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回轉(zhuǎn)式灌裝機的灌裝定量有多種形式, 常用的有注塞式、容積式、液位式、稱重式等多種方式。隨著控制技術(shù)的提高, 稱重傳感器技術(shù)的成熟, 稱重式定量灌裝是回轉(zhuǎn)式灌裝機的發(fā)展趨勢。稱重式定量灌裝很好的解決包裝計量不準確的難題, 提高了包裝定量的精度。

1 主電機控制

1.1 主電機控制的主要控制原理

主電機主要是通過變頻器控制, 其控制原理框圖如圖 1 所示, 從圖 1 可以看出, 主電機有灌裝和清洗兩個運行速度, 灌裝速度通過PLC 中的模擬輸出模塊控制, 清洗速度由變頻器參數(shù)設(shè)定, 運行模式由 PLC 給出。

1.2 主電機的主要控制要求

在變頻器中設(shè)置最高轉(zhuǎn)速, 第 2 轉(zhuǎn)速( 清洗速度) 等變頻器的必要參數(shù)。在人機界面上設(shè)置主電機運行頁面, 包括運行狀態(tài)( 灌裝 / 清洗)、主機開、關(guān), 灌裝速度, 產(chǎn)量計數(shù)。主電機的運行受開機按鈕、關(guān)機按鈕和人機界面設(shè)置按鈕的雙重控制。

1.3 旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇

選用增量型編碼器, 分辨率為 300 , 通過A 、 B 項加 Z 項復位計數(shù), 對于 24 頭灌裝機,計數(shù)數(shù)據(jù)進行雙倍頻處理, 計數(shù) 25 為一個灌裝回轉(zhuǎn)工位周期。

1.4 設(shè)備零位和絕對零位

對于旋轉(zhuǎn)編碼器, 每旋轉(zhuǎn)一周, 給 PLC 發(fā)送 300 個脈沖, 通過 Z 相發(fā)給 PLC 一個復位信號,使 PLC 中高速計數(shù)器從 1 計到 300 后復位,我們把 300 稱之為絕對計數(shù)零位。

對于每臺灌裝機, 把 1 號灌裝閥對準入瓶口,計數(shù)器復位開始計數(shù)稱之為設(shè)備計數(shù)零位。在實際控制中, 由于編碼器安裝的位置是一個變數(shù), 因此,不同的設(shè)備, 絕對計數(shù)零位不同。對于每一臺設(shè)備, 需要進行設(shè)備零位的設(shè)置。

1.5 設(shè)備零位的尋找和設(shè)定

點動設(shè)備, 使 1 號閥對準入瓶口,將高速計數(shù)器 C 的數(shù)據(jù)傳入寄存器 C 1中,寄存器 C 2 =300- C 1 , 寄存器 C 3 =C- C 1 ( C≥C 1 ) 或 C 3 =C 2 +C ( C

2 稱重控制器的定量控制方案

如圖 2 所示, 是兩組利用稱重控制器稱重計量的控制原理圖。采用稱重控制器控制各個灌裝閥的灌裝, 對于回轉(zhuǎn)運動的灌裝料缸、灌裝閥、稱重平臺等的接線簡化了難度。

圖中 AB 1 為控制器 A 1 的稱重傳感器, Y 1 為對應灌裝閥的快速開閥灌裝電磁閥, Y 2 為對應灌裝閥的慢速開閥灌裝電磁閥, IN 1 開始灌裝信號( 脈沖), IN 2 為強制關(guān)灌裝閥信號( 脈沖)。它們組成一個完整的控制系統(tǒng)。通過 RS485 對控制器進行參數(shù)設(shè)置、配方選擇等。

2.1 碳刷滑環(huán)的設(shè)計要求及接線方法

灌裝料缸、灌裝閥、稱重平臺等是回轉(zhuǎn)運動,灌裝稱重過程均在回轉(zhuǎn)運動中完成, 根據(jù)圖 2 所示, 控制器的控制信號線、電源線要通過碳刷滑環(huán)連接。

碳刷滑環(huán)的碳刷引線, 如表 1 所示, 碳刷引線共 9根,其中 B 1 、 B 2 為控制器 A 1 、 A 2 等的供電電源, B 3 、 B 4 為灌裝開閥汽缸提供 DC24V電源, B 5 為控制器 A 1 、 A 2 等提供開閥信號,B 6為控制器 A 1 、 A 2 等提供強制關(guān)閥信號, B 7 為備用,B 8 、 B 9 是 RS485 的連線。

分段滑環(huán)解決簡化接線問題, 由于灌裝機有 24 個灌裝頭, 因此, 輸入信號需要 48個,利用分段滑環(huán) B 5 、 B 6 等份為 24段,結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3 所示, 分別接在 24 個控制器的 IN 1 和 IN 2上,進行灌裝開閥和強制關(guān)閥。

值得注意的是, 滑環(huán)導體之間的間隔距離必須大于碳刷寬度, 否則, 無法將信號分開。通過表 1 和表 2 的接線, 巧妙的解決和簡化了控制器的接線問題。

2.2 控制器的要求

稱重控制器必須具有很強的抗干擾、抗震動能力, 提供一種常用的通訊協(xié)議。自動零位跟蹤、上電自動清零、取皮。對控制器的所有參數(shù)、配方參數(shù)和配方選擇, 快 / 慢加料及快加料百分比設(shè)定等能通過上位機調(diào)整。輸入 IN 1 定義為灌裝開閥開始脈沖信號( PNP ), 該信號的輸入, 自動取皮稱量,開始快加料( Out 1 =1 、 Out 2 =0 ) , 達到設(shè)定百分比后慢加料( Out 2 =1 、 Out 1 =0 ), 達到定量后, 關(guān)閥( Out 2 =0 、 Out 1 =0 ), 如果在未達到設(shè)定量, IN 2 有信號, 關(guān)閥( Out 2 =0 、Out 1 =0 ) 并報警, 上傳到 PLC 。在人機界面上設(shè)定,通過 PLC 控制, 從 RS485 總線發(fā)送信號,對任何灌裝閥進行開閥和關(guān)閥, 手動定量灌裝功能, 對任意一個灌裝閥進行稱重灌裝。

2.3 稱重的控制

機器運行周期, 前面講過, 灌裝機每旋轉(zhuǎn)一周, 編碼器計數(shù) 600 個,每個工位 25 個數(shù),即為一個機器運行工位周期。

根據(jù) PLC 的編程指令, 高速計數(shù)器的值等于 24 個數(shù)據(jù)范圍, 對中間寄存器輸值, 這個中間計存器便產(chǎn)生周期性變化。如: 10+K× 25≤C 0 ≤15+K× 25 ( K=0 , 23 ) 成立, 令 M 0 =1 , M 0 在程序運行中, 隨著 C 0 的變化周期性的規(guī)律變化。

灌裝的控制, 檢測到一個瓶子進來,根據(jù)機器周期移位 n位,n 為檢測瓶子到灌裝初位的工位數(shù)。根據(jù)第 n 位的狀態(tài), 通過 PLC 的 DO 1進行輸出, 控制無瓶不開閥。只要機器運行, 通過 DO 2 輸出強制關(guān)灌裝閥。

2.4 稱重控制器的調(diào)試方法

控制器的參數(shù)設(shè)置, 對于每一個控制器, 均要進行參數(shù)設(shè)置, 包括控制器地址、常用稱重量程、快開閥比例值等參數(shù)的設(shè)置, 通信功能的調(diào)試。建立稱重測試實驗臺, 利用灌裝閥、稱重托瓶機構(gòu)建立稱重測試實驗臺, 對每一個控制器進行測試, 調(diào)試到滿意的效果后上機調(diào)試, 降低上機調(diào)試難度, 提高整機調(diào)試速度。

上機靜態(tài)調(diào)試, 通過通訊總線,在機器停止情況下, 對每一個灌裝閥進行定量灌裝調(diào)試,調(diào)試出快開閥、量程參數(shù), 記錄數(shù)據(jù)。上機動態(tài)調(diào)試, 動態(tài)上機調(diào)試是稱重調(diào)試的最后一步,必須在前三步調(diào)試完成后進行。

2.5 灌裝罐內(nèi)殘留物料的回收

灌裝結(jié)束后, 灌裝罐內(nèi)有剩余的殘留物料,清洗之前進行回收, 減少浪費和環(huán)境的污染。在灌裝稱重畫面, 設(shè)置物料回收按鈕,選擇該按鈕后, 回收槽汽缸動作,灌裝入口不再進瓶,液位控制關(guān)閉, 進料閥關(guān)閉。 PLC 根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的運行位置, 判斷灌裝閥的開閉狀態(tài),通過總線傳送給控制器進行開和關(guān)灌裝閥。

3  PLC 進行稱重定量的控制方案

如圖 4 所示, PLC 為控制核心, 稱重傳感器通過放大器將信號轉(zhuǎn)換成 4- 20mA 的標準信號,經(jīng)過 PLC 處理, 控制灌裝閥的快灌裝和慢灌裝, 達到稱重控制灌裝。本方案的主要缺點是 PLC 處理的數(shù)據(jù)量比較大, 要求 PLC 運行速度、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊精度采樣周期高,對于一臺設(shè)備,需要雙 PLC 控制, 軟件編程工作量大, 優(yōu)點是接線簡單。

碳刷滑環(huán)的設(shè)計要求及接線方法相對控制器方案比較簡單, 如表 3 所示, 碳刷滑環(huán)的碳刷引線共 6根,其中 B 1 、 B 2 為 PLC 等的 DC24V供電電源, B 3 為無瓶檢測信號, B 4 為備用,B 5 、B 6 是 PLC 與人機界面的 RS485 通訊連線。

4 灌裝機液位控制(灌裝過程)

4.1 灌裝機液位控制原理

在灌裝過程中, 料缸液位的穩(wěn)定,可以提高灌裝稱重定量的精度。液位探測器采用電容式直桿連續(xù)檢測和限位探頭。含有抗冷凝屏蔽管,對物料粘結(jié)補償能力, 使探頭在粘結(jié)嚴重場合下亦能維持穩(wěn)定, 精確的開關(guān)點, 無需對其進行清洗或重復標定等優(yōu)點。

控制器采用模擬量輸入輸出模塊, 其原理如圖 5 所示, 物料進料控制采用氣動薄膜閥,通過氣電轉(zhuǎn)換器 A2 控制物料的進量。

4.2 液位控制要求

在人機界面上建立液位探測器的參數(shù)設(shè)置畫面, 設(shè)置液位探測器上下限位值,設(shè)置值、測量值。模擬量輸入輸出模塊的參數(shù)表, PID 調(diào)節(jié)設(shè)置參數(shù), 電流輸出顯示,采樣次數(shù), 輸出頻率等的設(shè)置, 根據(jù)該模塊的技術(shù)數(shù)據(jù)的要求進行編程。

5 結(jié)束語

稱重式定量灌裝是一個發(fā)展方向和趨勢,稱重控制是一個完整復雜的控制系統(tǒng), 對于各種回轉(zhuǎn)式灌裝機的稱重控制有不同的要求, 不是一篇兩篇文章能夠解決的, 在具體的實現(xiàn)中,需要解決很多實際出現(xiàn)的問題, 本文只是對控制原理進行了論述, 僅供參考。

參考文獻:

[ 1 ] 張有良 . 全自動高速紙箱包裝機的設(shè)計及電氣控制[ J ] . 包裝與食品機械, 2007 , ( 6 ) .

[ 2 ] 張有良 . 碼垛機械手的設(shè)計及電氣控制[ J ] . 包裝與食品機械, 2007 , ( 5 ) .

 

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