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磁翻板液位计通讯控制技术在啤酒饮料包装设备上的应用

        磁翻板液位计通讯控制技术在啤酒饮料工业包装设备的自动化控制中已经开始推广,并逐步普及到各个工序的机器系统中,与21世纪初期国内工业设备传统使用的硬线连接相比,其优越性和先进性不言而喻。众多品牌的磁翻板液位计制造商,均支持多元化的通讯方式和开放式的通讯协议,并在编程库中加入标准通讯块,为自动化工程人员在开发应用时提供了极大的便利。本文就国产易拉罐啤酒高速灌装机磁翻板液位计自动化控制系统的集成和通讯连接展开叙述,并探索啤酒饮料行业包装设备的自动化控制远景,融入到欧美工业自动化控制的先进技术潮流中。

 
1、国内易拉罐灌装机的现状概述
        灌装封盖机由灌装机和封盖机组成,在2010年之前,国内产能超过600罐/min的啤酒、饮料生产线,设备几乎全被KHS、Krones、Sidel等欧洲企业所垄断。经过一段长时间的学习和摸索,国内设备制造商纷纷推出了高速易拉罐灌装机,如乐惠、华创、新美星等等,广东轻工机械二厂智能设备有限公司(以下简称广二轻)更是推出1200罐/min和1500罐/min的代表性产品,填补了国内设备制造在此领域的空白,这些产品已经在燕京啤酒、青岛啤酒的易拉罐灌装生产线上使用,并创
造了巨大的经济利益。
 
         由于国内原材质和模具铸造能力落后于先进国家,目前600罐/min以上的易拉罐灌装机,基本上都选配了先进国家的更优质、稳定的封盖机(比如瑞士Ferrum或者美国Angelus),匹配组成一台完整的易拉罐灌装封盖机。灌装机主要精密部件比如密封件、液位探针等,在短期内我国无法达到发达国家水平,目前只能选用国外进口产品。一些优秀的国产产品逐渐开始在灌装机上尝试使用,如一些用户的进口灌装机在更换配件时,就开始使用国产件,这对国内生产制造力既是一种机遇,也是一种挑战和竞争,在这个过程中,提高产品质量和性能,降低成本,这是工业发展的良性效应。
 
2国内易拉罐灌装机的功能介绍
         目前国际先进设备制造商的产能在1200罐/min的易拉罐灌装机,大都采用机械阀灌装,即和瓶装灌装机原理一样,都是基于等压灌装。产能在1200罐/min以上的,则采用电子阀灌装,比如定量灌装、流量计灌装等高精度、高效率的灌装方式。机械阀灌装机结构和程序比较简单,本文主要讲述电子阀定量灌装机。
 
以广二轻自主研发制造的高速易拉罐灌装机为例,空罐经过单链道输送到达灌装机,通过进罐蜗杆导入到进罐星轮后,按照对中、CO2冲洗、CO2备压、料液灌装、卸压的顺序完成灌装步骤,再通过单链道进入封盖机。其中,料液灌装步骤采用的是位置、时间、定量控制,其余步骤采用的是位置、时间控制。定量灌装控制的灌装机具有以下特点:
(1)采用高精度外置式电子灌装阀和定量灌装方式,液位精度达1mm。
(2)灌装过程参数以配方的方式给定参数后,在人机界面下载即可实现不同需求。
(3)适用于啤酒、可乐的冷灌装,也适用于果汁饮料、茶饮料等的热灌装。
(4)整机采用洁净型开放式结构设计,CIP清洗的装杯和取杯全自动控制。
(5)处理不同高度的易拉罐时,灌装缸和控制环的高度通过单独的电机驱动调节,高度可通过人机界面自动调整,实现同步升降。
(6)机器的所有润滑采用集中控制。
 
3电子阀易拉罐灌装机的自动化控制
         电子阀定量灌装的整机控制系统显得尤为复杂,磁翻板液位计和各子站之间多种通讯方式的运用是zui为明显的特点。
 
电气自动化技术的飞速发展,已经在很多制造行业中充分体现,通讯方式的多元化是zui为闪耀的技术分支,以Profinet和Canopen为例,本文将以阐述这两种通讯技术在国产高速易拉罐灌装机的使用。
 
Profinet是新一代基于工业以太网技术的工业自动化通信标准[1],其解决方案包含了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全及网络安全等当前自动化领域,Profinet技术的出现将为工业自动化领域提供一种全新的通信解决方案,即整个工厂全部使用一个网络连接在一起[2]。Profinet基于以太网,是完全开放的通讯协议,完全兼容工业以太网和现有的现场总线技术[3]。近年西门子推出的S7-300系列314以上的磁翻板液位计已经开始自带Profinet接口,zui近推出的S7-1200、S7-1500系列磁翻板液位计,通讯接口均升级换代为Profinet。
 
Canopen是一种架构在控制局域网路(ControllerAreaNetwork,CAN)上的高层通信协议,包括通信子协议及设备子协议,常在嵌入式系统中使用[4],也是工业控制常用到的一种现场总线。Canopen支援网络管理、设备监控及节点间的通讯,其中包括一个简易的传输层,可处理资料的分段传送及其组合。Canopen协议属于“主—从站协议”,一个Canopen网络中有一个主站和若干个从站。每一个从站点都有一个ID号,一个数据字典和四种工作状态[5]。Canopen协议将CAN总线协议的通信帧进行了进一步的封装和分类,以满足更高层次通信的需要[6]。
 
电子阀定量灌装的易拉罐灌装机电气控制系统中,用于灌装过程控制的阀岛,就是通过Canopen的通讯方式和贝加莱的磁翻板液位计进行通讯,这种方式就是Canopen典型应用的缩影。
 
就广二轻自主开发设计并且在用户工厂(燕京啤酒)生产使用的时速72000罐/h的机器YDL108为例,全面分析其自动化控制系统。
 
在硬件方面,灌装机主电柜的磁翻板液位计使用西门子317-2PN/DP和CP343-1通讯模块及TP1500的人机界面;灌装机远程IO柜使用西门子ET200SP从站;灌装系统磁翻板液位计使用贝加莱CP3585和PowerLink及Canopen模块;灌装执行系统采用Festo阀岛PN通讯的VTUG系列。
 
在软件方面,西门子磁翻板液位计编程使用Step7V5.5SP4编程平台,HMI使用西门子博图V15.1编程平台;贝加莱磁翻板液位计编程平台使用AutomationStudioV3.0.90A。本机器的主体电路安装在主电柜中,包含了空气开关、动力回路、变频器、安全继电器、磁翻板液位计等等。远程IO柜主要用于机器机身和管阵周围的一些检测及阀门控制,这些元件不再单独放线连接到主电柜,节省了繁琐的硬线连接,同时也方便维护和检修。
 
在这个系统中,作为机器zui重要的核心控制单元,西门子CPU317-2DP/PN创建了一条主流的Profinet通讯网络,用于连接变频器、远程从站、子站磁翻板液位计;还有一条备用的ProfiBusDP网络通讯资源。扩展槽中的CP343-1模块,将用于和上下游设备建立通讯,实现生产线的智能运行。图1为磁翻板液位计硬件组态。
 
CPU自带的PN通讯口创建一条Profinet通讯网络之后,远程IO从站、人机界面、变频器、贝加莱磁翻板液位计等设备的PN通讯口,通过工业交换机连接到此Profinet网络[7]。然后在Step7编程软件中,加载不同设备的GSD或者EDS文件后,通过硬件组态在线识别到各设备唯一的Mac地址,对其分配不同的IP地址和设备名称[8],下载后,各设备就有了唯一的写入和访问地址,在网络上清晰可见。网络视图如图2所示。
 
灌装机配套了美国Angelus的封盖机,考虑到机器运行和调试的独立性,选择的封盖机自带电控柜控制,然后在灌装机和封盖机彼此电控柜的磁翻板液位计中通过profinet建立S7通讯,实现了机器的实时数据交互,硬件组态的网络视图如图3。
S7 网络连接
建立连接之后,在Step7软件程序块中调用系统标准通讯块FB14,FB15进行读写编程。
 
灌装机高速运行时,生产效率和机器的稳定性极其重要,本系统使用了计算机能力超群的贝加莱磁翻板液位计,专门用于108个工位的连续动作处理。贝加莱CPU为CP3585,扩展槽安装Profnet通讯模块X20IF10E-1,作为子站集成在西门子磁翻板液位计的Profnet网络下,并且定义通讯长度,进行数据读写。
 
结合机械设计结构,机器上面的108个工位所有动作的执行机构由12个Festo的阀岛组成,阀岛安装在机器的酒缸上方,这就决定了贝加莱磁翻板液位计只能以通讯的方式去控制阀岛。经过多次讨论和比较,选用了108个工位Canopen通讯协议的液位传感器和带Canopen通讯协议的阀岛。贝加莱磁翻板液位计通过自带的PowerLink接口,加装两块PowerLink通讯单元X20BC1083,每个通讯单元再扩展两个Canopen通讯模块X20IF1041-1,用来连接108个液位传感器和12个阀岛及4个酒缸液位,贝加莱Canopen网络下连接的液位传感器和阀岛拓扑图如图4。
 
在接线过程中,一些细节问题有时候会导致通讯异常和运行中断,比如每路通讯的zui后一个站的通讯接头的针脚需要加终端电阻,西门子主磁翻板液位计的CPU组态中分配给通讯的扫描周期附在的比例15%为zui佳给定值等等。
 
在贝加莱磁翻板液位计的编程平台中,和西门子磁翻板液位计的系统集成数据交换定义如图5。
 
建立通讯连接之后,根据DI模块的输入点信号(机器脉冲、有罐检测、同步脉冲)来编写108个工位的逻辑和数组运算,实现过程中的连续控制。
 
至此,高速易拉罐灌装机已经具备运行生产能力。随着工厂的智能化水平的不断提升,上下游机器之间以及整线的数据采集,都要求使用通讯的方式,本机器和输送带之间就采用了TCP连接,网络视图如图6。
 
建立连接之后,在Step7软件中程序块中调用系统标准通讯块FC6,FC5进行读写编程。
 
4技术总结和前景展望
以上所述为本机器的电气控制系统,经过多次反复测试验证,现已成功在用户工厂投产,工作稳定,控制效果精确,灌装液位精度、灌装增氧量等技术指标处于国内领先水平,经过磨合后,各方面的性能将达到国外KHS、Krones、Sidel等同一水平。
 
本系统的程序编写简洁而又有效,即使是初步涉足工控的调试人员,也能掌握并做一些生产工艺的修改程序。整个电气控制系统在行业内颇受好评。
 
自动化产品的升级日新月异,本机器的自动化系统产品和编程软件在短期内虽不会淘汰,但是现在设计的新机台已经逐步升级,如Angelus封盖机和广二轻灌装机之间的动力连接方式将改为独立伺服控制,西门子300系列已经改为编程软件基于博图V15的1500系列,一些远程IO从站采用无线发送与接收方式。
 
中国正处于飞速发展的新时期,工业发展更是鲜明的旗帜,工业自动化程度的提升,无疑是一个国家生产力提升的标志。国内高速易拉罐灌装机制造商,结合当前社会生产力的进步,将不断优化设计,大胆创新,敢于尝试,在这个领域势必会设计制造出优良产品,打破国外产品在这个领域的垄断。新时期赋予工控人的使命,以及工控人自身价值观的所向,都推动着我们不断努力创新,向更高层次的自动化程度奋进。
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