劉 炯，邢偉華，蔡文彬，王繼燕

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)流程工業(yè)信息化企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.呼和浩特市排水事業(yè)管理局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

筆者以灌酒機(jī)前面的多變單輸瓶鏈道為例，介紹這種無壓力控制系統(tǒng)。在過去，灌酒機(jī)的速度為20 000瓶/時(shí)，灌酒機(jī)前面的多變單輸瓶鏈道對(duì)整條線效率的影響不是很突出，但是當(dāng)灌酒機(jī)已發(fā)展到48 000瓶/時(shí)，甚至54 000瓶/時(shí)，瓶子在高速的多變單輸瓶鏈道上出現(xiàn)倒瓶、堵塞或爆瓶的故障次數(shù)明顯增多。針對(duì)高速灌裝線上的一系列問題，國外的啤酒設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)非常重視這一點(diǎn)，例如KRONES、HEUFT、KHS等企業(yè)的包裝線產(chǎn)品，都設(shè)計(jì)了無壓力控制，這些國外企業(yè)的無壓力輸瓶控制的原理不盡相同，提出了各種不同的無壓力控制算法。筆者通過對(duì)國內(nèi)高速灌裝線上一系列問題的深入研究和吸取國外無壓力的經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新型無壓力控制系統(tǒng)。

1 無壓力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1為灌酒機(jī)前面的多變單輸瓶鏈道平面機(jī)械結(jié)構(gòu)與電器元件分布圖，箭頭方向?yàn)槠苛鞣较?，帶字的圓圈表示各個(gè)傳感器的安裝位置。整個(gè)無壓力控制系統(tǒng)由7個(gè)電機(jī)(M1～M7)、1個(gè)壓力開關(guān)、一組光電對(duì)射開關(guān)、6個(gè)光電反射開關(guān)、導(dǎo)向欄、護(hù)欄及2個(gè)收集臺(tái)等機(jī)電結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

圖1 為灌酒機(jī)前面的多變單輸瓶鏈道平面機(jī)械結(jié)構(gòu)與電器元件分布

2 無壓力控制系統(tǒng)的工作原理

根據(jù)生產(chǎn)情況，可將整個(gè)無壓力控制系統(tǒng)分為4個(gè)工作狀態(tài)：引瓶狀態(tài)、動(dòng)態(tài)微調(diào)狀態(tài)、堵瓶狀態(tài)、追縫狀態(tài)。

2.1 引瓶狀態(tài)

即多變單輸瓶鏈道的初始填充瓶狀態(tài)，從無瓶或缺瓶填充至動(dòng)態(tài)微調(diào)狀態(tài)，是多變單輸瓶鏈道與機(jī)臺(tái)同步運(yùn)行的前提。當(dāng)壓力開關(guān)GS1被觸發(fā)時(shí)，引瓶狀態(tài)開始，電機(jī)M1～M7低速運(yùn)行，進(jìn)行初始化單列鏈道填充，光電反射開關(guān)R2先被觸發(fā)，系統(tǒng)降速，至光電反射開關(guān)R1也被觸發(fā)，引瓶狀態(tài)結(jié)束。

2.2 動(dòng)態(tài)微調(diào)狀態(tài)

當(dāng)無壓力系統(tǒng)的引瓶狀態(tài)完成時(shí)，灌酒機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)開始動(dòng)態(tài)微調(diào)狀態(tài)運(yùn)行。反射開關(guān)C1和C2之間鏈道上可容納的瓶數(shù)是一個(gè)固定值“X”。無壓力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)微調(diào)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，反射開關(guān)C1和C2之間鏈道上瓶子的數(shù)量是動(dòng)態(tài)值“Y”。當(dāng)“Y=X”時(shí)，系統(tǒng)正常速度運(yùn)行；當(dāng)“YX”時(shí)，系統(tǒng)開始減速，至“Y=X”時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)正常速度。

2.3 堵瓶狀態(tài)

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，M4鏈道上的瓶子沒有很好地形成單列時(shí)，光電對(duì)射開關(guān)DS被觸發(fā)并開始計(jì)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入解堵狀態(tài)，電機(jī)M1～M4降速，通過M4、M5鏈道的速差緩解擁擠狀況，在限定的時(shí)間內(nèi)擁堵情況解除，電機(jī)M1～M4恢復(fù)正常速度運(yùn)行；如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)無法解除擁堵情況時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入堵瓶狀態(tài)，即系統(tǒng)立刻停止運(yùn)行。系統(tǒng)停止后，操作員人工解除擁堵后，人工恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.4 追縫狀態(tài)

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于灌酒機(jī)工藝要求瓶子進(jìn)入灌酒機(jī)前無間隙，所以M6、M7單列輸瓶鏈道上的瓶子之間出現(xiàn)縫隙時(shí)，就必須調(diào)整相關(guān)電機(jī)速度減小瓶間縫隙。當(dāng)反射開關(guān)T1位置出現(xiàn)縫隙時(shí)，系統(tǒng)以一個(gè)較高的速度運(yùn)行，直至反射開關(guān)T2處沒有縫隙為止，系統(tǒng)恢復(fù)正常；當(dāng)反射開關(guān)T2位置出現(xiàn)縫隙時(shí)，無壓力系統(tǒng)以一個(gè)更高的速度運(yùn)行，直至反射開關(guān)T1處沒有縫隙為止，系統(tǒng)恢復(fù)正常；如果瓶子至灌酒機(jī)時(shí)仍然有較大縫隙，可能導(dǎo)致灌酒機(jī)停機(jī)，系統(tǒng)也同步停機(jī)。這種情況下，系統(tǒng)回復(fù)運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入引瓶狀態(tài)。

3 無壓力控制系統(tǒng)的鏈道速度與灌酒機(jī)速度實(shí)時(shí)匹配的控制原理

從圖1灌酒機(jī)前面多變單鏈道結(jié)構(gòu)示意圖可以看到，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)鏈道轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)為：三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)減速機(jī)，減速機(jī)再通過傳動(dòng)軸拖動(dòng)固定在鏈道上的平頂鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈道與平頂鏈輪同速轉(zhuǎn)動(dòng)。在理想環(huán)境下，無壓力系統(tǒng)輸瓶鏈道的速度與灌酒機(jī)速度的實(shí)時(shí)同步，忽略瓶子在輸送鏈道上的滑動(dòng)，輸瓶鏈道與瓶子同速向前運(yùn)動(dòng)。灌酒機(jī)的速度與電動(dòng)機(jī)的頻率的基準(zhǔn)關(guān)系公式如下：

(1)

公式(1)表示，每分鐘每赫茲電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，r/(min·Hz)；

B=A/i

(2)

公式(2)表示，每分鐘每赫茲減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，r/(min·Hz)；

SDW=π·DW

(3)

公式(3)表示，平頂鏈輪的周長，mm；

(4)

公式(4)表示，電動(dòng)機(jī)所帶的鏈道每分鐘每赫茲鏈道所走的長度，m/(min·Hz)；

(5)

公式(5)表示，單列鏈道速度與灌酒機(jī)速度的比例關(guān)系，m/(min)；

(6)

公式(6)表示，單列鏈道速度與電動(dòng)機(jī)頻率的比例關(guān)系，Hz；

其中：

Vm——灌酒機(jī)的速度，瓶/h；

Vc——鏈道的速度，m/min；

Db——啤酒瓶的瓶身直徑，mm；

Dw——平頂鏈輪的直徑，mm；

SDw——平頂鏈輪的周長，mm；

Fc——單列鏈道與灌酒機(jī)速度實(shí)時(shí)匹配，所要求電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)頻率，Hz；

f——三相異步電動(dòng)機(jī)的額定頻率，Hz；

n——三相異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min；

i——減速機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間的速比；

4 用于計(jì)數(shù)和追縫的光電反射開關(guān)在無壓力控制系統(tǒng)中的用法

光電反射開關(guān)在無壓力控制系統(tǒng)中用于計(jì)數(shù)和追縫的使用原理如下：①圖2光電反射開關(guān)(sensor)在無壓力控制系統(tǒng)中用于計(jì)數(shù)的時(shí)序圖。

圖2 光電傳感器用于計(jì)數(shù)的時(shí)序

當(dāng)傳感器sensor=1時(shí)，表示傳感器被觸發(fā)。當(dāng)傳感器sensor=0時(shí)，表示傳感器未被觸發(fā)。

當(dāng)傳感器sensor=0并且濾波時(shí)間到達(dá)圖2濾波時(shí)間t(橫虛線)處，計(jì)數(shù)進(jìn)行加1。

②圖3光電反射開關(guān)(sensor)在無壓力控制系統(tǒng)中用于追縫的時(shí)序圖。

當(dāng)傳感器sensor=1時(shí)，表示傳感器被觸發(fā)。當(dāng)傳感器sensor=0時(shí)，表示傳感器未被觸發(fā)。當(dāng)傳感器sensor=1并且濾波時(shí)間到達(dá)圖3濾波時(shí)間T(橫虛線)時(shí)，說明瓶子與瓶子之間存在縫隙。

5 控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢

①通過對(duì)啤酒灌酒機(jī)前面多變單輸瓶工藝的長時(shí)間研究，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)所遇到的各種問題，編寫了相應(yīng)的控制算法模塊，大大減少了現(xiàn)場調(diào)試人員的調(diào)試周期。②異步電動(dòng)機(jī)的控制采用變頻器調(diào)速，調(diào)速精度高，平滑性好，確保了鏈道可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)均勻的加減速。③控制信號(hào)全部采用數(shù)字量信號(hào)，所以變頻器頻率的設(shè)定比較準(zhǔn)確，不會(huì)受到溫漂、信號(hào)電壓等誤差的影響。④有效地減少了倒瓶、堵瓶發(fā)生的次數(shù)，顯著地降低了瓶與瓶之間碰撞的噪音。⑤控制系統(tǒng)與機(jī)械設(shè)備充分配合，將整條生產(chǎn)線的效率提升至85%以上。

6 結(jié)束語

本無壓力控制系統(tǒng)生產(chǎn)線已經(jīng)在我國啤酒廠的生產(chǎn)線上調(diào)試成功，尤其在提升啤酒包裝線的效率上取得的非常好的效果。盡管如此，由于機(jī)械工藝的精度、瓶源的質(zhì)量、瓶源的標(biāo)準(zhǔn)化等一系列原因，我國目前的啤酒包裝線效率還有提升的空間。