一、摘要：
灌装机是酒水、饮料类等食品加工行业的关键设备之一。目前正向着灌装的高速化 、多功能化、智能化的方向发展。例如高速化，我们公司引进意大利CFT1200罐/min冷罐。多功能化，同一台设备，可进行茶饮料，咖啡饮料、豆乳饮料和果汁饮料等多种饮料的热灌装，均可进行玻璃瓶与聚酯瓶的灌装。例如：我们公司引进意大利CFT600罐/分钟，就能实现冷、热双功能灌装。智能化：随着电子技术的发展，各种功能的传感器和可编程控制器普遍 应用于灌装机的控制系统中，而且大型设备更是采用计算机控制，人机界面，精确、计量精确。
本文的灌装机自动控制系统，包括设置在灌装室外的总电柜（4），设置一独立的操作室（12），其内设置上位机（1），灌装室内不设分电柜，将分电柜合并到室外的总电柜（4）内，总电柜（4）通过一条通信线（5）与上位机（1）通信，进行数据交换。本控制全部电气模块集中控制，能够精确计算，解决‘空瓶’与‘无盖’产品现象。提高机械效率，使用企业生产成本降低，给企业带来更多盈利。
二、关键词：空瓶、无盖、冷疑水；
三、前言（改善前）：
问题点：因为灌装间采用10万级药品和生物洁净室空气净化，实现无菌灌装，整个灌注间密闭设计。当CIP高温清洗时蒸气冷疑水对电气设备影响非常大。洗机完成后经常出现电气故障，从而造成模块损坏，多次非计划长时间停机。
因用MP277做软PLC，描扫时间够快，导致灌装机36000瓶/时高速运行时，经常出现‘空瓶’与‘无盖’产品出现。
灌装机自动控制系统（见图1），上位机； 2-分电柜； 3-灌装机； 4-总电柜；
5-通信线； 6-传递口； 7-质检室； 8-冷气入口；9-瓶盖室； 10-空瓶入口； 11-饮料出口； 12-操作室；13-操作室进入门。
图1：现有灌装机电控图；
四、正文：作者重点介绍液体等压灌装机自动控制系统：
4.1、液体等压灌装原理：
本灌装机一种等压灌装机，贮液环缸内的压力高于瓶中的压力，液体靠压差流入瓶内，最后实现瓶子中的压力与贮液环缸内的压力相等，高速生产线多采用这种方法。压力灌装机适用于含气体的液体灌装，我们公司天地壹号苹果醋含气饮料。
4.2、灌装机部件组成：
4.2.1、灌装机；
4.2.2、工作台；
4.2.3、压盖机；
4.2.4、管路系统；
4.2.5、电控系统；
4.3、 主要技术参数：
4.3.1、型号：YGY112
4.3.2、灌装头：112
4.3.3、压盖机头数 18
4.3.4、额定产能（640mL）,36000瓶/小时；
4.3.5、主电机 15KW ;
4.3.6、装机容量39.42KW;
4.3.7、压缩空气消耗量：6NM3/h (0.3Mpa);
4.3.8、CO2消耗量：120g/hL (0.4Mpa);
4.3.9、适用瓶型：高210-295mm,瓶径：Ø66-80mm;
4.3.10、外形尺寸（长X宽X高）：3860X3440X3400mm.
4.4、改造后的硬件方面：
为了解决‘空瓶’与‘无盖’及‘CIP时蒸气冷疑水对电气模块的影响。本灌装机自动控制系统，设置一独立的操作室，其内设置上位机操作，减少噪音对操作人员造成的损伤。总电柜设置在灌装室外,灌装室内不设分电柜，将分电柜合并到室外的总电柜内，从根上解决了冷疑水对电气模块的影响，总电柜通过一条通信线与上位机通信，进行数据交换。
4.4.1、电气硬件选择说明：本系统采用西门子PLC S7-300 -315-2DP 与丹佛斯FC302-15KW变频器、人机界面MP277-10寸可触摸型、灌装机液位探针，主液薄膜阀、引电器、压力传感器、接近开关及一套自动控制元件来实现液位、压力，速度、逻辑运算的自动灌装，通过空瓶输送带上光电开关检测空瓶状态送入PLC，经PLC内部逻辑运算，输出控制变频器高、中、低三种速度自动运行。本次PLC选用S7300-315-2DP型号，它处理二进制指令的时间约为 50 ns，每个浮点预算的时间为 0.45μs。36000瓶/小时扫描时间为36000÷60=600瓶/min÷60秒=10瓶/秒，（100000μs÷10=10000μs），实际运行动作时间10000μs>0.45μs系统扫描时间，因可以满足生产需要。标配128K内存作为程序装载存储器的微型存储卡（最大为 8 MB）也允许将可以项目（包括符号和注释）保存在 CPU 中。装载存储器还可用于数据归档和配方管理。 灵活的扩展能力;多达 32 个模块， 功耗4.5W，DC24V。2DP有网个DP通信口，第一个与人机界面通信用，另一个程序调试与第三方设备通信用。本次系统采用西门子人机界（MP277-10寸带触摸式）与PLC通信，通信方式为：根据控制要求1-4任一项所述的灌装机自动控制系统，采用Profibus-DP,PLC地址为2，HIM地址为3; 实现PID参数参数赋值、状态监测、报警信息、生产数量的统计、阀门动行状态、压力与液位曲线显示等。其中，在总电柜内设置有西门子PLC模块CPU S7-300/315-2DP模块。其中，灌装机包括瓶子对中导向装置，在瓶子对中导向装置的导杆上安装有接近开关，进行有瓶/无瓶检测。其中，灌装机缸体液位由探针、进料薄膜阀、中心碳刷传电器、压力传感器PLC进行自动 PID控制。间隔扫描器包括一个接近开关，当有瓶时，导杆上升高度高于无瓶时的高度，该接近开关使系统能够检测出有瓶信号并发出一个脉冲信号传到PLC模块；当软PLC模块同时接收到同步信号和有瓶信号时才给开阀气缸电磁阀发送开阀信号；否则，作为无瓶处理，不开阀。
4.4.2、灌装机自动控制系统布局：包括设置在灌装室外的总电柜（4），设置一独立的操作室（12），其内设置上位机（1），灌装室内不设分电柜，将分电柜合并到室外的总电柜（4）内，总电柜（4）通过一条通信线（5）与上位机（1）通信，进行数据交换； 6-传递口； 7-质检室； 8-冷气入口；9-瓶盖室； 10-空瓶入口； 11-饮料出口； 12-操作室；13-操作室进入门。见下图2：
图2：改告后灌装机自动控制系统示意图。
根据控制要求1所述的灌装机自动控制系统：在总电柜（4）内设置有西门子硬件CPU S7-300/315-2DP模块，对灌装机（3）进行控制。同时把之前在灌装室内的从站模块移出灌装室外，从根本上解决CIP清洗时冷疑水对电气模块威害，解决高速运行时‘空瓶’与‘无盖’现象。
4.5、改造后的软件程序设计思路：
4.5.1、功能：点动模式、灌装模式、CIP模式、手动模式、自动模灌装5种工作模式。
根据控制要求3或4所述的灌装机自动控制系统：间隔扫描器包括一个接近开关，当有瓶时，导杆上升高度高于无瓶时的高度，该接近开关使系统能够检测出有瓶信号并发出一个脉冲信号传到PLC模块；当PLC模块同时接收到同步信号和有瓶信号时才给开阀气缸电磁阀发送开阀信号；否则，作为无瓶处理，不开阀。
4.5.2、环缸液位与压力精准控制：根据控制要求3所述的灌装机自动控制系统：灌装机（3）缸体液位由探针、进料薄膜阀、中心碳刷传电器、压力传感器和PLC模块进行自动 PID控制。由液位与压力传感器送过来4-20mA模拟信号,送入PLC模以量输入模块6ES7-331-7KF02-OAB0(AI8X12Bit),PLC内部程序调用系统功能块FC105,FC106 FB41,实现PID数据运算，最后由6ES7-332-5HF00-OAB0(A08X12Bit)输出4-20mA控制执行阀门精准动做，当设定数据等于实际值时停止输出。由人机界面MP277完成数据赋值与监视，实现液位与压力自控制。（见程序附图19 页）
4.5.3、灌装阀动做原理：
当灌机在灌装模式下，根据控制要求2所述的灌装机自动控制系统：灌装机（3）包括瓶子对中导向装置，在瓶子对中导向装置的导杆上安装有接近开关，进行有瓶/无瓶检测。根据控制要求3或4所述的灌装机自动控制系统，装同步信号测定检测是在瓶子对中导向装置的导杆上完成的,信号检测是由一只接近开关来完的，灌装机转动时，每过一个灌装阀即发出一个脉冲信号传送到灌装机的PLC控制系统，有无瓶检测是在瓶子对中导向装置的导杆上完成的，信号是由一只接近开关来完成的，间隔扫描包括一个接近开关，当有瓶时，对中导向杆上升高度高于无瓶时的高度（在拉下凸轮上升段），该开关使系统能够检测出有瓶信号并发出一个脉冲信号传送到PLC，当PLC系同时接收到同步信号和有瓶信号时才给开阀气缸电磁阀发送开阀信号，否则，作为无瓶处理，不开阀。通过S7-30内部系统功能块FC92左移位指令来实现上述功能。（见程序附图25 页）
4.5.4、破瓶冲洗控制：
当灌机在灌装模式下，装同步信号测定检测是在瓶子对中导向装置的导杆上完成的,信号检测是由一只接近开关来完的，灌装机转动时，每过一个灌装阀即发出一个脉冲信号传送到灌装机的PLC控制系统。有破瓶检测是在瓶子对中导向装置的导杆上完成的，信号是由一只接近开关来完成的，间隔扫描包括一个接近开关，当有瓶时，对中导向杆上升高度高于破瓶时的高度（在拉下凸轮上升段），该开关使系统能够检测出破瓶信号并发出一个脉冲信号传送到PLC。当PLC系同时接收到同步信号和破瓶信号时才给开阀气缸电磁阀发送开阀信号，否则，作为无破瓶处理，不开阀。通过S7-30内部系统功能块FC92左移位指令来实现上述功能。（见程序附图26页）
4.5.5、灌装封盖检测控制：当在灌装状态下，出口封盖连续5瓶没有盖时，灌装机自动停机，并在人机界面上有未封盖报警显示，告诉操作人员停机的原因，实现可视化。实现此功能是通过PLC内部通过计数与比较，最后触发人机界面的报警字实现位报警。（见程序附图33 页）
4.5.6、灌装流程图：
4.6、改善后的成果：
下面结合附图进行具体说明。
现有的设备如图1所示，没有设有单独的操作室，上位机1与灌装机3设置在一个房间内，噪音容易对操作人员造成损伤。如图2所示，设置一独立的操作室12，其内设置上位机1，从而避免噪音对操作人员造成的损伤。
目前灌装机采用西门子MP277软PLC模块控制，高速运行时刷新时间不够快，信号丢失，导致空瓶与无盖产品出现。为解决上述问题，在总电柜4内增加一个硬件CPU S7-300/315-2DP模块，提高CPU运算，满足生产工艺，解决空瓶现象。由于电气模块IP等级低，不防蒸气冷疑水。分布控制达不到现场使用要求，因此采用集中控制，将灌装室内的分电柜合并到室外的灌装机总电柜4内。通过一条通信线5与上位机通信，完成数据交换。通信线5可采用DP总线。（见程序附图17页）
（1）灌装机左进右出，能够二次抽真空，液位精度高，有瓶抽真空，无瓶不抽真空，高压激泡。能够进行有瓶无瓶及瓶盖自动检测控制。全机采用集中润滑，噪声小，寿命长。
（2）自动控制原理：灌装机缸液位由探针、进料薄膜阀、中心碳刷传电器、压力传感器、PLC模块进行自动 PID控制来实缸体液位自动控制。
（3）同步信号测检是在瓶子对中导向装置的导杆上安装接近开关完成。
（4）信号检测是由一只接开关完成，灌装机转动时，每过一个灌装阀即发出一个脉冲信号给PLC。
（5）有无瓶检测是在瓶子对中导向装置的导杆上完成。信号来源是由一只接近开关完成的，间隔扫描器包括一个接近开关，当有瓶时，对中导向杆上升高度高于无瓶时的高度（在拉下凸轮上升段），该开关使系统能够检测出有瓶信号并发出一个脉冲信号传到PLC控制系统。当PLC系统同时接收到同步信号和有瓶信号时才给开阀气缸电磁阀发送开阀信号。否则，作为无瓶处理，不开阀。
五、结束语：
5.1、解决饮料行业通用问题：因为灌装间采用10万级药品和生物洁净室空气净化，实现无菌灌装，整个灌注间密闭设计。没有设有单独的操作室，上位机1与灌装机3设置在一个房间内，噪音容易对操作人员造成损伤。当CIP高温清洗时蒸气冷疑水对电气设备影响非常大。洗机完成后经常出现电气故障，从而造成模块损坏，多次非计划长时间停机。目前灌装机采用西门子MP277软PLC模块控制，高速运行时刷新时间不够快，信号丢失，导致出现‘空瓶’与‘无盖’产品现象。
5.2、设置独立的操作室12，其内设置上位机1，从而避免噪音对操作人员造成的损伤，对生产操作员工环境大大改善，噪音低、舒实度提高。
5.3、全部电气模块集中控制，CIP高温清洗时对电气元件无损害。
5.4、 硬件选型上CPU S7-300/315-2DP模块，提高CPU运算，满足生产工艺，解决空瓶、无盖现象。调用西门子内部系块实现液位与压力精确控制。
5、5、采用西门子315-2DP与MP277 Proflbus-DP现场总线通信，技术成熟稳定。
5.6、提高机械效率，使用企业生产成本降低，给企业带来更多的盈利。