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磁翻板液位計通訊控制技術在啤酒飲料包裝設備上的應用

        磁翻板液位計通訊控制技術在啤酒飲料工業包裝設備的自動化控制中已經開始推廣,并逐步普及到各個工序的機器系統中,與21世紀初期國內工業設備傳統使用的硬線連接相比,其優越性和先進性不言而喻。眾多品牌的磁翻板液位計制造商,均支持多元化的通訊方式和開放式的通訊協議,并在編程庫中加入標準通訊塊,為自動化工程人員在開發應用時提供了極大的便利。本文就國產易拉罐啤酒高速灌裝機磁翻板液位計自動化控制系統的集成和通訊連接展開敘述,并探索啤酒飲料行業包裝設備的自動化控制遠景,融入到歐美工業自動化控制的先進技術潮流中。

 
1、國內易拉罐灌裝機的現狀概述
        灌裝封蓋機由灌裝機和封蓋機組成,在2010年之前,國內產能超過600罐/min的啤酒、飲料生產線,設備幾乎全被KHS、Krones、Sidel等歐洲企業所壟斷。經過一段長時間的學習和摸索,國內設備制造商紛紛推出了高速易拉罐灌裝機,如樂惠、華創、新美星等等,廣東輕工機械二廠智能設備有限公司(以下簡稱廣二輕)更是推出1200罐/min和1500罐/min的代表性產品,填補了國內設備制造在此領域的空白,這些產品已經在燕京啤酒、青島啤酒的易拉罐灌裝生產線上使用,并創
造了巨大的經濟利益。
 
         由于國內原材質和模具鑄造能力落后于先進國家,目前600罐/min以上的易拉罐灌裝機,基本上都選配了先進國家的更優質、穩定的封蓋機(比如瑞士Ferrum或者美國Angelus),匹配組成一臺完整的易拉罐灌裝封蓋機。灌裝機主要精密部件比如密封件、液位探針等,在短期內我國無法達到發達國家水平,目前只能選用國外進口產品。一些優秀的國產產品逐漸開始在灌裝機上嘗試使用,如一些用戶的進口灌裝機在更換配件時,就開始使用國產件,這對國內生產制造力既是一種機遇,也是一種挑戰和競爭,在這個過程中,提高產品質量和性能,降低成本,這是工業發展的良性效應。
 
2國內易拉罐灌裝機的功能介紹
         目前國際先進設備制造商的產能在1200罐/min的易拉罐灌裝機,大都采用機械閥灌裝,即和瓶裝灌裝機原理一樣,都是基于等壓灌裝。產能在1200罐/min以上的,則采用電子閥灌裝,比如定量灌裝、流量計灌裝等高精度、高效率的灌裝方式。機械閥灌裝機結構和程序比較簡單,本文主要講述電子閥定量灌裝機。
 
以廣二輕自主研發制造的高速易拉罐灌裝機為例,空罐經過單鏈道輸送到達灌裝機,通過進罐蝸桿導入到進罐星輪后,按照對中、CO2沖洗、CO2備壓、料液灌裝、卸壓的順序完成灌裝步驟,再通過單鏈道進入封蓋機。其中,料液灌裝步驟采用的是位置、時間、定量控制,其余步驟采用的是位置、時間控制。定量灌裝控制的灌裝機具有以下特點:
(1)采用高精度外置式電子灌裝閥和定量灌裝方式,液位精度達1mm。
(2)灌裝過程參數以配方的方式給定參數后,在人機界面下載即可實現不同需求。
(3)適用于啤酒、可樂的冷灌裝,也適用于果汁飲料、茶飲料等的熱灌裝。
(4)整機采用潔凈型開放式結構設計,CIP清洗的裝杯和取杯全自動控制。
(5)處理不同高度的易拉罐時,灌裝缸和控制環的高度通過單獨的電機驅動調節,高度可通過人機界面自動調整,實現同步升降。
(6)機器的所有潤滑采用集中控制。
 
3電子閥易拉罐灌裝機的自動化控制
         電子閥定量灌裝的整機控制系統顯得尤為復雜,磁翻板液位計和各子站之間多種通訊方式的運用是zui為明顯的特點。
 
電氣自動化技術的飛速發展,已經在很多制造行業中充分體現,通訊方式的多元化是zui為閃耀的技術分支,以Profinet和Canopen為例,本文將以闡述這兩種通訊技術在國產高速易拉罐灌裝機的使用。
 
Profinet是新一代基于工業以太網技術的工業自動化通信標準[1],其解決方案包含了諸如實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全及網絡安全等當前自動化領域,Profinet技術的出現將為工業自動化領域提供一種全新的通信解決方案,即整個工廠全部使用一個網絡連接在一起[2]。Profinet基于以太網,是完全開放的通訊協議,完全兼容工業以太網和現有的現場總線技術[3]。近年西門子推出的S7-300系列314以上的磁翻板液位計已經開始自帶Profinet接口,zui近推出的S7-1200、S7-1500系列磁翻板液位計,通訊接口均升級換代為Profinet。
 
Canopen是一種架構在控制局域網路(ControllerAreaNetwork,CAN)上的高層通信協議,包括通信子協議及設備子協議,常在嵌入式系統中使用[4],也是工業控制常用到的一種現場總線。Canopen支援網絡管理、設備監控及節點間的通訊,其中包括一個簡易的傳輸層,可處理資料的分段傳送及其組合。Canopen協議屬于“主—從站協議”,一個Canopen網絡中有一個主站和若干個從站。每一個從站點都有一個ID號,一個數據字典和四種工作狀態[5]。Canopen協議將CAN總線協議的通信幀進行了進一步的封裝和分類,以滿足更高層次通信的需要[6]。
 
電子閥定量灌裝的易拉罐灌裝機電氣控制系統中,用于灌裝過程控制的閥島,就是通過Canopen的通訊方式和貝加萊的磁翻板液位計進行通訊,這種方式就是Canopen典型應用的縮影。
 
就廣二輕自主開發設計并且在用戶工廠(燕京啤酒)生產使用的時速72000罐/h的機器YDL108為例,全面分析其自動化控制系統。
 
在硬件方面,灌裝機主電柜的磁翻板液位計使用西門子317-2PN/DP和CP343-1通訊模塊及TP1500的人機界面;灌裝機遠程IO柜使用西門子ET200SP從站;灌裝系統磁翻板液位計使用貝加萊CP3585和PowerLink及Canopen模塊;灌裝執行系統采用Festo閥島PN通訊的VTUG系列。
 
在軟件方面,西門子磁翻板液位計編程使用Step7V5.5SP4編程平臺,HMI使用西門子博圖V15.1編程平臺;貝加萊磁翻板液位計編程平臺使用AutomationStudioV3.0.90A。本機器的主體電路安裝在主電柜中,包含了空氣開關、動力回路、變頻器、安全繼電器、磁翻板液位計等等。遠程IO柜主要用于機器機身和管陣周圍的一些檢測及閥門控制,這些元件不再單獨放線連接到主電柜,節省了繁瑣的硬線連接,同時也方便維護和檢修。
 
在這個系統中,作為機器zui重要的核心控制單元,西門子CPU317-2DP/PN創建了一條主流的Profinet通訊網絡,用于連接變頻器、遠程從站、子站磁翻板液位計;還有一條備用的ProfiBusDP網絡通訊資源。擴展槽中的CP343-1模塊,將用于和上下游設備建立通訊,實現生產線的智能運行。圖1為磁翻板液位計硬件組態。
 
CPU自帶的PN通訊口創建一條Profinet通訊網絡之后,遠程IO從站、人機界面、變頻器、貝加萊磁翻板液位計等設備的PN通訊口,通過工業交換機連接到此Profinet網絡[7]。然后在Step7編程軟件中,加載不同設備的GSD或者EDS文件后,通過硬件組態在線識別到各設備weiyi的Mac地址,對其分配不同的IP地址和設備名稱[8],下載后,各設備就有了weiyi的寫入和訪問地址,在網絡上清晰可見。網絡視圖如圖2所示。
 
灌裝機配套了美國Angelus的封蓋機,考慮到機器運行和調試的獨立性,選擇的封蓋機自帶電控柜控制,然后在灌裝機和封蓋機彼此電控柜的磁翻板液位計中通過profinet建立S7通訊,實現了機器的實時數據交互,硬件組態的網絡視圖如圖3。
S7 網絡連接
建立連接之后,在Step7軟件程序塊中調用系統標準通訊塊FB14,FB15進行讀寫編程。
 
灌裝機高速運行時,生產效率和機器的穩定性極其重要,本系統使用了計算機能力超群的貝加萊磁翻板液位計,專門用于108個工位的連續動作處理。貝加萊CPU為CP3585,擴展槽安裝Profnet通訊模塊X20IF10E-1,作為子站集成在西門子磁翻板液位計的Profnet網絡下,并且定義通訊長度,進行數據讀寫。
 
結合機械設計結構,機器上面的108個工位所有動作的執行機構由12個Festo的閥島組成,閥島安裝在機器的酒缸上方,這就決定了貝加萊磁翻板液位計只能以通訊的方式去控制閥島。經過多次討論和比較,選用了108個工位Canopen通訊協議的液位傳感器和帶Canopen通訊協議的閥島。貝加萊磁翻板液位計通過自帶的PowerLink接口,加裝兩塊PowerLink通訊單元X20BC1083,每個通訊單元再擴展兩個Canopen通訊模塊X20IF1041-1,用來連接108個液位傳感器和12個閥島及4個酒缸液位,貝加萊Canopen網絡下連接的液位傳感器和閥島拓撲圖如圖4。
 
在接線過程中,一些細節問題有時候會導致通訊異常和運行中斷,比如每路通訊的zui后一個站的通訊接頭的針腳需要加終端電阻,西門子主磁翻板液位計的CPU組態中分配給通訊的掃描周期附在的比例15%為zui佳給定值等等。
 
在貝加萊磁翻板液位計的編程平臺中,和西門子磁翻板液位計的系統集成數據交換定義如圖5。
 
建立通訊連接之后,根據DI模塊的輸入點信號(機器脈沖、有罐檢測、同步脈沖)來編寫108個工位的邏輯和數組運算,實現過程中的連續控制。
 
至此,高速易拉罐灌裝機已經具備運行生產能力。隨著工廠的智能化水平的不斷提升,上下游機器之間以及整線的數據采集,都要求使用通訊的方式,本機器和輸送帶之間就采用了TCP連接,網絡視圖如圖6。
 
建立連接之后,在Step7軟件中程序塊中調用系統標準通訊塊FC6,FC5進行讀寫編程。
 
4技術總結和前景展望
以上所述為本機器的電氣控制系統,經過多次反復測試驗證,現已成功在用戶工廠投產,工作穩定,控制效果精確,灌裝液位精度、灌裝增氧量等技術指標處于國內領先水平,經過磨合后,各方面的性能將達到國外KHS、Krones、Sidel等同一水平。
 
本系統的程序編寫簡潔而又有效,即使是初步涉足工控的調試人員,也能掌握并做一些生產工藝的修改程序。整個電氣控制系統在行業內頗受好評。
 
自動化產品的升級日新月異,本機器的自動化系統產品和編程軟件在短期內雖不會淘汰,但是現在設計的新機臺已經逐步升級,如Angelus封蓋機和廣二輕灌裝機之間的動力連接方式將改為獨立伺服控制,西門子300系列已經改為編程軟件基于博圖V15的1500系列,一些遠程IO從站采用無線發送與接收方式。
 
中國正處于飛速發展的新時期,工業發展更是鮮明的旗幟,工業自動化程度的提升,無疑是一個國家生產力提升的標志。國內高速易拉罐灌裝機制造商,結合當前社會生產力的進步,將不斷優化設計,大膽創新,敢于嘗試,在這個領域勢必會設計制造出優良產品,打破國外產品在這個領域的壟斷。新時期賦予工控人的使命,以及工控人自身價值觀的所向,都推動著我們不斷努力創新,向更高層次的自動化程度奮進。
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