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1  全自動稱重式灌裝機的基本組成及原理

設(shè)備主要由以下 6部分組成: 開始進桶灌裝時, 由馬達驅(qū)動的一條平板輸送帶 A 和由伺服馬達驅(qū)動的一對進桶螺旋 B, 將桶分開并且同步地將桶送入進桶星輪; 進桶星輪由封蓋部分通過鏈條驅(qū)動它將空桶送到灌裝機 F 的秤盤, 檢測到位開始灌裝; 灌裝完畢進入封蓋區(qū)域 C 和 D, 分別進行放內(nèi)蓋、 封內(nèi)蓋和壓外蓋; 最后通過封蓋檢測合格的進入下一環(huán)節(jié) E, 否則進入剔桶區(qū)域 E.

2  自控系統(tǒng)

包裝線采用SIMATIC S7- 300 PLC, PLC 編程組態(tài)工具 STEP7采用 SIMATIC 軟件的集成, 為實現(xiàn) PLC 編程組態(tài)的易用性以及與上位機組態(tài)系統(tǒng)的集成統(tǒng)一性提供了強大的軟件平臺。PROFIBUS- DP 用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時間必須要比主站(PLC) 程序循環(huán)時間短。

2. 1  S7- 300 PLC的硬件的組成及配置

( 1) 電源單元對交流電源進行整流、 濾波、 和穩(wěn)壓, 轉(zhuǎn)換成供PLC 的中央處理器、 存儲器等電子電路工作所需要的直流電源。

( 2)CPU 單元內(nèi)部包括微處理器及其控制邏輯、 系統(tǒng)程序存儲器、 用戶數(shù)據(jù)存儲器。CPU 的運算速度快, 指令豐富且具有多種尋址方式。

2. 2  程序編程軟件 STEP7 V5. 3

STEP7 V5. 3 是用于對 SIMATIC 進行設(shè)計、 組態(tài)、 編程和故障排除的軟件。用戶可以在 STEP7 中編寫程序和對硬件進行組態(tài), 并將用戶程序和硬件組態(tài)信息下載到 CPU, 或者從 CPU上傳到 PC機。當(dāng)程序下載、 調(diào)試完成后, PLC 系統(tǒng)就可以執(zhí)行各種自動任務(wù)了。

控制系統(tǒng)的性能已經(jīng)不僅取決于 PLC 的 CPU, 還受 PLC 所處的擴展環(huán)境( 即網(wǎng)絡(luò)環(huán)境) 的影響。OCME 公司的 R5 全自動稱重式灌裝機的控制系統(tǒng)的包裝線建立的 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用于單元級和現(xiàn)場級 SIMATIC 的控制網(wǎng)絡(luò), 它應(yīng)用了混合介質(zhì)的傳輸技術(shù)以及令牌和主從的邏輯拓撲, 可以同時在雙絞線或光纖上傳輸。

2. 3  S7- 300的通訊和組態(tài)

首先, 在 STEP7 中組態(tài) 2 個 S7- 300 站, 其中集成 DP 口選擇為主站模式, CP342- 5 選擇為從站模式。然后在 PROFIBUS- DP 的硬件列表下, 從【Configured Stations】/【S7- 300CP342-5DP 】中選擇從站硬件組態(tài)中所選用的 CP342- 5 的型號, 拖拽到 DP 主站總線上, 單擊【Connect】按鈕, 將該從站連接在主站建立的 PROFIBUS 網(wǎng)上。選擇從站, 在從站的 硬件插槽上 ( 如Slotl), 插入相應(yīng)的輸入輸出模塊, 也可以插入通用的【Universal module】模塊, 自己定義輸入輸出字節(jié)。系統(tǒng)定義了 10 字節(jié)輸入、 10字節(jié)輸出的數(shù)據(jù)交換區(qū)。這樣, 硬件組態(tài)就完成了。

灌裝機的PROFIBUS- DP 網(wǎng)絡(luò)是一個由 3個主站、 7 個從站構(gòu)成的 PROFIBUS 系統(tǒng)。3 個主站之間構(gòu)成令牌邏輯環(huán)。當(dāng)某主站得到令牌報文后, 該主站可在一定時間內(nèi)執(zhí)行主站工作。在這段時間內(nèi), 它可依照主- 從通訊關(guān)系表與所有從站通信,也可依照上- 主通訊關(guān)系表與所有主站通信。是一個典型的分布式主、 從系統(tǒng)。這種存取機制, 其中主站周期性的順序同從站交換數(shù)據(jù)。

3  在線調(diào)試系統(tǒng)

在 PC機上完成的組態(tài)和用戶程序必須下載到 PLC 中, 并且經(jīng)過軟硬件的調(diào)試才能夠最終實現(xiàn)自動控制任務(wù)。

3. 1  建立在線連接

STEP7 中, 無論在項目界面、 編程界面、 數(shù)據(jù)查看界面還是主界面下, 都提供了離線和在線兩種視圖。離線視圖顯示的 PC本地存儲的項目內(nèi)容; 在線視圖顯示 CPU 中的實際內(nèi)容。當(dāng)PC通過編程電纜與 PLC 連接后, 就可以在 STEP7 中建立在線連接。在【SIMATIC Manager】中, 單擊工具欄上的 Online 按鈕, 就顯示在線視圖。接著進行用戶程序(OB、 FC、 FB 和 DB) 和硬件組態(tài)信息( SDB)等下載到 PLC 的 CPU 中。

3. 2  硬件調(diào)式與診斷

要調(diào)試一個 PLC 系統(tǒng), 查找故障, 可以直接利用硬件模塊自身的信息。S7- 300 PLC系統(tǒng)提供的診斷機制可以幫助用戶方便的發(fā)現(xiàn)故障, 并查找故障原因。

3. 2. 1  硬件狀態(tài)指示燈

首先, 硬件狀態(tài)指示燈是最直觀的界面。S7 PLC 模塊面板上都有相應(yīng)的指示燈, 用于指示模塊當(dāng)前的狀態(tài)。通過指示燈, 用戶可以立即發(fā)現(xiàn)錯誤, 并可以初步判斷錯誤的類型。因此, 當(dāng)程序下載后, 首先要做的就是從指示燈判斷模塊狀態(tài)。

(1) 電源模塊。DC 24 V: 顯示 24 V 直流電流供電狀態(tài)。

(2)CPU 模塊。SF: 程序錯誤時點亮或帶有診斷功能的模塊錯誤時點亮; BATF: 電池錯誤時點亮; ERCE: 有變量被強制時點亮;RUN: CPU 處于運行狀態(tài); STOP: 處于停機狀態(tài); BF: 現(xiàn)場總線故障時燈亮。

(3) 數(shù)字量 I/O 模塊。在每個 I/O 點旁邊有一個指示燈, 指示該位 I/O 的值, I/ O 值為 1時燈亮。

3. 2. 2  診斷緩沖區(qū)

診斷是 S7 PLC 內(nèi)部集成的識別和記錄功能。在 CPU 中,有一個診斷緩沖區(qū)用于記錄事件或者錯誤的信息。當(dāng)出錯時系統(tǒng)會將該事件以及其發(fā)生的時間都記錄到診斷緩沖區(qū)中, 如果診斷緩沖區(qū)已滿, 最舊的信息會被覆蓋。發(fā)生錯誤時, 除了在診斷緩沖區(qū)中記錄, 還可能調(diào)用相應(yīng)的錯誤處理 OB. 利用診斷功能, 用戶可以發(fā)現(xiàn) CPU 或其他模塊的錯誤或者用戶程序的錯誤。

3. 3  測試程序

程序中的邏輯錯誤往往需要通過對程序的跟蹤調(diào)試查找。STEP7提供了對程序狀態(tài)檢測和跟蹤調(diào)試的功能。

3．3．1  監(jiān)視程序狀態(tài)

在LAD 程序中, 監(jiān)視界面會顯示信號流的狀態(tài)和變量值。處于有效狀態(tài)的元件顯示為綠色實線, 處于無效狀態(tài)的元件顯示為藍色虛線。在變量位置會顯示該變量的當(dāng)前值。

3．3．2  斷點調(diào)試

借助斷點, 可以單步測試 STL 程序。是否支持斷點, 以及支持斷點的數(shù)目都與具體 CPU 型號有關(guān)。使用斷點調(diào)試功能,必須先通過菜單【Debug】/【Operation】將 CPU 操作模式選擇為測試模式(Test Operation), 出現(xiàn)斷點調(diào)試畫面。通過菜單【View】/【PLC Register】可以顯示 PLC 內(nèi)部寄存器的值。因此與程序狀態(tài)檢測相比可以更精確地觀察程序的執(zhí)行情況。

3. 4  系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

通過上面一系列的系統(tǒng)調(diào)試, 基本上定位了軟硬件的控制部分, 現(xiàn)在還需進行整機調(diào)試。這一步比較關(guān)鍵, 它關(guān)系到整個灌裝機系統(tǒng)性能的體現(xiàn), 最主要的則是影響整條線的灌裝速度和品質(zhì)。 它的工作過程就是按照這條路線如此循環(huán)工作下去的

4 典型故障分析

4. 1  PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤動、 死機等現(xiàn)象

在調(diào)試過程中, 出現(xiàn)了 PLC 控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作、 死機等現(xiàn)象, 每次出現(xiàn)都會耽誤時間, 影響生產(chǎn), 于是就得重新安裝驅(qū)動程序。經(jīng)過外國專家對 PLC 程序的論證和仿真, 確認程序沒有問題, 主要原因有以下 2 點:

(1)操作人員在調(diào)用品種配方文件后沒有及時清除以前的文件, 致使死機, 因為此系統(tǒng)本身開發(fā)就有缺陷, 而且它還在追憶記錄。這時只能重新啟動, 調(diào)用新的配方文件, 該文件里的一系列參數(shù)必須重新設(shè)定, 包括 20 個灌裝嘴的設(shè)置、 控制閥等。

( 2)來自信號線引入的干擾與 PLC 控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線, 除了傳輸有效的各類信息之外, 總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有 2 種途徑: 一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾, 這往往被忽視; 二是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾, 即信號線上的外部感應(yīng)干擾, 這是很嚴重的。由信號引入干擾會引起 I/O 信號工作異常和測量精度大大降低, 嚴重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統(tǒng), 還將導(dǎo)致信號間互相干擾, 引起共地系統(tǒng)總線回流, 造成邏輯數(shù)據(jù)變化、 誤動作和死機。PLC 控制系統(tǒng)因信號引入干擾造成 I/O 模件損壞數(shù)相當(dāng)嚴重, 由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。返工后, 發(fā)現(xiàn)電源線和信號線有的很混亂, 重敷電纜。

若 PLC 系統(tǒng)置于射頻場內(nèi), 就會收到輻射干擾, 其影響主要通過 2 條路徑: 一是直接對 PLC 內(nèi)部的輻射, 由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾; 二是對 PLC 通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射, 由通信線路的感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場大小, 特別是頻率有關(guān), 一般通過設(shè)置屏蔽電纜和 PLC 局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。

4. 2  進桶螺旋與主旋轉(zhuǎn)盤不同步

這是整條線運行的良好的關(guān)鍵, 進桶螺旋與主機旋轉(zhuǎn)不同步, 致使產(chǎn)生 3種可能的結(jié)果: 一是桶已經(jīng)到位, 可是灌裝嘴部位還沒到位; 二是根本就不能進一個完整的塑料桶, 可能夾扁桶子, 造成材料的浪費; 三是桶進入的速度與灌裝速度不同步,即灌裝速度與進桶螺旋不匹配。

產(chǎn)生此問題的原因主要有 2點:

(1)變頻器的各項參數(shù)不是最優(yōu)的, 致使主機各齒輪之間的傳動速度不同步。

( 2)主機灌裝區(qū)域靠編碼器( encode)準確定位, 編碼器與變頻器也是通訊的, 通過信號反饋、 PID 調(diào)節(jié), 這樣整個同步和定位是比較準確的。但原來是伺服馬達的部分參數(shù)丟失, 使其追憶到原來的出廠參數(shù)。需要在“Monitor”菜單的“ wormscrew for –mat”子菜單畫面將進桶螺旋復(fù)位, 根據(jù)信息重新置參, 這時會發(fā)現(xiàn)在硬件診斷菜單里編碼器的通訊狀態(tài)也恢復(fù)良好, 再進行變頻器參數(shù)優(yōu)化, 重新啟動發(fā)現(xiàn)一切正常。但是, 操作工停機需停在非灌裝區(qū), 若在灌裝區(qū), 開機灌裝前需進行手動進桶螺旋找零位。

5  結(jié)束語

該灌裝包裝線經(jīng)過安裝、 調(diào)試, 經(jīng)過幾個月的運行, 沒有發(fā)現(xiàn)任何故障, 運行良好, 基本上達到了預(yù)期的目的。尤其是停止旋轉(zhuǎn)一稱盤校零這一環(huán)節(jié), 自動校稱特別方便。
劉  輝, 哈新智, 張風(fēng)平, 趙彥偉
 

 

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