Lenze在无菌冷灌装生产线上的应用

1 前言

   随着 PET 瓶包装在世界范围的蓬勃发展，国内外大型包装设备制造企业开始致力于热灌装技术逐渐转向超高温灭菌后的无菌冷灌装技术，这将为传统的PET瓶灌装技术带来一场革命，已成为国际上果汁和软饮料发展的主要趋势。

采用 PET 瓶无菌冷灌装生产的饮料，具有口味更新鲜、营养更丰富、使用更安全等优点。与热灌装相比，可减少包装材料成本。瓶子的形状也可随意变换并降低热应力，有利于包装的外观设计。产品还能够最大限度地保证产品的自然风味，迎合市场需求。采用无菌冷灌装也可延长产品的货架保质期。由于设备本身具备严格的消毒、灭菌程序及百级的灌装无菌环境，产品包装的无菌条件可得到极好的保障。

2 无菌冷灌装设备的构成

   无菌冷灌装设备是灌装生产线中重要的组成部分，主要负责原料的无菌灌装，主要包括：杀菌机、冲瓶机、行星轮、灌装机和旋盖机。杀菌机：在无菌冷灌装生产线中，瓶子在灌装之前要达到并保持无菌状态。为达到此目的，瓶子在两台杀菌机中利用杀菌液进行瓶子的内、外部杀菌，采用两台杀菌机是为了保证杀菌液的能够有效的杀死杀菌的时间，以达到彻底杀菌的目的。冲瓶机：杀菌后的瓶子在冲洗机处采用无菌水进行冲洗，其目的是清除瓶子内残留的杀菌液。行星轮：行星轮是连接各个单元的中间机构，其上面安装瓶夹，用于将瓶子送往各个单元。灌装机：灌装机就是将已经处理好的无菌的瓶中灌注所需容量的无菌产品的设备。旋盖机：旋盖机将灌装好产品的瓶子，进行自动旋盖。（详见下面图1无菌冷灌装工艺流程图）

3 Lenze解决方案

   此Lenze解决方案采用伺服分离式进行传动，生产速度可达4 万瓶每小时，精度小于0.05 瓶。Lenze针对无菌冷灌装生产线的设置要求，提供了基于驱动器的控制系统这一解决方案。基于驱动器的控制系统解决方案具有运动控制程序模块化的突出优势，驱动器本身不仅可作为伺服电机的驱动单元，同时也支持多种PLC 编程语言。所有与运动相关的逻辑控制均可由伺服控制器来完成，如寻零控制、自动回归同步位、虚轴控制、断电同步停车以及伺服的逻辑控制等功能。这样上位机只需通过通讯模块或者外部端子发送简单的控制指令即可实施命令。这种方式减轻了上位机的运行负担，也保证了复杂运动控制器的稳定性。用户只需选择合适的PLC完成逻辑控制即可，从而让方案更加灵活、稳定和可靠。

3.1 Lenze主要产品

  （1）9400伺服：9400系列伺服是Lenze新一代高端伺服系列产品，分为单轴和多轴两种系列。产品采用32 位操作系统以确保伺服的高效稳定运行，产品内部可支持Modular 工作方式和余数补偿机制，有效避免了计算误差和累积误差的产生。此外，9400还采用简单易学的CFC 编程语言，具有多任务处理系统，并使用全新的安装方式，具有模块化设计，易于集成等优点，并且标配CAN 总线接口以及8 路开关量输入、4 路开关量输出、2 路模拟量输入和2 路模拟量输出，同时，它还配有两个通讯扩展端口，可安装Ethernet、CanOpen、DeviceNet、EtherCAT、EtherNet、EthernetPowerlink (MN CN)、InterBus 和Digital frequency等模块。

  （2）GKS系列异步伺服减速电机：该产品由Lenze 的MCA减速电机结合G系列减速机组成，具有精度高，耐冲击，寿命长等优点。此系列采用直交轴输出方式，支持实心轴和空心轴两种安装方式。本文所列解决方案采用空心轴输出方式。异步伺服和同步伺服可应用于不同的应用场合。由于灌装设备具有惯量大和连续运行的工作方式，异步伺服的高惯量匹配度的功能非常适合该设备的运行。在相同功率下，异步伺服在相位同步精度与同步伺服相比更为出色。此系列伺服在无论低速或高速运行条件下均能满足设备要求的控制精度（大约2mm），可有效避免低速运行下的抖动问题。

3.2 Lenze解决方案

   Lenze使用6台9400伺服控制器作为运动控制的核心，用于杀菌1、杀菌2、冲瓶机、行星轮、灌装机和旋盖机部分的运动控制。此方案采用共虚轴工作模式，其它各实轴，同步于虚轴。虚轴选取惯量较大的旋盖机设备作为虚拟主轴，各轴之间采用周期性工作模式同步于虚轴，对于周期性工作模式，Lenze伺服具有余数补偿机制，可有效避免累积误差的产生。本方案采用以太网进行伺服与上位机的通信，具体请参见图2系统拓扑图。

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