隨著食品市場的不斷擴大和各地食品貿易往來的深入發展, 食品包裝作為食品工業生產中的一部分起到越來越重要的作用, 而食品包裝機械制造發展的目的就是為了更方便、高效地進行食品包裝處理[1]。罐裝飲品是指用對人體無毒的塑料或金屬制品為容器, 加入可飲用的液體食品, 可隨時為人體補充水分, 方便攜帶, 目前我國罐裝飲品種類繁多, 包括果汁類、茶類和奶制品類等[2,3]。消費者對罐裝飲品的需求刺激其產業的繁榮, 但也對罐裝飲料生產提出新的要求, 包括食品安全性、包裝美觀性、生產精確性及經濟性等方面, 因此研制更高效、精確、智能的機械控制方式是目前亟需解決的課題[4]。
美國、日本等發達國家包裝工業伴隨計算機技術的飛躍發展, 已形成較為完善的機電一體化控制運行體系, 尤其是微電子技術和模塊化技術的成熟運用, 直接決定著未來食品包裝機械的發展方向[5]。我國制造工業發展起步較晚, 許多企業選擇從國外引進生產技術及設備, 再根據自身特點進行改良, 形成我國特有的食品包裝工業[6]。其中液體罐裝產品根據生產要求如是否含有氣體、溫度、材質等分為不同生產線, 而液體灌裝機作為生產線上重要一環, 其自動化程度、速度、效率、穩定性在很大程度上決定了液體灌裝設備的好壞[7,8]。試驗以旋轉型灌裝一體機控制系統為研究對象, 對提高其灌裝速度、精度和穩定性進行研究。
1 旋轉型液體灌裝機控制系統設計
1.1 旋轉型液體灌裝機控制系統簡介
可編程控制器 (Programmable Logic Controller, PLC) 是通過可編程存儲設備在存儲過程中執行運算、計數、順序控制等指令, 并轉化成數字信號控制機械設備運行過程的一類電子系統, 具有操作簡易、共用性好、功能強大、抗干擾能力強、環境適應性好等優點[9,10]。旋轉型灌裝機是指對液體食品采用回轉運動形成連續灌注的運行方式, 灌注完成后封蓋操作的生產設備, 由PLC進行系統控制, 以在生產過程中要求達到高效、穩定、精確的目的。常見旋轉型灌裝機包括四大部份: (1) 洗瓶裝置, 對使用過的瓶子進行清洗, 把瓶傳動至洗瓶裝置處, 利用噴水裝置、上轉盤進行旋轉清洗, 洗瓶夾將清洗過的瓶翻轉瀝干, 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, 做圓周運動并沿軌道進行灌裝, 灌裝完成后繼續沿軌道逐漸脫離灌裝閥; (3) 封蓋裝置, 旋蓋機固定瓶身, 分蓋器將蓋子帶至相應位置, 順時針旋轉移動與瓶身契合壓緊; (4) 傳動裝置, 連接旋轉型灌裝機不同部分且液體運輸原料的裝置。液體產品罐裝過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:
針對以上工藝流程, 常見旋轉型灌裝機控制系統應包含的操作單元有: (1) 輸入元件, 輸入指令控制旋轉型灌裝機的運行, 同時啟用傳感設備監測運行過程是否正常。 (2) 控制中心, 采用PLC系統處理所有輸入/輸出信號、開關量、模擬量、伺服電機和步進電機, 保證信號傳遞及運行過程控制準確。 (3) 執行元件, 執行PLC系統要求, 完成吸液、灌液和控制泵向等工作。 (4) 電動機, 包括主機和輔助機, 控制不同電動系統。 (5) 操作系統, 采用人機界面 (Human Machine Interface) 作為操作顯示、控制界面, 方便操作人員隨時了解PLC控制系統的運行狀況。
1.2 旋轉型液體灌裝機控制系統要素
旋轉型灌裝機可采用一個伺服泵控制雙罐裝頭輪流工作的方式進行罐裝, 有利于提高灌裝速度。罐裝頭上有28個工位, 其中1號工位為復位傳感器, 2號為計數器, 3號為瓶檢測傳感器, 4號為灌滿工位傳感器, 5~28號為伺服泵檢測傳感器。1號工位為灌裝初始位置, 9號工位為灌裝結束位置, 瓶身沿工位從1號旋轉傳送至9號灌裝過程結束, 瓶身運行至17號工位離開灌裝環節。
其中控制系統最復雜、最易出現問題的部分包括: (1) 復位, 進入灌裝環節后, 1號工位復位傳感器檢測到瓶身, 啟動灌裝過程并保證整個灌裝過程定位準確, 隨時做好吸液準備。復位包括3個方面, 即按下復位按鈕后:第一, 灌裝主電機啟動, 將信號傳遞至1號復位傳感器, 傳感器檢測到1號工位灌裝正常后, 主電機停止, 此時主電機復位;第二, 1~12號工位步進電機反轉, 使泵芯反轉至極限位置后, 步進電機過載停止, 步進電機正轉120°帶動泵芯至吸液口位置, 步進電機停止且復位完成;第三, 延時3 s, 1~12號工位伺服電機反轉, 17~28號工位傳感器接收到信號, 泵塞停留至最低處, 1~12號工位伺服電機停止, 此時伺服電機帶動泵塞復位。 (2) 灌裝, 灌裝過程由PLC系統控制, 包括伺服電機控制的吸液和步進電機控制的換向兩部分, 在實際運行過程中, 灌裝速度提高后, 液體食品發生濺出和泡沫現象出現的頻率上升, 導致灌裝質量不佳, 因此在高速灌裝的前提下, 提高灌裝質量是目前主要的研究目標。
2 旋轉型液體灌裝機硬件系統設計
2.1 旋轉型液體灌裝機硬件系統組成
根據旋轉型液體灌裝機控制對象的要求, 該控制系統應包括輸入/輸出元件、控制設備和執行設備, 其中控制設備可處理模擬量。PLC控制原理是按鈕、選擇開關、限位開關和電源與PLC系統中的輸入模塊相接, 用來操縱PLC系統的開啟與關閉, 輸入模塊將信號傳入CPU模塊通信接口, 一方面與其他接口模塊形成拓展機架, 另一方面將信號傳至輸出模塊, 輸出模塊與計算機的接觸器、電磁閥、指示燈和電源等部分直接相連, 通過人機交互界面與操作人員進行聯絡。
根據PLC控制原理, 旋轉型液體灌裝機配置組成包括: (1) 基板, 主要負責連接電源和其他模塊以及進行數據交換。 (2) 電源模塊, 主要負責為系統提供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, 主要負責對CPU發出的指令和操作人員發出的指令進行雙向傳輸, 輸入/輸出模塊規格取決于傳輸指令數目。 (4) 運動控制模塊, 主要負責控制瓶身及瓶蓋運動過程, 利用伺服電機和步進電機共同配合作用達到控制運動速度、位置等動作的目的。 (5) 人機界面, 主要負責操作人員與控制系統間的互動, 通過輸入界面控制系統, 輸出界面得到反饋。 (6) PLC, 主要負責控制整體系統運作過程, 應具有高性能、小體積和易操作等特點。
2.2 旋轉型液體灌裝機執行系統
旋轉型液體灌裝機執行系統包括20套伺服電機和一套步進電機, 其中12套伺服電機用于控制泵吸液和灌液過程, 8套伺服電機用于控制封蓋過程, 而步進電機通過電脈沖信號強弱和發射頻率控制電動機活動。
伺服電機嚴格按照輸入信號執行命令, 利用電機提供動力帶動連接的圓軸轉動, 無自轉現象, 同時運行范圍相對較廣, 能夠快速進行運轉速度及狀態的轉變, 同時采用變速灌裝的方式進行液體食品灌裝作業, 在保證高速灌裝的同時, 防止液體食品發生濺出和泡沫現象。
步進電機利用電脈沖控制電機轉動過程, 電脈沖信號強弱控制電機轉動角度, 電脈沖信號發射頻率控制電機轉動速度, 電脈沖信號發射量控制電機位移, 因此若需改變電機轉動過程, 則只需對其電脈沖信號進行改變。由于受電脈沖信號控制, 步進電機的運動精度高, 對起停及反轉有強烈且敏感的響應反應, 同時具備能夠提供準確定位的能力。
2.3 旋轉型液體灌裝機PLC配置
根據旋轉型液體灌裝機控制設備和執行設備的選用, 對其硬件系統配置進行設計連接, 結構如圖1所示。
圖1 旋轉型液體灌裝機硬件配置圖 下載原圖
3 旋轉型液體灌裝機控制軟件系統設計
3.1 旋轉型液體灌裝機控制軟件系統流程
旋轉型液體灌裝機控制軟件系統編程設計的目的是將PLC控制系統的控制過程簡化為相對獨立的小模塊, 各自執行相應工作, 又能把不同模塊相互連接起來, 相互調用共同完成系統工作。一般旋轉型液體灌裝機面對的液體食品對象各有不同, 加工工藝復雜, 使用模塊化編程方法, 能夠使系統初始化處理、故障報警緊急制停、伺服電機控制、步進電機控制等過程均實現單獨編程、調試, 隨時調用, 進而控制整體目標運行過程, 簡化控制過程, 也使修改程序這一過程變得簡單。
旋轉型液體灌裝機控制軟件系統具體流程為: (1) 啟動程序, 檢測PLC系統是否故障, 若發生故障, 則PLC系統停止工作并報警;若無故障, 則啟動并初始化程序。 (2) 檢測設備是否故障, 若發生故障, 則設備停止工作并報警;若無故障, 則進入下一環節。 (3) 判斷操作方式, 包括全自動操作和手動操作, 其中全自動操作工藝較復雜, 灌裝過程設備對是否有蓋進行判斷, 若無蓋則設備停止工作并報警;若有蓋則進行加蓋, 再判斷是否出現瓶堵現象, 若出現則設備停止工作并報警;若未出現則繼續工作至灌裝結束。另一方面, 手動操作需操作人員全程手動設定程序和進行判斷, 直至灌裝結束。
3.2 旋轉型液體灌裝機控制軟件系統編程
旋轉型液體灌裝機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, 能夠兼容各種辦公軟件, 編程操作規范, 支持多種語言程序, 通信方便, 調試功能多樣化, 同時可遠程控制PLC系統。另外, 在該系統程序設計過程中, 伺服電機和步進電機的運動精度對系統穩定性有著極大影響, 因此可利用編寫順控程序設計伺服電機和步進電機的運動過程, 伺服電機和步進電機的控制程序如圖2所示。
圖2 伺服電機和步進電機的控制程序圖 下載原圖
4 結語
飲品類食品需求的不斷增長促進飲料食品工業的不斷發展, 介紹了旋轉型液體灌裝機的生產要求和控制系統設計總體方案, 運用一套伺服電機控制雙灌裝頭的方案, 達到提高灌裝效率和準確性的目的。同時詳細論述了相關硬件配置和軟件編程設計, 為進一步優化控制系統程序和不同產品灌裝最優條件的調試提供研究基礎。