隨著食品市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大和各地食品貿(mào)易往來(lái)的深入發(fā)展, 食品包裝作為食品工業(yè)生產(chǎn)中的一部分起到越來(lái)越重要的作用, 而食品包裝機(jī)械制造發(fā)展的目的就是為了更方便、高效地進(jìn)行食品包裝處理[1]。罐裝飲品是指用對(duì)人體無(wú)毒的塑料或金屬制品為容器, 加入可飲用的液體食品, 可隨時(shí)為人體補(bǔ)充水分, 方便攜帶, 目前我國(guó)罐裝飲品種類繁多, 包括果汁類、茶類和奶制品類等[2,3]。消費(fèi)者對(duì)罐裝飲品的需求刺激其產(chǎn)業(yè)的繁榮, 但也對(duì)罐裝飲料生產(chǎn)提出新的要求, 包括食品安全性、包裝美觀性、生產(chǎn)精確性及經(jīng)濟(jì)性等方面, 因此研制更高效、精確、智能的機(jī)械控制方式是目前亟需解決的課題[4]。
美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家包裝工業(yè)伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展, 已形成較為完善的機(jī)電一體化控制運(yùn)行體系, 尤其是微電子技術(shù)和模塊化技術(shù)的成熟運(yùn)用, 直接決定著未來(lái)食品包裝機(jī)械的發(fā)展方向[5]。我國(guó)制造工業(yè)發(fā)展起步較晚, 許多企業(yè)選擇從國(guó)外引進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備, 再根據(jù)自身特點(diǎn)進(jìn)行改良, 形成我國(guó)特有的食品包裝工業(yè)[6]。其中液體罐裝產(chǎn)品根據(jù)生產(chǎn)要求如是否含有氣體、溫度、材質(zhì)等分為不同生產(chǎn)線, 而液體灌裝機(jī)作為生產(chǎn)線上重要一環(huán), 其自動(dòng)化程度、速度、效率、穩(wěn)定性在很大程度上決定了液體灌裝設(shè)備的好壞[7,8]。試驗(yàn)以旋轉(zhuǎn)型灌裝一體機(jī)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象, 對(duì)提高其灌裝速度、精度和穩(wěn)定性進(jìn)行研究。
1 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介
可編程控制器 (Programmable Logic Controller, PLC) 是通過(guò)可編程存儲(chǔ)設(shè)備在存儲(chǔ)過(guò)程中執(zhí)行運(yùn)算、計(jì)數(shù)、順序控制等指令, 并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)控制機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的一類電子系統(tǒng), 具有操作簡(jiǎn)易、共用性好、功能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)[9,10]。旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)是指對(duì)液體食品采用回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成連續(xù)灌注的運(yùn)行方式, 灌注完成后封蓋操作的生產(chǎn)設(shè)備, 由PLC進(jìn)行系統(tǒng)控制, 以在生產(chǎn)過(guò)程中要求達(dá)到高效、穩(wěn)定、精確的目的。常見(jiàn)旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)包括四大部份: (1) 洗瓶裝置, 對(duì)使用過(guò)的瓶子進(jìn)行清洗, 把瓶傳動(dòng)至洗瓶裝置處, 利用噴水裝置、上轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)清洗, 洗瓶夾將清洗過(guò)的瓶翻轉(zhuǎn)瀝干, 洗瓶需要兩道水, 分別走不同管道, 第一道水直接排出, 第二道水回收利用, 作為下次清洗的第一道水; (2) 灌裝裝置, 將干凈瓶固定, 做圓周運(yùn)動(dòng)并沿軌道進(jìn)行灌裝, 灌裝完成后繼續(xù)沿軌道逐漸脫離灌裝閥; (3) 封蓋裝置, 旋蓋機(jī)固定瓶身, 分蓋器將蓋子帶至相應(yīng)位置, 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)移動(dòng)與瓶身契合壓緊; (4) 傳動(dòng)裝置, 連接旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)不同部分且液體運(yùn)輸原料的裝置。液體產(chǎn)品罐裝過(guò)程的主要步驟包括瓶身的傳遞和瓶身、瓶蓋的契合安裝兩部分, 工藝流程為:
針對(duì)以上工藝流程, 常見(jiàn)旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)包含的操作單元有: (1) 輸入元件, 輸入指令控制旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)的運(yùn)行, 同時(shí)啟用傳感設(shè)備監(jiān)測(cè)運(yùn)行過(guò)程是否正常。 (2) 控制中心, 采用PLC系統(tǒng)處理所有輸入/輸出信號(hào)、開(kāi)關(guān)量、模擬量、伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī), 保證信號(hào)傳遞及運(yùn)行過(guò)程控制準(zhǔn)確。 (3) 執(zhí)行元件, 執(zhí)行PLC系統(tǒng)要求, 完成吸液、灌液和控制泵向等工作。 (4) 電動(dòng)機(jī), 包括主機(jī)和輔助機(jī), 控制不同電動(dòng)系統(tǒng)。 (5) 操作系統(tǒng), 采用人機(jī)界面 (Human Machine Interface) 作為操作顯示、控制界面, 方便操作人員隨時(shí)了解PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。
1.2 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制系統(tǒng)要素
旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)可采用一個(gè)伺服泵控制雙罐裝頭輪流工作的方式進(jìn)行罐裝, 有利于提高灌裝速度。罐裝頭上有28個(gè)工位, 其中1號(hào)工位為復(fù)位傳感器, 2號(hào)為計(jì)數(shù)器, 3號(hào)為瓶檢測(cè)傳感器, 4號(hào)為灌滿工位傳感器, 5~28號(hào)為伺服泵檢測(cè)傳感器。1號(hào)工位為灌裝初始位置, 9號(hào)工位為灌裝結(jié)束位置, 瓶身沿工位從1號(hào)旋轉(zhuǎn)傳送至9號(hào)灌裝過(guò)程結(jié)束, 瓶身運(yùn)行至17號(hào)工位離開(kāi)灌裝環(huán)節(jié)。
其中控制系統(tǒng)最復(fù)雜、最易出現(xiàn)問(wèn)題的部分包括: (1) 復(fù)位, 進(jìn)入灌裝環(huán)節(jié)后, 1號(hào)工位復(fù)位傳感器檢測(cè)到瓶身, 啟動(dòng)灌裝過(guò)程并保證整個(gè)灌裝過(guò)程定位準(zhǔn)確, 隨時(shí)做好吸液準(zhǔn)備。復(fù)位包括3個(gè)方面, 即按下復(fù)位按鈕后:第一, 灌裝主電機(jī)啟動(dòng), 將信號(hào)傳遞至1號(hào)復(fù)位傳感器, 傳感器檢測(cè)到1號(hào)工位灌裝正常后, 主電機(jī)停止, 此時(shí)主電機(jī)復(fù)位;第二, 1~12號(hào)工位步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn), 使泵芯反轉(zhuǎn)至極限位置后, 步進(jìn)電機(jī)過(guò)載停止, 步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)120°帶動(dòng)泵芯至吸液口位置, 步進(jìn)電機(jī)停止且復(fù)位完成;第三, 延時(shí)3 s, 1~12號(hào)工位伺服電機(jī)反轉(zhuǎn), 17~28號(hào)工位傳感器接收到信號(hào), 泵塞停留至最低處, 1~12號(hào)工位伺服電機(jī)停止, 此時(shí)伺服電機(jī)帶動(dòng)泵塞復(fù)位。 (2) 灌裝, 灌裝過(guò)程由PLC系統(tǒng)控制, 包括伺服電機(jī)控制的吸液和步進(jìn)電機(jī)控制的換向兩部分, 在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中, 灌裝速度提高后, 液體食品發(fā)生濺出和泡沫現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率上升, 導(dǎo)致灌裝質(zhì)量不佳, 因此在高速灌裝的前提下, 提高灌裝質(zhì)量是目前主要的研究目標(biāo)。
2 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)硬件系統(tǒng)組成
根據(jù)旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制對(duì)象的要求, 該控制系統(tǒng)應(yīng)包括輸入/輸出元件、控制設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備, 其中控制設(shè)備可處理模擬量。PLC控制原理是按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)和電源與PLC系統(tǒng)中的輸入模塊相接, 用來(lái)操縱PLC系統(tǒng)的開(kāi)啟與關(guān)閉, 輸入模塊將信號(hào)傳入CPU模塊通信接口, 一方面與其他接口模塊形成拓展機(jī)架, 另一方面將信號(hào)傳至輸出模塊, 輸出模塊與計(jì)算機(jī)的接觸器、電磁閥、指示燈和電源等部分直接相連, 通過(guò)人機(jī)交互界面與操作人員進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。
根據(jù)PLC控制原理, 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)配置組成包括: (1) 基板, 主要負(fù)責(zé)連接電源和其他模塊以及進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 (2) 電源模塊, 主要負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供5 V電壓, 并且需保證額定輸出電流值大于提供電壓模塊所消耗的電流值。 (3) 輸入/輸出模塊, 主要負(fù)責(zé)對(duì)CPU發(fā)出的指令和操作人員發(fā)出的指令進(jìn)行雙向傳輸, 輸入/輸出模塊規(guī)格取決于傳輸指令數(shù)目。 (4) 運(yùn)動(dòng)控制模塊, 主要負(fù)責(zé)控制瓶身及瓶蓋運(yùn)動(dòng)過(guò)程, 利用伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)共同配合作用達(dá)到控制運(yùn)動(dòng)速度、位置等動(dòng)作的目的。 (5) 人機(jī)界面, 主要負(fù)責(zé)操作人員與控制系統(tǒng)間的互動(dòng), 通過(guò)輸入界面控制系統(tǒng), 輸出界面得到反饋。 (6) PLC, 主要負(fù)責(zé)控制整體系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程, 應(yīng)具有高性能、小體積和易操作等特點(diǎn)。
2.2 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)
旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)包括20套伺服電機(jī)和一套步進(jìn)電機(jī), 其中12套伺服電機(jī)用于控制泵吸液和灌液過(guò)程, 8套伺服電機(jī)用于控制封蓋過(guò)程, 而步進(jìn)電機(jī)通過(guò)電脈沖信號(hào)強(qiáng)弱和發(fā)射頻率控制電動(dòng)機(jī)活動(dòng)。
伺服電機(jī)嚴(yán)格按照輸入信號(hào)執(zhí)行命令, 利用電機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)連接的圓軸轉(zhuǎn)動(dòng), 無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象, 同時(shí)運(yùn)行范圍相對(duì)較廣, 能夠快速進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)速度及狀態(tài)的轉(zhuǎn)變, 同時(shí)采用變速灌裝的方式進(jìn)行液體食品灌裝作業(yè), 在保證高速灌裝的同時(shí), 防止液體食品發(fā)生濺出和泡沫現(xiàn)象。
步進(jìn)電機(jī)利用電脈沖控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程, 電脈沖信號(hào)強(qiáng)弱控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度, 電脈沖信號(hào)發(fā)射頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度, 電脈沖信號(hào)發(fā)射量控制電機(jī)位移, 因此若需改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程, 則只需對(duì)其電脈沖信號(hào)進(jìn)行改變。由于受電脈沖信號(hào)控制, 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度高, 對(duì)起停及反轉(zhuǎn)有強(qiáng)烈且敏感的響應(yīng)反應(yīng), 同時(shí)具備能夠提供準(zhǔn)確定位的能力。
2.3 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)PLC配置
根據(jù)旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備的選用, 對(duì)其硬件系統(tǒng)配置進(jìn)行設(shè)計(jì)連接, 結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)硬件配置圖 下載原圖
3 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制軟件系統(tǒng)流程
旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制軟件系統(tǒng)編程設(shè)計(jì)的目的是將PLC控制系統(tǒng)的控制過(guò)程簡(jiǎn)化為相對(duì)獨(dú)立的小模塊, 各自執(zhí)行相應(yīng)工作, 又能把不同模塊相互連接起來(lái), 相互調(diào)用共同完成系統(tǒng)工作。一般旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)面對(duì)的液體食品對(duì)象各有不同, 加工工藝復(fù)雜, 使用模塊化編程方法, 能夠使系統(tǒng)初始化處理、故障報(bào)警緊急制停、伺服電機(jī)控制、步進(jìn)電機(jī)控制等過(guò)程均實(shí)現(xiàn)單獨(dú)編程、調(diào)試, 隨時(shí)調(diào)用, 進(jìn)而控制整體目標(biāo)運(yùn)行過(guò)程, 簡(jiǎn)化控制過(guò)程, 也使修改程序這一過(guò)程變得簡(jiǎn)單。
旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制軟件系統(tǒng)具體流程為: (1) 啟動(dòng)程序, 檢測(cè)PLC系統(tǒng)是否故障, 若發(fā)生故障, 則PLC系統(tǒng)停止工作并報(bào)警;若無(wú)故障, 則啟動(dòng)并初始化程序。 (2) 檢測(cè)設(shè)備是否故障, 若發(fā)生故障, 則設(shè)備停止工作并報(bào)警;若無(wú)故障, 則進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。 (3) 判斷操作方式, 包括全自動(dòng)操作和手動(dòng)操作, 其中全自動(dòng)操作工藝較復(fù)雜, 灌裝過(guò)程設(shè)備對(duì)是否有蓋進(jìn)行判斷, 若無(wú)蓋則設(shè)備停止工作并報(bào)警;若有蓋則進(jìn)行加蓋, 再判斷是否出現(xiàn)瓶堵現(xiàn)象, 若出現(xiàn)則設(shè)備停止工作并報(bào)警;若未出現(xiàn)則繼續(xù)工作至灌裝結(jié)束。另一方面, 手動(dòng)操作需操作人員全程手動(dòng)設(shè)定程序和進(jìn)行判斷, 直至灌裝結(jié)束。
3.2 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制軟件系統(tǒng)編程
旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制軟件選用三菱公司的GX Developer軟件, 具有微軟視窗操作系統(tǒng), 能夠兼容各種辦公軟件, 編程操作規(guī)范, 支持多種語(yǔ)言程序, 通信方便, 調(diào)試功能多樣化, 同時(shí)可遠(yuǎn)程控制PLC系統(tǒng)。另外, 在該系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中, 伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有著極大影響, 因此可利用編寫(xiě)順控程序設(shè)計(jì)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程, 伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的控制程序如圖2所示。
圖2 伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的控制程序圖 下載原圖
4 結(jié)語(yǔ)
飲品類食品需求的不斷增長(zhǎng)促進(jìn)飲料食品工業(yè)的不斷發(fā)展, 介紹了旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)的生產(chǎn)要求和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案, 運(yùn)用一套伺服電機(jī)控制雙灌裝頭的方案, 達(dá)到提高灌裝效率和準(zhǔn)確性的目的。同時(shí)詳細(xì)論述了相關(guān)硬件配置和軟件編程設(shè)計(jì), 為進(jìn)一步優(yōu)化控制系統(tǒng)程序和不同產(chǎn)品灌裝最優(yōu)條件的調(diào)試提供研究基礎(chǔ)。