單端洗瓶機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

張明 許銀萍 張宇軒

創(chuàng)新

單端洗瓶機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

/合肥中辰輕工業(yè)機(jī)械有限公司

分析一種常見(jiàn)單端洗瓶機(jī)主要組成及工作原理，通過(guò)總結(jié)該類機(jī)主要控制要求，給出單端洗瓶機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)及HMI人機(jī)界面設(shè)計(jì)。

單端；洗瓶機(jī)；控制系統(tǒng)；人機(jī)界面

1 前言

飲料、啤酒行業(yè)最早和廣泛使用的玻璃瓶單端洗瓶機(jī)，占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、清洗干凈徹底、維修簡(jiǎn)單，得到青睞。隨著自動(dòng)化程度的提高，洗瓶機(jī)的控制也實(shí)現(xiàn)了電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)控制、溫度自動(dòng)控制、跟蹤噴淋控制、故障檢測(cè)和診斷等智能化控制系統(tǒng)。在實(shí)際使用過(guò)程中，對(duì)于操作者，尤其是新手，很難直接上崗，經(jīng)常出現(xiàn)變量經(jīng)驗(yàn)值誤輸入、故障問(wèn)題難以及時(shí)排除等問(wèn)題。

本文以某廠典型的YPD424B單端洗瓶機(jī)為例，分析并設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)控制與人機(jī)界面結(jié)合的操作裝置，其全部生產(chǎn)過(guò)程由可編程控制器、變頻調(diào)速技術(shù)以及目前最流行的工業(yè)級(jí)人機(jī)界面組成的電控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使得設(shè)備的檢測(cè)、維修更加簡(jiǎn)單、快捷。

2 單端洗瓶機(jī)主要組成及工作原理

此機(jī)器是屬于連續(xù)浸泡加內(nèi)外噴沖式洗瓶機(jī)，主要由進(jìn)瓶裝置、槽體、載瓶鏈和載瓶架、主傳動(dòng)系統(tǒng)、出瓶裝置、液位顯示及控制組成。需要洗滌的玻璃瓶，由輸瓶帶輸送到洗瓶機(jī)的進(jìn)瓶理瓶臺(tái)上，在理瓶臺(tái)排列完成后，由進(jìn)瓶裝置把玻璃瓶送入由主鏈帶動(dòng)的載瓶架之瓶盒中，再依次進(jìn)入預(yù)浸泡槽、浸泡槽I、浸泡槽II、浸泡槽III、熱水槽和溫水槽，最后由出瓶裝置送出。各個(gè)浸泡槽的堿液濃度和溫度要求不同，液位高低也不同，要求每槽溫差梯度不能超過(guò)39℃，否則容易碎瓶。槽體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。

3 控制系統(tǒng)分析與方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制方案

（1）整機(jī)工作畫面能在人機(jī)界面動(dòng)態(tài)顯示，輸瓶臺(tái)速度、搓瓶臺(tái)速度能根據(jù)產(chǎn)能自動(dòng)調(diào)整。

（2）輸入現(xiàn)場(chǎng)要求的設(shè)定值后，各槽溫度、液位能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

（3）洗瓶機(jī)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)過(guò)載、排瓶堵瓶倒瓶、進(jìn)瓶跳瓶、電機(jī)過(guò)載等問(wèn)題時(shí)必須在觸摸屏上有彈窗顯示。

（4）啟動(dòng)主電機(jī)，各電機(jī)、風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作。若機(jī)器出現(xiàn)臨時(shí)故障，電機(jī)風(fēng)機(jī)不停機(jī)。出現(xiàn)過(guò)載，電機(jī)風(fēng)機(jī)都要立即停止運(yùn)行。進(jìn)瓶復(fù)位電機(jī)、排瓶故障電機(jī)能電動(dòng)控制。

（5）主電機(jī)啟動(dòng)后，除標(biāo)泵、堿液沖洗泵、回收泵能啟動(dòng)，若主傳動(dòng)控制因?yàn)樵O(shè)備出現(xiàn)故障而臨時(shí)暫停，泵不需要停機(jī)。當(dāng)泵出口壓力小于設(shè)定值，除標(biāo)泵、堿液沖洗泵、回收泵都要延時(shí)停機(jī)。當(dāng)泵過(guò)載或者按下停止按鈕，相應(yīng)泵必須立即停止。

（6）主電機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)任一堿槽液位低于設(shè)定值或浸泡槽III溫度高于設(shè)定值時(shí)，補(bǔ)水控制閥能自動(dòng)打開(kāi)，出現(xiàn)三個(gè)堿液添加閥同時(shí)打開(kāi)的狀況，補(bǔ)水閥須延時(shí)關(guān)閉。主電機(jī)啟動(dòng)，新水閥自動(dòng)打開(kāi)，主電機(jī)停止時(shí)，此閥會(huì)延時(shí)關(guān)閉。主電機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)箱體液位低于設(shè)定值時(shí)，堿液添加箱補(bǔ)水閥自動(dòng)打開(kāi)，高于設(shè)定值時(shí)，延時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)槽內(nèi)實(shí)際濃度檢測(cè)值低于設(shè)定值，或者液位低于設(shè)定值時(shí)，對(duì)應(yīng)閥門延時(shí)自動(dòng)打開(kāi)加濃堿，當(dāng)槽體濃度值高于設(shè)定值且液位高于設(shè)定值，對(duì)應(yīng)閥門要立即關(guān)閉。系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)整定調(diào)節(jié)閥開(kāi)度來(lái)控制堿槽溫度，使其精度保證在±5℃范圍內(nèi)。

以上控制方案，有利于解決當(dāng)前設(shè)備中各電機(jī)、泵啟停難以操控正確的問(wèn)題，也能解決故障不能及時(shí)停機(jī)、報(bào)警的問(wèn)題。

3.2 控制系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述控制要求，計(jì)算得出需要110個(gè)開(kāi)關(guān)量（62個(gè)輸入開(kāi)關(guān)量、48個(gè)輸出開(kāi)關(guān)量）、24個(gè)模擬量輸入口，3個(gè)模擬量輸出口?？紤]后選用西門子S7-1500 型PLC（14數(shù)字量輸入口+10數(shù)字量輸出口+2模擬量輸入口+2模擬量輸出口）作為主控制模塊，配有標(biāo)準(zhǔn)型 CPU（6ES7 511-1AK01-0AB0），再加上3個(gè)數(shù)字量輸入輸出模塊（16數(shù)字量輸入口+16數(shù)字量輸出口）、3個(gè)模擬量輸入模塊（8模擬量輸入口）、1個(gè)模擬量輸出模塊（4模擬量輸出口）。另外還需要三個(gè)變頻器對(duì)主傳動(dòng)電機(jī)、進(jìn)瓶裝置和出瓶裝置進(jìn)行速度控制，使得其運(yùn)行速度可根據(jù)生產(chǎn)情況來(lái)設(shè)置定速運(yùn)行。

3.2.2 軟件設(shè)計(jì)

在西門子專門的程序編輯軟件TIA博途STEP7 V15中進(jìn)行設(shè)備組態(tài)、變量地址分配、程序設(shè)計(jì)、人機(jī)界面設(shè)計(jì)。

（1）程序設(shè)計(jì)

根據(jù)要求共設(shè)計(jì)了七個(gè)程序塊，分別是主驅(qū)動(dòng)控制、泵控制、閥控制、故障報(bào)警、溫度控制、狀態(tài)顯示。

主驅(qū)動(dòng)控制：設(shè)計(jì)主傳動(dòng)控制程序、主電機(jī)手自動(dòng)控制程序，設(shè)置所有定時(shí)器的時(shí)間參數(shù)，建立主機(jī)產(chǎn)能與輸瓶臺(tái)電機(jī)速度、搓瓶電機(jī)速度的關(guān)系。設(shè)計(jì)程序多，此處列舉一段主控制程序（圖2）。

泵控制：設(shè)計(jì)各泵、除標(biāo)電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、抽濕風(fēng)機(jī)啟停（圖3）。

閥控制：設(shè)計(jì)新水閥、補(bǔ)水閥、堿液添加閥的啟停（圖4）。

故障報(bào)警：設(shè)計(jì)各處限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作、泵出口壓力低、排瓶堵瓶、進(jìn)瓶跳瓶、報(bào)警燈、蜂鳴器、泵、電機(jī)過(guò)載等報(bào)警程序（圖5）。

溫度控制：主要采用PID_Compact指令設(shè)計(jì)各槽溫度控制程序（圖6）。

（2）HMI人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面設(shè)計(jì)是專為可編程控制器（PLC）而設(shè)計(jì)的互動(dòng)式工作站，具備與（PLC）連接監(jiān)控能力，可用文字、數(shù)字、圖形同步顯示（PLC）內(nèi)部接點(diǎn)狀態(tài)，采用液晶顯示和觸摸按鍵，進(jìn)行對(duì)PLC 組成的自控系統(tǒng)監(jiān)視操作。本系統(tǒng)觸摸屏畫面采用西門子TIA博途軟件設(shè)計(jì)，包含主界面、生產(chǎn)監(jiān)控、泵控制、故障顯示、溫度設(shè)定、液位設(shè)定。

主界面畫面（圖7）中導(dǎo)航鍵用于切換各個(gè)操作界面；

生產(chǎn)監(jiān)控頁(yè)面（圖8）能直觀洗瓶機(jī)各處泵、液位及整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；

泵控制頁(yè)面（圖9）可切換整機(jī)、泵及所有電機(jī)的自動(dòng)與手動(dòng)操作模式，并有停止按鍵；

閥控制頁(yè)面（圖10）中SV處可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求輸入三堿槽的濃度設(shè)定值，PV處可觀察實(shí)際值；

液位設(shè)定頁(yè)面（圖11）用于輸入堿液添加箱以及三堿液槽的液位設(shè)定值，同時(shí)觀察實(shí)際液位值；

溫度設(shè)定頁(yè)面（圖12）中SV處可輸入各堿槽溫度設(shè)定值及PID參數(shù)值，且能觀察各堿槽溫度實(shí)際值；

故障控制頁(yè)面（圖13）隨時(shí)可觀察到各限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)、泵壓力報(bào)警、泵過(guò)載、排瓶堵瓶、輸瓶卡瓶，并能彈窗顯示等。

4. 結(jié)論

本機(jī)的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，用可編程控制器PLC進(jìn)行自動(dòng)控制，正常生產(chǎn)時(shí)應(yīng)置于運(yùn)行程序。當(dāng)機(jī)器處于運(yùn)行程序時(shí)，機(jī)器的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)作將由可編程控制器由掃描方式接收現(xiàn)場(chǎng)多種輸入設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)和來(lái)自傳感器的檢測(cè)信號(hào)，并按編制好的程序所規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，自動(dòng)依次完成進(jìn)瓶過(guò)程、各泵運(yùn)行、出瓶過(guò)程等整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)作的監(jiān)控。現(xiàn)場(chǎng)人員反饋認(rèn)為，這種結(jié)合自動(dòng)控制與人機(jī)界面操作的單端洗瓶機(jī)，操作維護(hù)容易，且能及時(shí)找出并處理故障。

[1]陳立定.王軍會(huì).洗瓶機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［J］. 食品工業(yè),2010（1）:97—99．

[2] 薛迎成.PLC 與觸摸屏控制技術(shù)［M］.北京: 中國(guó)電力出版社,2008

[3]劉小春.基于 PLC 的水箱水位 PID 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.裝備制造技術(shù)， 2017( 6):171-173．

[4]薛迎成. PLC 與觸摸屏控制技術(shù)［M］. 北京: 中國(guó)電力出版社，2008

[5]鮑兆臣.觸摸屏技術(shù)及其未來(lái)發(fā)展方向［J］.建材世界， 2014， 35( 5):74—77．

Analysis and design of Control System for single-end bottle washing machine

Analyzing the main composition and working principle of a common single-end bottle washing machine, presenting the hardware design, program design and HMI man-machine interface design of the control system of the machine by summarizing the main control requirements of the machine.

Single-End; Bottle washing machine; Control system; Human-machine interface