一、項目簡介
       北海市果香圓果汁有限公司是位于中國熱帶果汁、果漿生產(chǎn)先進行列的公司，是全國最大的菠蘿和芒果濃縮果汁生產(chǎn)企業(yè)和出口商。其生產(chǎn)的濃縮果汁80%以上是采用進口無菌灌裝機自動灌裝。由于業(yè)務(wù)的需要，盛裝果汁的容器為無菌透明袋，主要規(guī)格為20Kg、80Kg、260Kg等幾個規(guī)格。
      由于該進口無菌灌裝機本身并無計量系統(tǒng)，所以灌裝的啟動/停止過程全憑操作人員自己控制，灌裝效率低下、整個生產(chǎn)過程嚴(yán)重依賴操作人員經(jīng)驗。而且灌裝出來的果汁量極不穩(wěn)定，給公司造成聲譽和經(jīng)濟上的損失。
       現(xiàn)需要通過自動化手段對整個生產(chǎn)工藝進行改造改造，提高灌裝效率和精度，并且添加人機接口，使整個灌裝過程流程化和可視化，擺脫依賴操作人員經(jīng)驗的狀況。
       該系統(tǒng)經(jīng)過自動化改造后的目標(biāo)為將人工手動控制氣動閥門啟停改為自動化計量控制。操作人員在文本顯示器上設(shè)定目標(biāo)重量，并啟動罐裝程序，開始罐裝作業(yè)，當(dāng)灌內(nèi)重量達到設(shè)定值后，控制器關(guān)閉氣動閥，結(jié)束罐裝程序。并且精度需要控制在100g以內(nèi)。
　　
二、系統(tǒng)分析
該項目改造目標(biāo)為改進控制系統(tǒng)，使之達到工藝需求的控制精度
精度：灌裝誤差控制在+/-1%之內(nèi)。
      計量共有兩種選擇，分別為流量（流量計）和重量（質(zhì)量流量計、稱重計）。重量=累積流量*密度。灌裝果汁的種類比較多，各種果汁的密度值略有偏差，而且密度與環(huán)境溫度，果汁濃度都有關(guān)系，所以采用流量計進行計量是無法滿足精度需求的。
分析：若罐裝采用質(zhì)量流量計計量。
       采用質(zhì)量流量計測得為質(zhì)量瞬時信號，即公斤/秒（Kg/s），只有通過積算的方式才能得到總共流過的總質(zhì)量。V總＝△T×L1+△T×L2＋….+△T×Ln ，△T為采樣時間，一般為1秒。則采樣結(jié)果如下所示：
 

圖（一）
      可見，采樣計算所得到的（質(zhì)量）流量值（小長方形中的面積和），與實際體積（曲線以下的體積）之間存在著一定的誤差，采樣時間越長，該誤差越大。
      而且由于質(zhì)量流量計的安裝方式和測量原理，其受管道內(nèi)阻力的影響較大，流體介質(zhì)在管道內(nèi)的流量是不均勻的，其中心的流量最大，越往外壁，其流量越小，與外壁接觸的流體層其流量幾乎為零。這樣注定用普通流量計無法用到需要精確計量的場合。
采用稱重傳感器作為稱量手段，就可以避免上述的問題，其與果汁的種類、濃度無關(guān)。

三、改造過程
      通過以上分析可知，需要對控制工藝進行改進，由于標(biāo)定物理量為重量，故改造方案直接采用重量傳感器。并且為了避免模擬量輸出的共模干擾和漂移，現(xiàn)采用精度更高的串口協(xié)議來讀取重量值。因為串口協(xié)議不容易受到線路上的信號干擾和模塊內(nèi)步信號的擾動，穩(wěn)定性更好，精確度更高。PLC采用RS485對稱重變送器串口進行讀取。稱重傳感器采用懸臂梁式，懸臂梁式傳感器一端固定，另一端拖住容器，安裝方便，適合于該罐裝系統(tǒng)。這樣控制精度可以控制在100克之內(nèi)。
       由于考慮到PLC既要與重量傳感器進行通訊，又要連接文本顯示器。保持原有的FX2N控制器，并加裝RS485BD通訊面板。
整個系統(tǒng)簡圖如下：圖（二）

 

圖（二）
      罐裝工藝原理為：人工將無菌袋放進罐裝頭，罐裝室內(nèi)置卡爪抓住袋頸，自動啟蓋，由氣缸控制的罐裝閥下降填充無菌袋口，介質(zhì)從高位灌經(jīng)灌裝閥流入無菌袋內(nèi)，人工啟動升級氣缸，升降氣缸在罐裝過程中慢慢上升，以防拉破無菌袋。如罐裝速度慢時，可設(shè)置氮氣加壓。加快罐裝速度。
其中有兩點需要強調(diào)和說明：
一）由于罐裝完畢后，需要借助于底部的輥筒將其移走，故重量傳感器只能安裝于輥筒之下，并且為了防止輥筒底板的積水造成稱量的誤差，要將輥筒底板拆下。考慮到鋼筒和輥筒的重量，所以重量傳感器最大量程不得小于350KG。
二）由于閥門全開時，流量較大，會有一定的沖擊。如果此時稱量，有可能會造成誤差。所以稱重變送器要采用具有防過沖功能的控制器。

      實際灌裝中，由于管徑較大，270KG的液體介質(zhì)一般在3分鐘內(nèi)罐裝完畢，則每秒平均流量為1.5KG，考慮到延時等因素，如果單單采用程序提前量的方法進行關(guān)閉控制，無法達到精確灌裝的目的，所以我們采用以下的解決方案：當(dāng)開始罐裝時，閥門為最大開度，當(dāng)稱量重量距目標(biāo)重量還有20%-15%時，啟動脈沖灌裝程序，系統(tǒng)由連續(xù)灌裝自動切換到斷續(xù)灌裝狀態(tài)。采用此種方法確保了實際灌裝量與設(shè)定灌裝量之間的誤差處于可接受的范圍之內(nèi)。

四、總結(jié)
       通過工程實施前的仔細(xì)分析，我們選擇了正確的方式對該系統(tǒng)進行了改造。在隨后的生產(chǎn)中，該系統(tǒng)的精確度完全滿足客戶要求，而且界面友好，操作方便，無論是熟練的操作人員還是新上手的操作人員，只要遵循正確的操作步驟，都能完美的完成灌裝操作。該系統(tǒng)解決了一直困擾客戶的難題，贏得了客戶的一致好評。