【正文】 washing, filling and spinning caps. The machineryfills the 500ml pet bottle at a speed of 18000BPH, the efficiency of single tip sealinglid can reach 20002200 bottle/hour, and the blunder of filling capability isn39。全球包裝機械無論是從技術(shù)、產(chǎn)品或市場占有情況等諸多方面比較，美國和日本稱得上是包裝強國，德國和意大利緊隨其后。其包裝設(shè)備與其他產(chǎn)品一樣，以高、精、尖著稱，而且由于計算機信息技術(shù)比其他國領(lǐng)先，且計算機在工業(yè)中的使用和普及比其他國家都早，所以計算機技術(shù)被廣泛應(yīng)用于包裝機械中，較早地形成了機電一體化控制模式[2]。日本小型和微型電子技術(shù)較為成熟，所以其包裝工業(yè)雖然起步較晚，但在消化他國的技術(shù)中，將其擅長的微電子技術(shù)應(yīng)用其中，特別是后來的工業(yè)機器人技術(shù)和模塊化技術(shù)等的應(yīng)用，為包裝工業(yè)的發(fā)展提供了更多的空間，至今仍影響著包裝機械的走向。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]。美國和日本等發(fā)達工業(yè)國家發(fā)展工業(yè)之時正是我國制造工業(yè)的低谷，包裝機械與其他工業(yè)產(chǎn)品一樣也是新中國成立之后才開始起步的。此時為了提高我國包裝工業(yè)的技術(shù)水平，大量進口國外的先進技術(shù)和生產(chǎn)線，消化吸收并進行改良，發(fā)展自己的包裝工業(yè)[3][4]。傳統(tǒng)的灌裝機或灌裝生產(chǎn)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。除此之外，近年來美國和日本等發(fā)達工業(yè)國家的灌裝機在灌裝速度上也有很大提升，Krones公司生產(chǎn)的灌裝機灌裝頭的數(shù)量已可達178頭，灌裝機直徑大至5米，且可以實現(xiàn)灌裝機直徑增大轉(zhuǎn)速提升的情況下保證灌裝容器的穩(wěn)定性[2]。我國灌裝設(shè)備的制造水平與這些國家相比還存在比較大的差距，國內(nèi)灌裝機生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小，且很多生產(chǎn)企業(yè)主要還是靠引進國外的技術(shù)和生產(chǎn)線，或在此基礎(chǔ)上對同類產(chǎn)品進行仿造。本課題研究目的和意義是對集清洗、灌裝、加蓋三合一體的旋轉(zhuǎn)型灌裝機XG24128進行控制系統(tǒng)研究，使其對500 ml PET瓶灌裝速度可達18000BPH以上，單個旋蓋頭的工作效率可達20002200瓶/小時。目前，美國、德國和意大利等國的灌裝設(shè)備設(shè)計制造水平相對較高，灌裝產(chǎn)品也呈現(xiàn)以下幾個方面的動向[4]：第一，灌裝速度提高。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。力在改變傳統(tǒng)灌裝機結(jié)構(gòu)笨重復(fù)雜，中間傳動元件多傳動精度降低，操作專業(yè)性高且維護成本高等缺點，最大程度地減少灌裝機的結(jié)構(gòu)零部件，降低制造成本，使得保證其生產(chǎn)的穩(wěn)定性的同時使操作簡單易學(xué)。同一臺灌裝機可以對不同灌裝介質(zhì)進行灌裝，可對不同類型、不同大小的灌裝容器進行灌裝；當(dāng)灌裝環(huán)境改變時，重要零部件的更換和維修方便簡單，零件的通用性增強。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。我國灌裝機械的發(fā)展與美國和日本等發(fā)達工業(yè)國家相比雖然還有很大差距，但是近年來由于經(jīng)濟快速發(fā)展，更多地包裝產(chǎn)品進入人們的日常生活，從而需要更多的包裝機械對其進行生產(chǎn)，所以包裝機械發(fā)展空間越來越大。同時，由于我國在光、電、磁及計算機應(yīng)用上的研究與國外發(fā)達國家存在不小的差距，這也使得我國灌裝機械在技術(shù)上的發(fā)展受到制約。國內(nèi)一些企業(yè)和高校對灌裝機的研究主要集中在其控制系統(tǒng)和灌裝精度方面，例如對一藥品灌裝機采用全伺服PLC控制系統(tǒng)，且設(shè)計有灌裝跟蹤系統(tǒng)及隨機稱量系統(tǒng)，使得灌裝自動化程度高，灌裝質(zhì)量好，且實現(xiàn)灌裝精度的隨時檢測。為了滿足高精度（灌裝容量誤差不大于3%。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。液體灌裝中，對灌裝精度和穩(wěn)定性影響最大的是灌裝介質(zhì)的黏度，其次是是否含有氣體，是否會起泡及是否含微小固體物及其含量等。根據(jù)灌裝介質(zhì)中是否含氣體或是否會生成氣體可將灌裝介質(zhì)分為：硬飲料（含酒精成分的含氣飲料）、軟飲料（不含酒精成分的含氣飲料）、不含氣體液體（如白酒和醋等）。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。負(fù)壓灌裝機：灌裝前先對灌裝容器抽真空使其形成負(fù)壓，然后再將灌裝介質(zhì)充填其中。但不適合于灌裝含芳香性的酒類，因為會增加酒香氣的損失。主要用于含氣體的灌裝介質(zhì)的灌裝設(shè)備，可減少氣體的損失。按包裝容器的主要運動形式分類旋轉(zhuǎn)型灌裝機：灌裝機的各個組成部分均為轉(zhuǎn)盤式，按相同的線速度進行旋轉(zhuǎn)，使得灌裝容器在各個灌裝盤之間運動。旋轉(zhuǎn)型灌裝機的實物圖如圖11所示。直線型灌裝機實物圖如圖12所示，直線式灌裝機應(yīng)用較早，灌裝技術(shù)較為成熟，但直線式比旋轉(zhuǎn)式的空間利用率小，而且灌裝時是靜止的，其灌裝效率受到一定影響，一般用于藥品的灌裝，正逐漸被旋轉(zhuǎn)型灌裝機替代。但目前較少使用。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。它采用可編程序的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制器、計數(shù)、定時和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或自動化設(shè)備以及生產(chǎn)過程。這種控制模式常采用繼電器與接觸器結(jié)合使用的控制方式，由各類有觸頭的電氣元件組成，通過觸頭的閉合或斷開來實現(xiàn)對電機的啟動控制、制動和調(diào)速控制。近年來，PLC以其獨有的特點迅速發(fā)展起來，越來越多地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，與繼電器模式相比，PLC具有以下優(yōu)點： 1)在應(yīng)用方面，PLC采用了微處理機技術(shù)和通信技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于順序控制、運動控制、通信、數(shù)據(jù)管理等領(lǐng)域，并具有極強的柔性；而繼電器的應(yīng)用范圍有限，對小型問題的解決往往連線復(fù)雜，使得控制柜龐大，可靠性降低，不具有柔性。3) 在可維護性上，繼電器控制模式是依靠電氣元件的機械觸頭動作來實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的功能，控制中使用的所有電氣元件都要進行接線，這就使得安裝變得相對較麻煩，而且出現(xiàn)故障時也不好找出故障根源，使系統(tǒng)維修和保養(yǎng)起來相對費時；PLC控制中大量的繼電器功能都是由系統(tǒng)軟元件或內(nèi)部繼電器來完成的，因此相對繼電器模塊來說，穩(wěn)定性有很大提高。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]。從物理介質(zhì)方面來講前者是要用具體的電氣元件來組合，而后者只是用到PLC的內(nèi)部寄存器，在PLC編程容量許可的范圍內(nèi)，可以不花費額外的費用來實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制。除此之外，PLC相對于其他的工業(yè)控制系統(tǒng)還具有更多的優(yōu)點[8][10]:1) 易操作且共用性好PLC技術(shù)經(jīng)過多年的研究和發(fā)展已日趨成熟，其產(chǎn)品也從原來的整機式向模塊式發(fā)展，并且產(chǎn)品品種多，種類齊全。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)。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)。4) 編程易學(xué)易懂可編程控制器采用梯形圖形式進行編程，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，用戶能方便的讀取程序并對程序進行編寫和修改。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。(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，但都能實現(xiàn)開關(guān)量的邏輯控制。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。(2)運動控制PLC有專門的運動控制模塊，如QD70系列，可以實現(xiàn)對多軸的復(fù)雜運動進行控制，控制精度高，響應(yīng)速度快。(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行控制，這些模擬量都是連續(xù)變化的，如壓力、溫度等。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。此外，PLC如一般計算機一樣可以進行數(shù)據(jù)存儲、不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取５?章XG24128型灌裝機控制系統(tǒng)方案設(shè)計 XG24128型灌裝機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，為24頭旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機，主要灌裝介質(zhì)為食用油和普通飲料。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型號為XG24128，下述中均以XG24128代表此灌裝機，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%。 XG24128型灌裝機的整體結(jié)構(gòu)論文所研究的XG24128型灌裝機三維示意圖（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灌裝機三維示意圖圖22灌裝機結(jié)構(gòu)圖1—機箱組件；2—風(fēng)道進瓶組件；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 機箱組件機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。過渡盤I空瓶由風(fēng)道進瓶組件進入洗瓶組件的過渡盤。空瓶從過渡盤I進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。過渡盤II空瓶由清洗組件進入灌裝組件的過渡盤。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電機控制的換向機構(gòu)，用于控制陶瓷泵在三個液口之間轉(zhuǎn)換。灌裝組件安裝有灌裝主電機，同時也是整個灌裝機的運轉(zhuǎn)電機，通過齒輪傳動系統(tǒng)帶動其他組件旋轉(zhuǎn)，使瓶子從進瓶組件完成整個灌裝流程由出瓶組件出瓶。供蓋機構(gòu)供蓋機構(gòu)的作用是向加蓋系統(tǒng)提供瓶蓋，并且保證在供蓋機構(gòu)的作用下，瓶蓋進入旋蓋頭時開口向下，以便于旋蓋。加蓋組件灌滿液體的瓶子經(jīng)由過渡盤III進入加蓋組件，在旋蓋頭的作用下將瓶蓋旋緊，完成加蓋。出瓶組件灌滿并加蓋完成以后的瓶子在導(dǎo)瓶盤作用下進入出瓶組件，由3個后輸送電機帶動，在出瓶口出瓶，完成整個灌裝流程。圖23為常用的電氣控制系統(tǒng)的組成圖。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。常用的控制中心部件有可編程控制器(PLC)和繼電器。 XG24128型灌裝機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)依托機械部分要實現(xiàn)的目標(biāo)，不同的工藝流程，其控制方案也不同?？掌吭陲L(fēng)力作用下進入風(fēng)道進瓶組件后，經(jīng)由過渡盤I進入到洗瓶組件，在洗瓶組件完成瓶子內(nèi)外壁的清潔后進入灌裝組件進行灌裝，灌裝完成后的瓶子在過渡盤III帶動下進入加蓋組件；與此同時，瓶蓋在供蓋機構(gòu)作用下進入加蓋組件，對灌滿后的瓶子完成加蓋動作后，在出瓶機構(gòu)的作用下出瓶，完成整個灌裝流程。 XG24128型灌裝機的控制方案根據(jù)XG24128型灌裝機的工藝要求，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。執(zhí)行元件：伺服電機：共有20套伺服系統(tǒng)（伺服馬達+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。電動機：共有13套，分別是系統(tǒng)運轉(zhuǎn)主電機即灌裝主電機（1套）、出瓶輸送電機（1套）、上蓋風(fēng)機（1套）、后輸送電機（4套）、沖冼泵電機（1套）、理蓋器電機（1套）、上蓋振動電機（1套）、散熱風(fēng)機（1套）、進液泵電機（1套）、吹干機電機（1套）。指示燈：顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)。圖25控制系統(tǒng)框圖第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]。本章針對控制對象XG24128型灌裝機的工藝要求及灌裝流程，重點介紹其控制中心及執(zhí)行機構(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。 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。PLC的基本組成如圖31所示。在設(shè)計階段，確定所用的PLC的類型及相關(guān)模塊，對控制對象的運動進行分析后，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)@些信息進行處理后，把執(zhí)行機構(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、伺服電機等執(zhí)行機構(gòu)來完成工作命令。 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