加多寶（中國）飲料有限公司 吳禮陽(yáng)

作者簡(jiǎn)介

吳禮陽(yáng)（1976-），男，湖北武漢人，高級工程師，本科，現就職于加多寶（中國）飲料有限公司，從事自動(dòng)化系統設計工作近20年，是生產(chǎn)線(xiàn)在線(xiàn)高速檢測、PLC及運動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域資深專(zhuān)家，研究方向為食品飲料衛生安全自動(dòng)化檢測設備。

摘要：罐裝食品飲料在線(xiàn)內壓檢測，是品質(zhì)控制的重要環(huán)節，檢測數據分析也是生產(chǎn)線(xiàn)系統維護的主要依據，精確的檢測數據與生產(chǎn)線(xiàn)的整線(xiàn)速度又是一對矛盾，本文針對這一應用提出了基于VIPA（德國惠朋）PLC系統的解決方案，很好地解決了這一矛盾，有效提高了不良品剔除的準確性，并大幅改善了生產(chǎn)線(xiàn)的運行效率。

關(guān)鍵詞：德國惠朋；食品飲料灌裝；內壓檢測機；高速采樣

1　罐裝食品內壓檢測的意義

罐裝食品有很多優(yōu)點(diǎn)，能在常溫下存放和流通，較好地保存了天然新鮮食品的色香味及營(yíng)養價(jià)值。罐裝食品的原理是依靠密封殺菌，達到商業(yè)無(wú)菌要求，不需要也不允許加入任何防腐劑。罐裝材料主要分為鍍錫薄鋼板和鋁材，由于鋁材制罐具有重量輕、無(wú)氣味、無(wú)毒害、易于加工和再回收利用等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為罐裝飲料的主流。但同時(shí)，鋁材機械性能較低，需要在罐裝過(guò)程中對罐內注入安全氣體，增強罐體機械強度，達到利于運輸流通的目的。

在線(xiàn)內壓檢測機就是利用正常品罐內具有一定壓力這一特征，對在線(xiàn)高速運動(dòng)的每一罐密封殺菌后的飲料罐內壓進(jìn)行檢測，對于在灌裝、殺菌過(guò)程中密封性已經(jīng)不良的產(chǎn)品（低于低限壓力）和可能會(huì )在銷(xiāo)售運輸過(guò)程中產(chǎn)生爆裂（高于高限壓力）的產(chǎn)品給予剔除，從而保證進(jìn)入包裝之前都是密封性能良好，罐內壓力適中的產(chǎn)品。

2　內壓檢測原理

常用的易拉罐內壓檢測方法有兩種，分別是擠壓式壓力傳感器方式和接近式電渦流傳感器方式，基本工作原理如下：經(jīng)過(guò)罐裝封口再高溫殺菌后的產(chǎn)品，被輸送帶引導進(jìn)入內壓檢測機，兩條對稱(chēng)柔軟皮帶將“被檢罐”夾持向前方運送，當罐體通過(guò)檢測區時(shí)，一瞬間將內部壓力直接傳導給側面的壓力傳感器，或通過(guò)頂部的電渦流傳感器檢測上蓋的形變，間接獲取壓力值，控制系統必須具有很高的信號轉換速度和計算速度，保證在一個(gè)檢測周期內得到足夠多的數據點(diǎn)，構成完整的壓力波形，這些數據點(diǎn)經(jīng)過(guò)算法可以得到該罐產(chǎn)品的內壓值，再通過(guò)對比“高限”與“低限”參數，決定是否剔除該產(chǎn)品。擠壓式內壓檢測原理如圖1所示，單罐壓力檢測曲線(xiàn)如圖2所示，單罐電渦流檢測曲線(xiàn)如圖3所示。

圖1 擠壓式內壓檢測原理

圖2 單罐壓力檢測曲線(xiàn)

圖3 單罐電渦流檢測曲線(xiàn)

3　加多寶原生產(chǎn)線(xiàn)遇到的瓶頸

在線(xiàn)內壓檢測是品質(zhì)控制的重要環(huán)節，檢測數據分析也是生產(chǎn)線(xiàn)系統維護的主要依據，精確的檢測數據與生產(chǎn)線(xiàn)的整線(xiàn)速度又是一對矛盾，加多寶集團在實(shí)際生產(chǎn)管理中就遇到了這樣的難題。在加多寶原有的生產(chǎn)線(xiàn)上，用于在線(xiàn)內壓檢測的控制系統是歐洲進(jìn)口設備自帶的專(zhuān)用控制器，備件極其昂貴，后改造成德國某知名品牌PLC控制系統，其內部高速中斷最快只有1ms，而且受到運算處理速度的局限，實(shí)際采樣周期最快只能達到＞3ms，生產(chǎn)線(xiàn)勉強能達到600罐/分鐘的速度，但因采樣點(diǎn)少誤差大，造成剔除裝置的誤打率較高，浪費嚴重，內壓檢測機成為整條生產(chǎn)線(xiàn)的瓶頸，生產(chǎn)效率上不去，因此設備管理部的技術(shù)人員一直在調研能滿(mǎn)足這一應用需求的PLC產(chǎn)品，要求：模塊反應時(shí)間短，模擬量轉換快，CPU采樣周期短、運算速度高，成本又不要太高。

4　攜手德國VIPA尋求解決方案

因試驗了幾款PLC產(chǎn)品效果都不十分理想，加多寶于2013年開(kāi)始嘗試與VIPA共同研究解決方案，經(jīng)過(guò)雙方技術(shù)人員反復論證與在線(xiàn)實(shí)驗，首先驗證了VIPA 313-5BF13能夠真正實(shí)現1ms的采樣周期，將采樣點(diǎn)數提高了近4倍，檢測精度明顯改善，有效降低了誤打率，大幅減少了浪費，從而提高了600罐/分鐘生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)效率，此系統在加多寶福建工廠(chǎng)在線(xiàn)試運行近一年的時(shí)間，系統運行穩定可靠，如圖4所示。在此基礎上，雙方又選用VIPA SLIO系列CPU 015以及高速信號模塊構建了更高性能的檢測系統，采樣頻率比VIPA 313-5BF13又提高4倍，背板傳輸速率、模擬量轉換時(shí)間等技術(shù)指標也大幅提升，系統采樣周期可達到250μs，完全能夠滿(mǎn)足1200罐/分鐘生產(chǎn)線(xiàn)的需求，并在加多寶福建、資陽(yáng)、武漢等工廠(chǎng)廣泛使用。至此，VIPA 300S和SLIO系列PLC的優(yōu)異性能得到了充分驗證，并逐步在加多寶各個(gè)工廠(chǎng)加以推廣。

圖4 接近式電渦流內壓檢測機

5　VIPA獨有的SPEED7技術(shù)是高速控制系統的有力保障

德國惠朋公司（VIPA GmbH）的PLC產(chǎn)品之所以能勝任這項任務(wù)，源于VIPA獨有的SPEED7技術(shù)，作為歐洲知名的自動(dòng)化組件及控制系統專(zhuān)業(yè)制造商，VIPA經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，已逐步確立了在世界硬件PLC領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先地位，SPEED7技術(shù)也已成為高速高效的代名詞，就像計算機行業(yè)的英特爾處理器一樣，SPEED7已被越來(lái)越多的PLC業(yè)內人士所熟知，它是VIPA設計的一款PLC專(zhuān)用高性能處理器芯片，集成了豐富的PLC專(zhuān)用功能模塊，使CPU的運算處理能力大幅提升，同時(shí)集成了PG/OP以太網(wǎng)等通用接口，從而奠定了300S和SLIO系列（產(chǎn)品如圖5所示）以及今后所有VIPA CPU的通信基礎，這不僅給廣大用戶(hù)提供了更經(jīng)濟更方便的編程方式，更為用戶(hù)提供了一個(gè)與現場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)完全隔離的信息化數據通道。早在十多年前，當VIPA推出第一款基于SPEED7技術(shù)的300SCPU時(shí)，就立刻在德國自動(dòng)化界引起轟動(dòng)，納秒級的運算處理速度、智能化的內存管理、100%安全的加密功能、高達64Mbit/s的SPEED-BUS背板通訊等新技術(shù)贏(yíng)得了歐洲用戶(hù)的青睞，在此后的數年里，VIPA憑借SPEED7技術(shù)，不斷為用戶(hù)創(chuàng )造價(jià)值。

圖5 300S主站（左）和SLIO CPU（右）

近年來(lái)，VIPA又推出了完美結合SPEED7技術(shù)和SLICEBUS技術(shù)的新一代PLC——SLIO智能控制系統，SLIO是VIPA新的里程碑，SLICE-BUS采用最新研發(fā)的SMC1000和SNAP+高速背板通訊芯片組構建，比SPEED-BUS更經(jīng)濟，而48Mbit/s的傳輸速率、20μs的模塊反應時(shí)間也足以讓市場(chǎng)上的同類(lèi)產(chǎn)品望其項背了，再加上該系統兼容所有歐美主流的標準工業(yè)總線(xiàn)，使各種應用場(chǎng)合都可以體驗到SLIO的巨大效能。特別是SLIO系列CPU，它獨具一格地采用SD卡配置內存和接口的創(chuàng )新理念，可以有效地幫助用戶(hù)降低備品備件的庫存，使CPU的資源不少也不多，避免浪費、節約采購和維護成本。目前已開(kāi)始在筑路機械、飲料包裝等領(lǐng)域應用。

SLIO系列產(chǎn)品是模塊化結構、高度緊湊型控制和I/O系統。本產(chǎn)品目前發(fā)布了兩款控制器，分別是基本型014和Profinet 型015。采用SPEED7新一代處理器，配備48Mbit/s的SLICE-BUS高速背板總線(xiàn)；標配以太網(wǎng)PG/OP接口，普通網(wǎng)線(xiàn)即可輕松實(shí)現組態(tài)編程以及與上位機或HMI通訊；015提供高性能PROFINET控制器接口，允許連接最多128個(gè)設備；使用VIPA的SPEED7 Studio或WinPLC7編程，同時(shí)支持SIMATIC Manager和TIA Portal，突顯SPEED7技術(shù)平臺的靈活性；最獨具一格的特點(diǎn)是，通過(guò)專(zhuān)用的VSC卡不僅能靈活地對CPU的工作內存進(jìn)行配置，還可以把標配的MPI口轉換成PROFIBUS主站或從站接口，實(shí)現以?xún)蓚€(gè)標準型硬件為基礎，演化出24個(gè)CPU版本，使它恰好適用于實(shí)際應用，從而最大限度地降低用戶(hù)的備件庫存成本；另外還提供了一個(gè)全功能的串口，支持Modbus 、MPI等多種協(xié)議，以滿(mǎn)足各種通訊的需要；CPU自帶供電模塊，可以有兩路進(jìn)線(xiàn)，分別為背板總線(xiàn)和I/O信號供電，滿(mǎn)足工業(yè)領(lǐng)域的供電安全控制要求；CPU本地連接模塊最多可達64個(gè)，為客戶(hù)的擴展需求提供了更廣闊的空間。

6　此應用對行業(yè)發(fā)展的重要意義

有了VIPA高性能PLC產(chǎn)品的支持，加多寶已經(jīng)對國內多個(gè)工廠(chǎng)的內壓檢測機進(jìn)行了優(yōu)化改造，品控效率的提升，有效提高了整條生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)效率，隨著(zhù)越來(lái)越多的檢測機選用VIPA產(chǎn)品，必將對增強加多寶的市場(chǎng)競爭力產(chǎn)生更深遠的影響。更有意義的是，這一應用成果不僅適用于鋁材易拉罐產(chǎn)品的在線(xiàn)檢測，更可以推廣至食品飲料、生物醫藥等行業(yè)的同類(lèi)檢測設備上，只要根據不同的包裝材質(zhì)選用與之匹配的傳感器即可完成高效的檢測任務(wù)，用戶(hù)只需投入較低的成本，即可帶來(lái)倍增的效益，解決困擾企業(yè)的生產(chǎn)瓶頸，助力企業(yè)增強市場(chǎng)競爭力。

摘自2016年《今日自動(dòng)化技術(shù)應用在中國》