【正文】 29 號傳感器為有瓶放蓋傳感器，灌滿的瓶子經(jīng)過渡盤 Ⅲ 進(jìn)入加蓋組件，若傳感器 29檢測此工位無瓶，則止蓋電磁體動作，使相應(yīng)旋蓋頭無蓋，從而實現(xiàn)無瓶不加蓋，提高蓋子的使用率及灌裝機的自動化水平，同時又可防止余蓋掉入灌裝系統(tǒng)造成機械故障。 其他執(zhí)行機構(gòu)控制設(shè)計 電動機的控制設(shè)計 XG24128 型灌裝機的執(zhí)行機構(gòu)除了用來灌裝和加蓋的伺服電機和步進(jìn)電機外，有灌轉(zhuǎn)主電機、后輸送電機、散熱風(fēng)機等交流三相異步 電 機。 步 進(jìn)電機的作用就是在極短時間內(nèi)完成伺服泵定角度的轉(zhuǎn)動。運行時，由驅(qū)動裝置中江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 28 的偏差計數(shù)器對脈沖數(shù)進(jìn)行存儲并計數(shù)， D/A 轉(zhuǎn)換器將脈沖數(shù)及頻率轉(zhuǎn)換成 DC 電流，通過伺 服放大器對伺服電機進(jìn)行控制。灌裝組件共有24 個灌裝頭， 24 個灌裝頭呈圓形排列，所以每套伺服泵要控制兩個灌裝頭，同一伺服泵控制的 兩個灌裝頭呈 180度方向安裝。表 33輸入點分配表 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 22 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 23 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 24 根據(jù)第二章介紹的控制系統(tǒng)選用的執(zhí)行機構(gòu)，本節(jié)對控制灌裝和加蓋的伺服電機、用于陶瓷泵換向的 步 進(jìn)電機、系統(tǒng)運行的電動機及擋瓶和止蓋用電磁體等的選用、性能、連接控制方式進(jìn)行介紹。人機界面的主要作用是輸入工作命令、設(shè)置參數(shù)等進(jìn)而控制系統(tǒng)的動作，而且用戶還可以從人機界面上讀取信息，了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 電源模塊 電源模塊的作用是提供 5V 電壓，通過基板將電壓供給 CPU 及其他模塊。圖 25控制系統(tǒng)框圖 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 15 第 3 章 XG24128 型灌裝機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 控制系統(tǒng)的硬件配置視控制對象不同而總體來說要考慮控制 對象的工藝要求、設(shè)備狀況、工作環(huán)境、輸入輸出點的多少等條件 [13]。常用的輸入元件有主令電 器（按鈕開 關(guān)、行程開關(guān)等）、各類傳感器（位置傳感器、壓力傳感器等）、編碼器（反映物體的相對或絕對運動距離）等。 過渡盤 II 空瓶由清洗組件進(jìn)入灌裝組件的過渡盤。閉環(huán)過程控制現(xiàn)己廣泛應(yīng)用到中、大型 PLC 控制中，過程控制廣泛應(yīng)用于熱處理爐、壓力灌裝機械、塑料成型設(shè)備等。硬件配置確定以后，通過修改用戶程序可以快速改變控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。自動化灌裝機：早期的自動化灌裝機功能單一，一般只完成一個工序；近年來自動化 灌裝機功能越來越多，可實現(xiàn)洗瓶、灌裝、封口等多個工序，適合用于大型的流水灌裝線上。 灌裝機的分類 按灌裝方法分類 [6][7] 常壓灌裝機：顧名思義，是在常壓下將灌裝介質(zhì)灌裝到容器中所用的設(shè)備。電氣控制技術(shù)已成熟應(yīng)用于灌裝機械中，特別是 PLC技術(shù)廣泛應(yīng)用，人機界面實現(xiàn)操作交互，故障自我診斷，實現(xiàn)了設(shè)備運行的高效智能。傳統(tǒng)的灌裝機或灌裝生產(chǎn)江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 2 線對灌裝環(huán)境的要求較高，比如灌裝材料含氣體和不含氣體、常溫灌裝和高溫灌裝、塑料容器和玻璃容器抑或金屬容器等，都有其專用的灌裝生產(chǎn)線，且不能互用。在對XG24128 型灌裝機控制過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上編制相應(yīng)的程序和系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)其灌裝流程。我國的包裝機械起步 較晚，主要是采用引進(jìn)一消化的發(fā)展模式，雖能滿足生產(chǎn)需求，但技術(shù)含量不高，特別是對光、磁和計算機等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用較少，從而使得我國包裝機械的包裝精度和運行穩(wěn)定性同國外設(shè)備相比存在著較大差距。美國是世界工業(yè)的領(lǐng)頭羊，因其包裝工業(yè)起步較早，發(fā)展至今已有完備的包裝工業(yè)體系。國內(nèi) 24工位的飲料灌裝機，對于 500ml PET 瓶灌裝速度為 12021BPH，單個封蓋頭的工作效率為 1500~1800 瓶 /小時，且灌裝的容量誤差較大，與國外產(chǎn)品有較大的差距。 我國灌裝機械近年來向高 自動化程度及高集成性方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)上力求簡單而不影響功能，一臺灌裝機可以同時實現(xiàn)進(jìn)瓶、清洗、灌裝、加蓋、出瓶、稱量等功能；在控制系統(tǒng)上，從原來的繼電器控制逐漸向 PLC 控制轉(zhuǎn)換；同時為了操作更加方便，觸摸屏越來越多地被使用 [5]。 等壓灌裝機：灌裝前先向灌裝容器中充氣，使得容器中的氣體 壓力 與儲液缸內(nèi)相同，然后將灌裝介質(zhì)充填到灌裝容器中的設(shè)備。這種控制方式的主要特點是價格低，線路設(shè)計簡單，安裝和調(diào)整都相對方便，是簡單機械設(shè)備最基本的控制形式 [9]。 5) 設(shè)計、安裝、調(diào)試方便簡單 模塊化設(shè)計，且中間繼電器少，大大減少了時間延遲及由于機械觸頭帶來的故障問題，使用性能好，且設(shè)計、安裝、維護(hù)的工作量也大為減少。該灌裝機結(jié)構(gòu)上主要由風(fēng)道進(jìn)瓶組件、清洗組件、灌裝組件、旋蓋組件、出瓶組件五大部分組成，要求對于 500ml 的 PET 瓶可以實現(xiàn)高速穩(wěn)定精確江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 9 灌裝，且實現(xiàn)無瓶不灌裝、無瓶不加蓋及在線清洗等功能。灌裝開 始工位處安裝有有無瓶檢測傳感器，當(dāng)傳感器檢測到相應(yīng)工位無瓶時， PLC 發(fā)出指令控制對應(yīng)的伺服菜不動作，實現(xiàn)無瓶不灌裝。 圖 24為 XG24128 型灌裝機的工藝流程圖，由工藝流程圖可以看出，灌裝工藝由分為瓶子和瓶蓋兩條分支。所以從原理上來說， PLC 是 “ 專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計 ” 的專用計算機，它的結(jié)構(gòu)和組成也具有一般計算機的特點：以中央處理單元為核心，在系統(tǒng)程序的管理下運行。系統(tǒng)選用的 Q06HCPU 為高性能 Q 系列 PLC CPU,它的單機最大 I/O 控制點數(shù)為 40%點，可控制模塊數(shù)可達(dá) 64 塊，若系統(tǒng)所需的 I/O 控制點數(shù)更多，可選用擴展 I/O模塊來增加控制點數(shù)。它與原 A 系列 PLC 相比最大的特點是采用模塊化設(shè)計，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的控制要求自由選擇所需的模塊及數(shù)量，靈活地構(gòu)成控制系統(tǒng)?；?以上條件，選擇灌裝所用的動力由伺服電機提供，根據(jù)需要選擇的伺服電 機的型號如表 35所示。 使用 QD70 模塊進(jìn)行定位控制時， PLC CPU 的主要作用是存儲創(chuàng)建的程序，在存儲程江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 27 序后， QD70 輸出定位啟動信號和軸停止信號 [12]。在灌裝組件，需要進(jìn)行運動控制的有負(fù)責(zé)灌裝的 12 臺伺服電機和換向的 12 臺 步 進(jìn)電機，共 24軸，且 24軸間需協(xié)同作用，所以選用 3 塊 QD70P8 定位控制模塊。 此外，可以通過驅(qū)動器面板上的第 1， 2， 3， 4 四位撥碼開關(guān)選擇共 16 種細(xì)分模式，用電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)標(biāo)識，既可以實現(xiàn)兩相的 步 距（如兩相 標(biāo)準(zhǔn)半步 400 步 /轉(zhuǎn)），也可以提供類似五相的步距（如五相標(biāo)準(zhǔn)半步 1000 步 /轉(zhuǎn)），用戶可以根據(jù)需要自行決定細(xì)分，最大可達(dá)到 30000 步 /轉(zhuǎn)。止蓋電磁體控制連接圖如圖 39 所示，當(dāng)有瓶放蓋傳感器 29 檢測相應(yīng)工位無瓶時，中間繼電器 KA1線圈得電，其串連在止蓋電磁體線路中 KA1 的常閉觸點斷開，止蓋電磁體的彈片彈出，瓶蓋無法通過供蓋系統(tǒng)進(jìn)入旋蓋頭，從而使相應(yīng)旋蓋頭無蓋，實現(xiàn)無瓶不加蓋的功能。對于 XG24128 型灌裝機灌裝的核心技術(shù)研究本章主要圍繞以下三個方面進(jìn)行：（ 1) 一個伺服菜控制兩個灌裝頭的連續(xù)灌裝的灌裝流程；（ 2)伺服泵的速度如何分配以提高灌裝速度并防止飛濺和溢出；（ 3)如何控制步進(jìn)電機以實現(xiàn)快速、精確的換向。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 33 圖 311 為傳感器布置圖，圖中實心方塊所示 1~32 號為傳感器。此狀態(tài)可有效降低驅(qū)動器和電機的功耗和溫升。同吋 步 進(jìn)電機還具有轉(zhuǎn)子慣量小，無漂移現(xiàn)象等優(yōu)點，與其他數(shù)字設(shè)備配合使用時，優(yōu)越性更為明顯，這也是它越來越廣泛應(yīng)用于更多設(shè)備的位置控制和速度控制中的原因。 QD70 定位模塊每發(fā)出一個脈沖指令，電動機就轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，從而使執(zhí)行件移動相應(yīng)的距離，也就是說執(zhí)行件每一脈沖的移動量是其移動的最小單位，此單位越小，移動精度就越高。在這種連接方式中，每個伺服放大器的 ALARM 信號都要連接到 PLC 的輸出模塊中，占用一個輸出點，并將每個伺服模塊的接觸器串連在報警電路中，目的是任意一個伺服模塊發(fā)生異常，系統(tǒng)都能停止運行。 PLC 系統(tǒng)采用擴展模式時，需要在擴展模塊上設(shè)置擴展的級數(shù)。 運動控制模塊 運動控制模塊是三菱 PLC智能功能模塊中對運動進(jìn)行控制時運用比較多的一種，它主要是與步進(jìn)電機或 伺服電機配合使用來實現(xiàn)復(fù)雜的速度控制或是定位控制。工業(yè)觸摸江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 17 屏（ HMI)選用三菱公司的 GT1575VTBA 型觸摸屏（附件及連接電纜的型號在表中未列出）。 步 進(jìn)電機： 步 進(jìn)電機（ 步 進(jìn)馬達(dá) +步 進(jìn)驅(qū)動器）共有 12 套，用于灌裝陶瓷泵的精確換向。旋蓋組件共有 8 個旋蓋頭，由 8套伺服電機采用扭矩控制模式對扭矩進(jìn)行控制，以保證自動上蓋率的同時，防止擰不緊或擰裂等情況。風(fēng)道進(jìn)瓶組件的末端設(shè)計有一電磁體擋瓶機構(gòu)，在擋瓶機構(gòu)作用下，空瓶保持一定間距進(jìn)入過渡盤 I ，以防止卡瓶。特別是自 動生產(chǎn)線的控制，優(yōu)勢更加明顯，如數(shù)控機床的電氣控制、包裝機械控制、運輸帶控制等。在這種場合使用繼電器邏輯控制必然需要大量的 中間 繼電器，而這些中間繼電器在用 PLC 控制的情況下，就可以對其內(nèi)部的輔助繼電器進(jìn)行編程來取代。 直線式灌裝機：灌裝容器沿直線運動，并且灌裝時灌裝容器是靜止的，灌裝完成之后跟隨傳動機構(gòu)一起進(jìn)入下一個工序。 基本概念 灌裝機械的主要作用是將液體介質(zhì)充填到包裝容器中，灌裝機械一般可以實 現(xiàn)灌裝、封口、稱量等功能 [6]。 第二，灌裝機械的結(jié)構(gòu)革新。意大利著重發(fā)展其食品包裝機械，在外形上對其他國家的包裝機械進(jìn)行一定程度的改良，而且更注重包裝生產(chǎn)的穩(wěn)定性。 其次，明確控制系統(tǒng)的硬件配置。在研究 XG24128 型灌裝機整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分析其灌裝的工藝流程，并根據(jù)設(shè)計要求確定灌裝機控制系統(tǒng)的整體方案。德國包裝機械的另一特點是率先實現(xiàn)了包裝機械的成套性，中大型包裝設(shè)備可以同時實現(xiàn)對包裝容器的預(yù)處理、稱重、包裝、封口等多個工序 [3]。許多大 型 企業(yè)著力于研究如何通過最大限度地增加灌裝頭的數(shù)量，或加快灌裝輪盤的轉(zhuǎn)速，或提高不同灌裝介質(zhì)的最大灌裝速度，或改善灌裝 閥 的結(jié)構(gòu)等方法來提高灌裝效率。同時為了節(jié)約成本，采用一個伺服泵同時控制兩個灌裝頭并實現(xiàn)連續(xù)灌裝的控制設(shè)計，提高灌裝速度。旋轉(zhuǎn)型灌裝機的實物圖如圖 11所示。 灌裝機作為包裝機械的重要組成部分，最大的特點就是動作復(fù)雜、頻繁，且有較多的執(zhí)行元件 [9]。用 PLC 取代繼電器，可以采用系統(tǒng)軟元件來實現(xiàn)其控制要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。風(fēng)道進(jìn)瓶組件的左右刮瓶板配合使用，卡在瓶口的螺旋位置，使其在風(fēng)力作用下沿刮瓶板向下一組件移動。 加蓋組件 灌滿液體的瓶子經(jīng)由過渡盤 III 進(jìn)入加蓋組件，在旋蓋頭的作用下將瓶蓋旋緊，完成加蓋。 執(zhí)行元件：伺服電機：共有 20 套伺服系統(tǒng)（伺服馬達(dá) +伺服驅(qū)動器），其中 12 臺伺服電 機與 12套陶瓷泵相連，在 PLC 系統(tǒng)的控制下帶動陶瓷泵準(zhǔn)確完成吸液及灌液動作；其余 8臺伺服電機與 8套旋蓋頭相接，為旋蓋頭完成旋蓋動作提供動力。 PLC 選型 根據(jù)圖 31所示 PLC的基本組成，對照控制對象 XG24128 型灌裝機的設(shè)計要求：精確、可靠、柔性好、干擾小、協(xié)調(diào)性好等特點，并根據(jù)灌裝機控制對象的要求，選用如表31 所示的三菱公司的 PLC 及相關(guān)模塊來組成 XG24128 型灌裝機的控制系統(tǒng)。鑒于以上特點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。整個 PLC 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式為主 基 板一擴展 基 板形式， 基板上各模塊的安裝連接順序為電源模塊 CPU (中央處理器）模塊 輸入模塊 輸出模塊 運動控制模塊（ QD70P8) 串行通訊模塊（ QJ71C24N)。 一般來說，伺服馬達(dá)及伺服放大器的連接順序為：三相電源 開關(guān) 保險 接觸器 伺服放大器 伺服馬達(dá)。電動機旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)就是電動機編碼器的分辨率?？刂菩盘柕拿}沖總數(shù)決定 步 進(jìn)電機的位移量，脈沖信號的頻率決定電機的轉(zhuǎn)動速度，各相繞組的接通次序或脈沖方向決定電機的轉(zhuǎn)動方向，通過對這些量進(jìn)行控制，可以江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 29 得到所需的各種運動特性。 輸入脫機信號時，驅(qū)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(jìn)脈沖將不能被響應(yīng)。 Y37 的輸出狀態(tài)及時間 T由程序設(shè)定。 ： 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 號灌裝頭在 1號工位時的情形。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]。 步進(jìn)電機的連接及控制 換向所用步進(jìn)電機由定位模塊 QD70P8 控制， 步 進(jìn)電機組與 QD70P8 模塊連 接圖如圖 36所示。 步進(jìn)電機控制設(shè)計 步 進(jìn)電機的選型 步 進(jìn)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(zhuǎn)換成角位移或直線位移，帶動其他元件作精確度轉(zhuǎn)動或定位移移動 [19]。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 。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)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