樊明哲，吕文，唐敬友，赵成涛，徐开义
（1.泸州职业技术学院，四川 泸州 646000；
2.四川省工业和信息化研究院，四川 成都 610017；
3.泸州市和兴科技有限公司，四川 泸州 646000；
4.泸州金窖醇酒业有限公司，四川 泸州 646000）
洗瓶作业是在洗瓶机前端容器中加入有机清洗剂，通过增压泵把洗瓶水压入带有若干喷嘴的管线中，喷嘴下方的传送带工位把空瓶输运到对准喷嘴的固定位置，完成初级冲洗作业。接着传送带前移进入清水冲洗（即清洗）工序，酒瓶干燥后转入白酒灌装线。初洗和清洗废水进入收集池，一般排放到工业污水管道或生活污水管道中集中处理。由于酒瓶的清洗用水量很大（5～20 吨/小时），传统的洗瓶作业耗水量和废水排放量大。基于此，亟待研发可实现远程智能化控制的洗瓶水循环装置，通过智能化控制功能的引入，大幅提高生产效率，改善产品质量，提升白酒生产洗瓶作业线管理效率和作业效率，降低产品成本和资源消耗，将传统工业提升到智能化的新阶段。
1.1 设计目标
近年来智能工业不断在各行各业涌现，在知网系统中可检索到80 多万条信息，涉及到各行各业的生产技术和人们生活的方方面面，但还没有见到有关物联网技术用于本洗瓶水循环装置中的文献报道。目前我国饮料生产行业的绝大多数企业采用传统的饮料容器清洗方法和废水处理排放方式，水资源浪费严重，废水排放量大。饮料容器清洗作业水循环利用技术还处于初步研发阶段，还缺乏系统性的研究，更缺乏相关技术集成和智能化管理的先进技术。因此，开发与之配套的饮料容器连续清洗作业水循环装置的远程智能化管理系统是饮料制造行业的发展趋势，对提高企业现代管理水平和生产效能具有积极的推动作用。
1.2 技术关键
1.2.1 超声波流量检测技术
研究基于超声波的精准流量检测技术，提升检测精度，便于实现水泵的智能动态控制调整。超声波流量检测技术具有对水质要求低、流速检测范围宽、流态影响小、采样间隔小、使用范围广、检测精度高等特点。该技术采用非接触式方式，不需要在流体中安装相对应的测试元件，不改变流动体的动态数据，也不会产生附加外力，在安装、检测时生产管线运行的状态也受影响，真正体现了高效、节能型流量检测技术。
1.2.2 后端处理SSM 框架开发技术
基于目前市面流行的后端处理开发框架SSM（Spring +Spring MVC+ MyBatis），研发整个后端数据处理与分析、实时控制容器连续清洗优化的压力、流速软件系统，实现系统智能化控制，便捷化。SSM 框架通过IOC 特性，方便解耦，简化对重复模块进行集中，实现事务、日志、权限的控制；
使用MVC 研发轻量级Web 框架，对Web 层进行解耦，数据验证更加灵活与标准；
数据库的操作采用xml 文件配置，解除sql 和代码的耦合，支持对象和和数据库Orm 字段关系映射、对象关系映射标签和组建等。
1.2.3 无线通信技术
研发控制容器连续清洗系统的无线通信技术，主要包括ZigBee 组网技术和GPRS 通信应用技术。为了实现容器连续清洗，研究基于ZigBee 网络的组网技术，基于IEEE 802.15.4 国际标准，其特点表现为功耗低，速率低，可靠性高，在数据传输过程中网络路由吞吐量大，可自动恢复并消除冗余的性能，在各个领域均可应用低数据率监控。为了实现系统的整个数据采集和后端系统的智能控制，此部分通信研发GPRS 通信应用技术，该技术可以提供高速的无线数据接入服务，实现在电脑、智能手机终端APP 的上网功能和在线管理。以上两种通信模式的有效结合保证了该系统的稳定可靠通信。
1.3 设计结构
通过对现有的洗瓶水循环作业线工作过程进行分析，提出智能管理引入的环节，对装置进行升级改造，建立与水循环装置配套的远程智能化管理系统。其技术关键在于通过进出水泵速的智能调节控制进出循环水的压力和流速，用压力和超声波流速传感器测量并采集循环水的压力、流速实时数据，自动计算和分析水流量，以压力参数变化负反馈控制泵速实现水循环的稳定流动，最终通过有线和无线网络通信在终端设备上实现洗瓶水循环连续作业的实时管理和控制。总体设计结构如图1所示。
图1 总体设计结构
2.1 整体设计理念
目前市面上的洗瓶水循环装置主要存在以下问题：
（1）不节水，洗瓶废水直排，单条包装线年耗水量约1 万吨，废水排放约1 万吨；
（2）回用洗瓶水易滋生微生物，导致洗瓶机喷嘴和管道堵塞，污染洗瓶机；
（3）需要每天定期用弱酸对碟片和洗瓶机进行清洗，清洗耗费周期长，劳动强度大；
（4）年耗材消耗大，2年更换高分子滤片约需2.4 万元。
（5）使用过程无法实现远程智能监管。
基于以上问题，研究实现收集洗瓶废水进入出水收集池或容器，通过循环水工作泵输送至管线中，最终使洗瓶作业的供水容器与出水容器之间形成闭循环系统，实现洗瓶水的循环利用。设备电器控制箱上电后，设备启动，微波发射装置工作产生微波激发紫外发光装置产生紫外线，同时温控装置自动启动，按设定的工作温度自动调节发光装置内温度以达到设备的最佳的紫外线发光效率。同时引入远程智能控制系统实现设备运转的远程智能化管理。
2.2 废水在线清洁处理的设计
研究表明洗瓶废水中含有固形物、有机清洗剂和滋生的细菌微生物，直接循环使用会污染饮料容器，使得清洗不彻底，必须进行必要的处理。通过对废水残留物的成分分析，研究出可采用PVDF（聚偏二氟乙烯）纳米超滤膜去除固形物，使用活性炭吸附有机清洗剂活性剂，通过微波无极定波长紫外线灭菌等技术进行在线清洁处理。在考虑到洗瓶水循环利用的问题时发现一定时间内连续清洗作业并没有有效去除有机清洗剂及其活性剂。
此问题在实验过程中，通过减少使水循环量，使清洗剂用量达到最小；
当运行一定时间后，系统停机维护时，对于循环利用后的废水，采用活性炭吸附+芬顿氧化工艺集中处理，实验数据表明此法可有效实现废水的在线清洁处理。
3.1 装置结构
设备电器控制箱上电后，设备启动，微波发射装置工作产生微波激发紫外发光装置产生紫外线，同时温控装置自动启动，按设定的工作温度自动调节发光装置内温度以达到设备的最佳的紫外线发光效率。结构图如图2所示。
图2 装置结构图
3.2 装置工作状态
通过对装置功能特性的需求分析，确定装置内部电气结构如图3所示。
图3 装置内部电气结构图
4.1 实验测试流程
该设备运转前先检查各个部件状态良好，各部件按电路图（附件）接线是否正确，运输所用的填充物是否清理干净。
（1）绿色灯亮为正常运行状态；
红色灯亮为停止状态，黄色灯亮为设备故障状态。
（2）紫外灯组工作电流表，该电流表可监控灯组工作电流是否正常。应在在6～8 A 左右。
（3）循环水控制绿色ON、黄色STOP、红色OFF、控制PLC 的运行、暂停、停止。此控制器为外接开关，方便工作人员使用操作。测试结果如图4所示。
图4 测试结果1
（4）紫外线强度检查仪检查。紫外线计量表，指示反应器内紫外线计量，该参数是相对值，供用户参考。没有绝地计量意义。用户可以在紫外线最强时设定基准值100%，该表有一个紫外线计量低报警供控制使用，报警计量基准用户可以自行设定。如表1所示。
表1 功能设定
（5）仪表数据反馈。仪表上电，最上面一排数码管可以显示测量的温度，下面一排数码管可以进行温度的显示设定。在使用过程中，通过不同的按键时间可以显示不同的状态，比如短按进入温度设定状态，此时会显示SP 提示符，再次按设定键，可显示ST 提示符，同时可以显示之前设定的时间。若长按设定键5 S 以上，显示器会进入不同参数的设定状态，同时出现不同的显示提示符以及参数值，参数设定完毕后，再按设定键5 S 以上，即可实现退出的设定状态。正常运转模式下，长按加数键5 S 以上，仪表回到正常控制状态。若在自整定过程中进入了设定的状态，自整定程序即会退出。参数显示如表2所示，界面显示结果如图5所示。
表2 仪表测试结果表
图5 测试结果2
4.2 实验测试结果分析
（1）不同的设定状态可以通过加数键、减数键、移位键的按键市场修改不同状态的参数，参数修改完毕，需要对设定键的按键实现确认。
说明：当LOCK 为0 时，SC 参数可修改；
当LOCK 为任意数时，除SC 参数外的其他参数均可修改。
（2）SC 参数为测量后的修正值时，其可修正传感器及引线长短不一致引发的测量误。若实际温度比显示温度高2℃，则SC 参数温度在现有基础上加2 ℃。
（3）P参数为输出比例宽带值，系统惯性越大，P值就越大。
（4）I参数为设定的积分时间，其数值越小，积分产生的信号带宽越强。
（5）d参数为设定的微分时间，其时间值越大，微分产生的信号作用越强；
当d为0 时，无作用。微分作用在信号变化过程中可以提高动态变化范围。
（6）T参数为输出比例周期，T越小对装置的稳定控制性越好
（7）AL1 参数为报警1 的状态时，设定值报警，AL1设为0 时为到点报警。
（8）ET 参数为0 时，系统无定时功能，此时时间设定菜单隐藏在系统设置中；
ET 为1 或2 时，显示时间设定菜单ST。
说明：若ST=0，此时系统不计时；
ET=1 时，系统上电便开始计时；
ET=2 时，进入倒计时方式。按下STOP，停止运行，不断有连续蜂鸣声提醒，按任一键可消音。
（9）Pr 参数为恒温功率上限百分比，实现对控制加热系统的数值输出。可根据系统功率配置的大小设置合适的Pr值，Pr 值小，可有效防止沖温对装置的影响；
Pr 值增大，升温速度迅速变化。
在对具有远程智能控制系统的洗瓶水循环装置的设计研究过程中，结合模拟实验测试并分析，发现此种方式的装置设计具备智能控制程度高、循环净化、灭菌、抑菌、自动正反洗、自动保护的完整功能呈现。为今后在各种饮料容器清洗作业生产线的高度智能化作业提供了有效参考，具有良好的社会经济效益和生态环境效益。
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