【文章內(nèi)容簡介】 計時、計數(shù)和順控等功能，此外，還有各種功能模塊可供選擇，如可進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的A/D和D/A模塊、用于伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制的定位模塊及PLC之間交換數(shù)據(jù)的通信模塊等，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場不同類型數(shù)據(jù)的控制，可以應(yīng)用于各類復(fù)雜程度不等的控制對象，控制對象可以從一臺生產(chǎn)機(jī)械到一個生產(chǎn)過程。用戶根據(jù)自己的需求確定硬件配置后就可以組成所需的控制系統(tǒng)。3) 良好的穩(wěn)定性和防干擾能力可編程控制器是“專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計”的產(chǎn)品，防干擾能力好。4) 編程易學(xué)易懂可編程控制器采用梯形圖形式進(jìn)行編程，易學(xué)易懂，對參與人員的專業(yè)水平要求不高，可操作性強(qiáng)，用戶能方便的讀取程序并對程序進(jìn)行編寫和修改。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(jī)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。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。 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)大化和自動化，使得近年來對PLC的需求量越來越大[10] 。(1)開關(guān)量的邏輯控制不同的控制系統(tǒng)雖然控制方式不同，但都能實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的邏輯控制。用繼電器一接觸器模式實(shí)現(xiàn)邏輯控制時，需要使用大量的機(jī)械觸頭，從而使得連線多，系統(tǒng)動作時間延遲性大，穩(wěn)定性變差，且維修成本大。用PLC取代繼電器，可以采用系統(tǒng)軟元件來實(shí)現(xiàn)其控制要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。特別是自動生產(chǎn)線的控制，優(yōu)勢更加明顯，如數(shù)控機(jī)床的電氣控制、包裝機(jī)械控制、運(yùn)輸帶控制等。(2)運(yùn)動控制PLC有專門的運(yùn)動控制模塊，如QD70系列，可以實(shí)現(xiàn)對多軸的復(fù)雜運(yùn)動進(jìn)行控制，控制精度高，響應(yīng)速度快。并且PLC有專門的運(yùn)動控制中央處理器，可以實(shí)現(xiàn)最多對96軸的運(yùn)動控制，配合以定位模塊，尤其適合于大型的運(yùn)動控制系統(tǒng)。(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(jìn)行控制，這些模擬量都是連續(xù)變化的，如壓力、溫度等。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。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(jī)械、塑料成型設(shè)備等。(4)數(shù)據(jù)處理PLC具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，不僅可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算，還可以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如函數(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算等功能。此外，PLC如一般計算機(jī)一樣可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?5)通信聯(lián)網(wǎng)PLC通過USB接口、 RS232/RS485接口以及各種不同類型的連接電纜，以實(shí)現(xiàn)多個可編程控制器、可編程控制器與操作終端、可編程控制器與其他設(shè)備等之間互相通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和處理，并以此來構(gòu)成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，形成集中管理加分散控制的分布式控制系統(tǒng)。第2章XG24128型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計 XG24128型灌裝機(jī)的工藝要求課題研究的是伺服泵高速清洗灌裝旋蓋三合一機(jī)，為24頭旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)，主要灌裝介質(zhì)為食用油和普通飲料。該灌裝機(jī)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(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定精確灌裝，且實(shí)現(xiàn)無瓶不灌裝、無瓶不加蓋及在線清洗等功能。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12000瓶/h提高到18000瓶/h以上； (2) 灌裝對象為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%。，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(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設(shè)備進(jìn)行清洗后能達(dá)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(dá)到20002200瓶/小時以上；(8) 灌裝機(jī)設(shè)計符合國標(biāo)GB167891997食品機(jī)械安全衛(wèi)生要求。 XG24128型灌裝機(jī)的整體結(jié)構(gòu)論文所研究的XG24128型灌裝機(jī)三維示意圖（灌裝組件隱藏了防塵罩）如圖21所示，結(jié)構(gòu)部分主要分為風(fēng)道進(jìn)瓶組件、清洗組件、灌裝組件、加蓋組件、出瓶組件等部分組成，結(jié)構(gòu)圖如閣22所示，各組件及其作用如下：11圖21灌裝機(jī)三維示意圖圖22灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)圖1—機(jī)箱組件；2—風(fēng)道進(jìn)瓶組件；3—過渡盤Ⅰ ； 4一洗瓶組件； 5—過渡盤Ⅱ； 6—灌裝組件；7—過渡盤Ⅲ；8—供蓋組件；9 一加蓋組件；10—出瓶組件 機(jī)箱組件機(jī)箱組件的主要作用是固定和支撐其他組件、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)，保證其具有正確的相對位置及運(yùn)轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定性，從而使整個灌裝系統(tǒng)正常工作[11]。風(fēng)道進(jìn)瓶組件XG24128型灌裝機(jī)的灌裝對象為500ml PET瓶，由于空瓶質(zhì)量較輕，所以進(jìn)瓶動力由風(fēng)力提供。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。風(fēng)道進(jìn)瓶組件的末端設(shè)計有一電磁體擋瓶機(jī)構(gòu)，在擋瓶機(jī)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。過渡盤I空瓶由風(fēng)道進(jìn)瓶組件進(jìn)入洗瓶組件的過渡盤。洗瓶組件主要對空瓶內(nèi)外壁進(jìn)行清洗。空瓶從過渡盤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，清洗區(qū)的外噴頭噴水清潔瓶子外壁。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。過渡盤II空瓶由清洗組件進(jìn)入灌裝組件的過渡盤。灌裝組件灌裝組件由24個灌裝頭組成，空瓶進(jìn)入灌裝組件后運(yùn)動到灌裝位置時開始灌裝。灌裝采用跟蹤灌裝模式，灌裝頭與液面始終保持一定距離，既可提高灌裝速度，又可減少氣泡和飛濺。灌液的同時，瓶子跟隨灌裝組件一起轉(zhuǎn)動，運(yùn)動到出瓶位置時，灌滿的瓶子經(jīng)由過渡盤III進(jìn)入加蓋組件。灌裝組件的24個灌裝頭山12套伺服泵控制，每套伺服泵控制沿180度直線分布的兩個灌裝頭，每套伺服泵都配備有一套由步進(jìn)電機(jī)控制的換向機(jī)構(gòu)，用于控制陶瓷泵在三個液口之間轉(zhuǎn)換。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(shí)現(xiàn)無瓶不灌裝。灌裝組件安裝有灌裝主電機(jī)，同時也是整個灌裝機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)，通過齒輪傳動系統(tǒng)帶動其他組件旋轉(zhuǎn)，使瓶子從進(jìn)瓶組件完成整個灌裝流程由出瓶組件出瓶。過渡盤Ⅲ瓶子由灌裝組件進(jìn)入旋蓋組件的過渡盤。供蓋機(jī)構(gòu)供蓋機(jī)構(gòu)的作用是向加蓋系統(tǒng)提供瓶蓋，并且保證在供蓋機(jī)構(gòu)的作用下，瓶蓋進(jìn)入旋蓋頭時開口向下，以便于旋蓋。同時，供蓋機(jī)構(gòu)的末端設(shè)有電磁體擋蓋機(jī)構(gòu)，當(dāng)傳感器檢測到相應(yīng)工位無瓶時，擋蓋機(jī)構(gòu)作用，使空瓶位相對應(yīng)的旋蓋頭無蓋，實(shí)現(xiàn)無瓶不加蓋。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。旋蓋組件共有8個旋蓋頭，由8套伺服電機(jī)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。出瓶組件灌滿并加蓋完成以后的瓶子在導(dǎo)瓶盤作用下進(jìn)入出瓶組件，由3個后輸送電機(jī)帶動，在出瓶口出瓶，完成整個灌裝流程。 XG24128型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計上一小節(jié)簡單介紹了 XG24128型灌裝機(jī)的結(jié)構(gòu)部分，主要由進(jìn)瓶洗瓶灌裝加蓋出瓶等組件組成，控制系統(tǒng)的作用就是對開關(guān)、按鈕、傳感器等輸入信號進(jìn)行分析，從而做出響應(yīng)來控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動作，使整個灌裝過程準(zhǔn)確而有序得進(jìn)行。圖23為常用的電氣控制系統(tǒng)的組成圖。 (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。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(yùn)動距離）等。(2)控制中心控制中心的主要作用是對輸入信號進(jìn)行存儲、分析、運(yùn)算或判斷，將工作命令以輸出信號的形式傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常用的控制中心部件有可編程控制器(PLC)和繼電器。 (3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是接收控制中心的輸出信號，執(zhí)行工作命令常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有：電動機(jī)、電磁體、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。 XG24128型灌裝機(jī)的工藝流程工藝流程是控制系統(tǒng)設(shè)計的主要依據(jù)，也是控制系統(tǒng)依托機(jī)械部分要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，不同的工藝流程，其控制方案也不同。圖24為XG24128型灌裝機(jī)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?？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帶動下進(jìn)入加蓋組件；與此同時，瓶蓋在供蓋機(jī)構(gòu)作用下進(jìn)入加蓋組件，對灌滿后的瓶子完成加蓋動作后，在出瓶機(jī)構(gòu)的作用下出瓶，完成整個灌裝流程。此工藝流程也是旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)的典型工藝流程。 XG24128型灌裝機(jī)的控制方案根據(jù)XG24128型灌裝機(jī)的工藝要求，對照其灌裝的工藝流程，依據(jù)一般電氣系統(tǒng)的組成確定控制系統(tǒng)各部分如下： 輸入元件：按鈕開關(guān)（控制復(fù)位、啟動、停止、清洗、急停）、傳感器（有瓶灌裝檢測、有瓶放蓋檢測、缺蓋檢測、無蓋檢測、極限位置檢測、出瓶堵瓶檢測、灌裝完成檢測等）、變頻器、編碼器?？刂浦行模篨G24128型灌裝機(jī)輸入/輸出信號多，且要求控制速度快而準(zhǔn)確，時間延遲盡可能小，控制對象既有開關(guān)量也有模擬量，需對20臺伺服電機(jī)和12臺步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動控制，且所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動需協(xié)調(diào)一致，所以控制中心采用PLC控制系統(tǒng)，這也是工業(yè)控制中常用的控制形式。執(zhí)行元件：伺服電機(jī)：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(jī)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(jī)與8套旋蓋頭相接，為旋蓋頭完成旋蓋動作提供動力。步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)（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。電動機(jī)：共有13套，分別是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)主電機(jī)即灌裝主電機(jī)（1套）、出瓶輸送電機(jī)（1套）、上蓋風(fēng)機(jī)（1套）、后輸送電機(jī)（4套）、沖冼泵電機(jī)（1套）、理蓋器電機(jī)（1套）、上蓋振動電機(jī)（1套）、散熱風(fēng)機(jī)（1套）、進(jìn)液泵電機(jī)（1套）、吹干機(jī)電機(jī)（1套）。電磁體：止蓋電磁體、擋瓶電磁體。指示燈：顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。為了便于用戶操作，且能隨時觀察到系統(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)械動作⑿，控制系統(tǒng)框圖如圖25所示。圖25控制系統(tǒng)框圖第3章XG24128型灌裝機(jī)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(diǎn)的多少等條件[13]。 一般來說，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，輸入元件的設(shè)計較為簡單，而控制中心和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計及型號選取直接影響整個控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。本章針對控制對象XG24128型灌裝機(jī)的工藝要求及灌裝流程，重點(diǎn)介紹其控制中心及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上完成整個控制系統(tǒng)的硬件配置及連接。從第2章介紹XG24128型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案可知，控制系統(tǒng)不僅要對電磁體、電動機(jī)進(jìn)行控制，還要對伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動控制，使整個灌裝動作精確、有序地完成，這就對其硬件配置提出了更高的要求。 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計傳統(tǒng)的繼電器控制有很多弊端，將成熟的計算機(jī)技術(shù)和虛擬技術(shù)與繼電器控制連接起來，使得影響繼電器控制的觸點(diǎn)虛擬化，作為控制器的內(nèi)部繼電器或軟元件來使用，并應(yīng)用于在工業(yè)生產(chǎn)中就形成了 PLC控制。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(jī)，它的結(jié)構(gòu)和組成也具有一般計算機(jī)的特點(diǎn)：以中央處理單元為核心，在系統(tǒng)程序的管理下運(yùn)行。PLC的基本組成如圖31所示。PLC同一般計算機(jī)一樣，使用之前需要先下載系統(tǒng)程序。在設(shè)計階段，確定所用的PLC的類型及相關(guān)模塊，對控制對象的運(yùn)動進(jìn)行分析后，編制控制對象所用的用戶程序，將這些程序及與控制對象相關(guān)的設(shè)置存儲在PLC的中央處理器中，中央處理器根據(jù)用戶程序?qū)@些信息進(jìn)行處理后，把執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作命令以輸出信號的形式從輸出接口傳送到接觸器、電磁體、伺服電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成工作命令。在運(yùn)行過程中，PLC CPU除了通過輸入接口和輸出接口進(jìn)行信號傳輸外，還可以通過擴(kuò)展接口接收來自擴(kuò)展単元的信號，此外，監(jiān)控器、其他PLC、外部存儲器等還可以通過外部設(shè)備接口與PLC CPU進(jìn)行信號傳輸。 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(jī)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(diǎn)，并根據(jù)灌裝機(jī)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(jī)的控制系統(tǒng)。工業(yè)觸摸屏（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）?；寤迨钦麄€PLC系統(tǒng)的支撐體，它的主要作用是安裝選定的各個模塊[14]?；迳弦话阈枰惭b有電源模塊，基板將電源模塊產(chǎn)生的電壓提供給CPU、輸入模塊、輸出模塊、運(yùn)動控制模塊等，同時承擔(dān)著在CPU、 I/O模塊、運(yùn)動控制模塊之間進(jìn)行控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔?。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。選用的Q33B型主基板可安裝3個模塊，1級擴(kuò)展基板Q68B可安裝8個模塊，2級擴(kuò)展基板Q65B可安裝5個模塊。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。進(jìn)行電源模塊選擇時，電源模塊5V電壓的額定輸出電流必須大于安裝在基板上的所有模塊所消耗的電流和。表32為主基板上各模塊的DC 5V消耗電流與電源模塊的輸出電