德国惠朋(VIPA)高速PLC系统在铝材易拉罐在线内压检测设备中的应用--控制网

德国惠朋(VIPA)高速PLC系统在铝材易拉罐在线内压检测设备中的应用
企业:德国惠朋( VIPA GmbH )公司 日期:2016-10-17
领域:PLC&PAC 点击数:205

加多宝(中国)饮料有限公司 吴礼阳

作者简介

吴礼阳(1976-),男,湖北武汉人,高级工程师,本科,现就职于加多宝(中国)饮料有限公司,从事自动化系统设计工作近20年,是生产线在线高速检测、PLC及运动控制技术领域资深专家,研究方向为食品饮料卫生安全自动化检测设备。

摘要:罐装食品饮料在线内压检测,是品质控制的重要环节,检测数据分析也是生产线系统维护的主要依据,精确的检测数据与生产线的整线速度又是一对矛盾,本文针对这一应用提出了基于VIPA(德国惠朋)PLC系统的解决方案,很好地解决了这一矛盾,有效提高了不良品剔除的准确性,并大幅改善了生产线的运行效率。

关键词:德国惠朋;食品饮料灌装;内压检测机;高速采样

1 罐装食品内压检测的意义

罐装食品有很多优点,能在常温下存放和流通,较好地保存了天然新鲜食品的色香味及营养价值。罐装食品的原理是依靠密封杀菌,达到商业无菌要求,不需要也不允许加入任何防腐剂。罐装材料主要分为镀锡薄钢板和铝材,由于铝材制罐具有重量轻、无气味、无毒害、易于加工和再回收利用等优点,逐渐成为罐装饮料的主流。但同时,铝材机械性能较低,需要在罐装过程中对罐内注入安全气体,增强罐体机械强度,达到利于运输流通的目的。

在线内压检测机就是利用正常品罐内具有一定压力这一特征,对在线高速运动的每一罐密封杀菌后的饮料罐内压进行检测,对于在灌装、杀菌过程中密封性已经不良的产品(低于低限压力)和可能会在销售运输过程中产生爆裂(高于高限压力)的产品给予剔除,从而保证进入包装之前都是密封性能良好,罐内压力适中的产品。

2 内压检测原理

常用的易拉罐内压检测方法有两种,分别是挤压式压力传感器方式和接近式电涡流传感器方式,基本工作原理如下:经过罐装封口再高温杀菌后的产品,被输送带引导进入内压检测机,两条对称柔软皮带将“被检罐”夹持向前方运送,当罐体通过检测区时,一瞬间将内部压力直接传导给侧面的压力传感器,或通过顶部的电涡流传感器检测上盖的形变,间接获取压力值,控制系统必须具有很高的信号转换速度和计算速度,保证在一个检测周期内得到足够多的数据点,构成完整的压力波形,这些数据点经过算法可以得到该罐产品的内压值,再通过对比“高限”与“低限”参数,决定是否剔除该产品。挤压式内压检测原理如图1所示,单罐压力检测曲线如图2所示,单罐电涡流检测曲线如图3所示。

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图1 挤压式内压检测原理

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图2 单罐压力检测曲线

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图3 单罐电涡流检测曲线

3 加多宝原生产线遇到的瓶颈

在线内压检测是品质控制的重要环节,检测数据分析也是生产线系统维护的主要依据,精确的检测数据与生产线的整线速度又是一对矛盾,加多宝集团在实际生产管理中就遇到了这样的难题。在加多宝原有的生产线上,用于在线内压检测的控制系统是欧洲进口设备自带的专用控制器,备件极其昂贵,后改造成德国某知名品牌PLC控制系统,其内部高速中断最快只有1ms,而且受到运算处理速度的局限,实际采样周期最快只能达到>3ms,生产线勉强能达到600罐/分钟的速度,但因采样点少误差大,造成剔除装置的误打率较高,浪费严重,内压检测机成为整条生产线的瓶颈,生产效率上不去,因此设备管理部的技术人员一直在调研能满足这一应用需求的PLC产品,要求:模块反应时间短,模拟量转换快,CPU采样周期短、运算速度高,成本又不要太高。

4 携手德国VIPA寻求解决方案

因试验了几款PLC产品效果都不十分理想,加多宝于2013年开始尝试与VIPA共同研究解决方案,经过双方技术人员反复论证与在线实验,首先验证了VIPA 313-5BF13能够真正实现1ms的采样周期,将采样点数提高了近4倍,检测精度明显改善,有效降低了误打率,大幅减少了浪费,从而提高了600罐/分钟生产线的生产效率,此系统在加多宝福建工厂在线试运行近一年的时间,系统运行稳定可靠,如图4所示。在此基础上,双方又选用VIPA SLIO系列CPU 015以及高速信号模块构建了更高性能的检测系统,采样频率比VIPA 313-5BF13又提高4倍,背板传输速率、模拟量转换时间等技术指标也大幅提升,系统采样周期可达到250μs,完全能够满足1200罐/分钟生产线的需求,并在加多宝福建、资阳、武汉等工厂广泛使用。至此,VIPA 300S和SLIO系列PLC的优异性能得到了充分验证,并逐步在加多宝各个工厂加以推广。

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图4 接近式电涡流内压检测机

5 VIPA独有的SPEED7技术是高速控制系统的有力保障

德国惠朋公司(VIPA GmbH)的PLC产品之所以能胜任这项任务,源于VIPA独有的SPEED7技术,作为欧洲知名的自动化组件及控制系统专业制造商,VIPA经过30多年的发展,已逐步确立了在世界硬件PLC领域的技术领先地位,SPEED7技术也已成为高速高效的代名词,就像计算机行业的英特尔处理器一样,SPEED7已被越来越多的PLC业内人士所熟知,它是VIPA设计的一款PLC专用高性能处理器芯片,集成了丰富的PLC专用功能模块,使CPU的运算处理能力大幅提升,同时集成了PG/OP以太网等通用接口,从而奠定了300S和SLIO系列(产品如图5所示)以及今后所有VIPA CPU的通信基础,这不仅给广大用户提供了更经济更方便的编程方式,更为用户提供了一个与现场工业总线完全隔离的信息化数据通道。早在十多年前,当VIPA推出第一款基于SPEED7技术的300SCPU时,就立刻在德国自动化界引起轰动,纳秒级的运算处理速度、智能化的内存管理、100%安全的加密功能、高达64Mbit/s的SPEED-BUS背板通讯等新技术赢得了欧洲用户的青睐,在此后的数年里,VIPA凭借SPEED7技术,不断为用户创造价值。

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图5 300S主站(左)和SLIO CPU(右)

近年来,VIPA又推出了完美结合SPEED7技术和SLICEBUS技术的新一代PLC——SLIO智能控制系统,SLIO是VIPA新的里程碑,SLICE-BUS采用最新研发的SMC1000和SNAP+高速背板通讯芯片组构建,比SPEED-BUS更经济,而48Mbit/s的传输速率、20μs的模块反应时间也足以让市场上的同类产品望其项背了,再加上该系统兼容所有欧美主流的标准工业总线,使各种应用场合都可以体验到SLIO的巨大效能。特别是SLIO系列CPU,它独具一格地采用SD卡配置内存和接口的创新理念,可以有效地帮助用户降低备品备件的库存,使CPU的资源不少也不多,避免浪费、节约采购和维护成本。目前已开始在筑路机械、饮料包装等领域应用。

SLIO系列产品是模块化结构、高度紧凑型控制和I/O系统。本产品目前发布了两款控制器,分别是基本型014和Profinet 型015。采用SPEED7新一代处理器,配备48Mbit/s的SLICE-BUS高速背板总线;标配以太网PG/OP接口,普通网线即可轻松实现组态编程以及与上位机或HMI通讯;015提供高性能PROFINET控制器接口,允许连接最多128个设备;使用VIPA的SPEED7 Studio或WinPLC7编程,同时支持SIMATIC Manager和TIA Portal,突显SPEED7技术平台的灵活性;最独具一格的特点是,通过专用的VSC卡不仅能灵活地对CPU的工作内存进行配置,还可以把标配的MPI口转换成PROFIBUS主站或从站接口,实现以两个标准型硬件为基础,演化出24个CPU版本,使它恰好适用于实际应用,从而最大限度地降低用户的备件库存成本;另外还提供了一个全功能的串口,支持Modbus 、MPI等多种协议,以满足各种通讯的需要;CPU自带供电模块,可以有两路进线,分别为背板总线和I/O信号供电,满足工业领域的供电安全控制要求;CPU本地连接模块最多可达64个,为客户的扩展需求提供了更广阔的空间。

6 此应用对行业发展的重要意义

有了VIPA高性能PLC产品的支持,加多宝已经对国内多个工厂的内压检测机进行了优化改造,品控效率的提升,有效提高了整条生产线的生产效率,随着越来越多的检测机选用VIPA产品,必将对增强加多宝的市场竞争力产生更深远的影响。更有意义的是,这一应用成果不仅适用于铝材易拉罐产品的在线检测,更可以推广至食品饮料、生物医药等行业的同类检测设备上,只要根据不同的包装材质选用与之匹配的传感器即可完成高效的检测任务,用户只需投入较低的成本,即可带来倍增的效益,解决困扰企业的生产瓶颈,助力企业增强市场竞争力。

摘自2016年《今日自动化技术应用在中国》

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