基于數(shù)字化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的啤酒全自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊銓，辛華健，吉雪花

（1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧，530001;2廣西商貿(mào)高級(jí)技工學(xué)校，廣西南寧，530007）

0 引言

全自動(dòng)啤酒生產(chǎn)線系統(tǒng)主要在原有生產(chǎn)線上通過數(shù)字化設(shè)計(jì)的方式設(shè)計(jì)一套基于PLC控制的全自動(dòng)啤酒罐裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，以提高機(jī)器的自動(dòng)控制水平。該設(shè)計(jì)在使用MCD軟件進(jìn)行機(jī)電設(shè)計(jì)仿真后采用PL作為控制器控制整個(gè)啤酒灌裝控制系統(tǒng)的控制單元。系統(tǒng)能夠利用仿真技術(shù)與軟件控制系統(tǒng)和生產(chǎn)線管理系統(tǒng)相連接，從而虛擬的環(huán)境上解決啤酒的生產(chǎn)控制。灌裝過程比較精確、嚴(yán)密，設(shè)計(jì)難度也在降低，對(duì)實(shí)際啤酒工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生巨大的作用。

(1）可以有效優(yōu)化啤酒的生產(chǎn)效率。通過數(shù)字化設(shè)計(jì)進(jìn)行啤酒灌裝系統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以減少設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)的靈活度，并且在設(shè)計(jì)過程中不影響生產(chǎn)，減少人工操作，容易擴(kuò)展，可以有效滿足生產(chǎn)線優(yōu)化的需求。

(2）可以改良工作的條件。通過數(shù)字化技術(shù)融入到設(shè)計(jì)中，可以有效地在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)啤酒灌裝系統(tǒng)自動(dòng)化控制后再布置到現(xiàn)場(chǎng)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不需要停工，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后不再需要人工進(jìn)行手動(dòng)操作，能夠有效提升生產(chǎn)的先進(jìn)程度，降低生產(chǎn)成本。

基于數(shù)字化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的全自動(dòng)啤酒灌裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，主要是改良生產(chǎn)工藝，提高機(jī)器的自動(dòng)控制水平為目的。該設(shè)計(jì)采用的PLC作為整個(gè)啤酒灌裝控制系統(tǒng)的控制單元,利用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)自動(dòng)填充軟件組成控制和虛擬調(diào)試系統(tǒng)，并能夠與生產(chǎn)線管理系統(tǒng)相連接，從而解決啤酒灌裝生產(chǎn)的全自動(dòng)控制。灌裝過程比較精確、嚴(yán)密，對(duì)實(shí)際啤酒工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生巨大的作用。通過啤酒灌裝系統(tǒng)自動(dòng)化控制，首先可以提高啤酒生產(chǎn)效率，減少人工操作，容易擴(kuò)展，可以滿足客戶業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的需求；其次可以改良工作的條件，通過實(shí)現(xiàn)啤酒灌裝系統(tǒng)自動(dòng)化控制后，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不再需要人工進(jìn)行手動(dòng)操作，從而降低勞動(dòng)成本。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 啤酒自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)的總體控制要求

啤酒自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)的總體控制要求：按照要求寫入灌裝量，系統(tǒng)開始運(yùn)行，傳感器檢測(cè)斗門是否關(guān)閉，自動(dòng)控制對(duì)啤酒物料的重量，并將設(shè)置的定值顯示在觸摸屏上，啤酒在壓力作用下進(jìn)入瓶中，過程中設(shè)置凈重檢測(cè)修正，并對(duì)稱量誤差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償校驗(yàn)，最后還要在灌裝控制系統(tǒng)中設(shè)置有相應(yīng)的故障檢測(cè)、報(bào)警信號(hào)。啤酒自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)主要由配料稱重儀、電磁閥和電動(dòng)機(jī)等幾部分組成。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 啤酒生產(chǎn)工藝流程

啤酒生產(chǎn)工藝流程可以分為制麥、糊化、過濾、煮沸、酒花、回旋沉淀、冷卻、發(fā)酵、成熟、過濾、包裝、分銷等流程。現(xiàn)代化的啤酒廠一般已經(jīng)不再設(shè)立麥芽車間，因此制麥部分也將逐步從啤酒生產(chǎn)工藝流程中剝離。啤酒的灌裝生產(chǎn)是啤酒出廠前的最后一道環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌裝可以有效地提升啤酒的生產(chǎn)效率。

1.3 灌裝控制系統(tǒng)用稱重儀控制原理

啤酒灌裝的控制采用可編程控制進(jìn)行信號(hào)提取和控制，散裝進(jìn)料采取兩級(jí)進(jìn)料，粗進(jìn)料時(shí)進(jìn)料流量大，用短時(shí)間加入90%的公稱重量，細(xì)進(jìn)料時(shí)進(jìn)料流量低，5%至10%的額定重量，如果進(jìn)料重量達(dá)到98%，則關(guān)閉進(jìn)料閘門，而不是等到它達(dá)到100%，這樣可以保證速度和精度，具體如圖2所示。

圖2 啤酒灌裝控制系統(tǒng)示意圖

最先開始需要測(cè)試料斗的重量，才能進(jìn)行稱重的工作，這樣可以在一定程度上，避免啤酒粘在料斗上壁，減少稱重誤差。因此，在設(shè)備停止運(yùn)作時(shí)，需要對(duì)此誤差造成的因素進(jìn)行相應(yīng)的處理，在可控的情況下，從而保證料斗內(nèi)沒有物料。也可以在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)錄入設(shè)置的定值，在傳感器的作用下判斷斗門是否到位，在調(diào)速系統(tǒng)下快、中、慢進(jìn)料，加料信號(hào)結(jié)束后，進(jìn)行穩(wěn)定狀態(tài)判斷，從而進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，最后得到相關(guān)的誤差，在下一個(gè)循環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償校正。

此灌裝控制系統(tǒng)采用托利多B8520稱重儀中的有斗模式，其接線圖如圖3所示。該模式的稱重過程將在稱量斗中完成，當(dāng)傳感器判斷斗門關(guān)閉時(shí)會(huì)在IN口采集到一個(gè)上升沿信號(hào)，稱重儀按照PLC程序要求給定的速度進(jìn)料，設(shè)置一定的延遲，接著在其稱量作用的情況下完成稱量工作，然后傳感器會(huì)根據(jù)PLC程序判斷壓蓋信號(hào)是否到位，最后整個(gè)過程在控制器的作用中將完成灌裝過程。

圖3 稱重儀接線圖

稱重儀可將稱重傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為重量數(shù)字顯示，并可對(duì)重量數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、統(tǒng)計(jì)、打印的電子設(shè)備，選用的型號(hào)為托利多B8520稱重儀。

稱重系統(tǒng)的控制單元，可以輸入現(xiàn)場(chǎng)稱重信號(hào)，與給定值進(jìn)行比較，最后輸出到可編程控制器以控制粗灌閥和精灌閥。

2 啤酒自動(dòng)灌裝系統(tǒng)的數(shù)字化建模

根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，需要對(duì)啤酒的灌裝生產(chǎn)線進(jìn)行數(shù)字化建模，首先采用SolidWorks軟件按照1：1的比例對(duì)灌裝生產(chǎn)線進(jìn)行數(shù)字化建模，并在MCD軟件上根據(jù)生產(chǎn)工藝現(xiàn)場(chǎng)的尺寸，完成整個(gè)灌裝生產(chǎn)線的建模和布局，具體如圖4所示。

圖4 啤酒灌裝控制系統(tǒng)示意圖

3 啤酒自動(dòng)灌裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 啤酒灌裝系統(tǒng)的仿真

完成數(shù)字化建模后，再需要在MCD軟件上對(duì)灌裝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化仿真，在MCD設(shè)計(jì)中需要通過對(duì)啤酒全自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線的運(yùn)動(dòng)流程來分析其運(yùn)動(dòng)副關(guān)系（如圖5所示），并且根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副系，在確定好運(yùn)動(dòng)副關(guān)系后就可以添加驅(qū)動(dòng)控制，并對(duì)這些驅(qū)動(dòng)控制設(shè)置仿真序列，達(dá)到實(shí)現(xiàn)啤酒生產(chǎn)線的工藝流程仿真的目的。

圖5 啤酒灌裝生產(chǎn)線MCD仿真運(yùn)動(dòng)副關(guān)系

完成運(yùn)動(dòng)副關(guān)系的設(shè)置后，就可以將相應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)與PLC的相應(yīng)的控制接口和存儲(chǔ)器進(jìn)行鏈接（具體如圖6所示），以此實(shí)現(xiàn)通過PLC控制MCD軟件中相應(yīng)虛擬仿真部件的目的。

圖6 啤酒灌裝生產(chǎn)線MCD與PLC鏈接關(guān)系表

3.2 啤酒灌裝系統(tǒng)的控制

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在主機(jī)上，通過PLC將高速進(jìn)給，低速進(jìn)給，前進(jìn)量和目標(biāo)值寫入Toledo B520稱重控制器。稱重系統(tǒng)的當(dāng)前值可顯示在觸摸屏上，系統(tǒng)能進(jìn)行正常運(yùn)行的監(jiān)管。控制系統(tǒng)包括控制高速，中速和低速進(jìn)料門的打開和關(guān)閉，制袋操作以及鏟斗門的打開和關(guān)閉的過程。

在編程過程中，一旦打開電源，SM0.0指令隨之打開，PLC掃描周期調(diào)用正確MBUS_CTRL指令，以實(shí)現(xiàn)通信，“完成”將輸出功率流。其過程需設(shè)置奇偶校驗(yàn)?zāi)Ｊ剑⑶覍?duì)應(yīng)匹配。而有關(guān)的CH_Ready的操作數(shù)是存儲(chǔ)在低位字節(jié)中八個(gè)連續(xù)通道的狀態(tài)。第0位表示連接0的接通狀態(tài)，第2位表示連接2的接通狀態(tài)，以此類推。如果已連接就對(duì)應(yīng)“ 1”位，未連接則對(duì)應(yīng)“ 0”位。

4 控制系統(tǒng)的組態(tài)仿真

4.1 系統(tǒng)組態(tài)環(huán)境

使用組態(tài)王軟件進(jìn)行控制畫面的組態(tài)仿真，可以在畫面開發(fā)系統(tǒng)建立啤酒灌裝控制系統(tǒng)的圖形畫面。組態(tài)王Kingview 6.60擁有豐富的設(shè)備支持庫，支持1000多個(gè)廠家近4000種設(shè)備，而且腳本語言處理功能強(qiáng)大，方便變量導(dǎo)入導(dǎo)出及自動(dòng)創(chuàng)建變量，具有可視化操作界面，真彩顯示圖形，支持漸進(jìn)色，并有豐富的圖庫以及動(dòng)畫連接，全新的WebServer架構(gòu)，全面支持畫面發(fā)布、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布、歷史數(shù)據(jù)發(fā)布及數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的發(fā)布，強(qiáng)大的分布式報(bào)警、事件處理，支持分布式報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，支持OCX控件的全新web發(fā)布。

4.2 組態(tài)監(jiān)控畫面的建立

在開發(fā)系統(tǒng)“文件”菜單中執(zhí)行“全部存”命令將設(shè)計(jì)的畫面和程序全部存儲(chǔ)。接著在工程瀏覽器中，單擊快捷工具欄上“運(yùn)行”配置命令按鈕，出現(xiàn)“運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)置”對(duì)話框。在“主畫面配置”選項(xiàng)卡中，選中制作的圖形畫面“PC 與PC 串口通信”，單擊“確定”按鈕將其配置成主畫面。最后在工程瀏覽器中，單擊快捷工具欄上“VIEW”按鈕或在開發(fā)在啤酒灌裝生產(chǎn)線控制畫面中，以傳送帶對(duì)灌裝的進(jìn)料速度進(jìn)行控制，并且監(jiān)控當(dāng)前值，其仿真運(yùn)行與調(diào)試畫面如圖7所示。

圖7 啤酒全自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)仿真畫面