摘要：結(jié)合無菌冷灌裝生產(chǎn)線在國內(nèi)外市場情況的分析和生產(chǎn)工藝的簡要介紹，提出了Lenze系統(tǒng)在無菌冷灌裝行業(yè)的解決方案。重點(diǎn)分析了Lenze產(chǎn)品在無菌冷灌裝生產(chǎn)線的實(shí)現(xiàn)方法及技術(shù)優(yōu)勢，并對未來無菌冷灌裝生產(chǎn)線的發(fā)展方向提出了展望。

    關(guān)鍵字：無菌冷灌裝生產(chǎn)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(fā)展，國內(nèi)外大型包裝設(shè)備制造企業(yè)開始致力于熱灌裝技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)向超高溫滅菌后的無菌冷灌裝技術(shù)，這將為傳統(tǒng)的PET瓶灌裝技術(shù)帶來一場革命，已成為國際上果汁和軟飲料發(fā)展的主要趨勢。

    采用 PET 瓶無菌冷灌裝生產(chǎn)的飲料，具有口味更新鮮、營養(yǎng)更豐富、使用更安全等優(yōu)點(diǎn)。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(yīng)力，有利于包裝的外觀設(shè)計(jì)。產(chǎn)品還能夠最大限度地保證產(chǎn)品的自然風(fēng)味，迎合市場需求。采用無菌冷灌裝也可延長產(chǎn)品的貨架保質(zhì)期。由于設(shè)備本身具備嚴(yán)格的消毒、滅菌程序及百級的灌裝無菌環(huán)境，產(chǎn)品包裝的無菌條件可得到極好的保障。

    2 無菌冷灌裝設(shè)備的構(gòu)成

     無菌冷灌裝設(shè)備是灌裝生產(chǎn)線中重要的組成部分，主要負(fù)責(zé)原料的無菌灌裝，主要包括：殺菌機(jī)、沖瓶機(jī)、行星輪、灌裝機(jī)和旋蓋機(jī)。殺菌機(jī)：在無菌冷灌裝生產(chǎn)線中，瓶子在灌裝之前要達(dá)到并保持無菌狀態(tài)。為達(dá)到此目的，瓶子在兩臺殺菌機(jī)中利用殺菌液進(jìn)行瓶子的內(nèi)、外部殺菌，采用兩臺殺菌機(jī)是為了保證殺菌液的能夠有效的殺死殺菌的時(shí)間，以達(dá)到徹底殺菌的目的。沖瓶機(jī)：殺菌后的瓶子在沖洗機(jī)處采用無菌水進(jìn)行沖洗，其目的是清除瓶子內(nèi)殘留的殺菌液。行星輪：行星輪是連接各個(gè)單元的中間機(jī)構(gòu)，其上面安裝瓶夾，用于將瓶子送往各個(gè)單元。灌裝機(jī)：灌裝機(jī)就是將已經(jīng)處理好的無菌的瓶中灌注所需容量的無菌產(chǎn)品的設(shè)備。旋蓋機(jī)：旋蓋機(jī)將灌裝好產(chǎn)品的瓶子，進(jìn)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(jìn)行傳動，生產(chǎn)速度可達(dá)4 萬瓶每小時(shí)，精度小于0.05 瓶。Lenze針對無菌冷灌裝生產(chǎn)線的設(shè)置要求，提供了基于驅(qū)動器的控制系統(tǒng)這一解決方案。基于驅(qū)動器的控制系統(tǒng)解決方案具有運(yùn)動控制程序模塊化的突出優(yōu)勢，驅(qū)動器本身不僅可作為伺服電機(jī)的驅(qū)動單元，同時(shí)也支持多種PLC 編程語言。所有與運(yùn)動相關(guān)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(jī)只需通過通訊模塊或者外部端子發(fā)送簡單的控制指令即可實(shí)施命令。這種方式減輕了上位機(jī)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，也保證了復(fù)雜運(yùn)動控制器的穩(wěn)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(wěn)定和可靠。

    3.1 Lenze主要產(chǎn)品

    （1）9400伺服：9400系列伺服是Lenze新一代高端伺服系列產(chǎn)品，分為單軸和多軸兩種系列。產(chǎn)品采用32 位操作系統(tǒng)以確保伺服的高效穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)品內(nèi)部可支持Modular 工作方式和余數(shù)補(bǔ)償機(jī)制，有效避免了計(jì)算誤差和累積誤差的產(chǎn)生。此外，9400還采用簡單易學(xué)的CFC 編程語言，具有多任務(wù)處理系統(tǒng)，并使用全新的安裝方式，具有模塊化設(shè)計(jì)，易于集成等優(yōu)點(diǎn)，并且標(biāo)配CAN 總線接口以及8 路開關(guān)量輸入、4 路開關(guān)量輸出、2 路模擬量輸入和2 路模擬量輸出，同時(shí)，它還配有兩個(gè)通訊擴(kuò)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(jī)：該產(chǎn)品由Lenze 的MCA減速電機(jī)結(jié)合G系列減速機(jī)組成，具有精度高，耐沖擊，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。此系列采用直交軸輸出方式，支持實(shí)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(yīng)用于不同的應(yīng)用場合。由于灌裝設(shè)備具有慣量大和連續(xù)運(yùn)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(shè)備的運(yùn)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(yùn)行條件下均能滿足設(shè)備要求的控制精度（大約2mm），可有效避免低速運(yùn)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(yùn)動控制的核心，用于殺菌1、殺菌2、沖瓶機(jī)、行星輪、灌裝機(jī)和旋蓋機(jī)部分的運(yùn)動控制。此方案采用共虛軸工作模式，其它各實(shí)軸，同步于虛軸。虛軸選取慣量較大的旋蓋機(jī)設(shè)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(shù)補(bǔ)償機(jī)制，可有效避免累積誤差的產(chǎn)生。本方案采用以太網(wǎng)進(jìn)行伺服與上位機(jī)的通信，具體請參見圖2系統(tǒng)拓?fù)鋱D。
 

 
圖2 系統(tǒng)拓?fù)鋱D
 

    3.3 實(shí)現(xiàn)的主要功能

    Lenze 結(jié)合客戶工藝要求和產(chǎn)品特點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

    （1）虛軸控制：采用虛軸作為主軸，可使各實(shí)軸完全同步于虛軸。虛軸選用慣量最大的旋蓋機(jī)，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(yīng)用生產(chǎn)線意外斷電情況。各不同慣量的實(shí)軸可以同步停車。其主要原理是將機(jī)械的慣性動能轉(zhuǎn)化為伺服的電能，再給電機(jī)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(lián)。

    （3）自動回歸同步：設(shè)備要求在運(yùn)行過程中各從軸之間一定要相位同步運(yùn)行，避免各瓶夾之間錯(cuò)位運(yùn)行，從而損害瓶夾。因此在設(shè)備運(yùn)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(shí)伺服會按最短瓶夾距回歸同步位，然后再同步運(yùn)行。當(dāng)然通過觀察監(jiān)控系統(tǒng)的同步狀態(tài)指示燈，如不在同步位，也可一鍵回歸回步位。

    （4）零點(diǎn)設(shè)定：設(shè)備的零點(diǎn)設(shè)定采用手動設(shè)定零點(diǎn)方式。由于未安裝零點(diǎn)開關(guān)，設(shè)備設(shè)定零點(diǎn)需由操作工通過人眼觀察逐個(gè)設(shè)定零點(diǎn)。伺服本身具備零點(diǎn)自動保存功能，因此在完成零點(diǎn)設(shè)定后均可自動記憶零點(diǎn)，除非人為拆卸伺服電機(jī)或者在伺服斷電情況下進(jìn)行手動盤車伺服。

    （5）實(shí)時(shí)誤差檢測：同步精度是設(shè)備正常運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)。每臺伺服程序均設(shè)有實(shí)時(shí)的誤差監(jiān)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(jìn)行比較。比較指令每毫秒進(jìn)行一次，這樣設(shè)備運(yùn)行中如發(fā)現(xiàn)每毫秒出差位置誤差，設(shè)備即可立刻進(jìn)入停車程序。

    3.4 Lenze亮點(diǎn)

    （1）擯棄了傳統(tǒng)的機(jī)械聯(lián)軸式傳動，采用分離式伺服實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高速和高精度。

    （2）采用9400智能伺服控制器，其內(nèi)部可支持Modular 工作方式，以瓶位為周期單位，有效避免計(jì)算誤差及累積誤差的產(chǎn)生。

    （3）智能伺服控制器可獨(dú)立完成運(yùn)動控制，為中央控制器減輕負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動邏輯分開，增加了系統(tǒng)的可靠性及靈活性。

    （4） 直流母線共享技術(shù)及伺服的能量回饋原理，為實(shí)現(xiàn)同步斷電停車帶來了必要保障。

    （5）高效的MCA伺服電機(jī)及高品質(zhì)的減速機(jī)為設(shè)備提供了高精度的機(jī)械驅(qū)動及靈活可靠的安裝方式。

    （6）專業(yè)獨(dú)立的服務(wù)團(tuán)隊(duì)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(shè)備。

    4 展望

    無菌冷灌裝工藝因其可有效保護(hù)營養(yǎng)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(chǎn)線在國內(nèi)仍處于起步階段，面向未來巨大的消費(fèi)市場發(fā)展?jié)摿Γ瑹o菌冷灌裝生產(chǎn)線必將向高速、安全方向發(fā)展。

    高速的生產(chǎn)線意味著在同等的生產(chǎn)級及工作車間投入條件下能夠帶來更大的生產(chǎn)能力。目前國內(nèi)無菌生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度平均為42000瓶/小時(shí)，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。傳統(tǒng)的機(jī)械聯(lián)軸式生產(chǎn)線由于其機(jī)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(tǒng)是目前可實(shí)現(xiàn)高速生產(chǎn)線的一個(gè)重要因素。隨著日新月異的工藝要求，無菌冷灌裝生產(chǎn)線未來將進(jìn)一步向更加分離式及更多的伺服系統(tǒng)投入方向發(fā)展，從而進(jìn)一步提升生產(chǎn)速度。

    安全的生產(chǎn)線是人們喝到健康飲料的前提。由于沒有高溫殺菌的環(huán)節(jié)，這就要求無菌冷灌裝生產(chǎn)線必須從機(jī)械設(shè)計(jì)角度實(shí)現(xiàn)無菌環(huán)境，如灌裝凈化室必須達(dá)到100級以上的空氣凈化要求，灌裝閥門結(jié)構(gòu)還必須簡單，易于清洗，并確保閥內(nèi)無夾縫等衛(wèi)生死角。無菌冷灌裝生產(chǎn)線必須著重于優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝方法，向無菌、安全方向發(fā)展。

    總之，在未來的飲料行業(yè)，無菌冷灌裝生產(chǎn)線憑借其多種優(yōu)勢，必將引領(lǐng)灌裝生產(chǎn)線的技術(shù)潮流，成為一種重要的飲料生產(chǎn)方式。