液體定量灌裝技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工、飲料、石油和醫(yī)療等生產(chǎn)領(lǐng)域中。在液體灌裝設(shè)備中, 將灌裝槍移動(dòng)到灌裝桶桶口位置是整個(gè)灌裝設(shè)備的關(guān)鍵問(wèn)題?，F(xiàn)在的很多灌裝設(shè)備采取的是人工搖動(dòng)灌裝槍頭至灌裝桶桶口的方式, 該方式以下3點(diǎn)欠缺:一是由作業(yè)人員人工對(duì)孔, 因此工人的勞動(dòng)強(qiáng)度比較大;二是對(duì)孔時(shí)間長(zhǎng), 耽誤了灌裝時(shí)間, 影響液體灌裝機(jī)的灌裝效率;三是難于保證灌裝槍與灌裝桶口達(dá)到恰到好處的對(duì)準(zhǔn)度, 一旦出現(xiàn)偏位, 哪怕是極低的幾率, 會(huì)造成灌裝液體的外流, 既影響灌裝作業(yè)場(chǎng)所的清潔, 又造成液體的浪費(fèi), 以及腐蝕、有毒性液體對(duì)工人的危害。一小部分設(shè)備的定位灌裝桶桶口系統(tǒng)部分, 通過(guò)選購(gòu)國(guó)外如美國(guó)康耐視公司、日本基恩士公司等的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng), 能夠?qū)崿F(xiàn)液體定量灌裝的全自動(dòng)化, 但是進(jìn)口的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)價(jià)格比較昂貴, 增加了設(shè)備成本[1]。
為了解決上述問(wèn)題, 液體灌裝機(jī)用的灌裝桶自動(dòng)輸送裝置[2]巧妙地利用一種機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了灌裝設(shè)備中灌裝桶桶口自動(dòng)定位的問(wèn)題。與前兩者采用的方案相比, 方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)尋找灌裝桶桶口工序的自動(dòng)化, 同時(shí)很大程度地降低了成本, 節(jié)約了灌裝過(guò)程的時(shí)間, 實(shí)現(xiàn)灌裝過(guò)程的全自動(dòng)化。文中在液體灌裝機(jī)用的灌裝桶自動(dòng)輸送裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上, 對(duì)全自動(dòng)液體定量灌裝設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹與分析。
1 全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)工業(yè)要求
1.1 工藝流程
全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)組成見(jiàn)圖1。全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)能夠灌裝各種有毒、腐蝕性液體, 單桶灌裝的容量是200 L, 容許的誤差在0.1 L范圍內(nèi)。
圖1 全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)組成Fig.1 Sketch map of the automatic quantitative liquid filling machine 下載原圖
1-同步電機(jī);2-滾輪臂;3-灌裝槍;4-無(wú)桿氣缸;5-吸蓋裝置;6-光電傳感器;7-灌裝桶;8-接近開(kāi)關(guān);9-輸送帶;10:傳動(dòng)齒輪;11:傳送帶;12:輸送電機(jī);13:升降氣缸;14:稱重傳感器
灌裝桶放置于輸送機(jī)構(gòu)的輸送帶后, 輸送電機(jī)啟動(dòng), 輸送灌裝桶至灌裝位置。當(dāng)?shù)竭_(dá)灌裝位置時(shí), 接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)到灌裝桶, 將感應(yīng)信號(hào)傳送至PLC, PLC控制輸送電機(jī)停止, 升降氣缸在PLC的控制下開(kāi)始上升, 同時(shí)帶動(dòng)滾輪臂結(jié)構(gòu)上升至氣缸行程的最大位置, 升降氣缸停止上升, 同步電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)帶動(dòng)滾輪臂運(yùn)動(dòng), 灌裝桶在滾輪臂的帶動(dòng)下可以旋轉(zhuǎn)。由于灌裝桶屬于偏心桶, 在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí), 桶口上方的光電傳感器與灌裝頭都處于桶口旋轉(zhuǎn)軌跡圓上, 所以當(dāng)灌裝桶旋轉(zhuǎn)至光電傳感器的正下方, 光電傳感器感應(yīng)到灌裝桶桶口邊緣時(shí), 將信號(hào)傳送至PLC, PLC根據(jù)光電傳感器的信號(hào), 將停止同步電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到桶口后, 吸蓋裝置在氣缸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)至灌裝桶桶口的正上方, 吸取灌裝桶的桶蓋, 在完成吸蓋動(dòng)作后回復(fù)到原來(lái)的位置。當(dāng)桶蓋被吸取后, 開(kāi)始進(jìn)行定量灌裝過(guò)程, PLC控制無(wú)桿氣缸帶動(dòng)灌裝槍進(jìn)入到灌裝桶中進(jìn)行液體灌裝, 稱重傳感器能夠感應(yīng)到灌裝桶中重量的變化, 而稱重控制器選用的是日本unipulse公司的F701。通過(guò)稱重儀表端子線將稱重傳感器與F701相連接, 在儀表F701界面上進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)液體的定量灌裝, 液體灌裝的精度得到保障;液體定量灌裝結(jié)束后, 儀表會(huì)傳送灌裝結(jié)束標(biāo)志信號(hào)至PLC, PLC根據(jù)此信號(hào)結(jié)束定量灌裝過(guò)程。PLC控制無(wú)桿氣缸帶動(dòng)灌裝槍上升至初始位置, 吸蓋裝置旋轉(zhuǎn)至灌裝桶桶口位置的正上方將桶蓋放置于灌裝桶桶口。輸送電機(jī)啟動(dòng), 將灌裝滿的灌裝桶輸送至指定位置。
1.2 控制以及工藝要求
1) 為了便于操作人員調(diào)試設(shè)備和檢查故障原因, 設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)送空桶、檢測(cè)空桶到達(dá)灌裝位置、桶口位置檢測(cè)、液體定量灌裝以及滿桶輸送整個(gè)過(guò)程的自動(dòng)化控制和手動(dòng)化控制, 并且能夠?qū)崿F(xiàn)兩者之間的切換選擇。
(2) 實(shí)現(xiàn)液體定量灌裝的精確度, 能夠灌裝各種有毒、腐蝕性液體, 單桶灌裝的容量是200 L, 容許的誤差在0.1 L范圍內(nèi)。
(3) 為了方便操作人員處理設(shè)備工作過(guò)程中的故障, 當(dāng)系統(tǒng)某一部分出現(xiàn)故障 (如檢測(cè)桶口時(shí)出現(xiàn)檢測(cè)失敗的情況, 灌裝槍頭就不能順利通過(guò)桶口進(jìn)入桶內(nèi), 就會(huì)出現(xiàn)灌裝槍頭頂在桶上和定量灌裝時(shí)出現(xiàn)超出容許誤差的情況等) , PLC會(huì)對(duì)這些故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 記憶鎖存, 并通過(guò)觸摸屏快速顯示報(bào)警, 指明報(bào)警類型以及可能存在的故障原因。
(4) 為了提高設(shè)備的安全性, 系統(tǒng)之間各種安全聯(lián)鎖。
(5) 為了方便操作人員操作和維修設(shè)備, 所有的技術(shù)參數(shù)、工藝參數(shù)、操作手冊(cè)、報(bào)警記錄、故障原因、維修指南等都通過(guò)觸摸屏保存。
2 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件基本配置
根據(jù)全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)設(shè)備的控制以及工藝要求, 硬件配置由日本三菱公司的PLC-FX3U、觸摸屏GT1275, 日本unipulse公司的稱重控制器F701、無(wú)桿氣缸、壓力傳感器、接近傳感器等構(gòu)成?？紤]到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性, 電機(jī)、電磁閥、傳感器、氣缸等均采用進(jìn)口設(shè)備。
2.2 控制系統(tǒng)硬件的組成
控制系統(tǒng)由一個(gè)電控柜、PLC、稱重系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、觸摸屏系統(tǒng)等組成。全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成見(jiàn)圖2。
控制系統(tǒng)的核心部件PLC采用三菱公司的FX3U系列編程控制器, 該系列編程控制器具有內(nèi)置高達(dá)64 K大容量的RAM存儲(chǔ)器、內(nèi)置業(yè)界最高水平的高速處理0.065μs/基本指令、基本單元左側(cè)均可以連接功能強(qiáng)大簡(jiǎn)便易用的適配器[4]。編程軟件為三菱公司的GX Developer。稱重系統(tǒng)核心部件選用的為F701, 通過(guò)DDK57-30240與PLC相連接, 通過(guò)PLC的控制能夠?qū)崿F(xiàn)儀表自動(dòng)啟動(dòng)、停止、快加, 慢加等, 同時(shí)還具有分檔加料、超差報(bào)警、去皮重等功能[3], 能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定量灌裝。觸摸屏系統(tǒng)采用的是三菱公司的GT1275, 為三菱最新系列的觸摸屏, 采用RS485進(jìn)行通訊, 抗干擾能力強(qiáng), 對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、控制等。該控制系統(tǒng)不需要采用昂貴的進(jìn)口機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)軟件就能夠?qū)崿F(xiàn)灌裝桶桶口的定位、灌裝過(guò)程的全自動(dòng)化, 很好地控制了設(shè)備的成本, 提高了競(jìng)爭(zhēng)力。
圖2 全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware constitution of the automatic quantitative liquid filling machine control system 下載原圖
3 全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 人機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)
通過(guò)人機(jī)界面, 操作人員可以與PLC進(jìn)行信息、數(shù)據(jù)等的處理與交流。同時(shí)人機(jī)界面能夠更直觀地顯示整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài), 實(shí)時(shí)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控, 當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警等故障時(shí), 故障可能原因顯示在人機(jī)界面上, 對(duì)操作人員解決系統(tǒng)故障提供了很大的幫助[5,6]。人機(jī)界面的組成見(jiàn)圖3。
自動(dòng)控制模塊能夠使灌裝設(shè)備整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行;手動(dòng)控制模塊能讓操作人員在手動(dòng)控制模式時(shí)對(duì)設(shè)備的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行控制, 適合在對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試或者檢查系統(tǒng)出現(xiàn)的故障原因時(shí)使用此模式;實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊監(jiān)控著系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中整個(gè)運(yùn)行狀態(tài), 便于操作人員對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)控與分析;報(bào)警記錄模塊記錄了在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤的情況, 便于操作人員及時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)行, 檢查故障, 增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性;操作手冊(cè)模塊存儲(chǔ)了操作說(shuō)明、維修手冊(cè)、可能故障原因以及處理方法, 便于操作人員日常對(duì)設(shè)備的操作和維修。
圖3 人機(jī)界面總體功能結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall function structure of the human machine interface 下載原圖
3.2 PLC控制軟件設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)中根據(jù)工藝流程與工藝要求結(jié)合設(shè)計(jì)流程圖, 用基本邏輯指令編制出梯形圖。在液體灌裝設(shè)備中, 液體灌裝機(jī)用的灌裝桶自動(dòng)輸送裝置巧妙地利用一種機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了灌裝設(shè)備中灌裝桶桶口自動(dòng)定位的問(wèn)題, 因此只對(duì)全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)控制系統(tǒng)中自動(dòng)尋找桶口部分的程序給出詳細(xì)分析[7,8,9]。與人工搖動(dòng)灌裝槍頭至灌裝桶桶口的方式相比, 該控制系統(tǒng)對(duì)孔的時(shí)間很短, 而且對(duì)孔的精度很高, 同時(shí)該控制系統(tǒng)軟件具有故障檢測(cè)、安全自鎖、自動(dòng)化程度高、安全性能強(qiáng)等特點(diǎn)。各軟元件見(jiàn)表1, 自動(dòng)尋找桶口程序的梯形圖見(jiàn)圖4。
表1 軟元件Tab.1 Soft element table 下載原表
圖4 PLC梯形圖Fig.4 PLC ladder diagram 下載原圖
自動(dòng)尋找桶口控制系統(tǒng)的程序運(yùn)行過(guò)程如下。
(1) 輔助繼電器M1為系統(tǒng)正常運(yùn)行標(biāo)志位, 當(dāng)M1接通且空桶輸送電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行 (Y0接通) , 接近開(kāi)關(guān)觸發(fā), 表示檢測(cè)到灌裝桶被輸送到灌裝位置, 此時(shí)停止空桶輸送電機(jī)運(yùn)行即Y0復(fù)位;當(dāng)灌裝槍上升到頂位時(shí)接近開(kāi)關(guān)2被觸發(fā)即X14接通, 此時(shí)將氣動(dòng)電磁閥1置位使支座上升。
(2) 當(dāng)支座上升到頂位時(shí), 接近開(kāi)關(guān)4被觸發(fā)即X16接通, 此時(shí)將支座上升到頂位的狀態(tài)保存到輔助繼電器M2中, 同時(shí)觸發(fā)定時(shí)器T1。定時(shí)器T1的計(jì)時(shí)單位為100 ms, 設(shè)定值為20 mm。如果直接在支座上升到頂位后立即開(kāi)始啟動(dòng)同步電機(jī), 會(huì)出現(xiàn)由于支座上升后沒(méi)有停穩(wěn)而同步電機(jī)啟動(dòng)造成灌裝桶傾倒的現(xiàn)象, 所以在此處設(shè)置2 s的延時(shí), 待支座平穩(wěn)上升到頂位后, 再啟動(dòng)同步電機(jī)。
(3) 當(dāng)定時(shí)器T1的2 s延時(shí)到達(dá)后, 啟動(dòng)同步電機(jī)即接通Y2, 將帶動(dòng)灌裝桶進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
(4) 當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行標(biāo)志位M1接通, 灌裝槍升到頂位即X14接通, 同步電機(jī)在運(yùn)行中, 此時(shí)如果同步電機(jī)在帶動(dòng)灌裝桶旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中灌裝桶桶口突起的邊緣, 剛好在光電傳感器的檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí), 光電傳感器被觸發(fā), X2接通。檢測(cè)到灌裝桶口, 同時(shí)將停止同步電機(jī)運(yùn)行, 使灌裝槍開(kāi)始下降, 即復(fù)位Y2, 復(fù)位Y5, 置位Y6。
(5) 當(dāng)灌裝槍在下降的過(guò)程中, 灌裝槍沒(méi)有順利進(jìn)入桶口中而是頂在桶上, 此時(shí)壓力開(kāi)關(guān)被觸發(fā), 即X0被觸發(fā), 立刻停止灌裝槍下降, 將灌裝槍上升, 并且在觸摸屏系統(tǒng)監(jiān)控界面顯示頂桶報(bào)警等待操作人員處理即復(fù)位Y6, 置位Y5, 置位M3, M3為頂桶報(bào)警標(biāo)志位。
(6) 當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行, 灌裝槍順利地進(jìn)入桶口中然后繼續(xù)下降。當(dāng)下降到灌裝槍最低位置時(shí), 接近開(kāi)關(guān)3被觸發(fā), 即X15接通, 停止灌裝槍下降的同時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)稱重儀表, 即復(fù)位Y6, 置位M4, M4為稱重儀表啟動(dòng)標(biāo)志位。
4 結(jié)論
利用精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、PLC、氣動(dòng)元件、稱重儀表、人機(jī)界面相結(jié)合的控制方案, 與現(xiàn)在大部分企業(yè)采用的手動(dòng)搖動(dòng)灌裝槍進(jìn)行灌裝的同類包裝機(jī)相比, 該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)灌裝過(guò)程, 灌裝過(guò)程時(shí)間大大減少。相對(duì)于采用進(jìn)口機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的灌裝機(jī), 大大降低了設(shè)備的成本。同時(shí)利用觸摸屏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與操作, 使灌裝機(jī)系統(tǒng)操作更方便、更人性化。該控制系統(tǒng)已通過(guò)實(shí)驗(yàn), 仿真調(diào)試成功。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行性能穩(wěn)定、安全、可靠、自動(dòng)化程度高, 已經(jīng)量產(chǎn), 且客戶反應(yīng)良好, 提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率, 降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度, 為企業(yè)帶來(lái)了很好的經(jīng)濟(jì)效益。