1、国内易拉罐灌装机的现状概述

        灌装封盖机由灌装机和封盖机组成，在2010年之前，国内产能超过600罐/min的啤酒、饮料生产线，设备几乎全被KHS、Krones、Sidel等欧洲企业所垄断。经过一段长时间的学习和摸索，国内设备制造商纷纷推出了高速易拉罐灌装机，如乐惠、华创、新美星等等，广东轻工机械二厂智能设备有限公司（以下简称广二轻）更是推出1200罐/min和1500罐/min的代表性产品，填补了国内设备制造在此领域的空白，这些产品已经在燕京啤酒、青岛啤酒的易拉罐灌装生产线上使用，并创

造了巨大的经济利益。

 

         由于国内原材质和模具铸造能力落后于xianjin国家，目前600罐/min以上的易拉罐灌装机，基本上都选配了xianjin国家的更优质、稳定的封盖机（比如瑞士Ferrum或者美国Angelus），匹配组成一台完整的易拉罐灌装封盖机。灌装机主要精密部件比如密封件、液位探针等，在短期内我国无法达到发达国家水平，目前只能选用国外进口产品。一些优秀的国产产品逐渐开始在灌装机上尝试使用，如一些用户的进口灌装机在更换配件时，就开始使用国产件，这对国内生产制造力既是一种机遇，也是一种挑战和竞争，在这个过程中，提高产品质量和性能，降低成本，这是工业发展的良性效应。

 

2国内易拉罐灌装机的功能介绍

         目前国际xianjin设备制造商的产能在1200罐/min的易拉罐灌装机，大都采用机械阀灌装，即和瓶装灌装机原理一样，都是基于等压灌装。产能在1200罐/min以上的，则采用电子阀灌装，比如定量灌装、流量计灌装等高精度、高效率的灌装方式。机械阀灌装机结构和程序比较简单，本文主要讲述电子阀定量灌装机。

 

以广二轻自主研发制造的高速易拉罐灌装机为例，空罐经过单链道输送到达灌装机，通过进罐蜗杆导入到进罐星轮后，按照对中、CO2冲洗、CO2备压、料液灌装、卸压的顺序完成灌装步骤，再通过单链道进入封盖机。其中，料液灌装步骤采用的是位置、时间、定量控制，其余步骤采用的是位置、时间控制。定量灌装控制的灌装机具有以下特点：

（1）采用高精度外置式电子灌装阀和定量灌装方式，液位精度达1mm。

（2）灌装过程参数以配方的方式给定参数后，在人机界面下载即可实现不同需求。

（3）适用于啤酒、可乐的冷灌装，也适用于果汁饮料、茶饮料等的热灌装。

（4）整机采用洁净型开放式结构设计，CIP清洗的装杯和取杯全自动控制。

（5）处理不同高度的易拉罐时，灌装缸和控制环的高度通过单独的电机驱动调节，高度可通过人机界面自动调整，实现同步升降。

（6）机器的所有润滑采用集中控制。

 

3电子阀易拉罐灌装机的自动化控制

         电子阀定量灌装的整机控制系统显得尤为复杂,磁翻板液位计和各子站之间多种通讯方式的运用是zui为明显的特点。

 

电气自动化技术的飞速发展，已经在很多制造行业中充分体现，通讯方式的多元化是zui为闪耀的技术分支，以Profinet和Canopen为例，本文将以阐述这两种通讯技术在国产高速易拉罐灌装机的使用。

 

Profinet是新一代基于工业以太网技术的工业自动化通信标准[1]，其解决方案包含了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全及网络安全等当前自动化领域，Profinet技术的出现将为工业自动化领域提供一种全新的通信解决方案，即整个工厂全部使用一个网络连接在一起[2]。Profinet基于以太网，是完全开放的通讯协议，完全兼容工业以太网和现有的现场总线技术[3]。近年西门子推出的S7-300系列314以上的磁翻板液位计已经开始自带Profinet接口，zui近推出的S7-1200、S7-1500系列磁翻板液位计，通讯接口均升级换代为Profinet。

 

Canopen是一种架构在控制局域网路（ControllerAreaNetwork，CAN）上的高层通信协议，包括通信子协议及设备子协议，常在嵌入式系统中使用[4]，也是工业控制常用到的一种现场总线。Canopen支援网络管理、设备监控及节点间的通讯，其中包括一个简易的传输层，可处理资料的分段传送及其组合。Canopen协议属于“主—从站协议”，一个Canopen网络中有一个主站和若干个从站。每一个从站点都有一个ID号，一个数据字典和四种工作状态[5]。Canopen协议将CAN总线协议的通信帧进行了进一步的封装和分类，以满足更高层次通信的需要[6]。

 

电子阀定量灌装的易拉罐灌装机电气控制系统中，用于灌装过程控制的阀岛，就是通过Canopen的通讯方式和贝加莱的磁翻板液位计进行通讯，这种方式就是Canopen典型应用的缩影。

 

就广二轻自主开发设计并且在用户工厂（燕京啤酒）生产使用的时速72000罐/h的机器YDL108为例，全面分析其自动化控制系统。

 

在硬件方面，灌装机主电柜的磁翻板液位计使用西门子317-2PN/DP和CP343-1通讯模块及TP1500的人机界面；灌装机远程IO柜使用西门子ET200SP从站；灌装系统磁翻板液位计使用贝加莱CP3585和PowerLink及Canopen模块；灌装执行系统采用Festo阀岛PN通讯的VTUG系列。

 

在软件方面，西门子磁翻板液位计编程使用Step7V5.5SP4编程平台，HMI使用西门子博图V15.1编程平台；贝加莱磁翻板液位计编程平台使用AutomationStudioV3.0.90A。本机器的主体电路安装在主电柜中，包含了空气开关、动力回路、变频器、安全继电器、磁翻板液位计等等。远程IO柜主要用于机器机身和管阵周围的一些检测及阀门控制，这些元件不再单独放线连接到主电柜，节省了繁琐的硬线连接，同时也方便维护和检修。

 

在这个系统中，作为机器zui重要的核心控制单元，西门子CPU317-2DP/PN创建了一条主流的Profinet通讯网络，用于连接变频器、远程从站、子站磁翻板液位计；还有一条备用的ProfiBusDP网络通讯资源。扩展槽中的CP343-1模块，将用于和上下游设备建立通讯，实现生产线的智能运行。图1为磁翻板液位计硬件组态。

 

CPU自带的PN通讯口创建一条Profinet通讯网络之后，远程IO从站、人机界面、变频器、贝加莱磁翻板液位计等设备的PN通讯口，通过工业交换机连接到此Profinet网络[7]。然后在Step7编程软件中，加载不同设备的GSD或者EDS文件后，通过硬件组态在线识别到各设备weiyi的Mac地址，对其分配不同的IP地址和设备名称[8]，下载后，各设备就有了weiyi的写入和访问地址，在网络上清晰可见。网络视图如图2所示。

 

灌装机配套了美国Angelus的封盖机，考虑到机器运行和调试的独立性，选择的封盖机自带电控柜控制，然后在灌装机和封盖机彼此电控柜的磁翻板液位计中通过profinet建立S7通讯，实现了机器的实时数据交互，硬件组态的网络视图如图3。

建立连接之后，在Step7软件程序块中调用系统标准通讯块FB14，FB15进行读写编程。

 

灌装机高速运行时，生产效率和机器的稳定性极其重要，本系统使用了计算机能力超群的贝加莱磁翻板液位计，专门用于108个工位的连续动作处理。贝加莱CPU为CP3585，扩展槽安装Profnet通讯模块X20IF10E-1，作为子站集成在西门子磁翻板液位计的Profnet网络下，并且定义通讯长度，进行数据读写。

 

结合机械设计结构，机器上面的108个工位所有动作的执行机构由12个Festo的阀岛组成，阀岛安装在机器的酒缸上方，这就决定了贝加莱磁翻板液位计只能以通讯的方式去控制阀岛。经过多次讨论和比较，选用了108个工位Canopen通讯协议的液位传感器和带Canopen通讯协议的阀岛。贝加莱磁翻板液位计通过自带的PowerLink接口，加装两块PowerLink通讯单元X20BC1083，每个通讯单元再扩展两个Canopen通讯模块X20IF1041-1，用来连接108个液位传感器和12个阀岛及4个酒缸液位，贝加莱Canopen网络下连接的液位传感器和阀岛拓扑图如图4。

 

在接线过程中，一些细节问题有时候会导致通讯异常和运行中断，比如每路通讯的zui后一个站的通讯接头的针脚需要加终端电阻，西门子主磁翻板液位计的CPU组态中分配给通讯的扫描周期附在的比例15%为zui佳给定值等等。

 

在贝加莱磁翻板液位计的编程平台中，和西门子磁翻板液位计的系统集成数据交换定义如图5。

 

建立通讯连接之后，根据DI模块的输入点信号（机器脉冲、有罐检测、同步脉冲）来编写108个工位的逻辑和数组运算，实现过程中的连续控制。

 

至此，高速易拉罐灌装机已经具备运行生产能力。随着工厂的智能化水平的不断提升，上下游机器之间以及整线的数据采集，都要求使用通讯的方式，本机器和输送带之间就采用了TCP连接，网络视图如图6。

 

建立连接之后，在Step7软件中程序块中调用系统标准通讯块FC6，FC5进行读写编程。

 

4技术总结和前景展望

以上所述为本机器的电气控制系统，经过多次反复测试验证，现已成功在用户工厂投产，工作稳定，控制效果精确，灌装液位精度、灌装增氧量等技术指标处于国内领先水平，经过磨合后，各方面的性能将达到国外KHS、Krones、Sidel等同一水平。

 

本系统的程序编写简洁而又有效，即使是初步涉足工控的调试人员，也能掌握并做一些生产工艺的修改程序。整个电气控制系统在行业内颇受好评。

 

自动化产品的升级日新月异，本机器的自动化系统产品和编程软件在短期内虽不会淘汰，但是现在设计的新机台已经逐步升级，如Angelus封盖机和广二轻灌装机之间的动力连接方式将改为独立伺服控制，西门子300系列已经改为编程软件基于博图V15的1500系列，一些远程IO从站采用无线发送与接收方式。

 

中国正处于飞速发展的新时期，工业发展更是鲜明的旗帜，工业自动化程度的提升，无疑是一个国家生产力提升的标志。国内高速易拉罐灌装机制造商，结合当前社会生产力的进步，将不断优化设计，大胆创新，敢于尝试，在这个领域势必会设计制造出优良产品，打破国外产品在这个领域的垄断。新时期赋予工控人的使命，以及工控人自身价值观的所向，都推动着我们不断努力创新，向更高层次的自动化程度奋进。