ナレッジ
近年、我国の食品・飲料業界は着実な成長を続けており、液体食品の品目が絶えず豊富になる中で、充填包装ラインの建設・改造需要が持続的に拡大しています。液体充填ラインは通常数十メートルにおよび、ステーションが多く、タクトが速いため、制御システムの柔軟性と応答速度に高い要求が課されます。分散配置の理念が普及するにつれ、現場近くに設置し、必要に応じて拡張できるリモートI/Oモジュールが、液体充填ラインの自動化制御における主流の選択肢となりつつあります。本稿の事例では、液体充填生産ラインを対象に、sDot製PN5Rシリーズ一体型I/Oモジュールの適用事例を解説します。
本稿の事例で使用するsDot製品：PN5Rシリーズ一体型I/Oモジュール
一、機器紹介
液体充填生産ラインは食品・飲料業界の自動化生産における中核工程であり、飲料、調味料、食用油、乳製品などの液体製品の包装生産に広く用いられています。このラインは通常、空瓶（空缶）搬送ユニット、洗瓶・殺菌ユニット、定量充填ユニット、キャッピング・密封ユニット、ラベリングユニット、オンライン検査ユニット、および箱詰め・パレタイズユニットで構成され、容器供給、充填計量、密封包装から完成品検査までの全工程を遂行できます。
ライン全体の工程は以下の代表的なステーションをカバーします：
工程 | 動作内容 |
① 空瓶供給 | コンベヤで空瓶を充填ステーションへ自動搬送し、瓶の位置決めとクランプを完了 |
② 洗瓶・殺菌 | 容器内部の洗浄・殺菌処理を行い、充填前の衛生条件が基準を満たすことを確保 |
③ 定量充填 | ピストン式・圧力式充填バルブにより、液体を定量で容器に注入 |
④ キャッピング・密封 | 自動でキャップを整列・装着し、スクリューキャップまたはプレスキャップの密封を完了 |
⑤ オンライン検査 | 充填液面、密封トルク、ラベル位置、外観不良をオンラインで検査 |
⑥ 箱詰め・パレタイズ | 検査結果に基づき不良品を自動で排除し、良品はパレタイザへ搬送 |
二、sDot製ソリューション
この液体充填生産ラインはシーメンスPLC（S7-1200）をコアコントローラとし、ライン全体は長距離ライン体式レイアウトです。充填ラインのステーション分散、動作サイクルの速さという特徴を踏まえ、本プロジェクトでは自動化制御において2つのニーズに注目し、sDot製PN5Rシリーズ一体型I/Oモジュールにより的を絞ったソリューションを提供します：
ニーズ1：ステーションが分散しており、I/O配置にはより高い柔軟性が必要
充填ライン沿いには多数のセンサおよび空気圧実行元件が分布しており、信号ポイントは数十メートルのラインボディ上に分散しています。理想的なアーキテクチャは、I/Oモジュールを現場に近接して接続し、信号ケーブル長を短縮するとともに、生産ラインの拡張やアップグレード時に容易にステーションを追加できることです。
【ソリューション】PN5Rシリーズ一体型I/Oモジュールを採用し、PROFINETプロトコルでシーメンスS7-1200 PLCに接続し、分散制御アーキテクチャを構築します。各モジュールは対応するステーションに近接して配置され、現場のセンサ信号は近接して接続され、各ステーションは必要に応じて独立してステーションを構成します。ライン全体の信号ケーブル長が大幅に削減され、取付がより簡潔かつ効率的になります。後期の生産ライン拡張時には、新規ステーションに対応するI/Oモジュールノードを追加するだけで接続を完了でき、拡張が柔軟でサイクルも制御可能です。
ニーズ2：充填精度は通信リアルタイム性に高い要求がある
定量充填工程では、充填バルブは短時間で開閉動作を完了する必要があり、充填計量の正確性とバッチ一貫性を保証します。同時に、多ステーション並行動作は通信ネットワークに同期能力を要求し、製品合格率と食品安全を保障します。
【ソリューション】PLCはPROFINETプロトコルを介して各PN5R一体型I/Oモジュールと通信し、各モジュールはステーション現場の信号を近接して収集し、出力を対応するステーションの実行元件に近接して提供し、コントローラから現場までの高速データリンクを形成し、信号伝送のリアルタイム性と耐干渉能力を保障し、多ステーション並行動作の一貫性と充填計量精度をサポートします。
三、ソリューション構成
制御層：シーメンスS7-1200 PLCをコアコントローラとし、ライン全体のロジックスケジューリング、充填データ処理および各ステーション実行機構との信号連携を担当します。
信号層：sDot製PN5Rシリーズ一体型I/Oモジュールを採用し、必要に応じて16点または32点デジタル入出力などの仕様を選択します。モジュールは三線式センサの直接接続をサポートし、中間端子台が不要で、制御盤のスペースを有効に解放します。出力チャンネルは各ステーションの実行元件を近接して駆動し、現場信号の効率的な収集と出力を実現します。
四、適用効果
項目 | 適用効果 |
配置柔軟性 | PN5R一体型I/Oモジュールの信号を近接して接続し、各ステーションは必要に応じて独立してステーションを構成し、ライン全体の信号ケーブル長が大幅に削減され、取付サイクルが大幅に短縮されます |
充填高精度 | 近接配置された信号収集と出力により、充填計量誤差を範囲内に安定して制御します |
システム拡張性 | トポロジは柔軟な拡張をサポートし、新規ステーションには対応するI/Oモジュールノードを追加するだけで迅速に接続を完了でき、後期のアップグレードが容易でコストも制御可能です |
五、PN5Rシリーズ一体型I/Oモジュール
sDot製PN5Rシリーズ一体型I/Oモジュールは、通信とI/O機能を一体化し、小型でコンパクトな構造です。PROFINETプロトコルをサポートし、モジュールはスプリングクランプ端子台を採用しているため配線が容易です。PCBA板全面に三防漆を塗布し、防塵カバー設計と組み合わせることでキャビネット外への設置をサポートします。+付きモデルでは、DI/DOチャネルを柔軟に配置でき、後工程のラインアップグレード要求に対応します。デュアルレール診断アーキテクチャにより、システムからの能動的な故障報告をサポートし、故障の迅速な特定が可能です。
