【正文】 帶動(dòng)下定行程上下直線運(yùn)動(dòng)，正常情況下不會(huì)在運(yùn)動(dòng)行程之外， 5~28 號(hào)傳感器主要是起保護(hù)作用；同時(shí)，復(fù)位時(shí)，伺服電機(jī)帶 動(dòng)陶瓷泵運(yùn)動(dòng)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(hào)傳感器也是伺服電機(jī)的復(fù)位傳感器。 此外，進(jìn)瓶組件末端設(shè)置有擋瓶機(jī)構(gòu)，它的主要作用是使空瓶保持一定間距進(jìn)入過渡盤 I。 控制時(shí)，通過 QD70P8 模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行設(shè)置，使電機(jī)按預(yù)定曲線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 通過脈沖信號(hào)輸入控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)器側(cè)板第 5位開關(guān)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(gè)灌裝頭的灌裝后，要轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度來控制另一灌裝頭。輸入一個(gè)脈沖時(shí)， 步 進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)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(dāng) PLC CPU 與驅(qū)動(dòng)裝置的中間元件，將 PLC CPU 的命令以脈沖的形式輸出給驅(qū)動(dòng)器，脈沖串輸出的方向決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，頻率決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。 QD70 模塊可以存儲(chǔ)設(shè)置 的參數(shù) 和數(shù)據(jù)，也可以通過機(jī)械系統(tǒng)輸入（按鈕開關(guān)等）把近點(diǎn)信號(hào)和速度 位置切換信號(hào)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(qū)動(dòng)裝置（伺服放大器、 步 進(jìn)驅(qū)動(dòng)器），由驅(qū)動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)最終完成工作命令。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 圖 33伺服電機(jī)連接圖 12 套伺服電機(jī)串連連接，安裝在灌裝組件上，用來控制 12 個(gè)陶瓷泵。位置控制時(shí)需要的上位控制器較為簡(jiǎn)單，但響應(yīng)速度相應(yīng)較慢；速度控制和扭矩控制時(shí)，伺服響應(yīng)速度快，可以實(shí)現(xiàn)精確控制，可需要的上位控制器較為復(fù)雜。表 33 和表 34 分別為XG24128 型灌裝機(jī)輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)的定義表。在安裝模式上， Q 系列 PLC 可以采用主基板一擴(kuò)展基板的形式，不僅可以通江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 過增加擴(kuò)展模塊增加模塊的安裝數(shù)和可用的 I/O點(diǎn)數(shù)，還可以增大存儲(chǔ)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(jī)界面。（ 2)功能多： DC 輸入模塊的輸入響應(yīng)時(shí)間可以在設(shè)定軟件中進(jìn)行設(shè)定，高速輸入模塊最快響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到 ； DC 晶體管輸出模塊具有短路保護(hù)功能，避免因短路等原因?qū)?I/O 模塊造成損傷。選用的 Q33B 型主基板可安裝 3 個(gè)模塊， 1級(jí)擴(kuò)展基板 Q68B 可安裝 8 個(gè)模塊， 2級(jí)擴(kuò)展基板 Q65B 可安裝 5 個(gè)模塊。 PLC 同一般計(jì)算機(jī)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(shí)觀察到系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，系統(tǒng)采用 HMI (人機(jī)界面， Human Machine Interface)控制灌裝機(jī)的機(jī)械動(dòng)作⑿，控制系統(tǒng)框圖如圖 25所示。此工藝流程也是旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)的典型 工藝流程。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(cè)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(jìn)入旋蓋組件的過渡盤。清洗過的瓶子沿曲線導(dǎo)軌再旋轉(zhuǎn)180 度瓶口向上，清洗后的瓶子經(jīng)由過渡盤 II 進(jìn)入灌裝組件準(zhǔn)備灌裝。不合格品數(shù)量《 %，包材利用率》 %； (4) 保證灌裝時(shí)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(shí)現(xiàn)完整的 CIP 清洗（不拆卸設(shè)備、零部件、管道的情況下，通過使用清洗溶液對(duì)設(shè)備進(jìn)行清洗后能達(dá)到食品生產(chǎn)的衛(wèi)生級(jí)要求）； (7) 單個(gè)封蓋頭的工作效率達(dá)到 20212200 瓶 /小時(shí)以上； (8) 灌裝機(jī)設(shè)計(jì)符合國標(biāo) GB167891997 食品機(jī)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(zhuǎn)換模塊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量和模擬量之間的相 互轉(zhuǎn)換。 PLC 的應(yīng)用范圍 由于 PLC 適應(yīng)性廣，使用穩(wěn)定性好，防干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，己被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，特別是大中型企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大化和自動(dòng)化，使得近年來對(duì) PLC 的需求量越來越大 [10] 。設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)者可根據(jù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及需求選用其 PLC模塊組成控制系統(tǒng)，然后進(jìn)行輸入和輸出點(diǎn)的定義及接線即完成了所需系 統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 2) 在控制速度上， PLC 控制是由程序控制大量的內(nèi)部軟元件實(shí)現(xiàn)的，并不實(shí)際動(dòng)作，所以 PLC 控制中，只有程序的執(zhí)行時(shí)間，各軟元件的動(dòng)作并無延時(shí)，相對(duì)來說響應(yīng)速度快，機(jī)械故障少。半自動(dòng)化灌裝機(jī)：在液體灌裝中，上瓶、卸瓶均以手工操作，但灌裝過程為自動(dòng)。 壓力灌裝機(jī)：灌裝介質(zhì)黏度 高 難灌裝時(shí)，采用壓力灌裝機(jī)，借助于外力作用使其充填到灌裝容器中的設(shè)備，主要用于高黏度灌裝介質(zhì)的灌裝。由于灌裝產(chǎn) 品的物理化學(xué)性質(zhì)，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(nèi)灌裝機(jī)大多采用計(jì)量泵模式，這種灌裝模式最大的缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)灌裝泵的 單獨(dú)控制。 第四，灌裝機(jī)的技術(shù)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(dòng)生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)無瓶不灌裝 和無瓶不加蓋的功能。 食品機(jī)械是專為食品工業(yè)服務(wù)的，包裝機(jī)械大約有 70%是為食品包裝服務(wù)的，特別是近年來飲料工業(yè)發(fā)展迅速，使得液體灌裝設(shè)備的需求大量增長(zhǎng)。日本與美國 相比，起步相對(duì)較晚，但 60 年代至 90年代，日本包裝業(yè)大量引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)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(chǔ)上，對(duì) XG24128 型灌裝機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。在高速灌裝下能夠?qū)崿F(xiàn)高的灌裝 精度和運(yùn)行穩(wěn)定性，自動(dòng)生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)無瓶不灌裝和無瓶不加蓋。 本論文對(duì)集清洗、灌裝、加蓋三合一體的旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)一 XG24128 進(jìn)行控制系統(tǒng)研究，使其對(duì) 500ml PET 瓶灌裝速度可達(dá) 18000BPH 以上，單個(gè)封蓋頭的工作效率可達(dá)20212200 瓶 /小時(shí)，灌裝容量誤差不大于 3%。分析連續(xù)灌裝時(shí)灌裝頭位置的確定，對(duì)灌裝速度進(jìn)行初 步 分配，并對(duì)其換向機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。其包裝設(shè)備與其他產(chǎn)品一樣，以高、精、尖著稱，而且由于計(jì)算機(jī)信息技術(shù)比其他國領(lǐng)先，且計(jì)算機(jī)在工業(yè)中的使用和普及比其他國家都早，所以計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于包裝機(jī)械中，較早地形成了機(jī)電一體化控制模式 [2]。此時(shí)為了提 高我國包裝工業(yè)的技術(shù)水平，大量進(jìn)口國外的先進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)線，消化吸收并進(jìn)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(duì)集清洗、灌裝、加蓋三合一體的旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī) XG24128進(jìn)行控制系統(tǒng)研究，使其對(duì) 500 ml PET 瓶灌裝速度可達(dá) 18000BPH 以上，單個(gè)旋蓋頭的工作效率可達(dá) 20212200 瓶 /小時(shí)。同一臺(tái)灌裝機(jī)可以對(duì)不同灌裝介質(zhì)進(jìn)行灌裝，可對(duì)不同類型、不同大小的灌裝容器進(jìn)行灌裝；當(dāng)灌裝環(huán)境改變時(shí)，重要零部件的更換和維修方便簡(jiǎn)江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 單，零件的通用性增強(qiáng)。國內(nèi)一些企業(yè)和高校對(duì)灌裝機(jī)的研究主要集中在其控制系統(tǒng)和灌裝精度方面，例如對(duì)一藥品灌裝機(jī)采用全伺服 PLC 控制系統(tǒng)，且設(shè)計(jì)有灌裝跟蹤系統(tǒng)及隨機(jī)稱量系統(tǒng)，使得灌裝自動(dòng)化程度高，灌裝質(zhì)量好，且實(shí)現(xiàn)灌裝精度的隨時(shí)檢測(cè)。根據(jù)灌裝介質(zhì)中是否含氣體或是否會(huì)生成氣體可將灌裝介質(zhì)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(zhì)的灌裝設(shè)備，可減少氣體的損失。但目前較少使用。 近年來， PLC 以其獨(dú)有的特點(diǎn)迅速發(fā)展起來，越來越多地應(yīng)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(diǎn)： 1)在應(yīng)用方面， PLC 采用了微處理機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于順序控制、運(yùn)動(dòng)控制、通信、 數(shù)據(jù)管理等領(lǐng)域，并具有極強(qiáng)的柔性；而繼電器的應(yīng)用范圍有限，對(duì)小型問題的解決往往連線復(fù)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(duì)于其他的工業(yè)控制系統(tǒng)還具有更多的優(yōu)點(diǎn) [8][10]: 1) 易操作且共用性好 PLC 技術(shù)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(jī)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(jié)構(gòu)更為緊湊、堅(jiān)固，重量輕，功耗相對(duì)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(duì)，它主要是對(duì)模擬量進(jìn)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(zhuǎn)型伺服泵高速清洗灌裝旋蓋三合一機(jī)型號(hào)為 XG24128，下述中均以 XG24128 代表此灌裝機(jī)，它的主要技術(shù)要求為： (1) 灌裝速度從 12021 瓶 /h 提高到 18000 瓶 /h 以上； (2) 灌裝對(duì)象為 500ml 的 PET 瓶，灌裝介質(zhì)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(jìn)入洗瓶組件后沿空間曲線導(dǎo)軌先旋轉(zhuǎn)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(nèi)壁后沿內(nèi)壁流出；同時(shí)，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(jī)，同時(shí)也是整個(gè)灌裝機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)，通過齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)其他組件旋轉(zhuǎn)，使瓶子從進(jìn)瓶組件完成整個(gè)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(fēng)力作用下進(jìn)入風(fēng)道進(jìn)瓶組件后，經(jīng)由過渡盤 I進(jìn)入到洗瓶組件，在洗瓶組件完成瓶子內(nèi)外壁的清潔后進(jìn)入灌裝組件進(jìn)行灌裝，灌裝完成后的瓶子在過渡盤 III 帶動(dòng)下進(jìn)入加蓋組件；與此同時(shí)，瓶蓋在供蓋機(jī)構(gòu)作用下進(jìn)入加蓋組件，對(duì)灌滿后的瓶子完成加蓋動(dòng)作后，在出瓶機(jī)構(gòu)的作用下出瓶，完成整個(gè)灌裝流程。 指示燈：顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。 PLC 的基本組成如圖 31所示。灌裝機(jī)的 PLC 系統(tǒng)采用的是主基板一擴(kuò)展基板的形式，通過擴(kuò)展電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。灌裝機(jī)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(diǎn)：（ 1)體積小，積木式 I/O 模塊 [14]。關(guān)于QD70P8 定位模塊的使用及特點(diǎn)在伺服電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)的控制中有詳細(xì)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(yùn)動(dòng)控制的定位模塊、用于數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊等，根據(jù)特殊需要還有溫度調(diào)節(jié)模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊等可供選擇。準(zhǔn)確定義輸入 /輸出點(diǎn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jī)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(zhǔn)來控制伺服電機(jī)的地址 或位移量）、速度控制 S (將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬 DC 指令或數(shù)字指令，并以此來控制電動(dòng)機(jī)）、扭 矩控制 T (通過扭矩指令，即模擬電壓來控制伺服電機(jī)）。伺服放大器串連時(shí)，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(shè)計(jì)報(bào)警電路時(shí)要將這兩個(gè)接觸串連其中，對(duì)伺服電路起保護(hù)作用。并且 CPU 上需要連接安裝有 GX Developer/GX ConfiguratorPT 軟件的外圍設(shè)備，通過 GX Developer 把控制順序和條件創(chuàng)建為順控程序，也可對(duì)順控程序進(jìn)行仿在 GX ConfiguratorPT 中進(jìn)行參數(shù)和數(shù)據(jù)的初始化設(shè)置 。 圖 35為使用 QD70 定位模塊吋系統(tǒng)的運(yùn)行方式圖。 步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì) 步 進(jìn)電機(jī)的選型 步 進(jìn)電機(jī)也是 電 氣控制系統(tǒng)中 常用的機(jī)電執(zhí)行元件，它是將 Hi 脈 沖轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移，帶動(dòng)其他元件作精確度轉(zhuǎn)動(dòng)或定位移移動(dòng) [19]。 前面已經(jīng)介紹過，灌裝組件共有 24 個(gè)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(gè)灌裝頭。 步進(jìn)電機(jī)的連接及控制 換向所用步進(jìn)電機(jī)由定位模塊 QD70P8 控制， 步 進(jìn)電機(jī)組與 QD70P8 模塊連 接圖如圖 36所示。脫機(jī)端懸空時(shí)，通電后電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)時(shí)， 步 進(jìn)電機(jī)軸處于制動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)；輸入脫機(jī)信號(hào)時(shí)，通電后電機(jī)停止后，電機(jī)軸處于自由狀態(tài)，可手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。直至下一有瓶信號(hào)傳來時(shí)，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(hào)為灌滿檢測(cè)傳感器，灌裝頭旋轉(zhuǎn)到此位置時(shí)即停止灌裝，這也是灌滿的標(biāo)志位。 ： 灌裝流程 圖 41所示為復(fù)位之后灌裝部分的流程圖，圖所示位置為 24 號(hào)灌裝頭在 1號(hào)工位時(shí)的情形。 本章前三節(jié)確定了 XG24128 型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的 PLC 控制中心、伺服電機(jī)和 步 進(jìn)電機(jī)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(kuò)展基板 擴(kuò)展基板 2的硬件連接圖，主基板與擴(kuò)展基板 擴(kuò)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(shí)間 T由程序設(shè)定。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 電機(jī)與輸出模塊的連接圖如圖 37所示，按下啟動(dòng)按鈕后，線圈 KM3~KM13 得電，連接在相應(yīng)電機(jī)前的常 開 觸點(diǎn)閉合，電機(jī)啟動(dòng)。 輸入脫機(jī)信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將切斷電機(jī)各相繞組電流使電機(jī)軸處于自由狀態(tài)，此時(shí) 步 進(jìn)脈沖將不能被響應(yīng)。因?yàn)橄到y(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行，累積誤差的存在會(huì)影響 伺服泵與兩個(gè)