1、國(guó)內(nèi)易拉罐灌裝機(jī)的現(xiàn)狀概述

        灌裝封蓋機(jī)由灌裝機(jī)和封蓋機(jī)組成，在2010年之前，國(guó)內(nèi)產(chǎn)能超過(guò)600罐/min的啤酒、飲料生產(chǎn)線，設(shè)備幾乎全被KHS、Krones、Sidel等歐洲企業(yè)所壟斷。經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)和摸索，國(guó)內(nèi)設(shè)備制造商紛紛推出了高速易拉罐灌裝機(jī)，如樂(lè)惠、華創(chuàng)、新美星等等，廣東輕工機(jī)械二廠智能設(shè)備有限公司（以下簡(jiǎn)稱廣二輕）更是推出1200罐/min和1500罐/min的代表性產(chǎn)品，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)設(shè)備制造在此領(lǐng)域的空白，這些產(chǎn)品已經(jīng)在燕京啤酒、青島啤酒的易拉罐灌裝生產(chǎn)線上使用，并創(chuàng)

造了巨大的經(jīng)濟(jì)利益。

 

         由于國(guó)內(nèi)原材質(zhì)和模具鑄造能力落后于xianjin國(guó)家，目前600罐/min以上的易拉罐灌裝機(jī)，基本上都選配了xianjin國(guó)家的更優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的封蓋機(jī)（比如瑞士Ferrum或者美國(guó)Angelus），匹配組成一臺(tái)完整的易拉罐灌裝封蓋機(jī)。灌裝機(jī)主要精密部件比如密封件、液位探針等，在短期內(nèi)我國(guó)無(wú)法達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家水平，目前只能選用國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品。一些優(yōu)秀的國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品逐漸開始在灌裝機(jī)上嘗試使用，如一些用戶的進(jìn)口灌裝機(jī)在更換配件時(shí)，就開始使用國(guó)產(chǎn)件，這對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造力既是一種機(jī)遇，也是一種挑戰(zhàn)和競(jìng)爭(zhēng)，在這個(gè)過(guò)程中，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，降低成本，這是工業(yè)發(fā)展的良性效應(yīng)。

 

2國(guó)內(nèi)易拉罐灌裝機(jī)的功能介紹

         目前國(guó)際xianjin設(shè)備制造商的產(chǎn)能在1200罐/min的易拉罐灌裝機(jī)，大都采用機(jī)械閥灌裝，即和瓶裝灌裝機(jī)原理一樣，都是基于等壓灌裝。產(chǎn)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(jì)灌裝等高精度、高效率的灌裝方式。機(jī)械閥灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)和程序比較簡(jiǎn)單，本文主要講述電子閥定量灌裝機(jī)。

 

以廣二輕自主研發(fā)制造的高速易拉罐灌裝機(jī)為例，空罐經(jīng)過(guò)單鏈道輸送到達(dá)灌裝機(jī)，通過(guò)進(jìn)罐蝸桿導(dǎo)入到進(jìn)罐星輪后，按照對(duì)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(guò)單鏈道進(jìn)入封蓋機(jī)。其中，料液灌裝步驟采用的是位置、時(shí)間、定量控制，其余步驟采用的是位置、時(shí)間控制。定量灌裝控制的灌裝機(jī)具有以下特點(diǎn)：

（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(dá)1mm。

（2）灌裝過(guò)程參數(shù)以配方的方式給定參數(shù)后，在人機(jī)界面下載即可實(shí)現(xiàn)不同需求。

（3）適用于啤酒、可樂(lè)的冷灌裝，也適用于果汁飲料、茶飲料等的熱灌裝。

（4）整機(jī)采用潔凈型開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，CIP清洗的裝杯和取杯全自動(dòng)控制。

（5）處理不同高度的易拉罐時(shí)，灌裝缸和控制環(huán)的高度通過(guò)單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)，高度可通過(guò)人機(jī)界面自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)同步升降。

（6）機(jī)器的所有潤(rùn)滑采用集中控制。

 

3電子閥易拉罐灌裝機(jī)的自動(dòng)化控制

         電子閥定量灌裝的整機(jī)控制系統(tǒng)顯得尤為復(fù)雜,磁翻板液位計(jì)和各子站之間多種通訊方式的運(yùn)用是zui為明顯的特點(diǎn)。

 

電氣自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)在很多制造行業(yè)中充分體現(xiàn)，通訊方式的多元化是zui為閃耀的技術(shù)分支，以Profinet和Canopen為例，本文將以闡述這兩種通訊技術(shù)在國(guó)產(chǎn)高速易拉罐灌裝機(jī)的使用。

 

Profinet是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)化通信標(biāo)準(zhǔn)[1]，其解決方案包含了諸如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全及網(wǎng)絡(luò)安全等當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域，Profinet技術(shù)的出現(xiàn)將為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域提供一種全新的通信解決方案，即整個(gè)工廠全部使用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接在一起[2]。Profinet基于以太網(wǎng)，是完全開放的通訊協(xié)議，完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)[3]。近年西門子推出的S7-300系列314以上的磁翻板液位計(jì)已經(jīng)開始自帶Profinet接口，zui近推出的S7-1200、S7-1500系列磁翻板液位計(jì)，通訊接口均升級(jí)換代為Profinet。

 

Canopen是一種架構(gòu)在控制局域網(wǎng)路（ControllerAreaNetwork，CAN）上的高層通信協(xié)議，包括通信子協(xié)議及設(shè)備子協(xié)議，常在嵌入式系統(tǒng)中使用[4]，也是工業(yè)控制常用到的一種現(xiàn)場(chǎng)總線。Canopen支援網(wǎng)絡(luò)管理、設(shè)備監(jiān)控及節(jié)點(diǎn)間的通訊，其中包括一個(gè)簡(jiǎn)易的傳輸層，可處理資料的分段傳送及其組合。Canopen協(xié)議屬于“主—從站協(xié)議”，一個(gè)Canopen網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)主站和若干個(gè)從站。每一個(gè)從站點(diǎn)都有一個(gè)ID號(hào)，一個(gè)數(shù)據(jù)字典和四種工作狀態(tài)[5]。Canopen協(xié)議將CAN總線協(xié)議的通信幀進(jìn)行了進(jìn)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(jī)電氣控制系統(tǒng)中，用于灌裝過(guò)程控制的閥島，就是通過(guò)Canopen的通訊方式和貝加萊的磁翻板液位計(jì)進(jìn)行通訊，這種方式就是Canopen典型應(yīng)用的縮影。

 

就廣二輕自主開發(fā)設(shè)計(jì)并且在用戶工廠（燕京啤酒）生產(chǎn)使用的時(shí)速72000罐/h的機(jī)器YDL108為例，全面分析其自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

 

在硬件方面，灌裝機(jī)主電柜的磁翻板液位計(jì)使用西門子317-2PN/DP和CP343-1通訊模塊及TP1500的人機(jī)界面；灌裝機(jī)遠(yuǎn)程IO柜使用西門子ET200SP從站；灌裝系統(tǒng)磁翻板液位計(jì)使用貝加萊CP3585和PowerLink及Canopen模塊；灌裝執(zhí)行系統(tǒng)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(jì)編程使用Step7V5.5SP4編程平臺(tái)，HMI使用西門子博圖V15.1編程平臺(tái)；貝加萊磁翻板液位計(jì)編程平臺(tái)使用AutomationStudioV3.0.90A。本機(jī)器的主體電路安裝在主電柜中，包含了空氣開關(guān)、動(dòng)力回路、變頻器、安全繼電器、磁翻板液位計(jì)等等。遠(yuǎn)程IO柜主要用于機(jī)器機(jī)身和管陣周圍的一些檢測(cè)及閥門控制，這些元件不再單獨(dú)放線連接到主電柜，節(jié)省了繁瑣的硬線連接，同時(shí)也方便維護(hù)和檢修。

 

在這個(gè)系統(tǒng)中，作為機(jī)器zui重要的核心控制單元，西門子CPU317-2DP/PN創(chuàng)建了一條主流的Profinet通訊網(wǎng)絡(luò)，用于連接變頻器、遠(yuǎn)程從站、子站磁翻板液位計(jì)；還有一條備用的ProfiBusDP網(wǎng)絡(luò)通訊資源。擴(kuò)展槽中的CP343-1模塊，將用于和上下游設(shè)備建立通訊，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的智能運(yùn)行。圖1為磁翻板液位計(jì)硬件組態(tài)。

 

CPU自帶的PN通訊口創(chuàng)建一條Profinet通訊網(wǎng)絡(luò)之后，遠(yuǎn)程IO從站、人機(jī)界面、變頻器、貝加萊磁翻板液位計(jì)等設(shè)備的PN通訊口，通過(guò)工業(yè)交換機(jī)連接到此Profinet網(wǎng)絡(luò)[7]。然后在Step7編程軟件中，加載不同設(shè)備的GSD或者EDS文件后，通過(guò)硬件組態(tài)在線識(shí)別到各設(shè)備weiyi的Mac地址，對(duì)其分配不同的IP地址和設(shè)備名稱[8]，下載后，各設(shè)備就有了weiyi的寫入和訪問(wèn)地址，在網(wǎng)絡(luò)上清晰可見(jiàn)。網(wǎng)絡(luò)視圖如圖2所示。

 

灌裝機(jī)配套了美國(guó)Angelus的封蓋機(jī)，考慮到機(jī)器運(yùn)行和調(diào)試的獨(dú)立性，選擇的封蓋機(jī)自帶電控柜控制，然后在灌裝機(jī)和封蓋機(jī)彼此電控柜的磁翻板液位計(jì)中通過(guò)profinet建立S7通訊，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，硬件組態(tài)的網(wǎng)絡(luò)視圖如圖3。

建立連接之后，在Step7軟件程序塊中調(diào)用系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)通訊塊FB14，F(xiàn)B15進(jìn)行讀寫編程。

 

灌裝機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，生產(chǎn)效率和機(jī)器的穩(wěn)定性極其重要，本系統(tǒng)使用了計(jì)算機(jī)能力超群的貝加萊磁翻板液位計(jì)，專門用于108個(gè)工位的連續(xù)動(dòng)作處理。貝加萊CPU為CP3585，擴(kuò)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(jì)的Profnet網(wǎng)絡(luò)下，并且定義通訊長(zhǎng)度，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

 

結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，機(jī)器上面的108個(gè)工位所有動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由12個(gè)Festo的閥島組成，閥島安裝在機(jī)器的酒缸上方，這就決定了貝加萊磁翻板液位計(jì)只能以通訊的方式去控制閥島。經(jīng)過(guò)多次討論和比較，選用了108個(gè)工位Canopen通訊協(xié)議的液位傳感器和帶Canopen通訊協(xié)議的閥島。貝加萊磁翻板液位計(jì)通過(guò)自帶的PowerLink接口，加裝兩塊PowerLink通訊單元X20BC1083，每個(gè)通訊單元再擴(kuò)展兩個(gè)Canopen通訊模塊X20IF1041-1，用來(lái)連接108個(gè)液位傳感器和12個(gè)閥島及4個(gè)酒缸液位，貝加萊Canopen網(wǎng)絡(luò)下連接的液位傳感器和閥島拓?fù)鋱D如圖4。

 

在接線過(guò)程中，一些細(xì)節(jié)問(wèn)題有時(shí)候會(huì)導(dǎo)致通訊異常和運(yùn)行中斷，比如每路通訊的zui后一個(gè)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(jì)的CPU組態(tài)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(jì)的編程平臺(tái)中，和西門子磁翻板液位計(jì)的系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)交換定義如圖5。

 

建立通訊連接之后，根據(jù)DI模塊的輸入點(diǎn)信號(hào)（機(jī)器脈沖、有罐檢測(cè)、同步脈沖）來(lái)編寫108個(gè)工位的邏輯和數(shù)組運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的連續(xù)控制。

 

至此，高速易拉罐灌裝機(jī)已經(jīng)具備運(yùn)行生產(chǎn)能力。隨著工廠的智能化水平的不斷提升，上下游機(jī)器之間以及整線的數(shù)據(jù)采集，都要求使用通訊的方式，本機(jī)器和輸送帶之間就采用了TCP連接，網(wǎng)絡(luò)視圖如圖6。

 

建立連接之后，在Step7軟件中程序塊中調(diào)用系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)通訊塊FC6，F(xiàn)C5進(jìn)行讀寫編程。

 

4技術(shù)總結(jié)和前景展望

以上所述為本機(jī)器的電氣控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證，現(xiàn)已成功在用戶工廠投產(chǎn)，工作穩(wěn)定，控制效果精確，灌裝液位精度、灌裝增氧量等技術(shù)指標(biāo)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，經(jīng)過(guò)磨合后，各方面的性能將達(dá)到國(guó)外KHS、Krones、Sidel等同一水平。

 

本系統(tǒng)的程序編寫簡(jiǎn)潔而又有效，即使是初步涉足工控的調(diào)試人員，也能掌握并做一些生產(chǎn)工藝的修改程序。整個(gè)電氣控制系統(tǒng)在行業(yè)內(nèi)頗受好評(píng)。

 

自動(dòng)化產(chǎn)品的升級(jí)日新月異，本機(jī)器的自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品和編程軟件在短期內(nèi)雖不會(huì)淘汰，但是現(xiàn)在設(shè)計(jì)的新機(jī)臺(tái)已經(jīng)逐步升級(jí)，如Angelus封蓋機(jī)和廣二輕灌裝機(jī)之間的動(dòng)力連接方式將改為獨(dú)立伺服控制，西門子300系列已經(jīng)改為編程軟件基于博圖V15的1500系列，一些遠(yuǎn)程IO從站采用無(wú)線發(fā)送與接收方式。

 

中國(guó)正處于飛速發(fā)展的新時(shí)期，工業(yè)發(fā)展更是鮮明的旗幟，工業(yè)自動(dòng)化程度的提升，無(wú)疑是一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)力提升的標(biāo)志。國(guó)內(nèi)高速易拉罐灌裝機(jī)制造商，結(jié)合當(dāng)前社會(huì)生產(chǎn)力的進(jìn)步，將不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，大膽創(chuàng)新，敢于嘗試，在這個(gè)領(lǐng)域勢(shì)必會(huì)設(shè)計(jì)制造出優(yōu)良產(chǎn)品，打破國(guó)外產(chǎn)品在這個(gè)領(lǐng)域的壟斷。新時(shí)期賦予工控人的使命，以及工控人自身價(jià)值觀的所向，都推動(dòng)著我們不斷努力創(chuàng)新，向更高層次的自動(dòng)化程度奮進(jìn)。