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與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)灌裝機(jī)整體水平比較落后。與國(guó)外產(chǎn)品相比仍存在很大的技術(shù)差距，主要體現(xiàn)在: (1) 自動(dòng)化水平和控制水平較低;(2) 產(chǎn)品規(guī)格不全，成套性差;(3) 單機(jī)性能不穩(wěn)定。為此，設(shè)計(jì)了一種基于 PLC 和 DSP 技術(shù)的全自動(dòng)液體灌裝機(jī)。文中詳細(xì)介紹了該機(jī)控制系統(tǒng)的原理。

1 灌裝機(jī)工作原理

一般液體灌裝生產(chǎn)線由灌裝機(jī)、旋蓋機(jī)、封口機(jī)、噴碼機(jī)組成，整個(gè)生產(chǎn)線由傳送帶貫穿始終，負(fù)責(zé)容器的運(yùn)送。灌裝機(jī)是這條生產(chǎn)線的主要設(shè)備，其性能對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)線的功能及效率起到?jīng)Q定性的作用。為了提高灌裝機(jī)的性能，設(shè)計(jì)了由基于 DSP 的伺服 控制 系 統(tǒng)、步 進(jìn) 控 制 系 統(tǒng)、可 編 程 控 制 器(PLC)、人機(jī)界面、傳送帶變頻調(diào)速系統(tǒng)、增壓氣動(dòng)部分及光電傳感器等組成的機(jī)、氣、電一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)。

該機(jī)采用可編程邏輯控制器 (PLC) S7- 300 和DSP 作為其控制主體。在硬件連接上，PLC 作為控制系統(tǒng)中的下位機(jī)，與各種底層設(shè)備直接聯(lián)系。PLC 與上位機(jī)通訊、獲取產(chǎn)品資料和生產(chǎn)參數(shù)，以及依據(jù)生產(chǎn)線中各種傳感器，控制灌裝頭的動(dòng)作邏輯，控制灌裝傳送帶的速度，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制灌裝頭的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)二維精確定位及灌裝進(jìn)口擋板的精確定位; DSP依據(jù) PLC 給出的灌裝容積，完成伺服驅(qū)動(dòng)及灌裝容量的補(bǔ)償，驅(qū)動(dòng)增壓液壓缸動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)灌裝容量的調(diào)整，同時(shí)通過(guò)補(bǔ)償算法計(jì)算出的補(bǔ)償容積信息，加入到灌裝容量的調(diào)整中。在可編程邏輯控制器的軟件方面，按照生產(chǎn)線的工作流程，利用其專門的程序編制軟件，使用梯形圖形式編制了生產(chǎn)線控制程序，并寫入可編程邏輯控制器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線總體的控制邏輯和生產(chǎn)功能; 在 DSP 的軟件方面，編制了容量計(jì)算及伺服系統(tǒng)控制程序; 網(wǎng)絡(luò)控制部分包括一臺(tái)計(jì)算機(jī) (上位機(jī)) 和下位機(jī) (PLC)，其中計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)的上層，實(shí)現(xiàn)全廠多臺(tái)灌裝機(jī)的控制和管理，專門面向管理人員，主要用于灌裝容器的改變以及生成、打印和管理生產(chǎn)線的各種報(bào)表，顯示生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)故障，向管理員及時(shí)報(bào)告，必要時(shí)管理人員可通過(guò)該服務(wù)器遠(yuǎn)程強(qiáng)行停止和啟動(dòng)生產(chǎn)線的運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

從整體布局方面設(shè)計(jì)灌裝機(jī)的幾大組成部分，灌裝機(jī)灌裝頭數(shù)為 6 頭，下面介紹其主要組成部分。

2. 1 氣動(dòng)系統(tǒng)

如圖 2 所示，該灌裝機(jī)采用氣缸控制來(lái)進(jìn)行液體灌裝，通過(guò)控制閥 2 控制氣缸 10 推動(dòng)儲(chǔ)油缸 12 上下移動(dòng)，再通過(guò)單向閥 13 和單向閥 14 實(shí)現(xiàn)灌裝和將油抽入到儲(chǔ)油缸 12 內(nèi)。通過(guò)換向閥 3 控制氣缸 11 使油嘴上下移動(dòng)，確保灌瓶和灌好后脫開(kāi)。灌完瓶后，再通過(guò)控制閥 4 控制氣缸 15 實(shí)現(xiàn)裝塞子。換向閥 5 控制氣缸 8 將欄桿推入來(lái)定位小瓶。換向閥 6 控制氣缸9 將欄桿推出使得小瓶沿輸送帶前行。兩個(gè)調(diào)速閥 7分別控制灌裝和裝塞子的速度。所有閥的動(dòng)作均由PLC 開(kāi)關(guān)量輸出。

2. 2 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。PLC 處于現(xiàn)場(chǎng)控制層，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各類信號(hào)進(jìn)行采集和控制，其主要功能有: 與上位機(jī)系統(tǒng)通訊，采集并傳遞該灌裝機(jī)的信息; 在線連續(xù)采集液位、變頻器頻率等模擬量輸入信號(hào); 實(shí)時(shí)采集泵、電磁閥、光電開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等開(kāi)關(guān)量狀態(tài)信號(hào)，并根據(jù)運(yùn)行要求輸出信號(hào)控制各種閥通斷; 再與 DSP 通訊，使 DSP控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)罐裝容量的精確控制; 最終實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

2. 3 數(shù)據(jù)采集及伺服控制系統(tǒng)

為了精確控制灌裝容積，該設(shè)計(jì)中采用位置伺服控制系統(tǒng)來(lái)精確控制活塞缸的行程，也就達(dá)到精確控制灌裝容積的目的。

灌裝液體的溫度、黏度變化導(dǎo)致的體積變化引起質(zhì)量波動(dòng)，它們之間是一種非線性的關(guān)系，DSP 采集液體黏度、溫度、壓力，通過(guò)一定的補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)活塞缸的行程補(bǔ)償，DSP 接收 PLC 發(fā)出的位置指令信號(hào)，把 PLC 給定位置與補(bǔ)償位置相疊加，作為位置的總給定，位置信號(hào)經(jīng)位置環(huán)的復(fù)合前饋控制器調(diào)節(jié)后，形成速度指令信號(hào)，速度指令信號(hào)與速度反饋信號(hào)比較后的偏差信號(hào)經(jīng)速度環(huán)比例積分控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號(hào)，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變換后，由SPWM 輸出轉(zhuǎn)矩電流，控制交流伺服電機(jī)的運(yùn)行。位置控制精度由旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)控制。其原理如圖 3 所示。

2. 4 步進(jìn)控制系統(tǒng)

原有的灌裝機(jī)由于灌裝頭不可調(diào)節(jié)，灌裝單一，灌裝頭只能對(duì)一個(gè)品種的瓶子進(jìn)行灌裝，更換瓶子時(shí)調(diào)整困難，無(wú)法對(duì)不同高度瓶子實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整，為此，設(shè)計(jì)了一種二坐標(biāo)機(jī)械結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)灌裝頭水平位置及高度的調(diào)整，x 軸方向僅采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)并可實(shí)現(xiàn) 6 個(gè)灌裝頭位置的等距同步調(diào)整。y軸由一臺(tái)同步電機(jī)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置可上下移動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)硬件電路如圖 4 所示。

2. 5 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

PLC 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS- DP 和上位工控機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。上位機(jī)監(jiān)控人機(jī)交互界面是向管理員提供生產(chǎn)線的工作狀態(tài)、監(jiān)視和控制生產(chǎn)線的運(yùn)行窗口，同時(shí)也為用戶提供了向生產(chǎn)線發(fā)布命令、設(shè)定工業(yè)參數(shù)的途徑，它由登陸部分、圖像顯示界面部分和歷史記錄部分組成。

2. 6 觸摸屏系統(tǒng)

該設(shè)計(jì)中，在灌裝機(jī)上還安裝了觸摸屏與 PLC通訊，用于參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)顯示。采用ADP7. 0 (HITECH 公司提供的畫(huà)面編輯軟件) 設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)畫(huà)面。主畫(huà)面是觸摸屏的默認(rèn)畫(huà)面，由各功能按鍵進(jìn)入各對(duì)應(yīng)的子畫(huà)面，進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控; 手動(dòng)畫(huà)面上設(shè)置若干功能按鍵，分別對(duì)系統(tǒng)的每個(gè)動(dòng)作進(jìn)行手動(dòng)操作; 同時(shí)還設(shè)置打開(kāi)其它畫(huà)面的功能按鍵，子畫(huà)面也同樣; 自動(dòng)畫(huà)面上的啟動(dòng)按鈕用于系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，急停按鈕用于發(fā)生緊急情況時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)行，復(fù)位按鈕用于故障解除之后系統(tǒng)復(fù)位和警報(bào)解除，并且設(shè)置若干個(gè)指示燈用來(lái)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài); 故障顯示畫(huà)面顯示各類故障報(bào)警信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)立即彈出故障顯示畫(huà)面，最新的故障排在最上面，并按發(fā)生時(shí)間的早晚從上到下依次排列，滿屏?xí)r可由上下鍵控制信息的滾動(dòng)顯示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是 PLC 和 DSP 程序設(shè)計(jì)，S7- 300 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的流程圖如圖 5 所示，DSP 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的流程圖如圖 6 所示。

4 結(jié)論

該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)是運(yùn)用了 PLC + DSP 的控制技術(shù)。采用 PLC 實(shí)現(xiàn)灌裝功能; DSP 實(shí)現(xiàn)灌裝容量的精確。本裝置具有操作方便、系統(tǒng)穩(wěn)定、工作效率高、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成功實(shí)現(xiàn)了液態(tài)灌裝機(jī)的自動(dòng)化。

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