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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)鍵問題。現(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)人員人工對孔， 因此工人的勞動(dòng)強(qiáng)度比較大;二是對孔時(shí)間長， 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)場所的清潔， 又造成液體的浪費(fèi)， 以及腐蝕、 有毒性液體對工人的危害。一小部分設(shè)備的定位灌裝桶桶口系統(tǒng)部分， 通過選購國外如美國某公司、 日本某公司等的機(jī)器視覺系統(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)器視覺系統(tǒng)價(jià)格比較昂貴， 增加了設(shè)備成本。

為了解決上述問題， 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)約了灌裝過程的時(shí)間， 實(shí)現(xiàn)灌裝過程的全自動(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)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)。

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)， 接近開關(guān)感應(yīng)到灌裝桶， 將感應(yīng)信號傳送至 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)， 將信號傳送至 PLC， PLC根據(jù)光電傳感器的信號， 將停止同步電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)檢測到桶口后， 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)到原來的位置。當(dāng)桶蓋被吸取后， 開始進(jìn)行定量灌裝過程， PLC 控制無桿氣缸帶動(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某公司的 F701。通過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)志信號至 PLC， PLC 根據(jù)此信號結(jié)束定量灌裝過程。PLC 控制無桿氣缸帶動(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、 檢測空桶到達(dá)灌裝位置、 桶口位置檢測、 液體定量灌裝以及滿桶輸送整個(gè)過程的自動(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)備工作過程中的故障， 當(dāng)系統(tǒng)某一部分出現(xiàn)故障(如檢測桶口時(shí)出現(xiàn)檢測失敗的情況， 灌裝槍頭就不能順利通過桶口進(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)對這些故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測， 記憶鎖存， 并通過觸摸屏快速顯示報(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、 報(bào)警記錄、 故障原因、維修指南等都通過觸摸屏保存。

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， 硬件配置由日本某公司的 PLC- FX3U、 觸摸屏 GT1275， 日本某公司的稱重控制器 F701、 無桿氣缸、 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)的硬件組成見圖 2。

控制系統(tǒng)的核心部件 PLC 采用某公司的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 存儲器、 內(nèi)置業(yè)界最高水平的高速處理 0． 065 μs/基本指令、 基本單元左側(cè)均可以連接功能強(qiáng)大簡便易用的適配器。編程軟件為某公司的 GX Developer。稱重系統(tǒng)核心部件選用的為 F701， 通過 DDK57 －30240 與 PLC 相連接， 通過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，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定量灌裝。觸摸屏系統(tǒng)采用的是某公司的 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)器視覺檢測軟件就能夠?qū)崿F(xiàn)灌裝桶桶口的定位、 灌裝過程的全自動(dòng)化， 很好地控制了設(shè)備的成本， 提高了競爭力。

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， 對操作人員解決系統(tǒng)故障提供了很大的幫助。人機(jī)界面的組成見圖 3。

自動(dòng)控制模塊能夠使灌裝設(shè)備整個(gè)過程實(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)對設(shè)備的整個(gè)運(yùn)行過程進(jìn)行控制， 適合在對設(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)行過程中整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)， 便于操作人員對設(shè)備運(yùn)行過程的監(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;操作手冊模塊存儲了操作說明、 維修手冊、 可能故障原因以及處理方法， 便于操作人員日常對設(shè)備的操作和維修。

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)定位的問題， 因此只對全自動(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。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)對孔的時(shí)間很短， 而且對孔的精度很高， 同時(shí)該控制系統(tǒng)軟件具有故障檢測、 安全自鎖、自動(dòng)化程度高、 安全性能強(qiáng)等特點(diǎn)。各軟元件見表1，自動(dòng)尋找桶口程序的梯形圖見圖 4。


自動(dòng)尋找桶口控制系統(tǒng)的程序運(yùn)行過程如下。

(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)， 接近開關(guān)觸發(fā)， 表示檢測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始啟動(dòng)同步電機(jī)， 會(huì)出現(xiàn)由于支座上升后沒有停穩(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)的過程中灌裝桶桶口突起的邊緣， 剛好在光電傳感器的檢測范圍內(nèi)時(shí)， 光電傳感器被觸發(fā)， X2 接通。檢測到灌裝桶口， 同時(shí)將停止同步電機(jī)運(yùn)行， 使灌裝槍開始下降， 即復(fù)位 Y2， 復(fù)位Y5， 置位 Y6。

(5)當(dāng)灌裝槍在下降的過程中， 灌裝槍沒有順利進(jìn)入桶口中而是頂在桶上， 此時(shí)壓力開關(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)， 接近開關(guān) 3 被觸發(fā)， 即 X15 接通， 停止灌裝槍下降的同時(shí)開始啟動(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)灌裝過程， 灌裝過程時(shí)間大大減少。相對于采用進(jìn)口機(jī)器視覺系統(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)已通過實(shí)驗(yàn)， 仿真調(diào)試成功。設(shè)備現(xiàn)場運(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)帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

 

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