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基于PLC和DSP的全自動液體灌裝秤儀表機的設(shè)計

介紹基于 PLC 和 DSP 的全自動液體灌裝秤儀表機的設(shè)計，該設(shè)備采用電機伺服控制技術(shù)、步進控制技術(shù)、PLC 技術(shù)、DSP 技術(shù)、人機界面等技術(shù)實現(xiàn)了對不同規(guī)格容器的全自動灌裝，并精確控制灌裝質(zhì)量;

與工業(yè)發(fā)達國家相比，我國灌裝機整體水平比較落后。與國外產(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) 單機性能不穩(wěn)定。為此，設(shè)計了一種基于 PLC 和 DSP 技術(shù)的全自動液體灌裝秤儀表機。文中詳細(xì)介紹了該機控制系統(tǒng)的原理。

1 灌裝機工作原理

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

該機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，與各種底層設(shè)備直接聯(lián)系。PLC 與上位機通訊、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，控制灌裝頭的動作邏輯，控制灌裝傳送帶的速度，驅(qū)動步進電機控制灌裝頭的調(diào)整，實現(xiàn)二維精確定位及灌裝進口擋板的精確定位; DSP依據(jù) PLC 給出的灌裝容積，完成伺服驅(qū)動及灌裝容量的補償，驅(qū)動增壓液壓缸動作，實現(xiàn)灌裝容量的調(diào)整，同時通過補償算法計算出的補償容積信息，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，編制了容量計算及伺服系統(tǒng)控制程序; 網(wǎng)絡(luò)控制部分包括一臺計算機 (上位機) 和下位機 (PLC)，其中計算機作為控制系統(tǒng)的上層，實現(xiàn)全廠多臺灌裝機的控制和管理，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)線的各種報表，顯示生產(chǎn)線的運行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)故障，向管理員及時報告，必要時管理人員可通過該服務(wù)器遠(yuǎn)程強行停止和啟動生產(chǎn)線的運行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

從整體布局方面設(shè)計全自動灌裝機的幾大組成部分，灌裝機灌裝頭數(shù)為 6 頭，下面介紹其主要組成部分。

2. 1 氣動系統(tǒng)

如圖 2 所示，該灌裝機采用氣缸控制來進行液體灌裝，通過控制閥 2 控制氣缸 10 推動儲油缸 12 上下移動，再通過單向閥 13 和單向閥 14 實現(xiàn)灌裝和將油抽入到儲油缸 12 內(nèi)。通過換向閥 3 控制氣缸 11 使油嘴上下移動，確保灌瓶和灌好后脫開。灌完瓶后，再通過控制閥 4 控制氣缸 15 實現(xiàn)裝塞子。換向閥 5 控制氣缸 8 將欄桿推入來定位小瓶。換向閥 6 控制氣缸9 將欄桿推出使得小瓶沿輸送帶前行。兩個調(diào)速閥 7分別控制灌裝和裝塞子的速度。所有閥的動作均由PLC 開關(guān)量輸出。

2. 2 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 對現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集和控制。PLC 處于現(xiàn)場控制層，實現(xiàn)對現(xiàn)場各類信號進行采集和控制，其主要功能有: 與上位機系統(tǒng)通訊，采集并傳遞該灌裝機的信息; 在線連續(xù)采集液位、變頻器頻率等模擬量輸入信號; 實時采集泵、電磁閥、光電開關(guān)、接近開關(guān)、電動執(zhí)行機構(gòu)等開關(guān)量狀態(tài)信號，并根據(jù)運行要求輸出信號控制各種閥通斷; 再與 DSP 通訊，使 DSP控制伺服電機實現(xiàn)對罐裝容量的精確控制; 最終實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動控制。

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)計中采用位置伺服控制系統(tǒng)來精確控制活塞缸的行程，也就達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，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，通過一定的補償算法，實現(xiàn)活塞缸的行程補償，DSP 接收 PLC 發(fā)出的位置指令信號，把 PLC 給定位置與補償位置相疊加，作為位置的總給定，位置信號經(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，速度指令信號與速度反饋信號比較后的偏差信號經(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，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變換后，由SPWM 輸出轉(zhuǎn)矩電流，控制交流伺服電機的運行。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。

2. 4 步進控制系統(tǒng)

原有的灌裝機由于灌裝頭不可調(diào)節(jié)，灌裝單一，灌裝頭只能對一個品種的瓶子進行灌裝，更換瓶子時調(diào)整困難，無法對不同高度瓶子實現(xiàn)快速調(diào)整，為此，設(shè)計了一種二坐標(biāo)機械結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)灌裝頭水平位置及高度的調(diào)整，x 軸方向僅采用一個步進電機并可實現(xiàn) 6 個灌裝頭位置的等距同步調(diào)整。y 軸由一臺同步電機提供動力，實現(xiàn)整個裝置可上下移動。

2. 5 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

PLC 通過現(xiàn)場總線 PROFIBUS- DP 和上位工控機實現(xiàn)通信。上位機監(jiān)控人機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)線的運行窗口，同時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)計中，在灌裝機上還安裝了觸摸屏與 PLC通訊，用于參數(shù)設(shè)置和運行狀態(tài)的現(xiàn)場顯示。采用ADP7. 0 (HITECH 公司提供的畫面編輯軟件) 設(shè)計整個系統(tǒng)畫面。主畫面是觸摸屏的默認(rèn)畫面，由各功能按鍵進入各對應(yīng)的子畫面，進行系統(tǒng)的監(jiān)控; 手動畫面上設(shè)置若干功能按鍵，分別對系統(tǒng)的每個動作進行手動操作; 同時還設(shè)置打開其它畫面的功能按鍵，子畫面也同樣; 自動畫面上的啟動按鈕用于系統(tǒng)自動啟動，急停按鈕用于發(fā)生緊急情況時停止系統(tǒng)運行，復(fù)位按鈕用于故障解除之后系統(tǒng)復(fù)位和警報解除，并且設(shè)置若干個指示燈用來顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài); 故障顯示畫面顯示各類故障報警信號，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時立即彈出故障顯示畫面，最新的故障排在最上面，并按發(fā)生時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顯示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是 PLC 和 DSP 程序設(shè)計

4 結(jié)論

該設(shè)計的創(chuàng)新點是運用了 PLC + DSP 的控制技術(shù)。采用 PLC 實現(xiàn)灌裝功能; DSP 實現(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)功能強等優(yōu)點，成功實現(xiàn)了液態(tài)灌裝機的自動化。

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