【文章內(nèi)容簡介】 星組態(tài)畫面的設計，首先對該軟件進行了簡單的介紹，然后結合 PLC 控制原理與程序流程圖，實現(xiàn)組態(tài)畫面的控制。第 6 部分是監(jiān)控系統(tǒng)通信的實現(xiàn)和系統(tǒng)現(xiàn)場的調(diào)試。4 / 681 灌裝控制系統(tǒng)總體介紹 灌裝機的主要類型 按灌裝瓶的主要運動形式分類 旋轉型灌裝機 待灌瓶由傳送系統(tǒng)（一般經(jīng)洗瓶機由輸送帶輸入）或人工送入灌裝機進瓶機構，瓶子由灌裝機轉盤帶動繞主立軸旋轉運動進行連續(xù)灌裝，轉動近一周時瓶子己灌滿，然后由轉盤送入壓蓋機進行壓蓋，如圖 所示。圖 灌裝過程的俯視圖 這種灌裝機在食品、飲料行業(yè)應用最廣泛，如汽水、果汁、啤酒、牛奶的灌裝，此機主要由流體輸送（即供料系統(tǒng)）、容器輸送（即供瓶系統(tǒng)）、灌裝閥、大轉盤、傳動系統(tǒng)、機體、自控等部分所組成，其中灌裝閥是保證灌裝機能否正常工作的關鍵。 直線型灌裝機 灌裝瓶沿著平直的直線運動，進行成排灌裝。如圖 ，凡送來一排空瓶由推瓶板向前推送一次，到送至灌液管的下方時，閥門打開進行灌裝，間歇進行操作。5 / 68I：定量灌裝，Ⅱ：上蓋，Ⅲ：將蓋擰緊，Ⅳ：貼商標，Ⅴ：待裝盒裝箱1：推瓶板，2：限位撥盤，3，11，13：傳送帶，4：傳送盤，5：瓶子，6：上蓋機構，7：料斗，8：擰緊機構，9：商標盒，10：漿糊盒，12：推料板，14：貯液箱，15：灌裝管圖 直線灌裝機工作原理圖 這種灌裝機相對旋轉灌裝機來講，結構比較簡單，制造方便，但占地面積比較大，而且是間歇運動，生產(chǎn)能力的提高也受到一定限制，因此一般只用于無汽液料類的灌裝，局限性較大。 灌裝的基本方法介紹 各種液體產(chǎn)品的物理性質和化學性質均不相同，在灌裝過程中，為了使產(chǎn)品的特性保持不變，必須采用不同的灌裝方法。一般灌裝機常采用下列幾種灌裝方法：（1）常壓法 常壓法也稱純重力法，即在常壓下，液料依靠自重流進包裝容器內(nèi)。大部分能自由流動的不含氣液料都可用此法灌裝，例如白酒、果酒、牛奶、醬油、醋等。（2）等壓法 等壓法也稱壓力重力式灌裝法，即在高于大氣壓的條件下，首先對包裝容器充氣，使之形成與貯液箱內(nèi)相等的氣壓，然后再依靠被灌液料的自重流進包裝容器內(nèi)。這種方法普遍用于含氣飲料，如啤酒、汽水、汽酒等的灌裝。采用此種方法灌裝，可以減少這類產(chǎn)品中所含 CO2 的損失，并能防止灌裝過程中過量起泡而影響產(chǎn)品質量和定量精度。（3）真空法真空法是在低于大氣壓的條件下進行灌裝的，可按兩種方式進行：（a）壓差真空式6 / 68即貯液箱內(nèi)處于常壓，只對包裝容器抽氣使之形成真空，液料依靠貯液箱與待灌容器間的壓差作用產(chǎn)生流動而完成灌裝，國內(nèi)此種方法較常用。（b）重力真空式即貯液箱內(nèi)處于真空，包裝容器首先抽氣使之形成與貯液箱內(nèi)相等的真空，隨后液料依靠自重流進包裝容器內(nèi)，因結構較復雜，國內(nèi)較少用。真空法灌裝應用面較廣，它即適用于灌裝粘度稍大的液體物料，如油類、糖漿等。也適用于灌裝含維生素的液體物料，如蔬菜汁、果子汁等，瓶內(nèi)形成真空就意味著減少了液料與空氣的接觸，延長了產(chǎn)品的保質期，真空法還適用于灌裝有毒的物料，如農(nóng)藥等，以減少毒性氣體的外溢，改善勞動條件。 （4）壓力法利用機械壓力或氣壓，將被灌物料擠入包裝容器內(nèi)，這種方法主要用于灌裝粘度較大的稠性物料，例如灌裝番茄醬、肉糜、牙膏、香脂等。有時也可用于汽水一類軟飲料的灌裝，這時靠汽水本身的氣壓直接灌入未經(jīng)充氣等壓的瓶內(nèi)，從而提高了灌裝速度，形成的泡沫因汽水中無膠體尚易消失，對灌裝質量有一定影響 [7]。 灌裝機以及灌裝方式的確定 灌裝機的確定 旋轉式灌裝機無論在生產(chǎn)效率還是在生產(chǎn)質量上都遠遠高于直線型灌裝機，對比直線性灌裝機，旋轉式灌裝機的設備更高效化、自動化和節(jié)能化。今天的旋轉式灌裝機自動灌裝機的生產(chǎn)能力己達每分鐘 2022 瓶。因此本設計采用旋轉式灌裝機來進行研究。 灌裝方式的確定灌裝方式的選擇，除了考慮液體本身的工藝性能如粘度、重度、含氣性、揮發(fā)性外，還必須考慮產(chǎn)品的工藝要求、灌裝機的機械結構等綜合因素。對于一般的食用液料如瓶裝牛奶、瓶裝酒類、碳酸飲料等，可以采用真空—等壓法，也可直接采用等壓法。真空—等壓法是灌裝前對瓶內(nèi)抽取真空，然后再充入 CO2 進行等壓灌裝。為了減少灌裝時酒料類的液體的含氧氣量，以便延長產(chǎn)品的保質期，采用較大的真空度的—等壓法更有利。采用真空法其灌裝閥的結構較簡單，液漏損失小。但是真空法較之等7 / 68壓法需增加設備成本，而且，氧氣量對碳酸飲料的影響不大，在節(jié)能的方面考慮，可直接采用等壓灌裝法。碳酸飲料采用等壓灌裝法可以有效的防止灌裝過程中 C02 氣體的損失，等壓灌裝即先向瓶子中充氣，使容器內(nèi)壓力與貯液缸內(nèi)的壓力相等，再將貯液缸內(nèi)的液體灌入容器內(nèi)。貯液缸是全封閉的，它由貯液室、背壓氣室、回氣室三室組成。在往貯液缸輸送液體之前，先往貯液缸內(nèi)通入壓縮氣體（無菌空氣或 CO2，使貯液缸的氣室保持一定的壓力（0. 1 ~0. 9MPa ），該氣體壓力必須等于或稍高于液體物料中 CO2 溶解量的飽和壓力，使飲料中的 CO2 溶解。等壓灌裝法可以減少 CO2 的損失，保持含氣飲料的質量，并能防止灌裝中過量泛泡，保證灌裝計量準確。所以本系統(tǒng)在設計中選用等壓灌裝法。8 / 682 汽水灌裝機控制系統(tǒng)設計方案 總體設計思路根據(jù)要求和目前生產(chǎn)線的具體情況，并結合目前先進裝配系統(tǒng)的設計方案，確定了以下總體設計思路。采用可編程控制器(PLC)作為控制系統(tǒng)的主控制元件，傳感器作為檢測元件構成生產(chǎn)、控制系統(tǒng)。一臺上位計算機通過通訊網(wǎng)絡與 PLC 相連，用于生產(chǎn)線的監(jiān)控和產(chǎn)品數(shù)據(jù)的記錄處理。整條汽水灌裝機控制系統(tǒng)由一臺 PLC、灌裝機以及次品撿出器和指示燈等其它元件構成。瓶子在灌裝機中依次完成：進氣，進液回氣；停止進液；排除余液等 4 個步驟。同時生產(chǎn)線上的各種檢測狀態(tài)傳感器全部接入到 PLC 中，由 PLC 根據(jù)傳感器的檢測狀態(tài)通過編制好的程序控制整個系統(tǒng)工作。操作時，在PLC 上編制好的程序作為系統(tǒng)工作的條件。通過PLC上的開關和指示燈等進行對系統(tǒng)功能的操作和監(jiān)控系統(tǒng)的工作過程 [9]。 汽水灌裝機控制系統(tǒng)的具體流程 系統(tǒng)采用了國際上較為先進的灌裝設備—旋轉型全自動灌裝機。設計的灌裝過程是：洗瓶機將瓶子的里外洗凈并經(jīng)檢查后，由傳送帶送入自動灌裝機的限位機構，根據(jù)規(guī)定的要求按一定的距離排列好，限位機構準確地將瓶送入瓶的升降機構。升降機構把升降托盤頂起，瓶子隨之上升，當瓶口卡住閥門的定心罩時打開多移閥的氣門，充氣等壓，然后打開液門，進行灌液，灌液完畢后進行壓力釋放，然后關閉液門、氣門。完成上述幾步之后，瓶子的升降機構立即進入下降滑道，在下降滑道的作用下，升降托盤被滑道強制下降，因而裝好的瓶子隨之下降到最低位置，當轉過一定角度后，瓶子進入傳遞輪子的區(qū)域，被傳遞輪子退出，送去進行上蓋并包裝，這樣就完成了整個灌裝工作的一個工作循環(huán)過程。系統(tǒng)設計流程圖如圖 所示。9 / 68開始灌裝機啟動進瓶傳送帶啟動托盤上升開始充 C O2結束開始灌液次品撿出器啟動NNY停止灌液排氣除余液 托盤下降送出灌裝成品壓蓋N次品提示燈亮計數(shù)器 1計數(shù)器 2包裝撿出次品托盤下降托盤有壓力嗎 ?6 S 內(nèi)定心罩有壓力嗎 ?6 S 內(nèi)氣閥有氣壓嗎 ?YN6 S 到了嗎 ?托盤停止上升停止充 C O2YN6 S 到了嗎 ?6 SYY次品撿出器停止圖 系統(tǒng)設計流程圖10 / 683 汽水灌裝機控制系統(tǒng)的硬件設計 PLC 的選型 選擇 PLC 控制的原因可編程控制器是以微處理器為核心的專用計算機，是專為工廠現(xiàn)場應用環(huán)境設計的，利用它面向用戶的編程語言，不僅能實現(xiàn)邏輯控制，還能實現(xiàn)各種順序和定時控制以及復雜的閉環(huán)控制 ；利用它內(nèi)部大量的輔助繼電器可以實現(xiàn)無觸點控制；利用它控制可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、在惡劣環(huán)境下能長時間不間斷運行、編程容易且維護工作量小、還配有通訊接口和各種模塊的特點，可以把它作為下位機放在自動生產(chǎn)線的工作現(xiàn)場完成各種控制任務。正是因為可編程控制器有這些優(yōu)良的特性，再加上飲料灌裝過程中有大量的順序控制，所以選用 PLC 來對灌裝設備進行控制。 PLC 介紹可編程控制器是 60 年代末在美國首先出現(xiàn)的，當時叫可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用來取代繼電器。以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能。提出 PLC 概念的是美國通用汽車公司。PLC 的基本設計思想是把計算機功能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結合起來，控制器的硬件是標準的、通用的。根據(jù)實際應用對象，將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內(nèi)，使控制器和被控對象連接方便。70 年代中期以后，PLC 已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時的 PLC 已不再是僅有邏輯（Logic ）判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID 調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能。國際電工委員會（IEC）頒布的可編程控制器標準草案中對可編程控制器作了如下的定義：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外圍設備，易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的設計 [3]。 可編程控制器對用戶來說，是一種無觸點設備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝。目11 / 68前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的普及推廣應用?？删幊炭刂破魇敲嫦蛴脩舻膶Ｓ霉I(yè)控制計算機，具有以下明顯的特點：（1）可靠性高，抗干擾能力強：PLC 采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。同時在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。（2）編程直觀、簡單：梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC 的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。（3）適應性好：PLC 產(chǎn)品在抗電磁、噪聲干擾、有害廢氣的腐蝕、高溫、粉塵等惡劣條件有很高的能力。能直接和現(xiàn)場各種單元相連接。（4）功能完善，接口功能強：除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。雖然計算機控制技術已經(jīng)產(chǎn)生，但是 PLC 控制因為它的高性能、成本低、并且對惡劣的環(huán)境有很強的適應能力而在工業(yè)控制的廣泛應用中保持優(yōu)勢 [2]。 PLC 型號的選擇本設計選用 OMRON 公司的 CPM2A 型 PLC。能基本滿足系統(tǒng)設計的要求。日本 OMRON 公司是世界上生產(chǎn)可編程序控制器（PC）的著名廠家之一，OMRON 的大、中、小、微型機各具特色各有所長，在中國市場上的占有率位居前列，在國內(nèi)用戶中享有較高聲譽。1999 年，OMRON 在推出 CS1 系列的同時，在小型機方面相繼推出 CPM2A/CP M2C/CPM2AE、CQM1H 等機型。CPM2A 是 CPM1A 之后的另一系列機型。CPM2A 的功能比 CPM1A 有新的提升，例如，CPM2A 指令的條數(shù)增加、功能增強、執(zhí)行速度加快，可擴展的 I/O 點數(shù)、PC內(nèi)部器件的數(shù)目、程序容量、數(shù)據(jù)存儲器容量等也都增加了；所有 CPM2A 的 CPU 單元都自帶 RS232C 口，在通信聯(lián)網(wǎng)方面比 CPM1A 改進不少。CPM2A 的基本指令與 CPM1A 相同，都是 14 種，但 CPM2A 的應用指令增加到105 種、185 條；CPM2A 的工作速度明顯加快，基本指令 LD 的執(zhí)行時間為 ，應用指令 MOV 的執(zhí)行時間為 ；程序容量增加到 4096 字；讀/寫 DM 增加到 2048字；最大 I/O 點數(shù)可擴展到 120 點；內(nèi)部器件數(shù)目也有增加，如內(nèi)部輔助繼電器區(qū)12 / 68（IR）928 位，特殊繼電器區(qū)（SR）448 位，定時器 /計數(shù)器 256 位，輔助繼電器區(qū)（AR）384 位 [1]。 PLC 硬件系統(tǒng)的連接系統(tǒng)采用了 OMRON 的 CPM2A 型號 PLC，其主機上有 12 點輸入，8 點輸出。汽水灌裝機控制系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)采用上位機和下位機組成，下位機直接控制汽水灌裝機控制系統(tǒng)中各個設備的工作運行，上位機負責對系統(tǒng)的工作運行的狀況進行監(jiān)視，其中上位機通過 COM 端口用 RS232 與 PLC 相連進行通信的，而 PLC 需先接入 220V 交流電源，再將啟動﹑停止按鈕以及各個限位開關通過 24V 直流電源連接到 PLC 的輸入端口上，系接線圖，如圖 所示 [4]。 圖 系統(tǒng)硬件連接圖13 / 68 灌裝機的傳動原理 旋轉型自動灌裝機，所用的動力都是電動機，其功率一般在 1~3 千瓦之間，電動機的轉速通常是很高的，而灌裝機的轉速不過每分鐘幾轉，滿足不了灌裝工作的要求，因此，它的傳動就需要一套合理的變速系統(tǒng)。有的灌裝機上還采用調(diào)速電機，直接無級變速，但這種傳動對電機要求很高，必須防塵、防水等，而且價格也較貴。 對于旋轉型灌裝機傳動部分的要求有以下幾點：（1）傳動平穩(wěn) 由于主機完成