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    摘要：結(jié)合無菌冷灌裝生產(chǎn)線在國內(nèi)外市場情況的分析和生產(chǎn)工藝的簡要介紹，提出了Lenze系統(tǒng)在無菌冷灌裝行業(yè)的解決方案。重點分析了Lenze產(chǎn)品在無菌冷灌裝生產(chǎn)線的實現(xiàn)方法及技術(shù)優(yōu)勢，并對未來無菌冷灌裝生產(chǎn)線的發(fā)展方向提出了展望。

    關(guān)鍵字：無菌冷灌裝生產(chǎn)線 Lenze 伺服 相位同步 EtherCAT

    1 前言

     隨著 PET 瓶包裝在世界范圍的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)外大型包裝設備制造企業(yè)開始致力于熱灌裝技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)向超高溫滅菌后的無菌冷灌裝技術(shù)，這將為傳統(tǒng)的PET瓶灌裝技術(shù)帶來一場革命，已成為國際上果汁和軟飲料發(fā)展的主要趨勢。

    采用 PET 瓶無菌冷灌裝生產(chǎn)的飲料，具有口味更新鮮、營養(yǎng)更豐富、使用更安全等優(yōu)點。與熱灌裝相比，可減少包裝材料成本。瓶子的形狀也可隨意變換并降低熱應力，有利于包裝的外觀設計。產(chǎn)品還能夠最大限度地保證產(chǎn)品的自然風味，迎合市場需求。采用無菌冷灌裝也可延長產(chǎn)品的貨架保質(zhì)期。由于設備本身具備嚴格的消毒、滅菌程序及百級的灌裝無菌環(huán)境，產(chǎn)品包裝的無菌條件可得到極好的保障。

    2 無菌冷灌裝設備的構(gòu)成

     無菌冷灌裝設備是灌裝生產(chǎn)線中重要的組成部分，主要負責原料的無菌灌裝，主要包括：殺菌機、沖瓶機、行星輪、灌裝機和旋蓋機。殺菌機：在無菌冷灌裝生產(chǎn)線中，瓶子在灌裝之前要達到并保持無菌狀態(tài)。為達到此目的，瓶子在兩臺殺菌機中利用殺菌液進行瓶子的內(nèi)、外部殺菌，采用兩臺殺菌機是為了保證殺菌液的能夠有效的殺死殺菌的時間，以達到徹底殺菌的目的。沖瓶機：殺菌后的瓶子在沖洗機處采用無菌水進行沖洗，其目的是清除瓶子內(nèi)殘留的殺菌液。行星輪：行星輪是連接各個單元的中間機構(gòu)，其上面安裝瓶夾，用于將瓶子送往各個單元。灌裝機：灌裝機就是將已經(jīng)處理好的無菌的瓶中灌注所需容量的無菌產(chǎn)品的設備。旋蓋機：旋蓋機將灌裝好產(chǎn)品的瓶子，進行自動旋蓋。（詳見下面圖1無菌冷灌裝工藝流程圖）
 

圖 1 無菌冷灌裝工藝流程圖
 

    3 Lenze解決方案

    此Lenze解決方案采用伺服分離式進行傳動，生產(chǎn)速度可達4 萬瓶每小時，精度小于0.05 瓶。Lenze針對無菌冷灌裝生產(chǎn)線的設置要求，提供了基于驅(qū)動器的控制系統(tǒng)這一解決方案?；隍?qū)動器的控制系統(tǒng)解決方案具有運動控制程序模塊化的突出優(yōu)勢，驅(qū)動器本身不僅可作為伺服電機的驅(qū)動單元，同時也支持多種PLC 編程語言。所有與運動相關(guān)的邏輯控制均可由伺服控制器來完成，如尋零控制、自動回歸同步位、虛軸控制、斷電同步停車以及伺服的邏輯控制等功能。這樣上位機只需通過通訊模塊或者外部端子發(fā)送簡單的控制指令即可實施命令。這種方式減輕了上位機的運行負擔，也保證了復雜運動控制器的穩(wěn)定性。用戶只需選擇合適的PLC完成邏輯控制即可，從而讓方案更加靈活、穩(wěn)定和可靠。

    3.1 Lenze主要產(chǎn)品

    （1）9400伺服：9400系列伺服是Lenze新一代高端伺服系列產(chǎn)品，分為單軸和多軸兩種系列。產(chǎn)品采用32 位操作系統(tǒng)以確保伺服的高效穩(wěn)定運行，產(chǎn)品內(nèi)部可支持Modular 工作方式和余數(shù)補償機制，有效避免了計算誤差和累積誤差的產(chǎn)生。此外，9400還采用簡單易學的CFC 編程語言，具有多任務處理系統(tǒng)，并使用全新的安裝方式，具有模塊化設計，易于集成等優(yōu)點，并且標配CAN 總線接口以及8 路開關(guān)量輸入、4 路開關(guān)量輸出、2 路模擬量輸入和2 路模擬量輸出，同時，它還配有兩個通訊擴展端口，可安裝Ethernet、CanOpen、DeviceNet、EtherCAT、EtherNet、EthernetPowerlink (MN + CN)、InterBus 和Digital frequency等模塊。

    （2）GKS系列異步伺服減速電機：該產(chǎn)品由Lenze 的MCA減速電機結(jié)合G系列減速機組成，具有精度高，耐沖擊，壽命長等優(yōu)點。此系列采用直交軸輸出方式，支持實心軸和空心軸兩種安裝方式。本文所列解決方案采用空心軸輸出方式。異步伺服和同步伺服可應用于不同的應用場合。由于灌裝設備具有慣量大和連續(xù)運行的工作方式，異步伺服的高慣量匹配度的功能非常適合該設備的運行。在相同功率下，異步伺服在相位同步精度與同步伺服相比更為出色。此系列伺服在無論低速或高速運行條件下均能滿足設備要求的控制精度（大約2mm），可有效避免低速運行下的抖動問題。

    3.2 Lenze解決方案

    Lenze使用6臺9400伺服控制器作為運動控制的核心，用于殺菌1、殺菌2、沖瓶機、行星輪、灌裝機和旋蓋機部分的運動控制。此方案采用共虛軸工作模式，其它各實軸，同步于虛軸。虛軸選取慣量較大的旋蓋機設備作為虛擬主軸，各軸之間采用周期性工作模式同步于虛軸，對于周期性工作模式，Lenze伺服具有余數(shù)補償機制，可有效避免累積誤差的產(chǎn)生。本方案采用以太網(wǎng)進行伺服與上位機的通信，具體請參見圖2系統(tǒng)拓撲圖。
 

 
圖2 系統(tǒng)拓撲圖
 

    3.3 實現(xiàn)的主要功能

    Lenze 結(jié)合客戶工藝要求和產(chǎn)品特點主要實現(xiàn)的功能有：

    （1）虛軸控制：采用虛軸作為主軸，可使各實軸完全同步于虛軸。虛軸選用慣量最大的旋蓋機，可確保虛軸的控制擁有合理的速度及加速度。此外，各從軸完全同步于虛軸。

    （2）斷電同步停車：斷電同步停車功能可用于應用生產(chǎn)線意外斷電情況。各不同慣量的實軸可以同步停車。其主要原理是將機械的慣性動能轉(zhuǎn)化為伺服的電能，再給電機制動。此功能必須要求伺服的控制回路一直有24V控制電源和伺服之間的直流電源并聯(lián)。

    （3）自動回歸同步：設備要求在運行過程中各從軸之間一定要相位同步運行，避免各瓶夾之間錯位運行，從而損害瓶夾。因此在設備運行前，伺服會自動檢測各伺服之間的位置。如不在同步位，啟動時伺服會按最短瓶夾距回歸同步位，然后再同步運行。當然通過觀察監(jiān)控系統(tǒng)的同步狀態(tài)指示燈，如不在同步位，也可一鍵回歸回步位。

    （4）零點設定：設備的零點設定采用手動設定零點方式。由于未安裝零點開關(guān)，設備設定零點需由操作工通過人眼觀察逐個設定零點。伺服本身具備零點自動保存功能，因此在完成零點設定后均可自動記憶零點，除非人為拆卸伺服電機或者在伺服斷電情況下進行手動盤車伺服。

    （5）實時誤差檢測：同步精度是設備正常運行的一個重要指標。每臺伺服程序均設有實時的誤差監(jiān)控，伺服可通過伺服編碼器的位置和伺服控制器中虛軸的位置進行比較。比較指令每毫秒進行一次，這樣設備運行中如發(fā)現(xiàn)每毫秒出差位置誤差，設備即可立刻進入停車程序。

    3.4 Lenze亮點

    （1）擯棄了傳統(tǒng)的機械聯(lián)軸式傳動，采用分離式伺服實現(xiàn)設備的高速和高精度。

    （2）采用9400智能伺服控制器，其內(nèi)部可支持Modular 工作方式，以瓶位為周期單位，有效避免計算誤差及累積誤差的產(chǎn)生。

    （3）智能伺服控制器可獨立完成運動控制，為中央控制器減輕負擔，實現(xiàn)了運動邏輯分開，增加了系統(tǒng)的可靠性及靈活性。

    （4） 直流母線共享技術(shù)及伺服的能量回饋原理，為實現(xiàn)同步斷電停車帶來了必要保障。

    （5）高效的MCA伺服電機及高品質(zhì)的減速機為設備提供了高精度的機械驅(qū)動及靈活可靠的安裝方式。

    （6）專業(yè)獨立的服務團隊及銷售人員，為客戶量身打造最具有競爭力和最高端的灌裝設備。

    4 展望

    無菌冷灌裝工藝因其可有效保護營養(yǎng)的完整性，確保飲料的原汁原味而備受青睞。目前無菌冷灌裝生產(chǎn)線在國內(nèi)仍處于起步階段，面向未來巨大的消費市場發(fā)展?jié)摿?，無菌冷灌裝生產(chǎn)線必將向高速、安全方向發(fā)展。

    高速的生產(chǎn)線意味著在同等的生產(chǎn)級及工作車間投入條件下能夠帶來更大的生產(chǎn)能力。目前國內(nèi)無菌生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度平均為42000瓶/小時，已達到國際先進水平。傳統(tǒng)的機械聯(lián)軸式生產(chǎn)線由于其機械磨損及精度的原因，速度已不能滿足工藝要求。因此，采用分離式伺服傳動系統(tǒng)是目前可實現(xiàn)高速生產(chǎn)線的一個重要因素。隨著日新月異的工藝要求，無菌冷灌裝生產(chǎn)線未來將進一步向更加分離式及更多的伺服系統(tǒng)投入方向發(fā)展，從而進一步提升生產(chǎn)速度。

    安全的生產(chǎn)線是人們喝到健康飲料的前提。由于沒有高溫殺菌的環(huán)節(jié)，這就要求無菌冷灌裝生產(chǎn)線必須從機械設計角度實現(xiàn)無菌環(huán)境，如灌裝凈化室必須達到100級以上的空氣凈化要求，灌裝閥門結(jié)構(gòu)還必須簡單，易于清洗，并確保閥內(nèi)無夾縫等衛(wèi)生死角。無菌冷灌裝生產(chǎn)線必須著重于優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝方法，向無菌、安全方向發(fā)展。

    總之，在未來的飲料行業(yè)，無菌冷灌裝生產(chǎn)線憑借其多種優(yōu)勢，必將引領灌裝生產(chǎn)線的技術(shù)潮流，成為一種重要的飲料生產(chǎn)方式。