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加多寶（中國）飲料有限公司 吳禮陽

作者簡介

吳禮陽（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，從事自動化系統設計工作近20年，是生產線在線高速檢測、PLC及運動控制技術領域資深專家，研究方向為食品飲料衛生安全自動化檢測設備。

摘要：罐裝食品飲料在線內壓檢測，是品質控制的重要環節，檢測數據分析也是生產線系統維護的主要依據，精確的檢測數據與生產線的整線速度又是一對矛盾，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，并大幅改善了生產線的運行效率。

關鍵詞：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

罐裝食品有很多優點，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養價值。罐裝食品的原理是依靠密封殺菌，達到商業無菌要求，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、無氣味、無毒害、易于加工和再回收利用等優點，逐漸成為罐裝飲料的主流。但同時，鋁材機械性能較低，需要在罐裝過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，對在線高速運動的每一罐密封殺菌后的飲料罐內壓進行檢測，對于在灌裝、殺菌過程中密封性已經不良的產品（低于低限壓力）和可能會在銷售運輸過程中產生爆裂（高于高限壓力）的產品給予剔除，從而保證進入包裝之前都是密封性能良好，罐內壓力適中的產品。

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：經過罐裝封口再高溫殺菌后的產品，被輸送帶引導進入內壓檢測機，兩條對稱柔軟皮帶將“被檢罐”夾持向前方運送，當罐體通過檢測區時，一瞬間將內部壓力直接傳導給側面的壓力傳感器，或通過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，保證在一個檢測周期內得到足夠多的數據點，構成完整的壓力波形，這些數據點經過算法可以得到該罐產品的內壓值，再通過對比“高限”與“低限”參數，決定是否剔除該產品。擠壓式內壓檢測原理如圖1所示，單罐壓力檢測曲線如圖2所示，單罐電渦流檢測曲線如圖3所示。

圖1 擠壓式內壓檢測原理

圖2 單罐壓力檢測曲線

圖3 單罐電渦流檢測曲線

3　加多寶原生產線遇到的瓶頸

在線內壓檢測是品質控制的重要環節，檢測數據分析也是生產線系統維護的主要依據，精確的檢測數據與生產線的整線速度又是一對矛盾，加多寶集團在實際生產管理中就遇到了這樣的難題。在加多寶原有的生產線上，用于在線內壓檢測的控制系統是歐洲進口設備自帶的專用控制器，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，實際采樣周期最快只能達到＞3ms，生產線勉強能達到600罐/分鐘的速度，但因采樣點少誤差大，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線的瓶頸，生產效率上不去，因此設備管理部的技術人員一直在調研能滿足這一應用需求的PLC產品，要求：模塊反應時間短，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產品效果都不十分理想，加多寶于2013年開始嘗試與VIPA共同研究解決方案，經過雙方技術人員反復論證與在線實驗，首先驗證了VIPA 313-5BF13能夠真正實現1ms的采樣周期，將采樣點數提高了近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/分鐘生產線的生產效率，此系統在加多寶福建工廠在線試運行近一年的時間，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、模擬量轉換時間等技術指標也大幅提升，系統采樣周期可達到250μs，完全能夠滿足1200罐/分鐘生產線的需求，并在加多寶福建、資陽、武漢等工廠廣泛使用。至此，VIPA 300S和SLIO系列PLC的優異性能得到了充分驗證，并逐步在加多寶各個工廠加以推廣。

圖4 接近式電渦流內壓檢測機

5　VIPA獨有的SPEED7技術是高速控制系統的有力保障

德國惠朋公司（VIPA GmbH）的PLC產品之所以能勝任這項任務，源于VIPA獨有的SPEED7技術，作為歐洲知名的自動化組件及控制系統專業制造商，VIPA經過30多年的發展，已逐步確立了在世界硬件PLC領域的技術領先地位，SPEED7技術也已成為高速高效的代名詞，就像計算機行業的英特爾處理器一樣，SPEED7已被越來越多的PLC業內人士所熟知，它是VIPA設計的一款PLC專用高性能處理器芯片，集成了豐富的PLC專用功能模塊，使CPU的運算處理能力大幅提升，同時集成了PG/OP以太網等通用接口，從而奠定了300S和SLIO系列（產品如圖5所示）以及今后所有VIPA CPU的通信基礎，這不僅給廣大用戶提供了更經濟更方便的編程方式，更為用戶提供了一個與現場工業總線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技術的300SCPU時，就立刻在德國自動化界引起轟動，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背板通訊等新技術贏得了歐洲用戶的青睞，在此后的數年里，VIPA憑借SPEED7技術，不斷為用戶創造價值。

圖5 300S主站（左）和SLIO CPU（右）

近年來，VIPA又推出了完美結合SPEED7技術和SLICEBUS技術的新一代PLC——SLIO智能控制系統，SLIO是VIPA新的里程碑，SLICE-BUS采用最新研發的SMC1000和SNAP+高速背板通訊芯片組構建，比SPEED-BUS更經濟，而48Mbit/s的傳輸速率、20μs的模塊反應時間也足以讓市場上的同類產品望其項背了，再加上該系統兼容所有歐美主流的標準工業總線，使各種應用場合都可以體驗到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新理念，可以有效地幫助用戶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。目前已開始在筑路機械、飲料包裝等領域應用。

SLIO系列產品是模塊化結構、高度緊湊型控制和I/O系統。本產品目前發布了兩款控制器，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；標配以太網PG/OP接口，普通網線即可輕松實現組態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個設備；使用VIPA的SPEED7 Studio或WinPLC7編程，同時支持SIMATIC Manager和TIA Portal，突顯SPEED7技術平臺的靈活性；最獨具一格的特點是，通過專用的VSC卡不僅能靈活地對CPU的工作內存進行配置，還可以把標配的MPI口轉換成PROFIBUS主站或從站接口，實現以兩個標準型硬件為基礎，演化出24個CPU版本，使它恰好適用于實際應用，從而最大限度地降低用戶的備件庫存成本；另外還提供了一個全功能的串口，支持Modbus 、MPI等多種協議，以滿足各種通訊的需要；CPU自帶供電模塊，可以有兩路進線，分別為背板總線和I/O信號供電，滿足工業領域的供電安全控制要求；CPU本地連接模塊最多可達64個，為客戶的擴展需求提供了更廣闊的空間。

6　此應用對行業發展的重要意義

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

摘自2016年《今日自動化技術應用在中國》