在自動化工業包裝生產中，全自動的工業液體灌裝設備被廣泛使用。由於工業液體大多為易爆物， 所以采用防爆的灌裝生產線成為工業產品生產必不可少的一個重要環節。目前市場上的液體灌裝線主要有容積式、 電子秤計量式， 以及為適應特殊場合的複合式等幾種灌裝方式［1—3］。其中電子稱計量式被廣泛應用於工業液體的灌裝， 此種方式灌裝精度高，對灌裝原料的溫度、 黏度等參數適應性強。大灌裝量的全自動防爆灌裝設備以其灌裝精度高，適應各種易爆環境， 自動卸蓋， 快慢雙速灌裝， 自動上蓋等優點廣泛應用工業易爆液體的灌裝。

1 灌裝設備的工作原理及組成

200 L 全自動液麵下灌裝線主要用於工業物料定量灌裝［4—5 ］。其工藝流程為:人工通過上桶斜坡把空桶推送到空桶爬坡機上， 空桶被輸送到空桶斜坡滑行線上，然後空桶靠自重下滑到入口工位， 經編組後，順序進入空桶動力輸送線上， 抱桶機構將空桶抱住旋轉， 進行自動尋口定位， 卸蓋裝置將桶蓋旋下， 放置於桶蓋輸送線上， 空桶繼續旋轉定位， 充氮注頭下降充氮， 充氮完畢後， 注頭上升， 氣動推拉門自動打開， 待空桶進入灌裝工位， 桶到位後， 氣動推拉門自動關閉，同時抱桶機構將桶定位， 自動尋口定位後，灌裝頭下降插入空桶中， 自動去皮清零， 完成快、 慢雙速灌裝，隨著質量的增加灌裝頭步進上升並始終保持在液麵下，並自動顯示灌裝量， 到量時灌裝頭自動升起， 灌裝工位軌道輸送機自動出桶， 空桶順序入位;已灌裝的桶進入上蓋工位， 經上蓋隨動定位機構自動定位桶口後， 上蓋機構經桶蓋輸送線上取蓋將蓋旋上，完成後氣動推拉門打開， 將桶送到重桶區， 進而經分桶機構將桶自動分道， 到達成品存放區。

在卸蓋工位衝入惰性氣體，從而保證易揮發的工業物料在灌裝時不與空氣接觸， 灌裝和上蓋工位設計在密閉的空間內，采用專用的通風裝置將灌裝和上蓋時暴露在空氣中的揮發物料抽走， 從源頭盡量減少灌裝環境中的易燃物料。

控製係統具有聯機保護功能，如無桶不灌， 重桶不出不進空桶， 超欠量自動聲光報警， 斷氣、 斷電自動切斷物料等。電控櫃內一旦進入易燃易爆氣體時， 自動切斷動力電源。

2 控製係統設計

2．1 係統的總體方案

該係統是 200 L 大灌裝量液麵下灌裝電子秤稱重式防爆灌裝設備，采用S7－200 係列的 PLC作為控製單元， 使用 Eview 觸摸屏實現與 PLC 的數據交換處理和控製監控， 稱重模塊 SIWAＲEXMS 作為電子秤與 PLC 的通信模塊。該緊湊型模塊可以簡便的方式安裝到 SIMATIC S7－200 自動化係統之中。可直接在SIMATIC － CPU 中存取當前質量數據， 無需添加其他接口。利用變頻器控製尋口定位電機進行快慢雙速運轉，以實現卸蓋和灌裝工位既快速又精準的桶口定位。當尋口定位的抱桶器將桶夾緊後先帶動桶進行快速旋轉， 在接近定位器的位置變成慢速旋轉， 當桶口旋轉到定位器的正下方時停止旋轉。模擬量輸出模塊用來控製電氣轉換器的開關，將標準的 4 ～20 mA 的電信號轉換成經電氣轉換器後氣動閥的開度， 減少了大小K8凯发登录入口單獨進料閥的數量。隻采用一個電氣轉換器實現對灌裝大小K8凯发登录入口的精確控製，並且可以隨意控製閥的開度大小， 以減小灌裝時由於瞬間關閥對稱重係統的衝擊。控製係統的總體方案見圖1［6—12 ］。

2．2 防爆設計

客觀上很多工業現場滿足爆炸條件，當爆炸性物質與氧氣的混合濃度處於爆炸極限範圍內時， 若存在爆炸源，將會發生爆炸， 因此必須在此類工廠車間運行的設備采取防爆措施。我國目前的防爆方式主要有限流限壓的本質安全型(ia， ib)、 采取隔爆保護外殼的隔爆型(d)、 采取隔離措施的正壓型(p)、 采取特定結構的增安型(e)以及采取特殊設計的特殊型(s)等。國標中防爆等級一般分為礦井下Ⅰ和礦井上工廠Ⅱ， 工廠一般又分為 A， B， C 等 3 級。可燃性氣體引燃溫度等級分為 T1 － T6。危險場所區域的劃分為0 區、 1 區和 2 區［13—15 ］ 。

化工工廠的灌裝設備都需要進行防爆設計，並根據用戶的防爆要求進行設計， 文中的用戶防爆要求是Exd Ⅱ BT4， 在1 區使用。在確保安全的情況下， 根據用戶的要求主要分為電控櫃和電控櫃外電器件的選用。

電控櫃的設計采用正壓型防爆電控櫃，其設計等級為 ExpⅡCT6，正壓型防爆， 防爆等級為最高的ⅡC，可燃性氣體引燃溫度等級為T6， 即設備表麵的最高耐熱溫度不超過 T6(85°)。正壓防爆技術采用空氣或惰性氣體換氣， 並自動計時，用壓力控製器控製內部壓力， 當壓力高於設計規定值時， 外殼內部電氣設備通電， 主電源與壓力控製器互鎖聯動，壓力低於規定值就斷電。此種方式尤其適用於控製盤、 機箱機櫃等大容積設備。它使外殼內部的爆炸環境變為“安全區域”， 並保持內部始終為正壓， 即內部氣體的壓力大於櫃外氣體的壓力， 這樣普通的電氣設備就可以安裝在外殼內使用。由於在電控櫃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罩，在不點觸觸摸時是將其密閉。防爆設計控製方案見圖 2。

電控櫃外的電器主要有電子稱、電機、 電磁閥、 光電傳感器等， 其中光電傳感器選用本質安全型器件，電控櫃外元件設計方案見圖 3。

本質安全電氣設備指其內部所有電路在規定的條件下，產生的火花或熱效應均不可能引爆。本質安全防爆係統由以下 3 部分組成。

1) 現場本質安全設備。按本安防爆要求， 對儲能元件回路作特殊設計，使現場設備不會產生由火花或熱源引起爆炸。

2) 連接電纜。避免外界電磁場幹擾的影響， 限製電纜分布參數。

3) 關聯設備。安全柵， 將從安全區的非本安回路傳到危險區本安設備的能量限製在點火極限範圍內。安全柵是充當危險區儀表和控製室儀表之間的“界麵”。安全柵本身並不是本質安全的， 不可以直接安裝在危險區，必須安裝在安全區或采用隔爆裝置進行保護後安裝在危險區。

現場的所有傳感器都采用本安型傳感器，再外加防護罩， 通過增安型現場接線盒全部接入電控櫃的安全柵上，構成本安型防爆係統， 其防爆形式為 Exib Ⅱ CT6。

2． 3 硬件組成

根據灌裝線的生產工藝流程，以及完成其功能所需要的硬件配置， 係統的硬件主要由 PLC、 稱重模塊、模擬量輸出模塊、變頻器等組成。硬件安裝的電控櫃實物見圖 4。

1) PLC 硬件配置與 I/O 分配。采用 S7 －200 的CPU 226 CN 作為基本控製單元， EM223 I16/O16和 EM223 I8/O8 作為數字量信號模塊， EM232 2AQ 作為模擬量信號模塊， SIWAＲEX MS 作為稱重模塊一起組成控製部分。稱重模塊主要采集電子秤的模擬量信號並轉換為數字量信號傳送到 CPU 中， 執行動作部件主要有氣缸、電機、 變頻電機以及模擬量開關閥。檢測部件主要有光電傳感器和氣缸磁性傳感器。

2) 係統的抗幹擾設計。由於控製係統配置有 2種模擬量模塊， 所以需要很好的電磁兼容環境，否則會影響電子秤模擬量以及灌裝頭模擬量閥開度的精確度， 造成稱量和灌裝不準確。影響電磁環境主要有兩部分: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。這主要是基於變頻器工作時， 輸入端對電網及其他數字設備產生幹擾的頻域特性和交流線路產生的尖峰電磁幹擾而設計。

2． 4 軟件設計

軟件設計全部采用模塊化結構設計，主要分為手動控製和自動控製， 設備按照所完成的功能分為:空桶進入部分、 卸蓋與衝氮部分、自動定位灌裝部分、 上蓋部分、 桶蓋輸送部分以及成品輸出部分等。相應的自動控製程序設計為:初始化子程序、 進空桶子程序、卸蓋與充氮氣子程序、自動定位灌裝子程序、 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定校驗子程序等。

自動程序運行時，首先通過觸摸屏設定各種參數， 如灌裝大小K8凯发登录入口以及各種動作的延時，然後自動運行程序按照順序依次執行上桶、 卸蓋、灌裝、 上蓋、成品輸送等動作。

灌裝精度的控製主要采用雙速灌裝方式以及誤差自動補償方式。雙速灌裝即灌裝過程中采用大小K8凯发登录入口兩步灌裝，灌裝開始時進行大K8凯发登录入口灌裝， 由電子秤反饋灌裝質量， 當達到大K8凯发登录入口灌裝闕值時停止大K8凯发登录入口灌裝， 再通過孔子比例閥改為小K8凯发登录入口方式繼續灌裝，當達到小K8凯发登录入口闕值時停止灌裝。在每次灌裝完成時控製係統會自動比較實時灌裝量與目標灌裝量的誤差， 並且進行半差補償， 從而保證實時灌裝量逐級逼近目標灌裝量，以保證灌裝的精度。

3 結語

該全自動防爆液體灌裝設備實際運行狀態良好，運行穩定，各個動作如上桶、 卸蓋、 充氮氣、 灌裝、 上蓋、 成品輸送都能順利執行， 且皆為並行進行， 保證了整個係統的高速運行。正壓防爆設計運行穩定可靠，一旦電控櫃內壓力低於櫃外時，係統自動切斷主電源， 以保證在易燃環境下運行的安全。此正壓型設計的防爆等級高，適用於任何易燃工業物料的密閉式灌裝。為以後此類灌裝環境的防爆設計提供了參考。

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