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 徐敏1，趙林林1，2，姚年春1

1．江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械電子與信息工程學(xué)院（淮安223002）；2．南京林業(yè)大學(xué)機械電子學(xué)院（南京210037）

摘  要  介紹了食品級玻璃瓶清洗設(shè)備的工作流程，分析了系統(tǒng)的控制要求，構(gòu)建了以泓格WinCon-8747可編程自動化控制器為核心的洗瓶控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了食品級玻璃瓶進瓶、清洗、吹干與出瓶生產(chǎn)過程的全自動控制。實際運行結(jié)果證明，設(shè)計的系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強、精度高、易于操作與擴展等特點。

關(guān)鍵詞玻璃瓶；清洗設(shè)備；自動控制：PAC

  在國家新版食品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范中，對食品的生產(chǎn)工藝流程與食品的質(zhì)量控制極為嚴格。許多食品企業(yè)為抵御生產(chǎn)風(fēng)險，保證食品質(zhì)量，開始對部分生產(chǎn)合格率已位于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下限的食品機械裝備進行改造，其中重點之一即為食品級玻璃瓶清洗設(shè)備�；�于設(shè)備的特殊性，洗瓶設(shè)備不單要簡化其機械結(jié)構(gòu)，壓縮生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品升級換代頻率，更為重要的是

需要綜合采用傳感技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)和可編程控制技術(shù)等，提高設(shè)備的機電一體化程度，保證空瓶的清洗質(zhì)量，確保滿足食品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范。

 為切實提高食品級玻璃瓶的洗凈程度、洗瓶效率、智能化程度以及與其它設(shè)備的配套性，要求其具有高性能的控制器、完善的人機界面、可升級的系統(tǒng)軟件與運動控制單元。目前，大部分設(shè)備采用PLC作為核心控制器，它性能穩(wěn)定、可靠，具有優(yōu)良的擴展性，但不同品牌的PLC的硬件體系之間互不兼容且需選擇相應(yīng)的控制規(guī)程，缺乏PC機的靈活性以及基于PC的高效編程軟件。可編程自動化控制器PAC兼具PLC的穩(wěn)定性與PC機的強大功能，可運用于邏輯控制、運動控制與過程控制等場合，該文提出了一種基于PAC的洗瓶機控制系統(tǒng)的改造方案。

 PAC采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于控制系統(tǒng)升級，在操作系統(tǒng)下可利用VB.NET、eVC++等軟件進行開發(fā)且具有支持多種通信協(xié)議的能力，通過自身配置的接口能夠便利地與其它系統(tǒng)融合。因此，基于PAC的洗瓶機的控制是未來的發(fā)展趨勢。

1  設(shè)備工作流程及控制要求

  玻璃瓶清洗設(shè)備主要由進瓶段、清洗段（含吹干）和出瓶段組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，清洗段包括水槽、循環(huán)水泵、噴針與絲網(wǎng)輸送帶。在清洗段內(nèi)，采用一超+水氣交替噴洗。回收的循環(huán)水儲存于水槽內(nèi)，玻璃瓶在水中浸泡并經(jīng)超聲波振動清洗；而后將玻璃瓶以倒立狀態(tài)送入6個清洗工位，第一、第二工位接循環(huán)水沖洗，第三工位進行壓縮空氣吹洗，第四、第五工位分別接去離子水、注射用水沖洗，第六工位進行壓縮空氣吹干。36針噴針架每6針接一固定介質(zhì)，清洗一個工位。其中，第一、第五和第六工位上方有散形噴嘴，可同時對玻璃瓶的外表面進行吹洗與沖干。沖洗后的去離子水及注射用水經(jīng)過濾后仍可作為循環(huán)水使用，有利于減小用水量。在出瓶段設(shè)置夾爪機械手的目的是翻轉(zhuǎn)倒立的玻璃瓶，以便進入下一道工序。

 根據(jù)上述工作流程，食品級玻璃瓶清洗設(shè)備控制系統(tǒng)需實現(xiàn)下列要求：

 1)清洗設(shè)備設(shè)有自動與手動2種工作方式。自動控制方式應(yīng)用于設(shè)備的啟停及清洗期間整機的運行控制；手動控制方式可以滿足檢修或聯(lián)合調(diào)試運行的需求。

 2)可以通過觸摸屏調(diào)節(jié)主電動機速度，預(yù)設(shè)水槽溫度、超聲波發(fā)生器的頻率。

 3)通過閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)加熱裝置的啟停，保證水槽內(nèi)水溫維持在80℃～85℃之間。

 4)實現(xiàn)水位的自動調(diào)節(jié)，并通過觸摸屏實現(xiàn)各清洗介質(zhì)的壓力值（循環(huán)水壓力≥0.1 M Pa，去離子水、注射用水壓力≥0.2 M Pa，壓縮空氣壓力≥0.15 M Pa）的實時監(jiān)測。

 5)檢測超聲波強度，確保清洗質(zhì)量。

 6)將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至上位計算機，以保證與生產(chǎn)線聯(lián)機運行時的穩(wěn)定、可靠。

2控制系統(tǒng)方案設(shè)計及硬件配置

2.1系統(tǒng)方案

 為了滿足以上控制要求，系統(tǒng)選用了PAC控制器作為控制系統(tǒng)的下位機，控制清洗設(shè)備的運行；觸摸屏用于選擇設(shè)備工作模式、設(shè)定各項運行參數(shù)、顯示實時工作狀態(tài)及故障警示信息；網(wǎng)絡(luò)連接模塊負責(zé)與遠程服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，建立遠程數(shù)據(jù)庫，同時可以在監(jiān)控上位機上進行數(shù)據(jù)、圖表等的處理與查詢。

 現(xiàn)場采集主電動機及網(wǎng)帶電動機轉(zhuǎn)速，水槽內(nèi)水溫、水位信號，各清洗介質(zhì)壓力值等參數(shù)。①電動機采用變頻調(diào)速實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，變頻器調(diào)頻通過精度更高的數(shù)字量頻率給定；②通過一個閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，完成水溫檢測與加熱裝置控制；③水槽水位可利用水位傳感器自動檢測，并控制進、出水電磁閥；④采用衛(wèi)生型壓力變送器檢測噴淋水、循環(huán)水、去離子水、注射用水和壓縮空氣等清洗介質(zhì)的壓力值；⑤當(dāng)與接于超聲波發(fā)生器電源線上的電流互感器相連接的智能功率表的顯示數(shù)值小于設(shè)定功率（P=標(biāo)準(zhǔn)功率密度×面積，標(biāo)準(zhǔn)功率密度一般為0.3 W／cm2）時，智能功率表報警以提醒工作人員停機。

食品級玻璃瓶清洗設(shè)備控制系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

2.2硬件配置

2.2.1主控模塊

 綜合考慮現(xiàn)場控制要求與遠程通訊需要，PAC系統(tǒng)選擇具有典型RISC架構(gòu)，配置有INTEL strongARM 206 MHz處理器，64 M bytes SRAM，32 M bytes閃存，16 K bytes E2PROM的泓格科技Win Con-8747為主模塊。Win Con-8747是以W-8x3x系列為基礎(chǔ)發(fā)展而來的，同樣有1個VGA口、1個RS-232( COM2 9針D-Sub)接口和1個RS-485(COM3 2-wire TerminalBlock)接口，但增加了1個USB端口和1個10/100 M以太網(wǎng)接口，即具有2個USBl.1和2個RJ45端口，提供了冗余功能。此外，具備有能插入1個typeⅡ型CF卡的擴充插槽以及7個I/O擴充插槽�？刂葡到y(tǒng)即使用Win Con-8747提供的多種接口，便利地與分布式I/O模塊、觸摸屏、無線網(wǎng)卡和變頻器相連。

2.2.2  分布式I/O模塊

 1) AI模組：控制系統(tǒng)需要采集轉(zhuǎn)速、水位和壓力等8個傳感器信號，選用1塊8通道模擬量隔離輸入模塊I-87017H，每個通道均可以接受標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號。

 2) AI模組：對于控制系統(tǒng)中用來測量水槽內(nèi)水溫的Pt 100鉑熱電阻，選擇4通道熱電阻輸入模塊I-87013W采集溫度傳感器的輸出信號并進行A/D轉(zhuǎn)換。

 3) DI/O模組：選用4通道數(shù)字輸入／4通道數(shù)字輸出光電隔離模塊I-8063，用于采集現(xiàn)場接通、急停等開關(guān)量輸入信號。

 4) DO模組：控制系統(tǒng)輸出的繼電器信號包括電加熱裝置、循環(huán)水泵、報警器及設(shè)備指示燈的驅(qū)動信號，選用8通道功率繼電器輸出模塊I-8064W。

 5) AO模組：4通道模擬量隔離輸出模塊I-8024W控制進、出水電磁閥的開度。

2.2.3觸摸屏模塊

 觸摸屏性價比高，能與具有串口、并口和USB口等通訊接口的控制器相連接，適合幾乎所有的工業(yè)自動化場合。系統(tǒng)現(xiàn)場觸摸屏選擇WEINVIEW 7英寸65536色TFT LCD顯示器MT6070iH2，通過USBl.1接口與主控模塊直接相連，其具有400 MHz CPU，128 MB內(nèi)存，可進行數(shù)據(jù)輸入、信息顯示且具有良好的可交互性。

2.2.4工業(yè)無線網(wǎng)卡

 Wincon-8747控制器可通過自身配置的多端口，選擇匹配的網(wǎng)絡(luò)接人方式。系統(tǒng)選用STG-8600 DTU通過一路標(biāo)準(zhǔn)的RS232通信接口，完成快速無線聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)與上位計算機之間高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信。

2.2.5變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

 變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)速范圍寬、效率高且具有變速平穩(wěn)、沖擊電流小的特點，應(yīng)用于系統(tǒng)中，既確保了玻璃瓶清洗設(shè)備的運行安全，也延長了其機械部分的使用壽命。

 系統(tǒng)選用勵磁效果好、驅(qū)動能力強的三菱FR-F700變頻器，配合制動電阻，設(shè)定三檔速度的頻率，控制電動機帶動主鏈條平穩(wěn)變速。FR-F700變頻器利用其內(nèi)置的RS485通信接口與控制器通信，抗擾能力強，傳輸距離遠、速度快，整體控制電路結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定、可靠。FR-F700變頻器多段速度選擇波形如圖3所示。

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

  玻璃瓶清洗設(shè)備的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括兩個方面：上位機軟件和下位機軟件。

3.1上位機軟件

  上位機軟件由C++語言開發(fā)，創(chuàng)建設(shè)備控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并可以利用圖、表等多種形式調(diào)用和導(dǎo)出運行參數(shù)；同時，通過控件完成與數(shù)據(jù)庫的連接，可對設(shè)備進行管理。上位機軟件流程如圖4所示。

3.2下位機軟件

 下位機軟件采用預(yù)裝的羅克韋爾公司的ISaGRAF自動化軟件開發(fā)，程序設(shè)計由梯形圖完成，在WinCE.net 4.1系統(tǒng)下，實現(xiàn)主控模塊的驅(qū)動以及現(xiàn)場運行參數(shù)的采集，并根據(jù)軟件算法對實時運行狀態(tài)進行判斷并自動完成輸出控制。若長期發(fā)生水溫、水位、壓力超限等異常狀態(tài)，能夠發(fā)出警報以及進行界面顯示。下位機控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

4結(jié)語

 應(yīng)用高精密Wincon-8747可編程自動化控制器改造后的食品級玻璃瓶清洗設(shè)備的啟動和運行穩(wěn)定，管理能力強，開發(fā)周期短，調(diào)整操作方便，可以滿足控制系統(tǒng)的需求，生產(chǎn)效率得到了顯著提高，具有較好的實用性與廣闊的市場發(fā)展前景。