运行；触摸屏用于选择设备工作模式、设定各项运行参数、显示实时工作状态及故障警示信息；网络连接模块负责与远程服务器联网进行数据传输，建立远程数据库，同时可以在监控上位机上进行数据、图表等的处理与查询。

 现场采集主电动机及网带电动机转速，水槽内水温、水位信号，各清洗介质压力值等参数。①电动机采用变频调速实现转速的控制，变频器调频通过精度更高的数字量频率给定；②通过一个闭环温度控制系统，完成水温检测与加热装置控制；③水槽水位可利用水位传感器自动检测，并控制进、出水电磁阀；④采用卫生型压力变送器检测喷淋水、循环水、去离子水、注射用水和压缩空气等清洗介质的压力值；⑤当与接于超声波发生器电源线上的电流互感器相连接的智能功率表的显示数值小于设定功率（P=标准功率密度×面积，标准功率密度一般为0.3 W／cm2）时，智能功率表报警以提醒工作人员停机。

食品级玻璃瓶清洗设备控制系统架构图如图2所示。

2.2硬件配置

2.2.1主控模块

 综合考虑现场控制要求与远程通讯需要，PAC系统选择具有典型RISC架构，配置有INTEL strongARM 206 MHz处理器，64 M bytes SRAM，32 M bytes闪存，16 K bytes E2PROM的泓格科技Win Con-8747为主模块。Win Con-8747是以W-8x3x系列为基础发展而来的，同样有1个VGA口、1个RS-232( COM2 9针D-Sub)接口和1个RS-485(COM3 2-wire TerminalBlock)接口，但增加了1个USB端口和1个10/100 M以太网接口，即具有2个USBl.1和2个RJ45端口，提供了冗余功能。此外，具备有能插入1个typeⅡ型CF卡的扩充插槽以及7个I/O扩充插槽。控制系统即使用Win Con-8747提供的多种接口，便利地与分布式I/O模块、触摸屏、无线网卡和变频器相连。

2.2.2  分布式I/O模块

 1) AI模组：控制系统需要采集转速、水位和压力等8个传感器信号，选用1块8通道模拟量隔离输入模块I-87017H，每个通道均可以接受标准电压或电流信号。

 2) AI模组：对于控制系统中用来测量水槽内水温的Pt 100铂热电阻，选择4通道热电阻输入模块I-87013W采集温度传感器的输出信号并进行A/D转换。

 3) DI/O模组：选用4通道数字输入／4通道数字输出光电隔离模块I-8063，用于采集现场接通、急停等开关量输入信号。

 4) DO模组：控制系统输出的继电器信号包括电加热装置、循环水泵、报警器及设备指示灯的驱动信号，选用8通道功率继电器输出模块I-8064W。

 5) AO模组：4通道模拟量隔离输出模块I-8024W控制进、出水电磁阀的开度。

2.2.3触摸屏模块

 触摸屏性价比高，能与具有串口、并口和USB口等通讯接口的控制器相连接，适合几乎所有的工业自动化场合。系统现场触摸屏选择WEINVIEW 7英寸65536色TFT LCD显示器MT6070iH2，通过USBl.1接口与主控模块直接相连，其具有400 MHz CPU，128 MB内存，可进行数据输入、信息显示且具有良好的可交互性。

2.2.4工业无线网卡

 Wincon-8747控制器可通过自身配置的多端口，选择匹配的网络接人方式。系统选用STG-8600 DTU通过一路标准的RS232通信接口，完成快速无线联网，实现与上位计算机之间高效、稳定的数据通信。

2.2.5变频调速系统设计

 变频调速技术调速范围宽、效率高且具有变速平稳、冲击电流小的特点，应用于系统中，既确保了玻璃瓶清洗设备的运行安全，也延长了其机械部分的使用寿命。

 系统选用励磁效果好、驱动能力强的三菱FR-F700变频器，配合制动电阻，设定三档速度的频率，控制电动机带动主链条平稳变速。FR-F700变频器利用其内置的RS485通信接口与控制器通信，抗扰能力强，传输距离远、速度快，整体控制电路结构简单，工作稳定、可靠。FR-F700变频器多段速度选择波形如图3所示。

3控制系统软件设计

  玻璃瓶清洗设备的控制系统软件设计主要包括两个方面：上位机软件和下位机软件。

3.1上位机软件

  上位机软件由C++语言开发，创建设备控制系统数据库，并可以利用图、表等多种形式调用和导出运行参数；同时，通过控件完成与数据库的连接，可对设备进行管理。上位机软件流程如图4所示。

3.2下位机软件

 下位机软件采用预装的罗克韦尔公司的ISaGRAF自动化软件开发，程序设计由梯形图完成，在WinCE.net 4.1系统下，实现主控模块的驱动以及现场运行参数的采集，并根据软件算法对实时运行状态进行判断并自动完成输出控制。若长期发生水温、水位、压力超限等异常状态，能够发出警报以及进行界面显示。下位机控制系统主程序流程图如图5所示。

4结语

 应用高精密Wincon-8747可编程自动化控制器改造后的食品级玻璃瓶清洗设备的启动和运行稳定，管理能力强，开发周期短，调整操作方便，可以满足控制系统的需求，生产效率得到了显著提高，具有较好的实用性与广阔的市场发展前景。