啤酒灌裝生產線自動控制系統的研究與開發

張賽昆

（北京電子科技職業學院，100176）

0 引言

灌裝是啤酒生產的最后一道工序﹐對保持啤酒的質量﹐賦予啤酒的商品外觀形像有直接影響。灌裝后的啤酒應符合衛生標準﹐盡量減少CO損失和減少封入容器內的空氣含量。

桶裝﹕桶的材質為鋁或不銹鋼﹐容量為15﹑20﹑25﹑30﹑50l。其中30l為常用規格。桶裝啤酒一般是未經巴氏殺菌的鮮啤酒。鮮啤酒口味好﹐成本低﹐但保存期不長﹐適于當地銷售。

瓶裝﹕為了保持啤酒質量﹐減少紫外缐的影響﹐一般采用棕色或深綠色的玻璃瓶。空瓶經浸瓶槽(鹼液2～5%﹐40～70℃)浸泡﹐然后通過洗瓶機洗凈﹐再經灌裝機灌入啤酒﹐壓蓋機壓上瓶蓋。經殺菌機巴氏殺菌后﹐檢查合格即可裝箱出廠。

罐裝﹕罐裝啤酒于1935年起始于美國。第二次世界大戰中因軍需而發展很快。戰后經一系列技術改造﹐需要量逐步上升。1966年﹐美國的瓶裝與罐裝之比已為52﹕46。罐體材料為鋁或銅。罐裝啤酒體輕﹐運輸攜帶和開啟飲用方便﹐因此很受消費者歡迎﹐發展很快。PET(聚對苯二甲酸乙二酯)塑料瓶裝﹕自1980年后投放市場﹐數量逐年增加。其優點為高度透明﹐重量輕﹐啟封后可再次密封﹐價格合理。主要缺點為保氣性差﹐在存放過程中﹐CO逐漸減少。增添涂層能改善保氣性﹐但貯存時間也不能太長。PET瓶不能預先抽空或巴氏殺菌﹐需采用特殊的灌裝程序﹐以避免攝入空氣和污染雜菌。本文設備為瓶裝生產線。

無論是國產生產線，還是引進生產線，傳統控制系統與現場設備之間的傳輸數據方式可由現場總線代替。連接自動化控制系統和現場智能設備之間的多分支結構、雙向傳輸、數字化的通訊網絡即為現場總線。要想獲得設備中大量數據，對故障點及時判斷，可以依靠診斷功能，將發生故障的時間降低，實現了對實時數據的遠程監控。因此，采用現場總線，是外界與自動化、底層現場設備之間的信息交換、綜合自動化的有效實施、集成企業信息實現的前提。現場總線相比較傳統設備之間一對一的接線方式，簡化了所有連線，大大減少維護、安裝、設計的工作量，大量節省了曹家、電纜及相應接口設備，還可連接ERP系統，一體化管、控、測。

1 MODBUS總線

在上世紀七十年代MODBUS總線協議誕生，該協議為完全開放的通訊協議，而這種協議目前在自動化儀表方面得以廣泛應用。MODBUS協議已經成為工業通用標準，網絡經由網絡、控制器相互之間通過該協議可以通信，是在電子控制器上應用的通用語言。不同廠商通過MODBUS總線所生產的控制設備能夠以工業網絡的方式實現集中監控。采用主站查詢從站的方式作為MODBUS總線協議，而RJ45、RS422、RS485、RS232等均可以作為物理接口，光纖或屏蔽雙絞線可作為通訊介質。但用雙絞線、并采用RS232接口布袋中繼器的通訊速率為20Kbps，最大距離為15米。

2 INTTERBUS總線

INTTERBUS現場總線能夠構的拓撲形式諸多，其串行總線較為開放。嵌套連接方式允許有十六級，在不適用中繼器網絡時，設備之間的最大距離為13公里。本地總線和遠程總線構成了INTTERBUS總線，遠距離傳送數據采用遠程總線，網絡自身不供電，采用RS-485進行傳輸。INTTERBUS同時傳送電源和數據，其有著自身獨特的環路結構，環路采用了標準電纜。環路允許智能終端儀表的直接接入，能夠連接數字、模擬設備，還可以將連接復雜的執行器和傳感器。INTTERBUS總線能夠對整個網絡系統運行狀態進行監控，具有很高監視診斷功能。與此同時，它還能夠按照設計要求，利用總線網絡自身具有的變結構功能，將總線的某個子總線段連接和關斷。在現場的維護、診斷、調試、安裝等方面，監控功能是有效的工具。對部件錯誤和安裝錯誤進行識別和確定是現場總線具體功能，具有輸出、輸入狀態顯示，輸出狀態可在調試時設置，同時智能設備的參數也可以保存。

3 MODBUS PLUS總線

MODBUS PLUS總線協議適用于工業實時控制局域網的建立，主計算機數據采集、連接操作員接口、遠程編程、上傳與下載程序、數據監測、過程控制等等是其典型應用。MODBUS PLUS總線協議物理接口時RS485，通訊速率為1Mbps，最大節點數位64個，為一種異步半雙工通訊對等網絡協議。1Mbps為MODBUS PLUS總線網絡通訊速率。其實時控制裝置不會因通訊量或加載等原因而降低性能，例如：I/O裝置的能力。因此，MODBUS PLUS總線網絡能夠對過程數據進行快速存取。它具有諸多特點，如易于安裝、對等通訊、綜合高速等，通過使用低成本的光纖電纜或成本低廉的雙絞線電纜，是的其他數據源、可編程邏輯控制器、計算機等作為同位體在整個網絡中進行通信。

4 設計自動控制系統

企業安裝一條啤酒全自動灌裝生產線，產量為24000瓶/H，貼標機工作站、灌裝機工作站、封箱機工作站為進口設備，其他工作站設備為國產設備。MODBUS以及INTTERBUS工業現場總線應用于國產工作站設備控制系統連接，而且以MB+網的標準來連接整條生產線上PLC，并且連接上位機，通過組態監控整條生產線。

4.1 網絡構架

整體自動控制系統為雙層網絡，INTERBUS網作為下層，串接MOMENTUM分布式I/O模式；而MB+網作為上層，即采集數據及信息管理層，用于循環、快速地域現場設備交換數據，其可掛節點為三十二個。

4.2 功能

將七個PLC現場控制站設置與整線中，這七個PLC現場控制站分別是酒瓶清洗工作站、酒瓶傳送工作站、酒瓶殺菌工作站、包裝箱卸箱工作站、包裝箱輸送工作站、分道裝箱工作站、CIP工作站。現場控制站需要負責發送控制指令、并完成數據的采集，可以說現場控制站是控制的核心，在I/O基板上插入其處理器適配器與通信適配器就能夠按照功能模塊進行工作，在DIN導軌上安裝I/O基板，所有的I/O模塊采用INTERBUS通訊電纜就能夠連接起來。分布式I/O模塊、INTERBUS-S通訊適配器、MB+選項適配器、CPU等，都是現場控制站的主要硬件。與主控室相關的數據的輸出和采集可通過遠程I/O節點、I/O模塊、MB+通信適配器共同構成。

采用硬雙機熱備系統作為中間信息處理部分，正常運行狀態下，相應程序由主機執行，主控室遠程I/O節點與現場控制站之間的數據可進行轉換，當CRP、NOM、CPU、主機電源等失效的情況下，在50ms的時間內，實現備機工作狀態的自動切換。在此，來看一下中間信息處理部分的硬件組成。采用同軸電纜網絡的相互連接為遠程I/O處理模塊；而同步模塊包括接受和發送兩個光纖通訊端口；擴展通訊能力由MB+通訊模塊為系統提供；CPU含有兩個通訊端口，分別是MB+、MODBUS。采用開放的MB+網作為通訊網絡，用BM+網線電纜、MB+分支器、MB+站分支電纜連接MB+通訊模塊，主網上所能夠連接的節點有32個，根據情況還可以再擴展32個節點，但需要通過MB+通訊模塊。每個現場控制站的操作員站可由一個觸摸屏擔當，連接MOMENT CPU自帶的MODBUS口與觸摸屏，就能對各個機臺的情況進行監控了。在查詢和監控各機臺的狀態時，可通過動畫、圖形、圖表等直觀方式，應用組態軟件來實現。上位機還能夠在主控室中進行擴展，在對整條生產線情況進行監控時，作為MB+的節點，上位機可采用組態軟件，查詢和監控生產線上各臺設備的狀態時，通過動畫、圖形、圖表等直觀的方式來實現控制。

5 結束語

企業自2010年投入使用該系統后，運行可靠、穩定。啤酒灌裝生產線自動控制系統現場總線技術節約了電纜量，很大程度上減少了維護、安裝、設計系統的工作量。CONCEPT軟件可以編寫多種編程語言，而啤酒灌裝設備的標準功能由現場控制站控制程序實現。而將現場總線聯網技術應用整條生產線中，有效地實現了企業管、控、測一體化，在整線中還可通過擴展上位機來增加社會效益。

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