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基于PLC的旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制系統(tǒng)研究
發(fā)布時間:2019-11-12

隨著食品市場的不斷擴(kuò)大和各地食品貿(mào)易往來的深入發(fā)展, 食品包裝作為食品工業(yè)生產(chǎn)中的一部分起到越來越重要的作用, 而食品包裝機(jī)械制造發(fā)展的目的就是為了更方便、高效地進(jìn)行食品包裝處理[1]。罐裝飲品是指用對人體無毒的塑料或金屬制品為容器, 加入可飲用的液體食品, 可隨時為人體補充水分, 方便攜帶, 目前我國罐裝飲品種類繁多, 包括果汁類、茶類和奶制品類等[2,3]。消費者對罐裝飲品的需求刺激其產(chǎn)業(yè)的繁榮, 但也對罐裝飲料生產(chǎn)提出新的要求, 包括食品安全性、包裝美觀性、生產(chǎn)精確性及經(jīng)濟(jì)性等方面, 因此研制更高效、精確、智能的機(jī)械控制方式是目前亟需解決的課題[4]。

美國、日本等發(fā)達(dá)國家包裝工業(yè)伴隨計算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展, 已形成較為完善的機(jī)電一體化控制運行體系, 尤其是微電子技術(shù)和模塊化技術(shù)的成熟運用, 直接決定著未來食品包裝機(jī)械的發(fā)展方向[5]。我國制造工業(yè)發(fā)展起步較晚, 許多企業(yè)選擇從國外引進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備, 再根據(jù)自身特點進(jìn)行改良, 形成我國特有的食品包裝工業(yè)[6]。其中液體罐裝產(chǎn)品根據(jù)生產(chǎn)要求如是否含有氣體、溫度、材質(zhì)等分為不同生產(chǎn)線, 而液體灌裝機(jī)作為生產(chǎn)線上重要一環(huán), 其自動化程度、速度、效率、穩(wěn)定性在很大程度上決定了液體灌裝設(shè)備的好壞[7,8]。試驗以旋轉(zhuǎn)型灌裝一體機(jī)控制系統(tǒng)為研究對象, 對提高其灌裝速度、精度和穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制系統(tǒng)簡介

可編程控制器 (Programmable Logic Controller, PLC) 是通過可編程存儲設(shè)備在存儲過程中執(zhí)行運算、計數(shù)、順序控制等指令, 并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號控制機(jī)械設(shè)備運行過程的一類電子系統(tǒng), 具有操作簡易、共用性好、功能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點[9,10]。旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)是指對液體食品采用回轉(zhuǎn)運動形成連續(xù)灌注的運行方式, 灌注完成后封蓋操作的生產(chǎn)設(shè)備, 由PLC進(jìn)行系統(tǒng)控制, 以在生產(chǎn)過程中要求達(dá)到高效、穩(wěn)定、精確的目的。常見旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)包括四大部份: (1) 洗瓶裝置, 對使用過的瓶子進(jìn)行清洗, 把瓶傳動至洗瓶裝置處, 利用噴水裝置、上轉(zhuǎn)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)清洗, 洗瓶夾將清洗過的瓶翻轉(zhuǎn)瀝干, 洗瓶需要兩道水, 分別走不同管道, 第一道水直接排出, 第二道水回收利用, 作為下次清洗的第一道水; (2) 灌裝裝置, 將干凈瓶固定, 做圓周運動并沿軌道進(jìn)行灌裝, 灌裝完成后繼續(xù)沿軌道逐漸脫離灌裝閥; (3) 封蓋裝置, 旋蓋機(jī)固定瓶身, 分蓋器將蓋子帶至相應(yīng)位置, 順時針旋轉(zhuǎn)移動與瓶身契合壓緊; (4) 傳動裝置, 連接旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)不同部分且液體運輸原料的裝置。液體產(chǎn)品罐裝過程的主要步驟包括瓶身的傳遞和瓶身、瓶蓋的契合安裝兩部分, 工藝流程為:


針對以上工藝流程, 常見旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)包含的操作單元有: (1) 輸入元件, 輸入指令控制旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)的運行, 同時啟用傳感設(shè)備監(jiān)測運行過程是否正常。 (2) 控制中心, 采用PLC系統(tǒng)處理所有輸入/輸出信號、開關(guān)量、模擬量、伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī), 保證信號傳遞及運行過程控制準(zhǔn)確。 (3) 執(zhí)行元件, 執(zhí)行PLC系統(tǒng)要求, 完成吸液、灌液和控制泵向等工作。 (4) 電動機(jī), 包括主機(jī)和輔助機(jī), 控制不同電動系統(tǒng)。 (5) 操作系統(tǒng), 采用人機(jī)界面 (Human Machine Interface) 作為操作顯示、控制界面, 方便操作人員隨時了解PLC控制系統(tǒng)的運行狀況。

1.2 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制系統(tǒng)要素

旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)可采用一個伺服泵控制雙罐裝頭輪流工作的方式進(jìn)行罐裝, 有利于提高灌裝速度。罐裝頭上有28個工位, 其中1號工位為復(fù)位傳感器, 2號為計數(shù)器, 3號為瓶檢測傳感器, 4號為灌滿工位傳感器, 5~28號為伺服泵檢測傳感器。1號工位為灌裝初始位置, 9號工位為灌裝結(jié)束位置, 瓶身沿工位從1號旋轉(zhuǎn)傳送至9號灌裝過程結(jié)束, 瓶身運行至17號工位離開灌裝環(huán)節(jié)。

其中控制系統(tǒng)最復(fù)雜、最易出現(xiàn)問題的部分包括: (1) 復(fù)位, 進(jìn)入灌裝環(huán)節(jié)后, 1號工位復(fù)位傳感器檢測到瓶身, 啟動灌裝過程并保證整個灌裝過程定位準(zhǔn)確, 隨時做好吸液準(zhǔn)備。復(fù)位包括3個方面, 即按下復(fù)位按鈕后:第一, 灌裝主電機(jī)啟動, 將信號傳遞至1號復(fù)位傳感器, 傳感器檢測到1號工位灌裝正常后, 主電機(jī)停止, 此時主電機(jī)復(fù)位;第二, 1~12號工位步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn), 使泵芯反轉(zhuǎn)至極限位置后, 步進(jìn)電機(jī)過載停止, 步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)120°帶動泵芯至吸液口位置, 步進(jìn)電機(jī)停止且復(fù)位完成;第三, 延時3 s, 1~12號工位伺服電機(jī)反轉(zhuǎn), 17~28號工位傳感器接收到信號, 泵塞停留至最低處, 1~12號工位伺服電機(jī)停止, 此時伺服電機(jī)帶動泵塞復(fù)位。 (2) 灌裝, 灌裝過程由PLC系統(tǒng)控制, 包括伺服電機(jī)控制的吸液和步進(jìn)電機(jī)控制的換向兩部分, 在實際運行過程中, 灌裝速度提高后, 液體食品發(fā)生濺出和泡沫現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率上升, 導(dǎo)致灌裝質(zhì)量不佳, 因此在高速灌裝的前提下, 提高灌裝質(zhì)量是目前主要的研究目標(biāo)。

2 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)硬件系統(tǒng)組成

根據(jù)旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制對象的要求, 該控制系統(tǒng)應(yīng)包括輸入/輸出元件、控制設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備, 其中控制設(shè)備可處理模擬量。PLC控制原理是按鈕、選擇開關(guān)、限位開關(guān)和電源與PLC系統(tǒng)中的輸入模塊相接, 用來操縱PLC系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉, 輸入模塊將信號傳入CPU模塊通信接口, 一方面與其他接口模塊形成拓展機(jī)架, 另一方面將信號傳至輸出模塊, 輸出模塊與計算機(jī)的接觸器、電磁閥、指示燈和電源等部分直接相連, 通過人機(jī)交互界面與操作人員進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。

根據(jù)PLC控制原理, 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)配置組成包括: (1) 基板, 主要負(fù)責(zé)連接電源和其他模塊以及進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 (2) 電源模塊, 主要負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供5 V電壓, 并且需保證額定輸出電流值大于提供電壓模塊所消耗的電流值。 (3) 輸入/輸出模塊, 主要負(fù)責(zé)對CPU發(fā)出的指令和操作人員發(fā)出的指令進(jìn)行雙向傳輸, 輸入/輸出模塊規(guī)格取決于傳輸指令數(shù)目。 (4) 運動控制模塊, 主要負(fù)責(zé)控制瓶身及瓶蓋運動過程, 利用伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)共同配合作用達(dá)到控制運動速度、位置等動作的目的。 (5) 人機(jī)界面, 主要負(fù)責(zé)操作人員與控制系統(tǒng)間的互動, 通過輸入界面控制系統(tǒng), 輸出界面得到反饋。 (6) PLC, 主要負(fù)責(zé)控制整體系統(tǒng)運作過程, 應(yīng)具有高性能、小體積和易操作等特點。

2.2 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)包括20套伺服電機(jī)和一套步進(jìn)電機(jī), 其中12套伺服電機(jī)用于控制泵吸液和灌液過程, 8套伺服電機(jī)用于控制封蓋過程, 而步進(jìn)電機(jī)通過電脈沖信號強(qiáng)弱和發(fā)射頻率控制電動機(jī)活動。

伺服電機(jī)嚴(yán)格按照輸入信號執(zhí)行命令, 利用電機(jī)提供動力帶動連接的圓軸轉(zhuǎn)動, 無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象, 同時運行范圍相對較廣, 能夠快速進(jìn)行運轉(zhuǎn)速度及狀態(tài)的轉(zhuǎn)變, 同時采用變速灌裝的方式進(jìn)行液體食品灌裝作業(yè), 在保證高速灌裝的同時, 防止液體食品發(fā)生濺出和泡沫現(xiàn)象。

步進(jìn)電機(jī)利用電脈沖控制電機(jī)轉(zhuǎn)動過程, 電脈沖信號強(qiáng)弱控制電機(jī)轉(zhuǎn)動角度, 電脈沖信號發(fā)射頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)動速度, 電脈沖信號發(fā)射量控制電機(jī)位移, 因此若需改變電機(jī)轉(zhuǎn)動過程, 則只需對其電脈沖信號進(jìn)行改變。由于受電脈沖信號控制, 步進(jìn)電機(jī)的運動精度高, 對起停及反轉(zhuǎn)有強(qiáng)烈且敏感的響應(yīng)反應(yīng), 同時具備能夠提供準(zhǔn)確定位的能力。

2.3 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)PLC配置

根據(jù)旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備的選用, 對其硬件系統(tǒng)配置進(jìn)行設(shè)計連接, 結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)硬件配置圖

圖1 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)硬件配置圖   下載原圖


3 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制軟件系統(tǒng)流程

旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制軟件系統(tǒng)編程設(shè)計的目的是將PLC控制系統(tǒng)的控制過程簡化為相對獨立的小模塊, 各自執(zhí)行相應(yīng)工作, 又能把不同模塊相互連接起來, 相互調(diào)用共同完成系統(tǒng)工作。一般旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)面對的液體食品對象各有不同, 加工工藝復(fù)雜, 使用模塊化編程方法, 能夠使系統(tǒng)初始化處理、故障報警緊急制停、伺服電機(jī)控制、步進(jìn)電機(jī)控制等過程均實現(xiàn)單獨編程、調(diào)試, 隨時調(diào)用, 進(jìn)而控制整體目標(biāo)運行過程, 簡化控制過程, 也使修改程序這一過程變得簡單。

旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制軟件系統(tǒng)具體流程為: (1) 啟動程序, 檢測PLC系統(tǒng)是否故障, 若發(fā)生故障, 則PLC系統(tǒng)停止工作并報警;若無故障, 則啟動并初始化程序。 (2) 檢測設(shè)備是否故障, 若發(fā)生故障, 則設(shè)備停止工作并報警;若無故障, 則進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。 (3) 判斷操作方式, 包括全自動操作和手動操作, 其中全自動操作工藝較復(fù)雜, 灌裝過程設(shè)備對是否有蓋進(jìn)行判斷, 若無蓋則設(shè)備停止工作并報警;若有蓋則進(jìn)行加蓋, 再判斷是否出現(xiàn)瓶堵現(xiàn)象, 若出現(xiàn)則設(shè)備停止工作并報警;若未出現(xiàn)則繼續(xù)工作至灌裝結(jié)束。另一方面, 手動操作需操作人員全程手動設(shè)定程序和進(jìn)行判斷, 直至灌裝結(jié)束。

3.2 旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制軟件系統(tǒng)編程

旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)控制軟件選用三菱公司的GX Developer軟件, 具有微軟視窗操作系統(tǒng), 能夠兼容各種辦公軟件, 編程操作規(guī)范, 支持多種語言程序, 通信方便, 調(diào)試功能多樣化, 同時可遠(yuǎn)程控制PLC系統(tǒng)。另外, 在該系統(tǒng)程序設(shè)計過程中, 伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的運動精度對系統(tǒng)穩(wěn)定性有著極大影響, 因此可利用編寫順控程序設(shè)計伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的運動過程, 伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的控制程序如圖2所示。

圖2 伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的控制程序圖

圖2 伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的控制程序圖   下載原圖


4 結(jié)語

飲品類食品需求的不斷增長促進(jìn)飲料食品工業(yè)的不斷發(fā)展, 介紹了旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)的生產(chǎn)要求和控制系統(tǒng)設(shè)計總體方案, 運用一套伺服電機(jī)控制雙灌裝頭的方案, 達(dá)到提高灌裝效率和準(zhǔn)確性的目的。同時詳細(xì)論述了相關(guān)硬件配置和軟件編程設(shè)計, 為進(jìn)一步優(yōu)化控制系統(tǒng)程序和不同產(chǎn)品灌裝最優(yōu)條件的調(diào)試提供研究基礎(chǔ)。


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