基于CAN总线的啤酒灌装生产线控制系统
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摘要: 设计了基于can总线的啤酒灌装生产线自动控制系统。给出了系统总体结构,对上下节点硬件组成、完成功能作了详细说明,同时设计了相应的软件。实际应用表明,该系统结构合理、性能可靠,提高了信息集成度,使生产管理得到了优化。
Abstract: A kind of control system based on CAN of beer filling and packing product is designed. The overall architecture is presented. The hardware constitution and function of the up and down nodes are narrated in detail. The software of the system is designed. It is proved through practical application that the system construction is reasonable and highly reliable. It improves the degree of information integration and optimizes production management.
关键词: CAN总线;啤酒灌装生产线;控制系统;TMS320LF2407
Key words: CAN bus; beer filling & packing product line; control systme; TMS320LF2407
中图分类号:TP315 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)26-0148-02
0引言
2002年我国啤酒产量和消费量超过美国,成为第一大生产和消费大国。许多啤酒生产厂家都在努力地扩大生产规模,提高产品质量,降低生产成本,改进原有的落后的生产设备和控制系统,而现场总线控制系统是各厂家的首选。其中CAN现场总线控制系统由于其结构简单、抗干扰能力强、高可靠性和低成本等特点,广泛应用于汽车、机器人、数控机床、自动化仪表等领域[1],是啤酒灌装生产线较为理想的现场总线控制系统。
某啤酒厂过去一直采用独立控制器进行各个环节的生产控制,各环节之间没有连锁,靠人工操作,生产效率低下,设备状态、设备故障和停车等信息无法统一集中管理,对全厂的生产决策无法顺利进行,利用CAN现场总线技术对啤酒生产和灌装线进行自动化改造,取得良好效果。根据该厂的技术改造,对基于CAN总线的灌装生产线进行介绍。
1啤酒灌装工艺流程
灌装生产工艺流程较为复杂,所以不仅每个环节控制要精确,而且各个控制环节要互相紧密配合,即当其中一个环节出现故障时应连锁制动。如果每个环节采用独立的控制系统,当某个环节出现故障时由人工控制则控制效果会很差。啤酒灌装是啤酒成品生产过程中重要的环节,生产线主要流程包括:卸垛、卸箱、洗瓶、灌装压盖、杀菌、贴标、装箱和码垛[2]。其中卸垛机将未清洗酒瓶的酒箱卸垛;卸箱机将周转箱中的未清洗酒瓶卸箱;洗瓶机将输送带传送来的酒瓶进行高温清洗;灌装压盖机将清洗后的酒瓶进行灌装和压盖封装;杀菌机完成高温灭菌;贴标机完成商标粘贴;装箱机进行啤酒装箱;码垛机对酒箱进行码垛便于运输。另外灌装线还有酒瓶输送系统,包括码垛到卸箱的酒瓶箱输送、未清洗酒瓶输送、清洗后酒瓶到灌装压盖机输送、压盖后酒瓶到贴标机的输送、贴标后酒瓶到装箱机的输送、装箱后酒箱的输送、压盖机中瓶盖的输送。这些输送过程需要精确联动控制,否则后影响正常生产。同时要控制的还有灌装机CIP清洗系统[2]。
2控制系统原理结构
CAN网络采用多主工作方式,网络上任意节点均可主动向其它节点发送信息,节点可按系统实时性要求分成不同的优先级,一旦发生总线冲突,可减少总线的仲裁时间[3]。系统总体设计框图如图1所示。上位机通过适配器接收下节点传送的数据,对数据进行处理运算、显示、报警和远程控制等。适配器完成协议转换和数据双向传送。因为包装环节较多,所以下节点较多。第一个下节点完成未清洗酒瓶箱、空箱传送链道拖动电机运行控制和监测;第二个下节点控制将未清洗空酒瓶取出放置到输送未清洗酒瓶的链道上,同时本节点还完成输送未清洗酒瓶链道的拖动电机控制;第三个下节点控制酒瓶的清洗;第四个下节点完成啤酒灌装和压盖控制,同时完成一个输送酒瓶链道拖动电机控制。本节点工作较为复杂,在星形拨轮作用下,瓶子经历上升、密封、充CO2气体、灌入啤酒、下降过程[4],完成CO2管道和酒罐压力的检测和控制,即进行等压灌装,同时还完成坏瓶检测清除控制,完成瓶盖输送压盖控制;第五个下节点完成高温杀菌控制,杀菌机采用微波处理工艺,将灌装并压好盖的啤酒(4~5分钟)内加热至65~70℃,保温2分钟,然后自然冷却完成灭菌;第六个下节点完成啤酒商标粘贴和浆糊泵控制,同时完成贴标后酒瓶输送链到拖动电机控制;第七个下节点完成贴标后酒瓶装箱控制;第八个节点完成啤酒箱码垛控制。每个下节点都是一个单片机系统进行检测测和控制,互不干扰。同时各个下节点通过广播通信方式完成互相连锁制动。当下节点出现无法设定各个监测对象的初值等故障时,可通过上节点来设置,这样可保证整个系统的安全运行。
3硬件设计
系统硬件设计包括适配器接口卡和CAN总线下节点设计。
如图2所示为适配卡结构框图,系统采用Philips公司生产的P51XAG33KFBD芯片,为16位51系列增强型单片机,汇编语言与51单片机兼容,内部有32KEPROM不用外部扩展程序存储器。适配卡插于计算机PCI插槽,PC机通过适配卡将数据和控制参数传送给CAN网络节点,同时通过适配卡接收下节点上传的数据进行运算处理并保存。
本系统下节点较多,但基本功能相近,即进行参数检测,然后进行信号放大滤波后送入到单片机中进行处理、运算,最后输出控制信号,完成控制功能。同时与其他网络节点和上位机通讯,完成现场控制和同步工作。下节点单片机均采用TMS320LF2407DSP芯片,芯片内部有10位A/D模块、CAN总线模块、看门狗模块、32KFLASH程序存储器、2K单口RAM、544字双口RAM等。采用本芯片时外部扩展电路少,系统成本低,系统性能好。同时芯片内部集成了两个事件管理器模块EVA和EVB,产生PWM信号用于控制电动机,可独立工作不占用CPU时钟开销[5]。
如图3所示为灌装压盖节点原理框图,系统扩展了一片64K 字节SRAM数据存储器TC55V1664,用于保存历史数据。显示模块采用液晶显示器,用于现场显示测量参数值。电动机1为输瓶链道拖动电机,电动机2为瓶盖输送控制电机。测量参数为模拟量,为保证测量参数准确度,采用线性光电耦合器件进行隔离。被检测信号包括啤酒温度、流量、啤酒罐内压力、二氧化碳管道压力、灌酒前和压盖后坏酒瓶检测信号等。被控参数包括啤酒罐内压力、CO2气体管道压力、啤酒阀开度、CO2气体阀开度等。控制输出包括四部分,其中事件管理器EVA和EVB输出用于控制电动机;一路为单片机12个端口输出的数字控制信号,经过DA转换芯片MAX7541转换成1～5V电压信号,用于控制酒阀和CO2气体阀,不仅控制阀门的开启和关闭还控制阀门的开度,另外还控制啤酒储罐的压力恒定和恒压灌装。设酒泵流量为q(L/s),则装酒量为Q=qt。酒瓶中酒位h应为Q的函数,即h=f(Q)。因为装酒设备的装酒时间相等,因此只要控制酒泵的流量恒定即可确保酒瓶中的酒位相等且为常数。灌装节点控制器控制规律采用数字PID算法,其增量表达式和权系数自学功能为[6]