اتوماسیون خط پرکن و بسته‌بندی نوشیدنی (Filling & Packaging Line)

این دستگاه یک خط پرکن و بسته‌بندی نوشیدنی (Filling & Packaging Line) است که از چند ایستگاه اصلی تشکیل شده:

1. سیستم ورود بطری (Bottle Infeed)

   • نوار نقاله انتقال بطری‌های خالی

   • سنسور نوری برای شمارش و جلوگیری از ورود بیش از حد بطری

2. ایستگاه پرکنی (Filling Station)

   • پرکن حجمی با کنترل سطح دقیق

   • شیرهای برقی برای کنترل جریان مایع

   • سنسور فشار و دبی برای پایش لحظه‌ای

3. ایستگاه درب‌بندی (Capping Station)

   • موتور سروو یا القایی برای بستن درب بطری

   • کنترل گشتاور (Torque Control)

4. ایستگاه لیبل‌زن (Labeling Station)

   • موتورهای V20 برای کشیدن رول لیبل

   • انکودر برای هم‌زمان‌سازی سرعت نوار نقاله با چسباندن لیبل

5. سیستم خروجی (Outfeed)

   • انتقال بطری‌های آماده به بخش بسته‌بندی نهایی

   • سنسور شمارش برای آمارگیری تولید

چالش‌ها

• نیاز به دقت بالا در پرکردن بطری‌ها (±1%)

• هماهنگی دقیق بین نوار نقاله، پرکن، درب‌بند و لیبل‌زن

• مدیریت مصرف انرژی و کاهش توقفات خط تولید

راهکار پیاده‌سازی شده در این پروژه توسط تیم مشهد زیمنس 

1. کنترل مرکزی با PLC زیمنس S7-1500

   • CPU 1511-1 PN به‌عنوان کنترلر اصلی

   • ارتباط Profinet با تجهیزات

   • ماژول‌های I/O برای دریافت سیگنال از سنسورها و فرمان به عملگرها

2. درایوهای Sinamics V20

   • کنترل نوار نقاله‌ها با قابلیت تنظیم سرعت متناسب با تعداد بطری

   • هماهنگ‌سازی بین ایستگاه‌های مختلف (Filling, Capping, Labeling)

   • حفاظت موتور در برابر اضافه بار

3. پنل اپراتوری HMI Comfort Panel  مدل 12 اینچ

   • مانیتورینگ لحظه‌ای خط تولید

   • تنظیم تعداد تولید، سرعت نقاله، و دستور توقف اضطراری

   • نمایش آلارم‌ها (کمبود بطری، خطای پرکن، خطای موتور)

4. سنسورها و عملگرها

   • سنسور نوری برای شمارش بطری‌ها

   • سنسور فشار برای کنترل میزان مایع

   • شیرهای برقی جهت قطع و وصل جریان نوشیدنی

   • درایوهای V20 برای موتورهای القایی تک‌به‌تک

مزایای سیستم

• افزایش دقت پرکنی و کاهش هدررفت محصول

• کاهش ۱۵٪ مصرف انرژی به کمک کنترل سرعت نوار نقاله

• قابلیت عیب‌یابی سریع و نمایش خطا در HMI

• مقیاس‌پذیری برای افزودن ایستگاه‌های جدید به خط تولید

فلسفه کنترل (Control Philosophy)

این خط نیازمند یک کنترل مرکزی هوشمند است که بتواند:

1. هماهنگی بین ایستگاه‌ها (Synchronization)

• سرعت نوار نقاله، زمان پرکردن، گشتاور درب‌بند و سرعت لیبل‌زن باید هم‌زمان باشد.

• S7-1500 با حلقه‌های کنترل PID داخلی و ارتباط Profinet Real-Time این هماهنگی را تضمین می‌کند.

2. مدیریت خطا و ایمنی

• تشخیص بطری گیرکرده یا افتادن بطری (سنسور نوری → توقف نوار نقاله).

• توقف اضطراری کل خط (Emergency Stop).

•  

• 3. کنترل دقت پرکن

• پرکن حجمی باید با دقت ±1% کار کند.

• استفاده از ماژول آنالوگ S7-1500 AI/AO برای دریافت سیگنال سنسور فشار و کنترل شیرهای پرکن.

• الگوریتم PID روی PLC، دبی و زمان پرکردن را تنظیم می‌کند.

4. مدیریت انرژی

• درایوهای V20 با کنترل فرکانس متغیر (V/f Control) سرعت نوار نقاله‌ها را متناسب با ظرفیت تولید تغییر می‌دهند.

• PLC با الگوریتم Load Sharing می‌تواند مصرف انرژی را بهینه کند.

5. مانیتورینگ و گزارش‌گیری

• HMI Comfort Panel به اپراتور امکان می‌دهد:

  • تولید لحظه‌ای (Bottles/min)

  • خطاهای فعال

  • مصرف انرژی موتورهای V20

  • تاریخچه آلارم‌ها

• در این پروژه علاوه بر استفاده از Comfort Panel در سایت  ، PLC داده‌ها را به سیستم SCADA یا WinCC ارسال می‌کند تا در سطح کارخانه ثبت و تحلیل شوند.

سیستم پنوماتیک خط

آماده‌سازی هوا (Air Prep)

• کمپرسور + درایر تبریدی/جذبی → فشار شبکه 6–7 bar.

• FRL واحد (Filter 5 µm + Regulator + Lubricator/بدون روغن برای غذایى) با Gauges محلی.

• شیر تخلیه اضطراری 3/2 (Dump Valve) قبل از جزیره‌والو (Valve Island) برای ایمنی.

• Manifold/Valve Island نزدیک هر ایستگاه (مثلاً Festo/SMC) برای کاهش سیم‌کشی.

عملگرها (Actuators) و ولوها

• Infeed/Buffer:

  • سیلندر Stopper Gate برای ایست بطری روی نقاله.

  • سیلندر Pusher/Divider جهت هم‌ردیف‌سازی.

• Filling:

  • سیلندر بالا/پایین‌بر Head Lift (اگر رینگ پرکن بالا/پایین می‌شود).

  • پنوماتیک شیرهای سوزنی/دیافراگمی (Actuated) برای باز/بست جریان.

• Capping:

  • سیلندر Cap Chute Gate (گیت مسیر درپوش).

  • سیلندر Reject Arm برای رد قطعات معیوب.

• Labeling:

  • سیلندر Tamp/Applicator (تماسی) یا Tamp-Blow (Non-contact).

  • Air Knife (هوادهی) برای خشک‌کردن پیش/پس از لیبل‌زنی.

• Outfeed/Reject:

  • سیلندر Pusher برای جداسازی بطری معیوب.

• ولوهای فرمان:

  • Solenoid Valve 24VDC, 5/2 یا 3/2, با کویل‌های محافظت‌شده IP65.

  • برای شیرهای فرایندی: Pilot 24VDC → Valve Actuator (Spring Return).

سنسورها و فیدبک‌های پنوماتیک

• Pressure Transmitter کلی شبکه (AI) و Pressure Switch‌های موضعی (DI).

• Vacuum Switch (در صورت استفاده از وکیوم ایجکتور).

• سنسور انتهای کورس سیلندر: Reed/سنسور حالت جامد (Solid-state) روی شیار سیلندر (A/B).

• Flow Control: شیرهای سوزنی روی اگزاست برای تنظیم سرعت کورس (تنظیم مکانیکی).

•  

ارتباط با سیستم کنترل (S7-1500)

معماری پیشنهاد‌شده

• PLC مرکزی: S7-1500 (CPU 1511-1 PN ).

• I/O توزیع‌شده: ET200SP نزدیک ایستگاه‌ها (غذایی → بدنه استیل/درجه حفاظتی بالا).

• Valve Island روی PROFINET/IO-Link:

  • جزیره‌والو به‌عنوان Device PROFINET مستقیم به PLC؛ هر اسپول یک DO منطقی.

  • سنسورهای روی سیلندر/فشار از IO-Link hubs به ET200 (کاهش کابل‌کشی و عیب‌یابی بهتر).

• درایوها: SINAMICS V20 برای نقاله‌ها (فرمان سرعت از PLC: دیجیتال/آنالوگ یا پروتکل USS؛ فیدبک Run/Fault).

 چرا S7-1500 انتخاب شد؟

•  پردازش سریع: سیکل زمانی پایین‌تر از 1ms → برای هماهنگی بین چند موتور و سنسور ایده‌آل است.
•  انعطاف‌پذیری بالا: ماژول‌های متنوع (دیجیتال، آنالوگ، دما، Safety، ارتباطی).
•  قابلیت یکپارچه‌سازی با درایوها: ارتباط Profinet و USS با Sinamics V20 بدون نیاز به Gateway.
•  Diagnostics پیشرفته: تشخیص خطا در ورودی/خروجی، درایوها، شبکه و ارائه آن به HMI.
• امکان توسعه: اگر کارخانه بخواهد ایستگاه‌های جدید (مانند شیرینگ پک یا کارتن‌گذاری) اضافه کند، بدون تعویض PLC قابل انجام است.