北海市果香圓果汁有限公司是位于中國熱帶果汁、果漿生產先進行列的公司，是全國最大的菠蘿和芒果濃縮果汁生產企業和出口商。其生產的濃縮果汁80%以上是采用進口無菌灌裝機自動灌裝。由于業務的需要，盛裝果汁的容器為無菌透明袋，主要規格為20Kg、80Kg、260Kg等幾個規格。
由于該進口無菌灌裝機本身并無計量系統，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、整個生產過程嚴重依賴操作人員經驗。而且灌裝出來的果汁量極不穩定，給公司造成聲譽和經濟上的損失。
現需要通過自動化手段對整個生產工藝進行改造改造，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驗的狀況。
該系統經過自動化改造后的目標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定目標重量，并啟動罐裝程序，開始罐裝作業，當灌內重量達到設定值后，控制器關閉氣動閥，結束罐裝程序。并且精度需要控制在100g以內。
二、系統分析
該項目改造目標為改進控制系統，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。
計量共有兩種選擇，分別為流量（流量計）和重量（質量流量計、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，而且密度與環境溫度，果汁濃度都有關系，所以采用流量計進行計量是無法滿足精度需求的。
分析：若罐裝采用質量流量計計量。
采用質量流量計測得為質量瞬時信號，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量。V總＝△T×L1+△T×L2＋….+△T×Ln ，△T為采樣時間，一般為1秒。則采樣結果如下所示：
圖（一）
可見，采樣計算所得到的（質量）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。
而且由于質量流量計的安裝方式和測量原理，其受管道內阻力的影響較大，流體介質在管道內的流量是不均勻的，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。
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，現采用精度更高的串口協議來讀取重量值。因為串口協議不容易受到線路上的信號干擾和模塊內步信號的擾動，穩定性更好，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。這樣控制精度可以控制在100克之內。
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，介質從高位灌經灌裝閥流入無菌袋內，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，可設置氮氣加壓。加快罐裝速度。
其中有兩點需要強調和說明：
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的液體介質一般在3分鐘內罐裝完畢，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：當開始罐裝時，閥門為最大開度，當稱量重量距目標重量還有20%-15%時，啟動脈沖灌裝程序，系統由連續灌裝自動切換到斷續灌裝狀態。采用此種方法確保了實際灌裝量與設定灌裝量之間的誤差處于可接受的范圍之內。
四、總結
通過工程實施前的仔細分析，我們選擇了正確的方式對該系統進行了改造。在隨后的生產中，該系統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。該系統解決了一直困擾客戶的難題，贏得了客戶的一致好評。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
