PLC在全自动葡萄酒灌装压塞一体机上的应用

摘 要：论述了可编程逻辑控制器（PLC）的概念、工作原理及在全自动葡萄酒灌装压塞一体机上的应用，指出PLC结构简单，功能强大，对设备主电机的运行速度和灌酒液位的控制更加精确，工作效率高，故障率低，且软件参数调整方便，可满足不同瓶型和不同工艺的生产需求。

关键词：可编程逻辑控制器；灌装压塞一体机；葡萄酒

中图分类号：S220.05 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.02.016

Application of PLC in Automatic Wine Filling and Bottle Corking Machine

WANG Zhong， CHEN Xing-zhong， ZHOU Xiao-fang， GAO Zhao-xia， FENG Gang， DU Fu-lin

（Sino-French Joint Venture Dynasty Winery Company Limited， Tianjin 300402，China）

Abstract： Definition and working principle of programmable logic controllers （PLC） and its application in automatic wine filling and bottle corking machine were introduced. The conclusions were drawn that the PLC have simple structure， and powerful function， and strong control for running speed of main motor and wine filling level， and high efficiency， and the low failure rate， and that software parameters were easily adjusted， which can meet demands of different bottles and different processes.

Key words： programmable logic controllers； filling and bottle corking machine； wine

近年来，消费者对食品安全问题日益关注，国家对食品生产企业的要求也越来越严格。葡萄酒作为当今社会消费者青睐的对象，安全问题显得尤为重要。全自动灌装压塞一体机是葡萄酒灌装生产线上一个非常重要的机组，它是集冲瓶、灌装、打塞为一体的旋转型灌装机。为使灌装出的葡萄酒整齐、美观并具有良好的包装质量，要求灌装、打塞动作具有较高的精准度，传统的继电器已经不能满足要求[1]。可编程逻辑控制器（PLC）在工业自动化控制领域使用广泛，它具有编程简单，工作可靠，使用方便等特点[2]。采用S7-300PLC作为全自动葡萄酒灌装压塞一体机的控制系统，实现了高效智能化的操作交互以及故障自我诊断，在高速灌装状态下，可以达到较高的灌装精度，保证了运行的稳定性。

1 PLC的概念和结构组成

1.1 PLC的概念

PLC（Programmable logic controllers）是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作。主要特点：体积小、功能强、工作可靠、能耗低。它的基本结构包括：CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、电源模块、通信处理器和编程设备组成，可以与计算机、其他PLC或其他设备进行通信。

1.2 PLC的结构组成

该全自动葡萄酒灌装压塞一体机的控制系统选用型号为西门子S7-315-2DP PLC的程序控制器，其存储量为8 MB，数字量输入输出（DI/DO）为1 024/1 024个，模拟量输入输出（AI/AO）为1 024/1 024路，计数器和定时器为256个。其结构组成如图1所示。

由于该系统输入和输出信号较多，故采用了两个机架——中央机架和扩展机架。在中央机架上选用发送接口模块IM360，在扩展机架上安装了接收接口模块IM361，其作用是将PLC背板总线从一个机架扩展到下一个机架。此外，中央机架上还安装了计数器模块F350-1，该模块为单通道、智能化技术模块，可以检测高达500 kHz的脉冲，主要作用是接收灌装机的编码器脉冲信号。此PLC系统中还包括8块数字量输入模块SM321、6块数字量输出模块SM322、1块模拟量输入输出模块SM334。

（1）数字量输入模块SM321（输入点为16个、DC24 V）：主要连接各种检测信号，包括急停、启停、压力传感器、编码器、光电传感器、极限开关等信号。

（2）数字量输出模块SM322（输出点为16个、DC24 V）：主要连接指示灯、报警灯、变频器的启停、高低转速、高度调整电机的正反转信号（分别调整冲瓶机和打塞机高度，调整灌装机酒缸及液位高度）、电磁阀以及各类继电器信号等。

（3）模拟量输入输出模块SM334（输入为4路，输入范围0～10 V，0～20 mA；输出为2路，输出范围0～10 V，0～20 mA）：检测和传输灌装机速度信号、酒缸温度传感器信号和液位传感器信号。

2 全自动葡萄酒灌装压塞一体机的工作过程

全自动葡萄酒灌装压塞一体机由冲瓶机、灌装机和打塞机3部分组成。该机组有60个灌装头，生产速度为15 000瓶·h-1。该机组的工作过程如下：

（1）冲瓶过程。空瓶进入到进口拨轮，瓶托上升托起空瓶，送至冲瓶转盘的瓶夹装置上，并夹紧瓶嘴，夹瓶装置沿着导向轨道向下翻转180度，使瓶口朝下，冲洗管进入瓶内，水阀打开进行内部冲洗。冲洗后水阀关闭，气阀打开将瓶内的残留液体吹出。之后，瓶夹继续沿着导轨运行并且向上翻转180度，使瓶口朝上，瓶夹打开，瓶子进入到出口拨轮上，经传送带输送到灌装机工位。

（2）灌装过程。冲洗后的空瓶经进口拨轮，被准确的送到酒缸转盘的瓶托上，空瓶随之转动，瓶托机构将空瓶托起，瓶口与灌装阀对准并封闭，瓶口顶开阀门，酒液流入瓶内，同时负压管将瓶内空气吸入酒缸。瓶内液位的高低是由灌装阀嘴的高度和负压管的作用来决定的，负压管将高于灌装阀嘴的酒液吸回到酒缸内，保证不同瓶的液位一致，灌装完毕。瓶子经出口拨轮进入到打塞机的工位。

（3）打塞过程。进口拨轮将酒瓶送入到打塞机的转盘瓶托上，瓶托沿着曲线板轨迹升高，酒瓶对准挤塞仓的导向套口，送塞装置将木塞放入挤塞仓中压缩，打塞杆向下运动，将塞压入瓶颈口内。瓶托沿曲线板轨迹下降，酒瓶转到出口拨轮，进入到下一个工位。

3 PLC在全自动葡萄酒灌装压塞一体机上的应用

PLC主要控制对象包括主电机变频器、供酒泵变频器、防尘风罩电机、设备高度调整电机、CIP冲洗过程以及各类电磁阀。

3.1 主电机变频器的控制

主电机选用丹佛斯VLT2855三相变频器控制，功能端子：55，60为模拟量；输入信号0～20 mA；18，19，27为启动、停止输入端子。启动按钮SP024对应PLC输入点为I12.0，相应输出点Q32.0为启动运行信号，作用在变频器18，19端子上。停止按钮SP016对应PLC输入点I16.5，相应输出点Q48.6为停止信号，作用于变频器27端子上（图2）。

在人机界面（触摸屏）中设有机器速度调整功能，可进行参数更改，以调整主电机变频器的输出频率。速度调整设有2个级别：正常运行速度和最低运行速度。正常工作状态下，设定速度参数后，模拟量输出模块PEW272中的CH0通道输出0～20 mA信号，作用在变频器55，60功能端子上，其频率从0～50 Hz变化，对应设备的生产速度为0～15 000瓶·h-1；当前方传送带有瓶子堆积时，输入模块I20.5接收信号，灌装一体机按照最低速度运行。

3.2 全自动葡萄酒灌装压塞一体机高度调节的控制

高度调节通过电机的正转和反转来实现：电机带动减速机，减速机输出轴作用到丝杠上，带动转盘上下运动。高度调节形式分为手动单机调节和自动调节2种形式。手动单机调节：当灌装新瓶型时，冲瓶机、灌装机和打塞机可分别进行瓶型高度的测定，测定后的参数在触摸屏上显示并存入PLC相关数据块中。自动调节（针对的是灌装机PLC数据块中已存入的瓶型）：在触摸屏的瓶型调整页面输入要调整的瓶型代码，确认后进入自动调节高度的程序，程序将当前的高度参数和初始零位的高度参数比较运算后，数字量输出模块相关输出点带动继电器动作，控制电机的正传和反转，来实现高度调节的控制。

3.3 防尘风罩系统的控制

由于灌装生产对环境卫生要求很高，需在无尘无菌的条件下进行，故在灌装机的上部安装防尘风罩十分必要。防尘风罩为半密闭装置，其内部安装有相应的风机和空气过滤器。风机气流通过过滤器后，气体沿着前门和后门自上而下快速流动，形成一道风幕，以防止环境中的飞虫、灰尘进入到灌装机内。另外，在风罩顶部安装有一部换气风机，它可将蒸汽杀菌时形成的热蒸汽迅速排出。

风机由西门子S7-222PLC控制。风机S7-222PLC作为灌装机S7-315-2DP PLC的从站，通过PROFIBUS-DP现场总线实现通讯。S7-222PLC的输入信号为6个压力传感器信号，其作用是检测过滤器表面是否堵塞和漏气；输出信号的作用是控制风机的启停动作。

3.4 供酒泵变频器的控制

变频器的控制分为自动控制和手动控制，其电路图如图3所示。

自动控制：当继电器KC093、KC092常开触点闭合时，酒缸液位变送器将0～20 mA的信号传送到PLC模拟量输入模块PEW272的CH0通道，PLC将该信号与液位设定值运算比较后，在模拟量输出模块CH1通道输出0～20 mA控制信号作为速度控制信号，输入到变频器53，55，60功能端子，此时变频器的调速方式为自动控制。

手动控制：当继电器KC091常开触点闭合时，变频器的功能端子50，53，55连接操作盘上的可调电位器，53端子电压范围为0～10 V，此时变频器调速为手动控制。变频器控制端子18，27分别为启动和停止信号输入端。

操作人员根据灌装工艺要求，可在触摸屏上设置高、低液位参数和工作液位参数。当实际液位值超出所设置的液位参数范围时，灌装机将停止灌装，并在触摸屏上显示低（或高）液位报警信息。同时，操作人员通过在触摸屏上修改PID参数（比例、积分、微分调节器），可实现对供酒泵转速和酒缸液位的良好控制。

3.5 灌装机CIP清洗功能的控制

CIP清洗为在不拆卸设备或元件条件下，用一定温度和浓度的清洗液、杀菌剂、蒸汽对与食品接触的表面进行清洗和杀菌。

操作人员在灌装机触摸屏上可以阅读和编制预设程序：在CIP冲洗预设页面上，可以修改操作方式（工作、设定、冲洗1程序至冲洗5程序）、选择工作步骤（01234等）、修改各步骤的设备工作状态（暂停、生产、调整高度等待CIP、进第一批酒、用气体排放排入下水、用气体排放排入回收槽、冲洗、蒸汽、自然排入下水、排空过滤器、由底部冲洗）、修改各步骤的需求条件（产品、蒸汽、热水、冷水、清洗剂、杀菌剂等）。设定程序后，灌装机将按照冲洗工艺的要求和相关传感器状态，顺序开启和关闭相应的阀门。

灌装机的PLC通过网络与CIP控制中心的PLC进行通讯，CIP控制中心将灌装机冲洗程序所需要的条件配置就绪，等待灌装机PLC的命令，按照程序步骤对灌装机进行冲洗。

3.6 PLC的系统手动操作功能和故障报警功能

应用PLC系统后，操作人员可以通过触摸屏实时监控系统的运行情况，也可方便的在触摸屏上进行手动操作，包括：各种电磁阀（进酒阀、排酒阀、冲洗阀、CIP循环阀等）、真空泵、防尘风罩风机等设备的开启以及相关设备（冲瓶、酒缸、液位、打塞）高度的调整。

在生产过程中，经常会出现一些设备故障，PLC可对故障信号进行分析、处理，并在屏幕上显示多种报警信息，包括：进出口星轮保护、高低限位保护、系统压力故障、编码器故障、防护门故障、无木塞故障、风罩风机压力故障、吊瓶子故障、倒瓶子故障等，这些信息方便维修人员快速修复设备，使机器正常运转。

3.7 灌装压塞一体机的PLC控制系统网络

全自动葡萄酒灌装压塞一体机的控制系统网络组成如图4所示，它包括：灌装机S7-315 2DP PLC、灌装机S7-200 PLC、CIP冲洗设备控制中心S7-314 PLC及触摸屏。S7-200 PLC和S7-314 PLC通过现场总线连接到灌装机S7-315 2DP PLC，灌装机S7-315 2DP PLC通过MPI电缆连接触摸屏。315 2DP PLC作为主站，其他2台PLC（S7-314和S7-200）作为从站。其中S7-200 PLC功能为监控灌装机防尘罩风机及风道压力传感器的工作状态。CIP冲洗中心为灌装机提供所需温度和浓度的酸碱溶液进行杀菌。

4 结论与讨论

国内葡萄酒行业中，以往使用的设备控制系统大量使用中间继电器、时间继电器、计数器组成的逻辑电路，这些装置频繁的使用会造成触点接触不良，出现故障造成停机。PLC用软件代替中间继电器和时间继电器这种接线方式，结构简单，所占空间小，且故障率低。PLC有完善的故障诊断系统，当外部输入装置和执行机构发生故障或PLC发生故障时，可根据PLC的发光二极管或编程软件提供的信息，快速查明故障的原因，减少了维修的工作量，提高了工作效率。此外，采用PLC作为全自动葡萄酒灌装压塞一体机的控制核心，对主电机的运行速度和灌酒液位的控制更加精确，且对于不同瓶型和不同工艺的适用性好，利用软件调整参数方便易行，可满足不同的生产需求。

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