单端洗瓶机控制系统分析与设计

张明 许银萍 张宇轩

创新

单端洗瓶机控制系统分析与设计

/合肥中辰轻工业机械有限公司

分析一种常见单端洗瓶机主要组成及工作原理，通过总结该类机主要控制要求，给出单端洗瓶机控制系统的硬件设计、程序设计及HMI人机界面设计。

单端；洗瓶机；控制系统；人机界面

1 前言

饮料、啤酒行业最早和广泛使用的玻璃瓶单端洗瓶机，占地面积小、结构紧凑、清洗干净彻底、维修简单，得到青睐。随着自动化程度的提高，洗瓶机的控制也实现了电机同步运转控制、温度自动控制、跟踪喷淋控制、故障检测和诊断等智能化控制系统。在实际使用过程中，对于操作者，尤其是新手，很难直接上岗，经常出现变量经验值误输入、故障问题难以及时排除等问题。

本文以某厂典型的YPD424B单端洗瓶机为例，分析并设计出一套自动控制与人机界面结合的操作装置，其全部生产过程由可编程控制器、变频调速技术以及目前最流行的工业级人机界面组成的电控系统进行实时控制，使得设备的检测、维修更加简单、快捷。

2 单端洗瓶机主要组成及工作原理

此机器是属于连续浸泡加内外喷冲式洗瓶机，主要由进瓶装置、槽体、载瓶链和载瓶架、主传动系统、出瓶装置、液位显示及控制组成。需要洗涤的玻璃瓶，由输瓶带输送到洗瓶机的进瓶理瓶台上，在理瓶台排列完成后，由进瓶装置把玻璃瓶送入由主链带动的载瓶架之瓶盒中，再依次进入预浸泡槽、浸泡槽I、浸泡槽II、浸泡槽III、热水槽和温水槽，最后由出瓶装置送出。各个浸泡槽的碱液浓度和温度要求不同，液位高低也不同，要求每槽温差梯度不能超过39℃，否则容易碎瓶。槽体内部结构如图1。

3 控制系统分析与方案设计

3.1 系统控制方案

（1）整机工作画面能在人机界面动态显示，输瓶台速度、搓瓶台速度能根据产能自动调整。

（2）输入现场要求的设定值后，各槽温度、液位能实时动态调整。

（3）洗瓶机出现驱动过载、排瓶堵瓶倒瓶、进瓶跳瓶、电机过载等问题时必须在触摸屏上有弹窗显示。

（4）启动主电机，各电机、风机开始工作。若机器出现临时故障，电机风机不停机。出现过载，电机风机都要立即停止运行。进瓶复位电机、排瓶故障电机能电动控制。

（5）主电机启动后，除标泵、碱液冲洗泵、回收泵能启动，若主传动控制因为设备出现故障而临时暂停，泵不需要停机。当泵出口压力小于设定值，除标泵、碱液冲洗泵、回收泵都要延时停机。当泵过载或者按下停止按钮，相应泵必须立即停止。

（6）主电机启动后，当任一碱槽液位低于设定值或浸泡槽III温度高于设定值时，补水控制阀能自动打开，出现三个碱液添加阀同时打开的状况，补水阀须延时关闭。主电机启动，新水阀自动打开，主电机停止时，此阀会延时关闭。主电机启动，当箱体液位低于设定值时，碱液添加箱补水阀自动打开，高于设定值时，延时自动关闭。当槽内实际浓度检测值低于设定值，或者液位低于设定值时，对应阀门延时自动打开加浓碱，当槽体浓度值高于设定值且液位高于设定值，对应阀门要立即关闭。系统通过自动整定调节阀开度来控制碱槽温度，使其精度保证在±5℃范围内。

以上控制方案，有利于解决当前设备中各电机、泵启停难以操控正确的问题，也能解决故障不能及时停机、报警的问题。

3.2 控制系统硬件与软件设计

3.2.1 硬件设计

根据上述控制要求，计算得出需要110个开关量（62个输入开关量、48个输出开关量）、24个模拟量输入口，3个模拟量输出口。考虑后选用西门子S7-1500 型PLC（14数字量输入口+10数字量输出口+2模拟量输入口+2模拟量输出口）作为主控制模块，配有标准型 CPU（6ES7 511-1AK01-0AB0），再加上3个数字量输入输出模块（16数字量输入口+16数字量输出口）、3个模拟量输入模块（8模拟量输入口）、1个模拟量输出模块（4模拟量输出口）。另外还需要三个变频器对主传动电机、进瓶装置和出瓶装置进行速度控制，使得其运行速度可根据生产情况来设置定速运行。

3.2.2 软件设计

在西门子专门的程序编辑软件TIA博途STEP7 V15中进行设备组态、变量地址分配、程序设计、人机界面设计。

（1）程序设计

根据要求共设计了七个程序块，分别是主驱动控制、泵控制、阀控制、故障报警、温度控制、状态显示。

主驱动控制：设计主传动控制程序、主电机手自动控制程序，设置所有定时器的时间参数，建立主机产能与输瓶台电机速度、搓瓶电机速度的关系。设计程序多，此处列举一段主控制程序（图2）。

泵控制：设计各泵、除标电机、鼓风机、抽湿风机启停（图3）。

阀控制：设计新水阀、补水阀、碱液添加阀的启停（图4）。

故障报警：设计各处限位开关动作、泵出口压力低、排瓶堵瓶、进瓶跳瓶、报警灯、蜂鸣器、泵、电机过载等报警程序（图5）。

温度控制：主要采用PID_Compact指令设计各槽温度控制程序（图6）。

（2）HMI人机界面设计

人机界面设计是专为可编程控制器（PLC）而设计的互动式工作站，具备与（PLC）连接监控能力，可用文字、数字、图形同步显示（PLC）内部接点状态，采用液晶显示和触摸按键，进行对PLC 组成的自控系统监视操作。本系统触摸屏画面采用西门子TIA博途软件设计，包含主界面、生产监控、泵控制、故障显示、温度设定、液位设定。

主界面画面（图7）中导航键用于切换各个操作界面；

生产监控页面（图8）能直观洗瓶机各处泵、液位及整机运行状态；

泵控制页面（图9）可切换整机、泵及所有电机的自动与手动操作模式，并有停止按键；

阀控制页面（图10）中SV处可根据现场要求输入三碱槽的浓度设定值，PV处可观察实际值；

液位设定页面（图11）用于输入碱液添加箱以及三碱液槽的液位设定值，同时观察实际液位值；

温度设定页面（图12）中SV处可输入各碱槽温度设定值及PID参数值，且能观察各碱槽温度实际值；

故障控制页面（图13）随时可观察到各限位开关状态、泵压力报警、泵过载、排瓶堵瓶、输瓶卡瓶，并能弹窗显示等。

4. 结论

本机的整个生产过程，用可编程控制器PLC进行自动控制，正常生产时应置于运行程序。当机器处于运行程序时，机器的整个生产过程的动作将由可编程控制器由扫描方式接收现场多种输入设备的状态信号和来自传感器的检测信号，并按编制好的程序所规定的任务产生相应的控制信号，自动依次完成进瓶过程、各泵运行、出瓶过程等整个生产过程动作的监控。现场人员反馈认为，这种结合自动控制与人机界面操作的单端洗瓶机，操作维护容易，且能及时找出并处理故障。

[1]陈立定.王军会.洗瓶机控制系统分析与设计［J］. 食品工业,2010（1）:97—99．

[2] 薛迎成.PLC 与触摸屏控制技术［M］.北京: 中国电力出版社,2008

[3]刘小春.基于 PLC 的水箱水位 PID 控制系统设计［J］.装备制造技术， 2017( 6):171-173．

[4]薛迎成. PLC 与触摸屏控制技术［M］. 北京: 中国电力出版社，2008

[5]鲍兆臣.触摸屏技术及其未来发展方向［J］.建材世界， 2014， 35( 5):74—77．

Analysis and design of Control System for single-end bottle washing machine

Analyzing the main composition and working principle of a common single-end bottle washing machine, presenting the hardware design, program design and HMI man-machine interface design of the control system of the machine by summarizing the main control requirements of the machine.

Single-End; Bottle washing machine; Control system; Human-machine interface