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無菌冷灌裝生産線上的自動化技術 [2014/12/10]

1 前言

随着 PET 瓶包裝在世界範圍的蓬勃發展,國内外大型包裝設備制造企業開始緻力于熱灌裝技術逐漸轉向超高溫滅菌後的無菌冷灌裝技術和電容式液位變送器電容式液位計,這将為傳統的PET瓶灌裝技術帶來一場革命,已成為國際上果汁和軟飲料發展的主要趨勢。
    采用 PET 瓶無菌冷灌裝生産的飲料,具有口味更新鮮、營養更豐富、使用更安全等優 點。與熱灌裝相比,可減少包裝材料成本。瓶子的形狀也可随意變換并降低熱應力,有利 于包裝的外觀設計。産品還能夠最大限度地保證産品的自然風味,迎合市場需求。采用無 菌冷灌裝也可延長産品的貨架保質期。由于設備本身具備嚴格的消毒、滅菌程序及百級的 灌裝無菌環境,産品包裝的無菌條件可得到極好的保障。

2 無菌冷灌裝設備的構成

無菌冷灌裝設備是灌裝生産線中重要的組成部分,主要負責原料的無菌灌裝,主要包 括:殺菌機、沖瓶機、行星輪、灌裝機和旋蓋機。殺菌機:在無菌冷灌裝生産線中,瓶子 在灌裝之前要達到并保持無菌狀态。為達到此目的,瓶子在兩台殺菌機中利用殺菌液進行 瓶子的内、外部殺菌,采用兩台殺菌機是為了保證殺菌液的能夠有效的殺死殺菌的時間, 以達到徹底殺菌的目的。沖瓶機:殺菌後的瓶子在沖洗機處采用無菌水進行沖洗,其目的 是清除瓶子内殘留的殺菌液。行星輪:行星輪是連接各個單元的中間機構,其上面安裝瓶 夾,用于将瓶子送往各個單元。灌裝機:灌裝機就是将已經處理好的無菌的瓶中灌注所需 容量的無菌産品的設備。旋蓋機:旋蓋機将灌裝好産品的瓶子,進行自動旋蓋。

3 Lenze解決方案

此Lenze解決方案采用伺服分離式進行傳動,生産速度可達4 萬瓶每小時,精度小于 0.05 瓶。Lenze針對無菌冷灌裝生産線的設置要求,提供了基于驅動器的控制系統這一解 決方案。基于驅動器的控制系統解決方案具有運動控制程序模塊化的突出優勢,驅動器本 身不僅可作為伺服電機的驅動單元,同時也支持多種PLC 編程語言。所有與運動相關的邏 輯控制均可由伺服控制器來完成,如尋零控制、自動回歸同步位、虛軸控制、斷電同步停 車以及伺服的邏輯控制等功能。這樣上位機隻需通過通訊模塊或者外部端子發送簡單的控 制指令即可實施命令。這種方式減輕了上位機的運行負擔,也保證了複雜運動控制器的穩 定性。用戶隻需選擇合适的PLC完成邏輯控制即可,從而讓方案更加靈活、穩定和可靠。

3.1 Lenze主要産品

(1)9400伺服:9400系列伺服是Lenze新一代高端伺服系列産品,分為單軸和多 軸兩種系列。産品采用32 位操作系統以确保伺服的高效穩定運行,産品内部可支持 Modular 工作方式和餘數補償機制,有效避免了計算誤差和累積誤差的産生。此外,9400 還采用簡單易學的CFC 編程語言,具有多任務處理系統,并使用全新的安裝方式,具有模塊化設計,易于集成等優點,并且标配CAN 總線接口以及8 路開關量輸入、4 路開關量輸 出、2 路模拟量輸入和2 路模拟量輸出,同時,它還配有兩個通訊擴展端口,可安裝 Ethernet、CanOpen、DeviceNet、EtherCAT、EtherNet、EthernetPowerlink (MN + CN)、InterBus 和Digital frequency等模塊。

(2)GKS系列異步伺服減速電機:該産品由Lenze 的MCA減速電機結合G系列減 速機組成,具有精度高,耐沖擊,壽命長等優點。此系列采用直交軸輸出方式,支持實心 軸和空心軸兩種安裝方式。本文所列解決方案采用空心軸輸出方式。異步伺服和同步伺服 可應用于不同的應用場合。由于灌裝設備具有慣量大和連續運行的工作方式,異步伺服的 高慣量匹配度的功能非常适合該設備的運行。在相同功率下,異步伺服在相位同步精度與 同步伺服相比更為出色。此系列伺服在無論低速或高速運行條件下均能滿足設備要求的控 制精度(大約2mm),可有效避免低速運行下的抖動問題。

3.2 Lenze解決方案

Lenze 使用 6 台 9400 伺服控制器作為運動控制的核心,用于殺菌 1、殺菌 2、沖瓶機、 行星輪、灌裝機和旋蓋機部分的運動控制。此方案采用共虛軸工作模式,其它各實軸,同 步于虛軸。虛軸選取慣量較大的旋蓋機設備作為虛拟主軸,各軸之間采用周期性工作模式 同步于虛軸,對于周期性工作模式,Lenze伺服具有餘數補償機制,可有效避免累積誤差 的産生。本方案采用以太網進行伺服與上位機的通信。

3.3 實現的主要功能

Lenze結合客戶工藝要求和産品特點主要實現的功能有:
(1)虛軸控制:采用虛軸作為主軸,可使各實軸完全同步于虛軸。虛軸選用慣量最大 的旋蓋機,可确保虛軸的控制擁有合理的速度及加速度。此外,各從軸完全同步于虛軸。

(2)斷電同步停車:斷電同步停車功能可用于應用生産線意外斷電情況。各不同慣量 的實軸可以同步停車。其主要原理是将機械的慣性動能轉化為伺服的電能,再給電機制動。 此功能必須要求伺服的控制回路一直有24V控制電源和伺服之間的直流電源并聯。

(3)自動回歸同步:設備要求在運行過程中各從軸之間一定要相位同步運行,避免各 瓶夾之間錯位運行,從而損害瓶夾。因此在設備運行前,伺服會自動檢測各伺服之間的位 置。如不在同步位,啟動時伺服會按最短瓶夾距回歸同步位,然後再同步運行。當然通過 觀察監控系統的同步狀态指示燈,如不在同步位,也可一鍵回歸回步位。

(4)零點設定:設備的零點設定采用手動設定零點方式。由于未安裝零點開關,設備 設定零點需由操作工通過人眼觀察逐個設定零點。伺服本身具備零點自動保存功能,因此 在完成零點設定後均可自動記憶零點,除非人為拆卸伺服電機或者在伺服斷電情況下進行 手動盤車伺服。

(5)實時誤差檢測:同步精度是設備正常運行的一個重要指标。每台伺服程序均設有 實時的誤差監控,伺服可通過伺服編碼器的位置和伺服控制器中虛軸的位置進行比較。比 較指令每毫秒進行一次,這樣設備運行中如發現每毫秒出差位置誤差,設備即可立刻進入 停車程序。

3.4 Lenze亮點

(1)擯棄了傳統的機械聯軸式傳動,采用分離式伺服實現設備的高速和高精度。

(2)采用9400智能伺服控制器,其内部可支持Modular 工作方式,以瓶位為周期 單位,有效避免計算誤差及累積誤差的産生。

(3)智能伺服控制器可獨立完成運動控制,為中央控制器減輕負擔,實現了運動邏輯 分開,增加了系統的可靠性及靈活性。

(4) 直流母線共享技術及伺服的能量回饋原理,為實現同步斷電停車帶來了必要保障。

(5)高效的MCA伺服電機及高品質的減速機為設備提供了高精度的機械驅動及靈活 可靠的安裝方式。

(6)專業獨立的服務團隊及銷售人員,為客戶量身打造最具有競争力和最高端的灌裝 設備。

4 展望

無菌冷灌裝工藝因其可有效保護營養的完整性,确保飲料的原汁原味而備受青睐。目 前無菌冷灌裝生産線在國内仍處于起步階段,面向未來巨大的消費市場發展潛力,無菌冷 灌裝生産線必将向高速、安全方向發展。

高速的生産線意味着在同等的生産級及工作車間投入條件下能夠帶來更大的生産能力。 目前國内無菌生産線的生産速度平均為42000瓶/小時,已達到國際先進水平。傳統的機械 聯軸式生産線由于其機械磨損及精度的原因,速度已不能滿足工藝要求。因此,采用分離 式伺服傳動系統是目前可實現高速生産線的一個重要因素。随着日新月異的工藝要求,無 菌冷灌裝生産線未來将進一步向更加分離式及更多的伺服系統投入方向發展,從而進一步 提升生産速度。

安全的生産線是人們喝到健康飲料的前提。由于沒有高溫殺菌的環節,這就要求無菌 冷灌裝生産線必須從機械設計角度實現無菌環境,如灌裝淨化室必須達到100級以上的空氣淨化要求,灌裝閥門結構還必須簡單,易于清洗,并确保閥内無夾縫等衛生死角。無菌冷灌裝生産線必須着重于優化機械結構及生産工藝方法,向無菌、安全方向發展。

總之,在未來的飲料行業,液位計液位變送器在無菌冷灌裝生産線憑借其多種優勢,必将引領灌裝生産線的技術潮流,成為一種重要的飲料生産方式。

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