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在自動(dòng)化工業(yè)包裝生產(chǎn)中，全自動(dòng)的工業(yè)液體灌裝設(shè)備被廣泛使用。由于工業(yè)液體大多為易爆物， 所以采用防爆的灌裝生產(chǎn)線成為工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前市場(chǎng)上的液體灌裝線主要有容積式、 電子秤計(jì)量式， 以及為適應(yīng)特殊場(chǎng)合的復(fù)合式等幾種灌裝方式［1—3］。其中電子稱(chēng)計(jì)量式被廣泛應(yīng)用于工業(yè)液體的灌裝， 此種方式灌裝精度高，對(duì)灌裝原料的溫度、 黏度等參數(shù)適應(yīng)性強(qiáng)。大灌裝量的全自動(dòng)防爆灌裝設(shè)備以其灌裝精度高，適應(yīng)各種易爆環(huán)境， 自動(dòng)卸蓋， 快慢雙速灌裝， 自動(dòng)上蓋等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用工業(yè)易爆液體的灌裝。

1 灌裝設(shè)備的工作原理及組成

200 L 全自動(dòng)液面下灌裝線主要用于工業(yè)物料定量灌裝［4—5 ］。其工藝流程為:人工通過(guò)上桶斜坡把空桶推送到空桶爬坡機(jī)上， 空桶被輸送到空桶斜坡滑行線上，然后空桶靠自重下滑到入口工位， 經(jīng)編組后，順序進(jìn)入空桶動(dòng)力輸送線上， 抱桶機(jī)構(gòu)將空桶抱住旋轉(zhuǎn)， 進(jìn)行自動(dòng)尋口定位， 卸蓋裝置將桶蓋旋下， 放置于桶蓋輸送線上， 空桶繼續(xù)旋轉(zhuǎn)定位， 充氮注頭下降充氮， 充氮完畢后， 注頭上升， 氣動(dòng)推拉門(mén)自動(dòng)打開(kāi)， 待空桶進(jìn)入灌裝工位， 桶到位后， 氣動(dòng)推拉門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)抱桶機(jī)構(gòu)將桶定位， 自動(dòng)尋口定位后，灌裝頭下降插入空桶中， 自動(dòng)去皮清零， 完成快、 慢雙速灌裝，隨著質(zhì)量的增加灌裝頭步進(jìn)上升并始終保持在液面下，并自動(dòng)顯示灌裝量， 到量時(shí)灌裝頭自動(dòng)升起， 灌裝工位軌道輸送機(jī)自動(dòng)出桶， 空桶順序入位;已灌裝的桶進(jìn)入上蓋工位， 經(jīng)上蓋隨動(dòng)定位機(jī)構(gòu)自動(dòng)定位桶口后， 上蓋機(jī)構(gòu)經(jīng)桶蓋輸送線上取蓋將蓋旋上，完成后氣動(dòng)推拉門(mén)打開(kāi)， 將桶送到重桶區(qū)， 進(jìn)而經(jīng)分桶機(jī)構(gòu)將桶自動(dòng)分道， 到達(dá)成品存放區(qū)。

在卸蓋工位沖入惰性氣體，從而保證易揮發(fā)的工業(yè)物料在灌裝時(shí)不與空氣接觸， 灌裝和上蓋工位設(shè)計(jì)在密閉的空間內(nèi)，采用專(zhuān)用的通風(fēng)裝置將灌裝和上蓋時(shí)暴露在空氣中的揮發(fā)物料抽走， 從源頭盡量減少灌裝環(huán)境中的易燃物料。

控制系統(tǒng)具有聯(lián)機(jī)保護(hù)功能，如無(wú)桶不灌， 重桶不出不進(jìn)空桶， 超欠量自動(dòng)聲光報(bào)警， 斷氣、 斷電自動(dòng)切斷物料等。電控柜內(nèi)一旦進(jìn)入易燃易爆氣體時(shí)， 自動(dòng)切斷動(dòng)力電源。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)的總體方案

該系統(tǒng)是 200 L 大灌裝量液面下灌裝電子秤稱(chēng)重式防爆灌裝設(shè)備，采用S7－200 系列的 PLC作為控制單元， 使用 Eview 觸摸屏實(shí)現(xiàn)與 PLC 的數(shù)據(jù)交換處理和控制監(jiān)控， 稱(chēng)重模塊 SIWAＲEXMS 作為電子秤與 PLC 的通信模塊。該緊湊型模塊可以簡(jiǎn)便的方式安裝到 SIMATIC S7－200 自動(dòng)化系統(tǒng)之中?？芍苯釉赟IMATIC － CPU 中存取當(dāng)前質(zhì)量數(shù)據(jù)， 無(wú)需添加其他接口。利用變頻器控制尋口定位電機(jī)進(jìn)行快慢雙速運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)卸蓋和灌裝工位既快速又精準(zhǔn)的桶口定位。當(dāng)尋口定位的抱桶器將桶夾緊后先帶動(dòng)桶進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)， 在接近定位器的位置變成慢速旋轉(zhuǎn)， 當(dāng)桶口旋轉(zhuǎn)到定位器的正下方時(shí)停止旋轉(zhuǎn)。模擬量輸出模塊用來(lái)控制電氣轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)，將標(biāo)準(zhǔn)的 4 ～20 mA 的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換器后氣動(dòng)閥的開(kāi)度， 減少了大小流量單獨(dú)進(jìn)料閥的數(shù)量。只采用一個(gè)電氣轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)灌裝大小流量的精確控制，并且可以隨意控制閥的開(kāi)度大小， 以減小灌裝時(shí)由于瞬間關(guān)閥對(duì)稱(chēng)重系統(tǒng)的沖擊?？刂葡到y(tǒng)的總體方案見(jiàn)圖1［6—12 ］。

2．2 防爆設(shè)計(jì)

客觀上很多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)滿足爆炸條件，當(dāng)爆炸性物質(zhì)與氧氣的混合濃度處于爆炸極限范圍內(nèi)時(shí)， 若存在爆炸源，將會(huì)發(fā)生爆炸， 因此必須在此類(lèi)工廠車(chē)間運(yùn)行的設(shè)備采取防爆措施。我國(guó)目前的防爆方式主要有限流限壓的本質(zhì)安全型(ia， ib)、 采取隔爆保護(hù)外殼的隔爆型(d)、 采取隔離措施的正壓型(p)、 采取特定結(jié)構(gòu)的增安型(e)以及采取特殊設(shè)計(jì)的特殊型(s)等。國(guó)標(biāo)中防爆等級(jí)一般分為礦井下Ⅰ和礦井上工廠Ⅱ， 工廠一般又分為 A， B， C 等 3 級(jí)?？扇夹詺怏w引燃溫度等級(jí)分為 T1 － T6。危險(xiǎn)場(chǎng)所區(qū)域的劃分為0 區(qū)、 1 區(qū)和 2 區(qū)［13—15 ］ 。

化工工廠的灌裝設(shè)備都需要進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，并根據(jù)用戶的防爆要求進(jìn)行設(shè)計(jì)， 文中的用戶防爆要求是Exd Ⅱ BT4， 在1 區(qū)使用。在確保安全的情況下， 根據(jù)用戶的要求主要分為電控柜和電控柜外電器件的選用。

電控柜的設(shè)計(jì)采用正壓型防爆電控柜，其設(shè)計(jì)等級(jí)為 ExpⅡCT6，正壓型防爆， 防爆等級(jí)為最高的ⅡC，可燃性氣體引燃溫度等級(jí)為T(mén)6， 即設(shè)備表面的最高耐熱溫度不超過(guò) T6(85°)。正壓防爆技術(shù)采用空氣或惰性氣體換氣， 并自動(dòng)計(jì)時(shí)，用壓力控制器控制內(nèi)部壓力， 當(dāng)壓力高于設(shè)計(jì)規(guī)定值時(shí)， 外殼內(nèi)部電氣設(shè)備通電， 主電源與壓力控制器互鎖聯(lián)動(dòng)，壓力低于規(guī)定值就斷電。此種方式尤其適用于控制盤(pán)、 機(jī)箱機(jī)柜等大容積設(shè)備。它使外殼內(nèi)部的爆炸環(huán)境變?yōu)?ldquo;安全區(qū)域”， 并保持內(nèi)部始終為正壓， 即內(nèi)部氣體的壓力大于柜外氣體的壓力， 這樣普通的電氣設(shè)備就可以安裝在外殼內(nèi)使用。由于在電控柜上安裝使用了觸摸屏，所以在觸摸屏的外部增加了可視的密閉防護(hù)罩，在不點(diǎn)觸觸摸時(shí)是將其密閉。防爆設(shè)計(jì)控制方案見(jiàn)圖 2。

電控柜外的電器主要有電子稱(chēng)、電機(jī)、 電磁閥、 光電傳感器等， 其中光電傳感器選用本質(zhì)安全型器件，電控柜外元件設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖 3。

本質(zhì)安全電氣設(shè)備指其內(nèi)部所有電路在規(guī)定的條件下，產(chǎn)生的火花或熱效應(yīng)均不可能引爆。本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)由以下 3 部分組成。

1) 現(xiàn)場(chǎng)本質(zhì)安全設(shè)備。按本安防爆要求， 對(duì)儲(chǔ)能元件回路作特殊設(shè)計(jì)，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生由火花或熱源引起爆炸。

2) 連接電纜。避免外界電磁場(chǎng)干擾的影響， 限制電纜分布參數(shù)。

3) 關(guān)聯(lián)設(shè)備。安全柵， 將從安全區(qū)的非本安回路傳到危險(xiǎn)區(qū)本安設(shè)備的能量限制在點(diǎn)火極限范圍內(nèi)。安全柵是充當(dāng)危險(xiǎn)區(qū)儀表和控制室儀表之間的“界面”。安全柵本身并不是本質(zhì)安全的， 不可以直接安裝在危險(xiǎn)區(qū)，必須安裝在安全區(qū)或采用隔爆裝置進(jìn)行保護(hù)后安裝在危險(xiǎn)區(qū)。

現(xiàn)場(chǎng)的所有傳感器都采用本安型傳感器，再外加防護(hù)罩， 通過(guò)增安型現(xiàn)場(chǎng)接線盒全部接入電控柜的安全柵上，構(gòu)成本安型防爆系統(tǒng)， 其防爆形式為 Exib Ⅱ CT6。

2． 3 硬件組成

根據(jù)灌裝線的生產(chǎn)工藝流程，以及完成其功能所需要的硬件配置， 系統(tǒng)的硬件主要由 PLC、 稱(chēng)重模塊、模擬量輸出模塊、變頻器等組成。硬件安裝的電控柜實(shí)物見(jiàn)圖 4。

1) PLC 硬件配置與 I/O 分配。采用 S7 －200 的CPU 226 CN 作為基本控制單元， EM223 I16/O16和 EM223 I8/O8 作為數(shù)字量信號(hào)模塊， EM232 2AQ 作為模擬量信號(hào)模塊， SIWAＲEX MS 作為稱(chēng)重模塊一起組成控制部分。稱(chēng)重模塊主要采集電子秤的模擬量信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)傳送到 CPU 中， 執(zhí)行動(dòng)作部件主要有氣缸、電機(jī)、 變頻電機(jī)以及模擬量開(kāi)關(guān)閥。檢測(cè)部件主要有光電傳感器和氣缸磁性傳感器。

2) 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)。由于控制系統(tǒng)配置有 2種模擬量模塊， 所以需要很好的電磁兼容環(huán)境，否則會(huì)影響電子秤模擬量以及灌裝頭模擬量閥開(kāi)度的精確度， 造成稱(chēng)量和灌裝不準(zhǔn)確。影響電磁環(huán)境主要有兩部分:變頻器的輸入端以及 24 V直流電源的輸入端， 因此分別在變頻器的輸入端加入 400 V， 5 A 的變頻器輸入端專(zhuān)用濾波器和在直流電源前端加入 220V， 2 A 的交流單相電源濾波器。這主要是基于變頻器工作時(shí)， 輸入端對(duì)電網(wǎng)及其他數(shù)字設(shè)備產(chǎn)生干擾的頻域特性和交流線路產(chǎn)生的尖峰電磁干擾而設(shè)計(jì)。

2． 4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)全部采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制， 設(shè)備按照所完成的功能分為:空桶進(jìn)入部分、 卸蓋與沖氮部分、自動(dòng)定位灌裝部分、 上蓋部分、 桶蓋輸送部分以及成品輸出部分等。相應(yīng)的自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)為:初始化子程序、 進(jìn)空桶子程序、卸蓋與充氮?dú)庾映绦颉⒆詣?dòng)定位灌裝子程序、 上蓋子程序、 桶蓋輸送子程序、 成品輸送子程序以及電子秤標(biāo)定校驗(yàn)子程序等。

自動(dòng)程序運(yùn)行時(shí)，首先通過(guò)觸摸屏設(shè)定各種參數(shù)， 如灌裝大小流量以及各種動(dòng)作的延時(shí)，然后自動(dòng)運(yùn)行程序按照順序依次執(zhí)行上桶、 卸蓋、灌裝、 上蓋、成品輸送等動(dòng)作。

灌裝精度的控制主要采用雙速灌裝方式以及誤差自動(dòng)補(bǔ)償方式。雙速灌裝即灌裝過(guò)程中采用大小流量?jī)刹焦嘌b，灌裝開(kāi)始時(shí)進(jìn)行大流量灌裝， 由電子秤反饋灌裝質(zhì)量， 當(dāng)達(dá)到大流量灌裝闕值時(shí)停止大流量灌裝， 再通過(guò)孔子比例閥改為小流量方式繼續(xù)灌裝，當(dāng)達(dá)到小流量闕值時(shí)停止灌裝。在每次灌裝完成時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)比較實(shí)時(shí)灌裝量與目標(biāo)灌裝量的誤差， 并且進(jìn)行半差補(bǔ)償， 從而保證實(shí)時(shí)灌裝量逐級(jí)逼近目標(biāo)灌裝量，以保證灌裝的精度。

3 結(jié)語(yǔ)

該全自動(dòng)防爆液體灌裝設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)良好，運(yùn)行穩(wěn)定，各個(gè)動(dòng)作如上桶、 卸蓋、 充氮?dú)狻?灌裝、 上蓋、 成品輸送都能順利執(zhí)行， 且皆為并行進(jìn)行， 保證了整個(gè)系統(tǒng)的高速運(yùn)行。正壓防爆設(shè)計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，一旦電控柜內(nèi)壓力低于柜外時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷主電源， 以保證在易燃環(huán)境下運(yùn)行的安全。此正壓型設(shè)計(jì)的防爆等級(jí)高，適用于任何易燃工業(yè)物料的密閉式灌裝。為以后此類(lèi)灌裝環(huán)境的防爆設(shè)計(jì)提供了參考。

 

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