【正文】 動下定行程上下直線運動，正常情況下不會在運動行程之外， 5~28 號傳感器主要是起保護作用；同時，復位時，伺服電機帶動陶瓷泵運動到下極限位置，保證灌裝開始之前所有陶瓷泵都在其底部，所以 17~28 號傳感器也是伺服電機的復位傳感器。 此外，進瓶組件末端設置有擋瓶機構，它的主要作用是使空瓶保持一定間距進入過渡盤 I。 控制時，通過 QD70P8 模塊對步進電機的運動方向及運動速度進行設置，使電機按預定曲線進行運動。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 30 通過脈沖信號輸入控制步進電機的轉速，驅動器側板第 5位 開關可選擇單脈沖模式或雙脈沖模式。也就是說，伺服泵控制完成一個灌裝頭的灌裝后，要轉 動一定角度來控制另一灌裝頭。輸入一個脈沖時， 步 進電機轉過的固定免度即為常說的 步 距角或 步 距。從圖中可以看出， QD70 定位模塊充當 PLC CPU 與驅動裝置的中間元件，將 PLC CPU 的 命令以脈沖的形式輸出給驅動器，脈沖串輸出的方向決定電機的旋轉方向，頻率決定電機的旋轉速度。 QD70 模塊可以存儲設置 的參數(shù) 和數(shù)據(jù)，也可以通過機械系統(tǒng)輸入（按鈕開關等）把近點信號和速度 位置切換信號輸入到 QD70 模塊中，并將來自 PLC CPU 的指令以輸出脈沖的形式輸出到驅動裝置（伺服放大器、 步 進驅動器），由驅動裝置來驅動電動機最終完成工作命令。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 26 圖 33 伺服電機連接圖 12套伺服電機串連連接，安裝在灌裝組件上，用來控制 12 個陶瓷泵。位置控制時需要的上位控制器較為簡單，但響應速度相應較慢；速度控制和扭矩控制時，伺服響應速度快，可以實現(xiàn)精確控制，可需要的上位控制器較為復雜。表 33 和表 34 分別為XG24128 型灌裝機輸入點和輸出點的定義表。在安裝模式上， Q系列 PLC 可以采用主基板一擴展基板的形式，不僅可以通江蘇大學本科畢業(yè)設計 20 過增加擴展模塊增加模塊的安裝數(shù)和可用的 I/O 點數(shù)，還可以增大存儲容量。 觸摸屏 工業(yè)控制中，為了方便用戶操作及觀察，經(jīng)常需要用到人機界面。（ 2)功能多： DC 輸入模塊的輸入響應時間可以在設定軟件中進行設定，高速輸入模塊最快響應時間可以達到 ； DC晶體管輸出模塊具有短路保護功能，避免因短路等原因對 I/O 模塊造成損傷。選用的 Q33B 型主基板可安裝 3個模塊， 1 級擴展基板 Q68B 可安裝 8個模塊， 2級擴展基板 Q65B 可安裝 5個模塊。 PLC 同一般計算機一樣，使用之前需要先下載系統(tǒng)程序。 為了便于用戶操作，且能隨時觀察到系統(tǒng)的運轉狀態(tài)，系統(tǒng)采用 HMI (人機界面， Human Machine Interface)控制灌裝機的機械動作⑿，控制系統(tǒng)框圖如圖 25所示。此工藝流程也是旋轉型灌裝機的典型 工藝流程。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 13 (1)輸入元件 輸入元件的主要作用是將操作者的命令或由傳感器、編碼器等檢測到的其他外部信息輸入到 控制中心。 過渡盤Ⅲ 瓶子由 灌裝組件進入旋蓋組件的過渡盤。清洗過的瓶子沿曲線導軌再旋轉180 度瓶口向上，清洗后的瓶子經(jīng)由過渡盤 II進入灌裝組件準備灌裝。不合格品數(shù)量《 %，包材利用率》 %； (4) 保證灌裝時無滴漏、無泡沫產(chǎn)生； (5) 保證無瓶不灌裝，無瓶不加蓋； (6) 可以實現(xiàn)完整的 CIP 清洗（不拆卸設備、零部件、管道的情況下，通過使用清洗溶液對設備進行清洗后能達到食品生產(chǎn)的衛(wèi)生級要求）； (7) 單個封蓋頭的工作效率達到 20202200 瓶 /小時以上； (8) 灌裝機設計符合國標 GB167891997 食品機械安全衛(wèi)生要求。 PLC 配備有模擬量輸入模塊和模數(shù)及數(shù)模轉換模塊，可以實現(xiàn)數(shù)字量和模擬量之間的相 互轉換。 PLC 的應用范圍 由于 PLC 適應性廣，使用穩(wěn)定性好，防干擾能力強等優(yōu)點，己被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域，特別是大中型企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大化和自動化，使得近年來對 PLC 的需求量越來越大 [10] 。設計時設計者可根據(jù)控制系統(tǒng)的特點及需求選用其 PLC模塊組成控制系統(tǒng)，然后進行輸入和輸出點的定義及接線即完成了所需系 統(tǒng)的硬件設計。 2) 在控制速度上， PLC 控制是由程序控制大量的內部軟元件實現(xiàn)的，并不實際動作，所以 PLC 控制中，只有程序的執(zhí)行時間，各軟元件的動作并無延時，相對來說響應速度快，機械故障少。半自動化灌裝機：在液體灌裝中，上瓶、卸瓶均以手工操作，但灌裝過程為自動。 壓力灌裝機：灌裝介質黏度 高 難灌裝時，采用壓力灌裝機，借助于外力作用使其充填到灌裝容器中的設備，主要用于高黏度灌裝介質的灌裝。由于灌裝產(chǎn) 品的物理化學性質，特別是黏度、含氣量不同，灌裝要求也有所不同，常用的液體灌裝方法有：常壓灌裝法、等壓灌裝法、真空灌裝法、壓力灌裝法、虹吸灌裝法。國內灌裝機大多采用計量泵模式，這種灌裝模式最大的缺點是不能實現(xiàn)對各個灌裝泵的 單獨控制。 第四，灌裝機的技術含量提升。而且在高速灌裝下能夠保證高的灌裝精度和灌裝穩(wěn)定性，且自動生產(chǎn)可以實現(xiàn)無瓶不灌裝 和無瓶不加蓋的功能。 食品機械是專為食品工業(yè)服務的，包裝機械大約有 70%是為食品包裝服務的，特別是近年來飲料工業(yè)發(fā)展迅速，使得液體灌裝設備的需求大量增長。日本與美國 相比，起步相對較晚，但 60 年代至 90 年代，日本包裝業(yè)大量引進先進技術，并在此基礎上消化吸收，成果顯著，使其包裝工業(yè)的制造水平持續(xù) 快速發(fā)展。 最后，在硬件配置的基礎上，對 XG24128 型灌裝機進行控制系統(tǒng)的軟件設計。在高速灌裝下能夠實現(xiàn)高的灌裝 精度和運行穩(wěn)定性，自動生產(chǎn)可以實現(xiàn)無瓶不灌裝和無瓶不加蓋。 本論文對集清洗、灌裝、加蓋三合一體的旋轉型灌裝機一 XG24128 進行控制系統(tǒng)研究，使其對 500ml PET 瓶灌裝速度可達 18000BPH 以上，單個封蓋頭的工作效率可達20202200 瓶 /小時，灌裝容量誤差不大于 3%。分析連續(xù)灌裝時灌裝頭位置的確定，對灌裝速度進行初 步 分配，并對其換向機構進行研究。其包裝設備與其他產(chǎn)品一樣，以高、精、尖著稱，而且由于計算機信息技術比其他國領先，且計算機在工業(yè)中的使用和普及比其他國家都早，所以計算機技術被廣泛應用于包裝機械中，較早地形成了機電一體化控制模式 [2]。此時為了提 高我國包裝工業(yè)的技術水平，大量進口國外的先進技術和生產(chǎn)線，消化吸收并進行改良，發(fā)展自己的包裝工業(yè) [3][4]。本課題研究目的和意義是對集清洗、灌裝、加蓋三合一體的旋轉型灌裝機 XG24128進行控制系統(tǒng)研究，使其對 500 ml PET 瓶灌裝速度可達 18000BPH 以上，單個旋蓋頭的工作效率可達 20202200 瓶 /小時。同一臺灌裝機可以對不同灌裝介質進行灌裝，可對不同類型、不同大小的灌裝容器進行灌裝；當灌裝環(huán)境改變時，重要零部件的更換和維修方便簡江蘇大學本科畢業(yè)設計 3 單，零件的通用性增強。國內一些企業(yè)和高校對灌裝機的研究主要集中在其控制系統(tǒng)和灌裝精度方面，例如對一藥品灌裝機采用全伺服 PLC 控制系統(tǒng)，且設計有灌裝跟蹤系統(tǒng)及隨機稱量系統(tǒng)，使得灌裝自動化程度高，灌裝質量好，且實現(xiàn)灌裝精度的隨時檢測。根據(jù)灌裝介質中是否含氣體或是否會生成氣體可將灌裝介質分為：硬飲料（含酒精成分的含氣飲料）、軟飲料（不含酒精成分的含氣飲料）、不含氣體液體（如白酒和醋等）。主 要 用于含氣體的灌裝介質的灌裝設備，可減少氣體的損失。但目前較少使用。 近年來， PLC以其獨有的特點迅速發(fā)展起來，越來越多地應用于工業(yè)生產(chǎn)中，與繼電器模式相比， PLC 具有以下優(yōu)點： 1)在應用方面， PLC 采用了微處理機技術和通信技術，可廣泛應用于順序控制、運動控制、通信、 數(shù)據(jù)管理等領域，并具有極強的柔性；而繼電器的應用范圍有限，對小型問題的解決往往連線復雜，使得控制柜龐大，可靠性降低，不具有柔性。除此之外， PLC 相對于其他的工業(yè)控制系統(tǒng)還具有更多的優(yōu)點 [8][10]: 1) 易操作且共用性好 PLC 技術經(jīng)過多年的研究和發(fā)展已日趨成熟，其產(chǎn)品也從原來的整機式向模塊式發(fā)展，并且產(chǎn)品品種多，種類齊全。 6) 封裝性好、能耗不高 體積小，封裝性好，結構更為緊湊、堅固，重量輕，功耗相對于其他控制系統(tǒng)而言大為降低，是電氣控制系統(tǒng)的首 選產(chǎn)品。 (3)閉環(huán)過程控制 閉環(huán)過程控制與邏輯控制相對，它主要是對模擬量進行控制，這些模擬量都是連續(xù)變化的，如壓力、溫度等。 課題研究的 24 頭旋轉型伺服泵高速清洗灌裝旋蓋三合一機型號為 XG24128，下述中均以 XG24128 代表此灌裝機，它的主要技術要求為： (1) 灌裝速度從 12020 瓶 /h提高到 18000 瓶 /h以上； (2) 灌裝對象為 500ml 的 PET 瓶，灌裝介質為食用油和普通飲料 ； (3) 灌裝的容量誤差《 3%?？掌繌倪^渡盤 I進入洗瓶組件后沿空間曲線導軌先旋轉180 度垂直倒置瓶口向下，清潔水由分水 盤流經(jīng)管道，經(jīng)過噴頭高速噴出沖洗瓶子內壁后沿內壁流出；同時，清洗區(qū)的外噴頭噴水清潔瓶子外壁。灌裝組件安裝有灌裝主電機，同時也是整個灌裝機的運轉電機，通過齒輪傳動系統(tǒng)帶動其他組件旋轉，使瓶子從進瓶組件完成整個灌裝流程由出瓶組件出瓶。圖 23為常用的電氣控制系統(tǒng)的組成圖?？掌吭陲L力作用下進入風道進瓶組件后，經(jīng)由過渡盤 I進入到洗瓶組件，在洗瓶組件完成瓶子內外壁的清潔后進入灌裝組件進行灌裝，灌裝完成后的瓶子在過渡盤 III 帶動下進入加蓋組件；與此同時，瓶蓋在供蓋機構作用下進入加蓋組件，對灌滿后的瓶子完成加蓋動作后，在出瓶機構的作用下出瓶，完成整個灌裝流程。 指示燈：顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)。 PLC 的基本組成如圖 31 所示。灌裝機的 PLC 系統(tǒng)采用的是主基板一擴展基板的形式，通過擴展電纜進行數(shù)據(jù)傳輸。灌裝機選用的 I/O 模塊為三菱 Q 系列 CPU的 I/O 模塊，它具有以下特點：（ 1)體積小，積木式 I/O 模塊 [14]。關于QD70P8 定位模塊的使用及特點在伺服電機及步進電機的控制中有詳細介紹。 Q系列 PLC 的基本模塊除了常用的電源模塊、 CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊之外，還有常用于運動控制的定位模塊、用于數(shù)據(jù)類型轉換的模擬量輸入模塊等，根據(jù)特殊需要還有溫度調節(jié)模塊、高速計數(shù)器模塊等可供選擇。準確定義輸入 /輸出點對整個控制系統(tǒng)的設計至關重要。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 25 系統(tǒng)選用的是北京 EMOTION 公司的 SEMA 系列及 SEDA 系列伺服電機和伺服放大器，其常用的控制方式有：位置控制 P (用脈沖指令來控制伺服，編碼器反饋脈沖與脈沖發(fā)生模塊發(fā)出的脈沖的比為基準來控制伺服電機的地址或位移量）、速度控制 S (將脈沖信號轉換為相應的模擬 DC指令或數(shù)字指令，并以此來控制電動機）、扭 矩控制 T (通過扭矩指令，即模擬電壓來控制伺服電機）。伺服放大器串連時，伺服單元的三相 電 源和控制用的二相電源在接入接線端子之前要連接接觸器，如圖 33所示的 1KM 和 2KM，在設計報警電路時要將這兩個接觸串連其中，對伺服電路起保護作用 。并且 CPU 上需要連接安裝有 GX Developer/GX ConfiguratorPT 軟件的外圍設備，通過 GX Developer 把控制順序和條件創(chuàng)建為順控程序，也可對順控程序進行仿在 GX ConfiguratorPT 中進行參數(shù)和數(shù)據(jù)的初始化設置 。 圖 35為使用 QD70 定位模塊吋系統(tǒng)的運行方式圖。 步進電機控制設計 步 進電機的選型 步 進電機也是 電 氣控制系統(tǒng)中 常用的機電執(zhí)行元件，它是將 Hi 脈 沖轉換成角位移或直線位移，帶動其他元件作精確度轉動或定位移 移動 [19]。 前面已經(jīng)介紹過，灌裝組件共有 24個灌裝頭， 12 套伺服泵，每套伺服泵控制安裝在180 度方向的兩個灌裝頭。 步進電機的連接及控制 換向所用步進電機由定位模塊 QD70P8 控制， 步 進電機組與 QD70P8 模塊連 接圖如圖 36 所示。脫機端懸空時，通電后電機停止運動時， 步 進電機 軸處于制動停止狀態(tài)；輸入脫機信號時，通電后電機停止后，電機軸處于自由狀態(tài)，可手動轉動。直至下一有瓶信號傳來時， 若有瓶，則止蓋電磁體的彈片吸合，供蓋；若無瓶，彈片繼續(xù)彈出，止蓋 [22]。 4 號為灌滿檢測傳感器，灌裝頭旋轉到此位置時即停止灌裝，這也是灌滿的標志位。 ： 灌裝流 程 圖 41所示為復位之后灌裝部分的流程圖，圖所示位置為 24號灌裝頭在 1號工位時的情形。 本章前三節(jié)確定了 XG24128 型灌裝機控制系統(tǒng)的 PLC 控制中心、伺服電機和 步 進電機及電磁體等執(zhí)行元件的選用、傳感器的布置等，控制系統(tǒng)的硬件連接圖如圖 312， 313, 314 所示，分別為主基板和擴展基板 擴展基板 2 的硬件連接圖，主基板與擴展基板 擴展基板 2之間的連接方式如圖 32所示。 Y37 的輸出狀態(tài)及時間 T 由程序設定。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 31 電機與輸出模塊的連接圖如圖 37所示，按下啟動按鈕后，線圈 KM3~KM13 得電，連接在相應電機前的 常 開 觸點閉合，電機啟動。 輸入脫機信號時，驅動器將切斷電機各相繞組電流使電機軸處于自由狀態(tài)，此時 步 進脈沖將不能被響應。因為系統(tǒng)長期運行，累積誤差的存在會影響伺服泵與兩個灌裝頭之