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加多寶（中國）飲料有限公司 吳禮陽

作者簡介

吳禮陽（1976-），男，湖北武漢人，高級工程師，本科，現(xiàn)就職于加多寶（中國）飲料有限公司，從事自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作近20年，是生產(chǎn)線在線高速檢測、PLC及運(yùn)動控制技術(shù)領(lǐng)域資深專家，研究方向?yàn)槭称凤嬃闲l(wèi)生安全自動化檢測設(shè)備。

摘要：罐裝食品飲料在線內(nèi)壓檢測，是品質(zhì)控制的重要環(huán)節(jié)，檢測數(shù)據(jù)分析也是生產(chǎn)線系統(tǒng)維護(hù)的主要依據(jù)，精確的檢測數(shù)據(jù)與生產(chǎn)線的整線速度又是一對矛盾，本文針對這一應(yīng)用提出了基于VIPA（德國惠朋）PLC系統(tǒng)的解決方案，很好地解決了這一矛盾，有效提高了不良品剔除的準(zhǔn)確性，并大幅改善了生產(chǎn)線的運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：德國惠朋；食品飲料灌裝；內(nèi)壓檢測機(jī)；高速采樣

1　罐裝食品內(nèi)壓檢測的意義

罐裝食品有很多優(yōu)點(diǎn)，能在常溫下存放和流通，較好地保存了天然新鮮食品的色香味及營養(yǎng)價(jià)值。罐裝食品的原理是依靠密封殺菌，達(dá)到商業(yè)無菌要求，不需要也不允許加入任何防腐劑。罐裝材料主要分為鍍錫薄鋼板和鋁材，由于鋁材制罐具有重量輕、無氣味、無毒害、易于加工和再回收利用等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為罐裝飲料的主流。但同時(shí)，鋁材機(jī)械性能較低，需要在罐裝過程中對罐內(nèi)注入安全氣體，增強(qiáng)罐體機(jī)械強(qiáng)度，達(dá)到利于運(yùn)輸流通的目的。

在線內(nèi)壓檢測機(jī)就是利用正常品罐內(nèi)具有一定壓力這一特征，對在線高速運(yùn)動的每一罐密封殺菌后的飲料罐內(nèi)壓進(jìn)行檢測，對于在灌裝、殺菌過程中密封性已經(jīng)不良的產(chǎn)品（低于低限壓力）和可能會在銷售運(yùn)輸過程中產(chǎn)生爆裂（高于高限壓力）的產(chǎn)品給予剔除，從而保證進(jìn)入包裝之前都是密封性能良好，罐內(nèi)壓力適中的產(chǎn)品。

2　內(nèi)壓檢測原理

常用的易拉罐內(nèi)壓檢測方法有兩種，分別是擠壓式壓力傳感器方式和接近式電渦流傳感器方式，基本工作原理如下：經(jīng)過罐裝封口再高溫殺菌后的產(chǎn)品，被輸送帶引導(dǎo)進(jìn)入內(nèi)壓檢測機(jī)，兩條對稱柔軟皮帶將“被檢罐”夾持向前方運(yùn)送，當(dāng)罐體通過檢測區(qū)時(shí)，一瞬間將內(nèi)部壓力直接傳導(dǎo)給側(cè)面的壓力傳感器，或通過頂部的電渦流傳感器檢測上蓋的形變，間接獲取壓力值，控制系統(tǒng)必須具有很高的信號轉(zhuǎn)換速度和計(jì)算速度，保證在一個(gè)檢測周期內(nèi)得到足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，構(gòu)成完整的壓力波形，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)過算法可以得到該罐產(chǎn)品的內(nèi)壓值，再通過對比“高限”與“低限”參數(shù)，決定是否剔除該產(chǎn)品。擠壓式內(nèi)壓檢測原理如圖1所示，單罐壓力檢測曲線如圖2所示，單罐電渦流檢測曲線如圖3所示。

圖1 擠壓式內(nèi)壓檢測原理

圖2 單罐壓力檢測曲線

圖3 單罐電渦流檢測曲線

3　加多寶原生產(chǎn)線遇到的瓶頸

在線內(nèi)壓檢測是品質(zhì)控制的重要環(huán)節(jié)，檢測數(shù)據(jù)分析也是生產(chǎn)線系統(tǒng)維護(hù)的主要依據(jù)，精確的檢測數(shù)據(jù)與生產(chǎn)線的整線速度又是一對矛盾，加多寶集團(tuán)在實(shí)際生產(chǎn)管理中就遇到了這樣的難題。在加多寶原有的生產(chǎn)線上，用于在線內(nèi)壓檢測的控制系統(tǒng)是歐洲進(jìn)口設(shè)備自帶的專用控制器，備件極其昂貴，后改造成德國某知名品牌PLC控制系統(tǒng)，其內(nèi)部高速中斷最快只有1ms，而且受到運(yùn)算處理速度的局限，實(shí)際采樣周期最快只能達(dá)到＞3ms，生產(chǎn)線勉強(qiáng)能達(dá)到600罐/分鐘的速度，但因采樣點(diǎn)少誤差大，造成剔除裝置的誤打率較高，浪費(fèi)嚴(yán)重，內(nèi)壓檢測機(jī)成為整條生產(chǎn)線的瓶頸，生產(chǎn)效率上不去，因此設(shè)備管理部的技術(shù)人員一直在調(diào)研能滿足這一應(yīng)用需求的PLC產(chǎn)品，要求：模塊反應(yīng)時(shí)間短，模擬量轉(zhuǎn)換快，CPU采樣周期短、運(yùn)算速度高，成本又不要太高。

4　攜手德國VIPA尋求解決方案

因試驗(yàn)了幾款PLC產(chǎn)品效果都不十分理想，加多寶于2013年開始嘗試與VIPA共同研究解決方案，經(jīng)過雙方技術(shù)人員反復(fù)論證與在線實(shí)驗(yàn)，首先驗(yàn)證了VIPA 313-5BF13能夠真正實(shí)現(xiàn)1ms的采樣周期，將采樣點(diǎn)數(shù)提高了近4倍，檢測精度明顯改善，有效降低了誤打率，大幅減少了浪費(fèi)，從而提高了600罐/分鐘生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，此系統(tǒng)在加多寶福建工廠在線試運(yùn)行近一年的時(shí)間，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，如圖4所示。在此基礎(chǔ)上，雙方又選用VIPA SLIO系列CPU 015以及高速信號模塊構(gòu)建了更高性能的檢測系統(tǒng)，采樣頻率比VIPA 313-5BF13又提高4倍，背板傳輸速率、模擬量轉(zhuǎn)換時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)也大幅提升，系統(tǒng)采樣周期可達(dá)到250μs，完全能夠滿足1200罐/分鐘生產(chǎn)線的需求，并在加多寶福建、資陽、武漢等工廠廣泛使用。至此，VIPA 300S和SLIO系列PLC的優(yōu)異性能得到了充分驗(yàn)證，并逐步在加多寶各個(gè)工廠加以推廣。

圖4 接近式電渦流內(nèi)壓檢測機(jī)

5　VIPA獨(dú)有的SPEED7技術(shù)是高速控制系統(tǒng)的有力保障

德國惠朋公司（VIPA GmbH）的PLC產(chǎn)品之所以能勝任這項(xiàng)任務(wù)，源于VIPA獨(dú)有的SPEED7技術(shù)，作為歐洲知名的自動化組件及控制系統(tǒng)專業(yè)制造商，VIPA經(jīng)過30多年的發(fā)展，已逐步確立了在世界硬件PLC領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先地位，SPEED7技術(shù)也已成為高速高效的代名詞，就像計(jì)算機(jī)行業(yè)的英特爾處理器一樣，SPEED7已被越來越多的PLC業(yè)內(nèi)人士所熟知，它是VIPA設(shè)計(jì)的一款PLC專用高性能處理器芯片，集成了豐富的PLC專用功能模塊，使CPU的運(yùn)算處理能力大幅提升，同時(shí)集成了PG/OP以太網(wǎng)等通用接口，從而奠定了300S和SLIO系列（產(chǎn)品如圖5所示）以及今后所有VIPA CPU的通信基礎(chǔ)，這不僅給廣大用戶提供了更經(jīng)濟(jì)更方便的編程方式，更為用戶提供了一個(gè)與現(xiàn)場工業(yè)總線完全隔離的信息化數(shù)據(jù)通道。早在十多年前，當(dāng)VIPA推出第一款基于SPEED7技術(shù)的300SCPU時(shí)，就立刻在德國自動化界引起轟動，納秒級的運(yùn)算處理速度、智能化的內(nèi)存管理、100%安全的加密功能、高達(dá)64Mbit/s的SPEED-BUS背板通訊等新技術(shù)贏得了歐洲用戶的青睞，在此后的數(shù)年里，VIPA憑借SPEED7技術(shù)，不斷為用戶創(chuàng)造價(jià)值。

圖5 300S主站（左）和SLIO CPU（右）

近年來，VIPA又推出了完美結(jié)合SPEED7技術(shù)和SLICEBUS技術(shù)的新一代PLC——SLIO智能控制系統(tǒng)，SLIO是VIPA新的里程碑，SLICE-BUS采用最新研發(fā)的SMC1000和SNAP+高速背板通訊芯片組構(gòu)建，比SPEED-BUS更經(jīng)濟(jì)，而48Mbit/s的傳輸速率、20μs的模塊反應(yīng)時(shí)間也足以讓市場上的同類產(chǎn)品望其項(xiàng)背了，再加上該系統(tǒng)兼容所有歐美主流的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線，使各種應(yīng)用場合都可以體驗(yàn)到SLIO的巨大效能。特別是SLIO系列CPU，它獨(dú)具一格地采用SD卡配置內(nèi)存和接口的創(chuàng)新理念，可以有效地幫助用戶降低備品備件的庫存，使CPU的資源不少也不多，避免浪費(fèi)、節(jié)約采購和維護(hù)成本。目前已開始在筑路機(jī)械、飲料包裝等領(lǐng)域應(yīng)用。

SLIO系列產(chǎn)品是模塊化結(jié)構(gòu)、高度緊湊型控制和I/O系統(tǒng)。本產(chǎn)品目前發(fā)布了兩款控制器，分別是基本型014和Profinet 型015。采用SPEED7新一代處理器，配備48Mbit/s的SLICE-BUS高速背板總線；標(biāo)配以太網(wǎng)PG/OP接口，普通網(wǎng)線即可輕松實(shí)現(xiàn)組態(tài)編程以及與上位機(jī)或HMI通訊；015提供高性能PROFINET控制器接口，允許連接最多128個(gè)設(shè)備；使用VIPA的SPEED7 Studio或WinPLC7編程，同時(shí)支持SIMATIC Manager和TIA Portal，突顯SPEED7技術(shù)平臺的靈活性；最獨(dú)具一格的特點(diǎn)是，通過專用的VSC卡不僅能靈活地對CPU的工作內(nèi)存進(jìn)行配置，還可以把標(biāo)配的MPI口轉(zhuǎn)換成PROFIBUS主站或從站接口，實(shí)現(xiàn)以兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型硬件為基礎(chǔ)，演化出24個(gè)CPU版本，使它恰好適用于實(shí)際應(yīng)用，從而最大限度地降低用戶的備件庫存成本；另外還提供了一個(gè)全功能的串口，支持Modbus 、MPI等多種協(xié)議，以滿足各種通訊的需要；CPU自帶供電模塊，可以有兩路進(jìn)線，分別為背板總線和I/O信號供電，滿足工業(yè)領(lǐng)域的供電安全控制要求；CPU本地連接模塊最多可達(dá)64個(gè)，為客戶的擴(kuò)展需求提供了更廣闊的空間。

6　此應(yīng)用對行業(yè)發(fā)展的重要意義

有了VIPA高性能PLC產(chǎn)品的支持，加多寶已經(jīng)對國內(nèi)多個(gè)工廠的內(nèi)壓檢測機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化改造，品控效率的提升，有效提高了整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，隨著越來越多的檢測機(jī)選用VIPA產(chǎn)品，必將對增強(qiáng)加多寶的市場競爭力產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的影響。更有意義的是，這一應(yīng)用成果不僅適用于鋁材易拉罐產(chǎn)品的在線檢測，更可以推廣至食品飲料、生物醫(yī)藥等行業(yè)的同類檢測設(shè)備上，只要根據(jù)不同的包裝材質(zhì)選用與之匹配的傳感器即可完成高效的檢測任務(wù)，用戶只需投入較低的成本，即可帶來倍增的效益，解決困擾企業(yè)的生產(chǎn)瓶頸，助力企業(yè)增強(qiáng)市場競爭力。

摘自2016年《今日自動化技術(shù)應(yīng)用在中國》