【文章內(nèi)容簡介】 星組態(tài)畫面的設(shè)計，首先對該軟件進(jìn)行了簡單的介紹，然后結(jié)合 PLC 控制原理與程序流程圖，實(shí)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(shí)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(jī)的主要類型 按灌裝瓶的主要運(yùn)動形式分類 旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī) 待灌瓶由傳送系統(tǒng)（一般經(jīng)洗瓶機(jī)由輸送帶輸入）或人工送入灌裝機(jī)進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)，瓶子由灌裝機(jī)轉(zhuǎn)盤帶動繞主立軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行連續(xù)灌裝，轉(zhuǎn)動近一周時瓶子己灌滿，然后由轉(zhuǎn)盤送入壓蓋機(jī)進(jìn)行壓蓋，如圖 所示。圖 灌裝過程的俯視圖 這種灌裝機(jī)在食品、飲料行業(yè)應(yīng)用最廣泛，如汽水、果汁、啤酒、牛奶的灌裝，此機(jī)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(zhuǎn)盤、傳動系統(tǒng)、機(jī)體、自控等部分所組成，其中灌裝閥是保證灌裝機(jī)能否正常工作的關(guān)鍵。 直線型灌裝機(jī) 灌裝瓶沿著平直的直線運(yùn)動，進(jìn)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(jìn)行灌裝，間歇進(jìn)行操作。5 / 68I：定量灌裝，Ⅱ：上蓋，Ⅲ：將蓋擰緊，Ⅳ：貼商標(biāo)，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(jī)構(gòu)，7：料斗，8：擰緊機(jī)構(gòu)，9：商標(biāo)盒，10：漿糊盒，12：推料板，14：貯液箱，15：灌裝管圖 直線灌裝機(jī)工作原理圖 這種灌裝機(jī)相對旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)來講，結(jié)構(gòu)比較簡單，制造方便，但占地面積比較大，而且是間歇運(yùn)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(zhì)和化學(xué)性質(zhì)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(zhì)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(jìn)行灌裝的，可按兩種方式進(jìn)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(jìn)包裝容器內(nèi)，因結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，國內(nèi)較少用。真空法灌裝應(yīng)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(zhì)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(jī)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(zhì)量有一定影響 [7]。 灌裝機(jī)以及灌裝方式的確定 灌裝機(jī)的確定 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)無論在生產(chǎn)效率還是在生產(chǎn)質(zhì)量上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直線型灌裝機(jī)，對比直線性灌裝機(jī)，旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的設(shè)備更高效化、自動化和節(jié)能化。今天的旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)自動灌裝機(jī)的生產(chǎn)能力己達(dá)每分鐘 2022 瓶。因此本設(shè)計采用旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)來進(jìn)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(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jìn)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(zhì)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(jié)構(gòu)較簡單，液漏損失小。但是真空法較之等7 / 68壓法需增加設(shè)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(zhì)量，并能防止灌裝中過量泛泡，保證灌裝計量準(zhǔn)確。所以本系統(tǒng)在設(shè)計中選用等壓灌裝法。8 / 682 汽水灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計方案 總體設(shè)計思路根據(jù)要求和目前生產(chǎn)線的具體情況，并結(jié)合目前先進(jìn)裝配系統(tǒng)的設(shè)計方案，確定了以下總體設(shè)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(gòu)成生產(chǎn)、控制系統(tǒng)。一臺上位計算機(jī)通過通訊網(wǎng)絡(luò)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(jī)控制系統(tǒng)由一臺 PLC、灌裝機(jī)以及次品撿出器和指示燈等其它元件構(gòu)成。瓶子在灌裝機(jī)中依次完成：進(jìn)氣，進(jìn)液回氣；停止進(jìn)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(guān)和指示燈等進(jìn)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(jī)控制系統(tǒng)的具體流程 系統(tǒng)采用了國際上較為先進(jìn)的灌裝設(shè)備—旋轉(zhuǎn)型全自動灌裝機(jī)。設(shè)計的灌裝過程是：洗瓶機(jī)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(jī)的限位機(jī)構(gòu)，根據(jù)規(guī)定的要求按一定的距離排列好，限位機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確地將瓶送入瓶的升降機(jī)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)把升降托盤頂起，瓶子隨之上升，當(dāng)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(jìn)行灌液，灌液完畢后進(jìn)行壓力釋放，然后關(guān)閉液門、氣門。完成上述幾步之后，瓶子的升降機(jī)構(gòu)立即進(jìn)入下降滑道，在下降滑道的作用下，升降托盤被滑道強(qiáng)制下降，因而裝好的瓶子隨之下降到最低位置，當(dāng)轉(zhuǎn)過一定角度后，瓶子進(jìn)入傳遞輪子的區(qū)域，被傳遞輪子退出，送去進(jìn)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(shè)計流程圖如圖 所示。9 / 68開始灌裝機(jī)啟動進(jìn)瓶傳送帶啟動托盤上升開始充 C O2結(jié)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(shè)計流程圖10 / 683 汽水灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)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(jī)，是專為工廠現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境設(shè)計的，利用它面向用戶的編程語言，不僅能實(shí)現(xiàn)邏輯控制，還能實(shí)現(xiàn)各種順序和定時控制以及復(fù)雜的閉環(huán)控制 ；利用它內(nèi)部大量的輔助繼電器可以實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)控制；利用它控制可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、在惡劣環(huán)境下能長時間不間斷運(yùn)行、編程容易且維護(hù)工作量小、還配有通訊接口和各種模塊的特點(diǎn)，可以把它作為下位機(jī)放在自動生產(chǎn)線的工作現(xiàn)場完成各種控制任務(wù)。正是因?yàn)榭删幊炭刂破饔羞@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(shè)備進(jìn)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(dāng)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(shè)計思想是把計算機(jī)功能完善、靈活、通用等優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)結(jié)合起來，控制器的硬件是標(biāo)準(zhǔn)的、通用的。根據(jù)實(shí)際應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)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(yùn)算，順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的設(shè)計 [3]。 可編程控制器對用戶來說，是一種無觸點(diǎn)設(shè)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(qiáng)有力工具，得到了廣泛的普及推廣應(yīng)用?？删幊炭刂破魇敲嫦蛴脩舻膶Ｓ霉I(yè)控制計算機(jī)，具有以下明顯的特點(diǎn)：（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)：PLC 采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。同時在應(yīng)用軟件中，應(yīng)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(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。（2）編程直觀、簡單：梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。（3）適應(yīng)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(qiáng)：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(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。雖然計算機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生，但是 PLC 控制因?yàn)樗母咝阅?、成本低、并且對惡劣的環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)能力而在工業(yè)控制的廣泛應(yīng)用中保持優(yōu)勢 [2]。 PLC 型號的選擇本設(shè)計選用 OMRON 公司的 CPM2A 型 PLC。能基本滿足系統(tǒng)設(shè)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(jī)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(yù)。1999 年，OMRON 在推出 CS1 系列的同時，在小型機(jī)方面相繼推出 CPM2A/CP M2C/CPM2AE、CQM1H 等機(jī)型。CPM2A 是 CPM1A 之后的另一系列機(jī)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(qiáng)、執(zhí)行速度加快，可擴(kuò)展的 I/O 點(diǎn)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(jìn)不少。CPM2A 的基本指令與 CPM1A 相同，都是 14 種，但 CPM2A 的應(yīng)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(yīng)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(diǎn)數(shù)可擴(kuò)展到 120 點(diǎn)；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(jī)上有 12 點(diǎn)輸入，8 點(diǎn)輸出。汽水灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)采用上位機(jī)和下位機(jī)組成，下位機(jī)直接控制汽水灌裝機(jī)控制系統(tǒng)中各個設(shè)備的工作運(yùn)行，上位機(jī)負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的工作運(yùn)行的狀況進(jìn)行監(jiān)視，其中上位機(jī)通過 COM 端口用 RS232 與 PLC 相連進(jìn)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(guān)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(jī)的傳動原理 旋轉(zhuǎn)型自動灌裝機(jī)，所用的動力都是電動機(jī)，其功率一般在 1~3 千瓦之間，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速通常是很高的，而灌裝機(jī)的轉(zhuǎn)速不過每分鐘幾轉(zhuǎn)，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(jī)上還采用調(diào)速電機(jī)，直接無級變速，但這種傳動對電機(jī)要求很高，必須防塵、防水等，而且價格也較貴。 對于旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)傳動部分的要求有以下幾點(diǎn)：（1）傳動平穩(wěn) 由于主機(jī)完成