1、國內易拉罐灌裝機的現狀概述

        灌裝封蓋機由灌裝機和封蓋機組成，在2010年之前，國內產能超過600罐/min的啤酒、飲料生產線，設備幾乎全被KHS、Krones、Sidel等歐洲企業所壟斷。經過一段長時間的學習和摸索，國內設備制造商紛紛推出了高速易拉罐灌裝機，如樂惠、華創、新美星等等，廣東輕工機械二廠智能設備有限公司（以下簡稱廣二輕）更是推出1200罐/min和1500罐/min的代表性產品，填補了國內設備制造在此領域的空白，這些產品已經在燕京啤酒、青島啤酒的易拉罐灌裝生產線上使用，并創

造了巨大的經濟利益。

 

         由于國內原材質和模具鑄造能力落后于xianjin國家，目前600罐/min以上的易拉罐灌裝機，基本上都選配了xianjin國家的更優質、穩定的封蓋機（比如瑞士Ferrum或者美國Angelus），匹配組成一臺完整的易拉罐灌裝封蓋機。灌裝機主要精密部件比如密封件、液位探針等，在短期內我國無法達到發達國家水平，目前只能選用國外進口產品。一些優秀的國產產品逐漸開始在灌裝機上嘗試使用，如一些用戶的進口灌裝機在更換配件時，就開始使用國產件，這對國內生產制造力既是一種機遇，也是一種挑戰和競爭，在這個過程中，提高產品質量和性能，降低成本，這是工業發展的良性效應。

 

2國內易拉罐灌裝機的功能介紹

         目前國際xianjin設備制造商的產能在1200罐/min的易拉罐灌裝機，大都采用機械閥灌裝，即和瓶裝灌裝機原理一樣，都是基于等壓灌裝。產能在1200罐/min以上的，則采用電子閥灌裝，比如定量灌裝、流量計灌裝等高精度、高效率的灌裝方式。機械閥灌裝機結構和程序比較簡單，本文主要講述電子閥定量灌裝機。

 

以廣二輕自主研發制造的高速易拉罐灌裝機為例，空罐經過單鏈道輸送到達灌裝機，通過進罐蝸桿導入到進罐星輪后，按照對中、CO2沖洗、CO2備壓、料液灌裝、卸壓的順序完成灌裝步驟，再通過單鏈道進入封蓋機。其中，料液灌裝步驟采用的是位置、時間、定量控制，其余步驟采用的是位置、時間控制。定量灌裝控制的灌裝機具有以下特點：

（1）采用高精度外置式電子灌裝閥和定量灌裝方式，液位精度達1mm。

（2）灌裝過程參數以配方的方式給定參數后，在人機界面下載即可實現不同需求。

（3）適用于啤酒、可樂的冷灌裝，也適用于果汁飲料、茶飲料等的熱灌裝。

（4）整機采用潔凈型開放式結構設計，CIP清洗的裝杯和取杯全自動控制。

（5）處理不同高度的易拉罐時，灌裝缸和控制環的高度通過單獨的電機驅動調節，高度可通過人機界面自動調整，實現同步升降。

（6）機器的所有潤滑采用集中控制。

 

3電子閥易拉罐灌裝機的自動化控制

         電子閥定量灌裝的整機控制系統顯得尤為復雜,磁翻板液位計和各子站之間多種通訊方式的運用是zui為明顯的特點。

 

電氣自動化技術的飛速發展，已經在很多制造行業中充分體現，通訊方式的多元化是zui為閃耀的技術分支，以Profinet和Canopen為例，本文將以闡述這兩種通訊技術在國產高速易拉罐灌裝機的使用。

 

Profinet是新一代基于工業以太網技術的工業自動化通信標準[1]，其解決方案包含了諸如實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全及網絡安全等當前自動化領域，Profinet技術的出現將為工業自動化領域提供一種全新的通信解決方案，即整個工廠全部使用一個網絡連接在一起[2]。Profinet基于以太網，是完全開放的通訊協議，完全兼容工業以太網和現有的現場總線技術[3]。近年西門子推出的S7-300系列314以上的磁翻板液位計已經開始自帶Profinet接口，zui近推出的S7-1200、S7-1500系列磁翻板液位計，通訊接口均升級換代為Profinet。

 

Canopen是一種架構在控制局域網路（ControllerAreaNetwork，CAN）上的高層通信協議，包括通信子協議及設備子協議，常在嵌入式系統中使用[4]，也是工業控制常用到的一種現場總線。Canopen支援網絡管理、設備監控及節點間的通訊，其中包括一個簡易的傳輸層，可處理資料的分段傳送及其組合。Canopen協議屬于“主—從站協議”，一個Canopen網絡中有一個主站和若干個從站。每一個從站點都有一個ID號，一個數據字典和四種工作狀態[5]。Canopen協議將CAN總線協議的通信幀進行了進一步的封裝和分類，以滿足更高層次通信的需要[6]。

 

電子閥定量灌裝的易拉罐灌裝機電氣控制系統中，用于灌裝過程控制的閥島，就是通過Canopen的通訊方式和貝加萊的磁翻板液位計進行通訊，這種方式就是Canopen典型應用的縮影。

 

就廣二輕自主開發設計并且在用戶工廠（燕京啤酒）生產使用的時速72000罐/h的機器YDL108為例，全面分析其自動化控制系統。

 

在硬件方面，灌裝機主電柜的磁翻板液位計使用西門子317-2PN/DP和CP343-1通訊模塊及TP1500的人機界面；灌裝機遠程IO柜使用西門子ET200SP從站；灌裝系統磁翻板液位計使用貝加萊CP3585和PowerLink及Canopen模塊；灌裝執行系統采用Festo閥島PN通訊的VTUG系列。

 

在軟件方面，西門子磁翻板液位計編程使用Step7V5.5SP4編程平臺，HMI使用西門子博圖V15.1編程平臺；貝加萊磁翻板液位計編程平臺使用AutomationStudioV3.0.90A。本機器的主體電路安裝在主電柜中，包含了空氣開關、動力回路、變頻器、安全繼電器、磁翻板液位計等等。遠程IO柜主要用于機器機身和管陣周圍的一些檢測及閥門控制，這些元件不再單獨放線連接到主電柜，節省了繁瑣的硬線連接，同時也方便維護和檢修。

 

在這個系統中，作為機器zui重要的核心控制單元，西門子CPU317-2DP/PN創建了一條主流的Profinet通訊網絡，用于連接變頻器、遠程從站、子站磁翻板液位計；還有一條備用的ProfiBusDP網絡通訊資源。擴展槽中的CP343-1模塊，將用于和上下游設備建立通訊，實現生產線的智能運行。圖1為磁翻板液位計硬件組態。

 

CPU自帶的PN通訊口創建一條Profinet通訊網絡之后，遠程IO從站、人機界面、變頻器、貝加萊磁翻板液位計等設備的PN通訊口，通過工業交換機連接到此Profinet網絡[7]。然后在Step7編程軟件中，加載不同設備的GSD或者EDS文件后，通過硬件組態在線識別到各設備weiyi的Mac地址，對其分配不同的IP地址和設備名稱[8]，下載后，各設備就有了weiyi的寫入和訪問地址，在網絡上清晰可見。網絡視圖如圖2所示。

 

灌裝機配套了美國Angelus的封蓋機，考慮到機器運行和調試的獨立性，選擇的封蓋機自帶電控柜控制，然后在灌裝機和封蓋機彼此電控柜的磁翻板液位計中通過profinet建立S7通訊，實現了機器的實時數據交互，硬件組態的網絡視圖如圖3。

建立連接之后，在Step7軟件程序塊中調用系統標準通訊塊FB14，FB15進行讀寫編程。

 

灌裝機高速運行時，生產效率和機器的穩定性極其重要，本系統使用了計算機能力超群的貝加萊磁翻板液位計，專門用于108個工位的連續動作處理。貝加萊CPU為CP3585，擴展槽安裝Profnet通訊模塊X20IF10E-1，作為子站集成在西門子磁翻板液位計的Profnet網絡下，并且定義通訊長度，進行數據讀寫。

 

結合機械設計結構，機器上面的108個工位所有動作的執行機構由12個Festo的閥島組成，閥島安裝在機器的酒缸上方，這就決定了貝加萊磁翻板液位計只能以通訊的方式去控制閥島。經過多次討論和比較，選用了108個工位Canopen通訊協議的液位傳感器和帶Canopen通訊協議的閥島。貝加萊磁翻板液位計通過自帶的PowerLink接口，加裝兩塊PowerLink通訊單元X20BC1083，每個通訊單元再擴展兩個Canopen通訊模塊X20IF1041-1，用來連接108個液位傳感器和12個閥島及4個酒缸液位，貝加萊Canopen網絡下連接的液位傳感器和閥島拓撲圖如圖4。

 

在接線過程中，一些細節問題有時候會導致通訊異常和運行中斷，比如每路通訊的zui后一個站的通訊接頭的針腳需要加終端電阻，西門子主磁翻板液位計的CPU組態中分配給通訊的掃描周期附在的比例15%為zui佳給定值等等。

 

在貝加萊磁翻板液位計的編程平臺中，和西門子磁翻板液位計的系統集成數據交換定義如圖5。

 

建立通訊連接之后，根據DI模塊的輸入點信號（機器脈沖、有罐檢測、同步脈沖）來編寫108個工位的邏輯和數組運算，實現過程中的連續控制。

 

至此，高速易拉罐灌裝機已經具備運行生產能力。隨著工廠的智能化水平的不斷提升，上下游機器之間以及整線的數據采集，都要求使用通訊的方式，本機器和輸送帶之間就采用了TCP連接，網絡視圖如圖6。

 

建立連接之后，在Step7軟件中程序塊中調用系統標準通訊塊FC6，FC5進行讀寫編程。

 

4技術總結和前景展望

以上所述為本機器的電氣控制系統，經過多次反復測試驗證，現已成功在用戶工廠投產，工作穩定，控制效果精確，灌裝液位精度、灌裝增氧量等技術指標處于國內領先水平，經過磨合后，各方面的性能將達到國外KHS、Krones、Sidel等同一水平。

 

本系統的程序編寫簡潔而又有效，即使是初步涉足工控的調試人員，也能掌握并做一些生產工藝的修改程序。整個電氣控制系統在行業內頗受好評。

 

自動化產品的升級日新月異，本機器的自動化系統產品和編程軟件在短期內雖不會淘汰，但是現在設計的新機臺已經逐步升級，如Angelus封蓋機和廣二輕灌裝機之間的動力連接方式將改為獨立伺服控制，西門子300系列已經改為編程軟件基于博圖V15的1500系列，一些遠程IO從站采用無線發送與接收方式。

 

中國正處于飛速發展的新時期，工業發展更是鮮明的旗幟，工業自動化程度的提升，無疑是一個國家生產力提升的標志。國內高速易拉罐灌裝機制造商，結合當前社會生產力的進步，將不斷優化設計，大膽創新，敢于嘗試，在這個領域勢必會設計制造出優良產品，打破國外產品在這個領域的壟斷。新時期賦予工控人的使命，以及工控人自身價值觀的所向，都推動著我們不斷努力創新，向更高層次的自動化程度奮進。