随着食品市场的不断扩大和各地食品贸易往来的深入发展, 食品包装作为食品工业生产中的一部分起到越来越重要的作用, 而食品包装机械制造发展的目的就是为了更方便、高效地进行食品包装处理[1]。罐装饮品是指用对人体无毒的塑料或金属制品为容器, 加入可饮用的液体食品, 可随时为人体补充水分, 方便携带, 目前我国罐装饮品种类繁多, 包括果汁类、茶类和奶制品类等[2,3]。消费者对罐装饮品的需求刺激其产业的繁荣, 但也对罐装饮料生产提出新的要求, 包括食品安全性、包装美观性、生产精确性及经济性等方面, 因此研制更高效、精确、智能的机械控制方式是目前亟需解决的课题[4]。

美国、日本等发达国家包装工业伴随计算机技术的飞跃发展, 已形成较为完善的机电一体化控制运行体系, 尤其是微电子技术和模块化技术的成熟运用, 直接决定着未来食品包装机械的发展方向[5]。我国制造工业发展起步较晚, 许多企业选择从国外引进生产技术及设备, 再根据自身特点进行改良, 形成我国特有的食品包装工业[6]。其中液体罐装产品根据生产要求如是否含有气体、温度、材质等分为不同生产线, 而液体灌装机作为生产线上重要一环, 其自动化程度、速度、效率、稳定性在很大程度上决定了液体灌装设备的好坏[7,8]。试验以旋转型灌装一体机控制系统为研究对象, 对提高其灌装速度、精度和稳定性进行研究。

1 旋转型液体灌装机控制系统设计

1.1 旋转型液体灌装机控制系统简介

可编程控制器 (Programmable Logic Controller, PLC) 是通过可编程存储设备在存储过程中执行运算、计数、顺序控制等指令, 并转化成数字信号控制机械设备运行过程的一类电子系统, 具有操作简易、共用性好、功能强大、抗干扰能力强、环境适应性好等优点[9,10]。旋转型灌装机是指对液体食品采用回转运动形成连续灌注的运行方式, 灌注完成后封盖操作的生产设备, 由PLC进行系统控制, 以在生产过程中要求达到高效、稳定、精确的目的。常见旋转型灌装机包括四大部份: (1) 洗瓶装置, 对使用过的瓶子进行清洗, 把瓶传动至洗瓶装置处, 利用喷水装置、上转盘进行旋转清洗, 洗瓶夹将清洗过的瓶翻转沥干, 洗瓶需要两道水, 分别走不同管道, 第一道水直接排出, 第二道水回收利用, 作为下次清洗的第一道水; (2) 灌装装置, 将干净瓶固定, 做圆周运动并沿轨道进行灌装, 灌装完成后继续沿轨道逐渐脱离灌装阀; (3) 封盖装置, 旋盖机固定瓶身, 分盖器将盖子带至相应位置, 顺时针旋转移动与瓶身契合压紧; (4) 传动装置, 连接旋转型灌装机不同部分且液体运输原料的装置。液体产品罐装过程的主要步骤包括瓶身的传递和瓶身、瓶盖的契合安装两部分, 工艺流程为:

针对以上工艺流程, 常见旋转型灌装机控制系统应包含的操作单元有: (1) 输入元件, 输入指令控制旋转型灌装机的运行, 同时启用传感设备监测运行过程是否正常。 (2) 控制中心, 采用PLC系统处理所有输入/输出信号、开关量、模拟量、伺服电机和步进电机, 保证信号传递及运行过程控制准确。 (3) 执行元件, 执行PLC系统要求, 完成吸液、灌液和控制泵向等工作。 (4) 电动机, 包括主机和辅助机, 控制不同电动系统。 (5) 操作系统, 采用人机界面 (Human Machine Interface) 作为操作显示、控制界面, 方便操作人员随时了解PLC控制系统的运行状况。

1.2 旋转型液体灌装机控制系统要素

旋转型灌装机可采用一个伺服泵控制双罐装头轮流工作的方式进行罐装, 有利于提高灌装速度。罐装头上有28个工位, 其中1号工位为复位传感器, 2号为计数器, 3号为瓶检测传感器, 4号为灌满工位传感器, 5~28号为伺服泵检测传感器。1号工位为灌装初始位置, 9号工位为灌装结束位置, 瓶身沿工位从1号旋转传送至9号灌装过程结束, 瓶身运行至17号工位离开灌装环节。

其中控制系统最复杂、最易出现问题的部分包括: (1) 复位, 进入灌装环节后, 1号工位复位传感器检测到瓶身, 启动灌装过程并保证整个灌装过程定位准确, 随时做好吸液准备。复位包括3个方面, 即按下复位按钮后:第一, 灌装主电机启动, 将信号传递至1号复位传感器, 传感器检测到1号工位灌装正常后, 主电机停止, 此时主电机复位;第二, 1~12号工位步进电机反转, 使泵芯反转至极限位置后, 步进电机过载停止, 步进电机正转120°带动泵芯至吸液口位置, 步进电机停止且复位完成;第三, 延时3 s, 1~12号工位伺服电机反转, 17~28号工位传感器接收到信号, 泵塞停留至最低处, 1~12号工位伺服电机停止, 此时伺服电机带动泵塞复位。 (2) 灌装, 灌装过程由PLC系统控制, 包括伺服电机控制的吸液和步进电机控制的换向两部分, 在实际运行过程中, 灌装速度提高后, 液体食品发生溅出和泡沫现象出现的频率上升, 导致灌装质量不佳, 因此在高速灌装的前提下, 提高灌装质量是目前主要的研究目标。

2 旋转型液体灌装机硬件系统设计

2.1 旋转型液体灌装机硬件系统组成

根据旋转型液体灌装机控制对象的要求, 该控制系统应包括输入/输出元件、控制设备和执行设备, 其中控制设备可处理模拟量。PLC控制原理是按钮、选择开关、限位开关和电源与PLC系统中的输入模块相接, 用来操纵PLC系统的开启与关闭, 输入模块将信号传入CPU模块通信接口, 一方面与其他接口模块形成拓展机架, 另一方面将信号传至输出模块, 输出模块与计算机的接触器、电磁阀、指示灯和电源等部分直接相连, 通过人机交互界面与操作人员进行联络。

根据PLC控制原理, 旋转型液体灌装机配置组成包括: (1) 基板, 主要负责连接电源和其他模块以及进行数据交换。 (2) 电源模块, 主要负责为系统提供5 V电压, 并且需保证额定输出电流值大于提供电压模块所消耗的电流值。 (3) 输入/输出模块, 主要负责对CPU发出的指令和操作人员发出的指令进行双向传输, 输入/输出模块规格取决于传输指令数目。 (4) 运动控制模块, 主要负责控制瓶身及瓶盖运动过程, 利用伺服电机和步进电机共同配合作用达到控制运动速度、位置等动作的目的。 (5) 人机界面, 主要负责操作人员与控制系统间的互动, 通过输入界面控制系统, 输出界面得到反馈。 (6) PLC, 主要负责控制整体系统运作过程, 应具有高性能、小体积和易操作等特点。

2.2 旋转型液体灌装机执行系统

旋转型液体灌装机执行系统包括20套伺服电机和一套步进电机, 其中12套伺服电机用于控制泵吸液和灌液过程, 8套伺服电机用于控制封盖过程, 而步进电机通过电脉冲信号强弱和发射频率控制电动机活动。

伺服电机严格按照输入信号执行命令, 利用电机提供动力带动连接的圆轴转动, 无自转现象, 同时运行范围相对较广, 能够快速进行运转速度及状态的转变, 同时采用变速灌装的方式进行液体食品灌装作业, 在保证高速灌装的同时, 防止液体食品发生溅出和泡沫现象。

步进电机利用电脉冲控制电机转动过程, 电脉冲信号强弱控制电机转动角度, 电脉冲信号发射频率控制电机转动速度, 电脉冲信号发射量控制电机位移, 因此若需改变电机转动过程, 则只需对其电脉冲信号进行改变。由于受电脉冲信号控制, 步进电机的运动精度高, 对起停及反转有强烈且敏感的响应反应, 同时具备能够提供准确定位的能力。

2.3 旋转型液体灌装机PLC配置

根据旋转型液体灌装机控制设备和执行设备的选用, 对其硬件系统配置进行设计连接, 结构如图1所示。

图1 旋转型液体灌装机硬件配置图   下载原图

3 旋转型液体灌装机控制软件系统设计

3.1 旋转型液体灌装机控制软件系统流程

旋转型液体灌装机控制软件系统编程设计的目的是将PLC控制系统的控制过程简化为相对独立的小模块, 各自执行相应工作, 又能把不同模块相互连接起来, 相互调用共同完成系统工作。一般旋转型液体灌装机面对的液体食品对象各有不同, 加工工艺复杂, 使用模块化编程方法, 能够使系统初始化处理、故障报警紧急制停、伺服电机控制、步进电机控制等过程均实现单独编程、调试, 随时调用, 进而控制整体目标运行过程, 简化控制过程, 也使修改程序这一过程变得简单。

旋转型液体灌装机控制软件系统具体流程为: (1) 启动程序, 检测PLC系统是否故障, 若发生故障, 则PLC系统停止工作并报警;若无故障, 则启动并初始化程序。 (2) 检测设备是否故障, 若发生故障, 则设备停止工作并报警;若无故障, 则进入下一环节。 (3) 判断操作方式, 包括全自动操作和手动操作, 其中全自动操作工艺较复杂, 灌装过程设备对是否有盖进行判断, 若无盖则设备停止工作并报警;若有盖则进行加盖, 再判断是否出现瓶堵现象, 若出现则设备停止工作并报警;若未出现则继续工作至灌装结束。另一方面, 手动操作需操作人员全程手动设定程序和进行判断, 直至灌装结束。

3.2 旋转型液体灌装机控制软件系统编程

旋转型液体灌装机控制软件选用三菱公司的GX Developer软件, 具有微软视窗操作系统, 能够兼容各种办公软件, 编程操作规范, 支持多种语言程序, 通信方便, 调试功能多样化, 同时可远程控制PLC系统。另外, 在该系统程序设计过程中, 伺服电机和步进电机的运动精度对系统稳定性有着极大影响, 因此可利用编写顺控程序设计伺服电机和步进电机的运动过程, 伺服电机和步进电机的控制程序如图2所示。

图2 伺服电机和步进电机的控制程序图   下载原图

4 结语

饮品类食品需求的不断增长促进饮料食品工业的不断发展, 介绍了旋转型液体灌装机的生产要求和控制系统设计总体方案, 运用一套伺服电机控制双灌装头的方案, 达到提高灌装效率和准确性的目的。同时详细论述了相关硬件配置和软件编程设计, 为进一步优化控制系统程序和不同产品灌装最优条件的调试提供研究基础。