【正文】 灌裝時(shí)，每個(gè)灌裝頭對(duì)應(yīng)一個(gè)。對(duì)于 XG24128 型灌裝機(jī)灌裝的核心技術(shù)研究本章主要圍繞以下三個(gè)方面進(jìn)行：（ 1) 一個(gè)伺服菜控制兩個(gè)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(jī)以實(shí)現(xiàn)快速、精確的換向。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 35 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 36 第 4 章 XG24128 型灌裝機(jī)灌裝關(guān)鍵技術(shù)研究 前面介紹過， XG24128 型灌裝機(jī)最大的特點(diǎn)是灌裝部分采用 個(gè)伺服泵同時(shí)控制兩個(gè)灌裝頭并實(shí)現(xiàn)連續(xù)灌裝的控制設(shè)計(jì)，這也是此灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 30號(hào)傳感器為位置檢測(cè)傳感器，當(dāng)旋蓋頭下降到此位置時(shí)，傳感器將信號(hào)傳送給 PLC, PLC控制加蓋伺服電機(jī)停止，加蓋動(dòng)作完成。 5~16 號(hào)傳感器為 1~12 號(hào)灌裝泵上極限位檢測(cè)傳感器，相應(yīng)地 1728 號(hào)傳感器為 12個(gè)灌裝泵下極限位檢測(cè)傳感器，灌裝泵在伺服電機(jī)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。 3號(hào)為有無瓶檢測(cè)傳感器，當(dāng)檢測(cè)到有瓶時(shí)，傳感器把檢測(cè)信號(hào)發(fā)給 PLC,使相應(yīng)的伺服泵啟動(dòng)，執(zhí)行灌裝動(dòng)作；若無瓶，則相應(yīng)的伺服泵不動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)無瓶不灌裝的功能。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 圖 311 為傳感器布置圖，圖中實(shí)心方塊所示 1~32 號(hào)為傳感器。擋瓶電磁體彈片彈出時(shí)間 T后， Y37 輸出使得中間繼電器 KA2 失 電 ，繼而彈片吸合，進(jìn)入下一工作循環(huán)。 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。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(cè)相應(yīng)工位無瓶時(shí)，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(diǎn)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(shí)現(xiàn)無瓶不加蓋的功能。 為了使灌裝主電機(jī)和出瓶輸送電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)，灌裝主電機(jī)和出瓶輸送電機(jī)之前連接有變頻器，連接圖如圖 38所示。這部分電機(jī)的功率及規(guī)格如表37 所示。 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)。當(dāng)不需用此功能時(shí)，脫機(jī)端可懸空。此狀態(tài)可有效降低驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的功耗和溫升。無論是單脈沖還是 雙脈沖都以光耦從截止到導(dǎo)通作為有效接受信號(hào)。 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。 此外，可以通過驅(qū)動(dòng)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(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)標(biāo)識(shí)，既可以實(shí)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)。系統(tǒng)選用的步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)及基本規(guī)格如表 36 所示。根據(jù)設(shè)計(jì)，每次換向時(shí)，伺服泵要根據(jù)需要精確旋轉(zhuǎn) 120 度，且不能有累積誤差。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。選定電機(jī)以后，電機(jī)的步距角及細(xì)分?jǐn)?shù)也就確定了， 步 距角與細(xì)分?jǐn)?shù)的比值即為每輸入一個(gè)脈沖時(shí) 步 進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)量，即脈沖當(dāng)量，它決定 步 進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度。同吋 步 進(jìn)電機(jī)還具有轉(zhuǎn)子慣量小，無漂移現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，與其他數(shù)字設(shè)備配合使用時(shí)，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。 步 進(jìn)電機(jī)的 步 距確定以后，輸入的脈沖總數(shù) 就決定了電機(jī)的位移量，且它們之前呈嚴(yán)格的比例關(guān)系，因此 步 進(jìn)電機(jī)的誤差累積是比電動(dòng)機(jī)和伺服電機(jī)要小得多，更是消除了累積誤差。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。在灌裝組件，需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的有負(fù)責(zé)灌裝的 12 臺(tái)伺服電機(jī)和換向的 12 臺(tái) 步 進(jìn)電機(jī)，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。 XG24128 型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)選用的 QD70P8 定位模塊可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì) 8 軸的運(yùn)動(dòng)控制。當(dāng) QD70 不再輸出脈沖時(shí)，由于脈沖累積減少，伺服電機(jī)減速，直到脈沖計(jì)數(shù)為零時(shí)停止。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。圖 34 為位置控制和速度控制之間的關(guān)系圖。 QD70 定位模塊每發(fā)出一個(gè)脈沖指令，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，從而使執(zhí)行件移動(dòng)相應(yīng)的距離，也就是說執(zhí)行件每一脈沖的移動(dòng)量是其移動(dòng)的最小單位，此單位越小，移動(dòng)精度就越高。由于 QD70 定位模塊是用輸出脈沖的方式進(jìn)行控制，所以位置控制時(shí)需要確定移動(dòng)指令距離所需輸出脈沖的總數(shù)。 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。 使用 QD70 模塊進(jìn)行定位控制時(shí)， PLC CPU 的主要作用是存儲(chǔ)創(chuàng)建的程序，在存儲(chǔ)程江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 序后， QD70 輸出定位啟動(dòng)信號(hào)和軸停止信號(hào) [12]。將伺服放大器 CN1 模塊上的相關(guān)信號(hào)連接到 QD70P8 模塊上，通過 QD70P8 來設(shè)置各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)方向、控制方式、旋轉(zhuǎn)速度、運(yùn)動(dòng)位移等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。第一套伺服泵控制 1 號(hào)、 13 號(hào)灌裝頭，第二套伺服泵控制 2號(hào)、 14 號(hào)灌裝頭，以此類推。 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。所以灌裝組件的 12 臺(tái)伺服電機(jī)采用如圖 33所示的串連方式，既可以減少輸出點(diǎn)數(shù)及接觸器的使用，又不影響系統(tǒng)的性能。在這種連接方式中，每個(gè)伺服放大器的 ALARM 信號(hào)都要連接到 PLC 的輸出模塊中，占用一個(gè)輸出點(diǎn)，并將每個(gè)伺服模塊的接觸器串連在報(bào)警電路中，目的是任意一個(gè)伺服模塊發(fā)生異常，系統(tǒng)都能停止運(yùn)行。伺服放大器上有 USB接口和 RS422通訊接口，可以通過它與上位機(jī)或具有伺服設(shè)置功能的計(jì)算機(jī)相連，對(duì)伺服放大器進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)的設(shè)計(jì)和編輯以及顯示設(shè)定等。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?；?以上條件，選擇灌裝所用的動(dòng)力由伺服電機(jī)提供，根據(jù)需要選擇的伺服電 機(jī)的型號(hào)如表 35所示。伺服電機(jī)最大的特點(diǎn)是可控性好，有電信號(hào)輸入時(shí)，伺服電機(jī)就按照控制信號(hào)的要求轉(zhuǎn)動(dòng)；沒有電信號(hào)輸入時(shí)，就停止運(yùn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的可控性好。 伺服電機(jī)控 制設(shè)計(jì) XG24128 型灌裝機(jī)共有 20 套伺服電機(jī)，其中灌裝組件有 12 套，分別與 12 套陶瓷泵相連接，為陶瓷泵吸液及灌液提供動(dòng)力；加蓋組件有 8 套，為 8 套旋蓋頭提供動(dòng)力，本小節(jié)主要研究灌裝組件的 12 套伺服電機(jī)。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。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 輸入 /輸出點(diǎn)的確定 PLC 的輸入 /輸出單元也就是 I/O 單元，它是 PLC 與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的連接接口，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工作命令或運(yùn)轉(zhuǎn)信息通過輸入接 口傳送給 PLC 系統(tǒng)， PLC 系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行過濾、存儲(chǔ)、判斷、運(yùn)算等，將工作命令以輸出信號(hào)的形式傳送給工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成工作命令。 PLC 系統(tǒng)采用擴(kuò)展模式時(shí)，需要在擴(kuò)展模塊上設(shè)置擴(kuò)展的級(jí)數(shù)。 根據(jù)表 31所示灌裝機(jī)選用的 PLC 產(chǎn)品，設(shè)計(jì) XG24128 型灌裝機(jī) PLC 控制系統(tǒng)的組成圖如圖 32所示。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。它與原 A 系列 PLC 相比最大的特點(diǎn)是采用模塊化設(shè)計(jì)，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)。 此外，三菱電機(jī)該系列的觸摸屏除了最基本的一對(duì)一功能外，也能一臺(tái)觸摸屏對(duì)多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行操作、監(jiān)控或多臺(tái)觸摸屏串聯(lián)起來同時(shí)與同一產(chǎn)品連接；一臺(tái)觸摸屏有 4個(gè)通道，分別對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行設(shè)置后可連接不同的產(chǎn)品；該系統(tǒng)的觸摸屏容量增加到 57MB，畫面設(shè)計(jì)時(shí)可以存儲(chǔ)更多的高清晰度圖片，可添加自定義的畫面設(shè)計(jì)部件庫，運(yùn)用更多更形象的設(shè)計(jì)部件。 XG24128 型灌裝機(jī)選用的人機(jī)界面是三菱電機(jī) 的 GT1575 系列的觸摸屏，該系列的觸摸屏分辨率為 640*480，顯示色為 256 色，可視角度廣，亮度高，帶有多種類型的接口可連接控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)和計(jì)算機(jī)等，也可以與打印機(jī)、音頻設(shè)備相接，對(duì)信號(hào)進(jìn)行輸出。 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。灌裝機(jī)控制系統(tǒng)選用的是可用于 8 軸控制的 QD70P8 定位模塊對(duì)灌裝伺服電機(jī)及換向 步 進(jìn)電機(jī)進(jìn)行速度控制。 運(yùn)動(dòng)控制模塊 運(yùn)動(dòng)控制模塊是三菱 PLC智能功能模塊中對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制時(shí)運(yùn)用比較多的一種，它主要是與步進(jìn)電機(jī)或 伺服電機(jī)配合使用來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的速度控制或是定位控制。（ 4)安全性好，可在線對(duì)模塊進(jìn)行更換，系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，不用停止整個(gè)控制系統(tǒng)就可以更換模塊并且兼容性能好。（ 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。系統(tǒng)選用的 Q06HCPU 為高性能 Q 系列 PLC CPU,它的單機(jī)最大 I/O 控制點(diǎn)數(shù)為 40%點(diǎn)，可控制模塊數(shù)可達(dá) 64 塊，若系統(tǒng)所需的 I/O 控制點(diǎn)數(shù)更多，可選用擴(kuò)展 I/O模塊來增加控制點(diǎn)數(shù)。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 按上表所示方法對(duì)擴(kuò)展基板 1和擴(kuò)展 基 板 2進(jìn)行電源輸出電 流的校核： 擴(kuò)展基板 1上各模塊 DC 5V 消耗電流的合計(jì)值為 ()電源模塊 Q61P 的輸出電流（ 6A)，滿足要求； 擴(kuò)展基板 2 上各模塊 DC 5V 消耗電流的合計(jì)值為（ 電源模塊 Q61P 的輸出電流（ 6A)滿足要求。進(jìn)行電源模塊選擇時(shí)，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。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。基板上一般需要安裝有電源模塊，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(dòng)控制模塊等，同時(shí)承擔(dān)著在 CPU、 I/O 模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊之間進(jìn)行控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔?。工業(yè)觸摸江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(hào)在表中未列出）。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(hào)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(hào)，此外，監(jiān)控器、其他 PLC、外部存儲(chǔ)器等還可以通過外部設(shè)備接口與 PLC CPU 進(jìn)行信號(hào)傳輸。 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。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(jì) ” 的專用計(jì)算機(jī)，它的結(jié)構(gòu)和組成也具有一般計(jì)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。 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(duì)電磁體、電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，還要對(duì)伺服電機(jī)、 步 進(jìn)電機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，使整個(gè)灌裝動(dòng)作精確、有序地 完成，這就對(duì)其硬件配置提出了更高的要求。 一般來說，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，輸入元件的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，而控制中心和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及型號(hào)選取直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。 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。 電磁體：止蓋電磁體、擋瓶電磁體。 步 進(jìn)電機(jī)： 步 進(jìn)電機(jī)（ 步 進(jìn)馬達(dá) +步 進(jìn)驅(qū)動(dòng)器）共有 12 套，用于灌裝陶瓷泵的精確換向。 控制中心： XG24128 型灌裝機(jī)輸入 /輸出信號(hào)多，且要求控制速度快而準(zhǔn)確，時(shí)間延遲盡可能小，控制對(duì)象既有開關(guān)量也有模擬量，需對(duì) 20 臺(tái)伺服電機(jī)和 12 臺(tái)步進(jìn)電機(jī)進(jìn) 行運(yùn)動(dòng)控制，且所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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。此工藝流程也是旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)的典型 工藝流程。 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。 (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(hào)，執(zhí)行工作命令常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有：電動(dòng)機(jī)、電磁體、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。 (2)控制中心