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    摘要：結合無菌冷灌裝生產線在國內外市場情況的分析和生產工藝的簡要介紹，提出了Lenze系統在無菌冷灌裝行業的解決方案。重點分析了Lenze產品在無菌冷灌裝生產線的實現方法及技術優勢，并對未來無菌冷灌裝生產線的發展方向提出了展望。

    關鍵字：無菌冷灌裝生產線 Lenze 伺服 相位同步 EtherCAT

    1 前言

     隨著 PET 瓶包裝在世界范圍的蓬勃發展，國內外大型包裝設備制造企業開始致力于熱灌裝技術逐漸轉向超高溫滅菌后的無菌冷灌裝技術，這將為傳統的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 瓶無菌冷灌裝生產的飲料，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。瓶子的形狀也可隨意變換并降低熱應力，有利于包裝的外觀設計。產品還能夠最大限度地保證產品的自然風味，迎合市場需求。采用無菌冷灌裝也可延長產品的貨架保質期。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，產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產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：在無菌冷灌裝生產線中，瓶子在灌裝之前要達到并保持無菌狀態。為達到此目的，瓶子在兩臺殺菌機中利用殺菌液進行瓶子的內、外部殺菌，采用兩臺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：殺菌后的瓶子在沖洗機處采用無菌水進行沖洗，其目的是清除瓶子內殘留的殺菌液。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，用于將瓶子送往各個單元。灌裝機：灌裝機就是將已經處理好的無菌的瓶中灌注所需容量的無菌產品的設備。旋蓋機：旋蓋機將灌裝好產品的瓶子，進行自動旋蓋。（詳見下面圖1無菌冷灌裝工藝流程圖）
 

圖 1 無菌冷灌裝工藝流程圖
 

    3 Lenze解決方案

    此Lenze解決方案采用伺服分離式進行傳動，生產速度可達4 萬瓶每小時，精度小于0.05 瓶。Lenze針對無菌冷灌裝生產線的設置要求，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。這樣上位機只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，也保證了復雜運動控制器的穩定性。用戶只需選擇合適的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主要產品

    （1）9400伺服：9400系列伺服是Lenze新一代高端伺服系列產品，分為單軸和多軸兩種系列。產品采用32 位操作系統以確保伺服的高效穩定運行，產品內部可支持Modular 工作方式和余數補償機制，有效避免了計算誤差和累積誤差的產生。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，并且標配CAN 總線接口以及8 路開關量輸入、4 路開關量輸出、2 路模擬量輸入和2 路模擬量輸出，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：該產品由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適合該設備的運行。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臺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擬主軸，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伺服具有余數補償機制，可有效避免累積誤差的產生。本方案采用以太網進行伺服與上位機的通信，具體請參見圖2系統拓撲圖。
 

 
圖2 系統拓撲圖
 

    3.3 實現的主要功能

    Lenze 結合客戶工藝要求和產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，可確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產線意外斷電情況。各不同慣量的實軸可以同步停車。其主要原理是將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，然后再同步運行。當然通過觀察監控系統的同步狀態指示燈，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后均可自動記憶零點，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標。每臺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，其內部可支持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產生。

    （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爭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，確保飲料的原汁原味而備受青睞。目前無菌冷灌裝生產線在國內仍處于起步階段，面向未來巨大的消費市場發展潛力，無菌冷灌裝生產線必將向高速、安全方向發展。

    高速的生產線意味著在同等的生產級及工作車間投入條件下能夠帶來更大的生產能力。目前國內無菌生產線的生產速度平均為42000瓶/小時，已達到國際先進水平。傳統的機械聯軸式生產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產線的一個重要因素。隨著日新月異的工藝要求，無菌冷灌裝生產線未來將進一步向更加分離式及更多的伺服系統投入方向發展，從而進一步提升生產速度。

    安全的生產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產線必須從機械設計角度實現無菌環境，如灌裝凈化室必須達到100級以上的空氣凈化要求，灌裝閥門結構還必須簡單，易于清洗，并確保閥內無夾縫等衛生死角。無菌冷灌裝生產線必須著重于優化機械結構及生產工藝方法，向無菌、安全方向發展。

    總之，在未來的飲料行業，無菌冷灌裝生產線憑借其多種優勢，必將引領灌裝生產線的技術潮流，成為一種重要的飲料生產方式。