【正文】 套）、理蓋器電機（ 1 套）、上蓋振動電機（ 1 套）、散熱風機（ 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 江蘇大學本科畢業(yè)設(shè)計 15 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，并應江蘇大學本科畢業(yè)設(shè)計 16 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)模塊來組成 XG24128 型灌裝機的控制系統(tǒng)。 基板 基板是整個 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]。灌裝機的 PLC 系統(tǒng)采用的是主基板一擴展基板的形式，通過擴展電纜進行數(shù)據(jù)傳輸。 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。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流表。 I/O 模塊 I/O 模塊是指輸入模塊和輸出模塊，輸入模塊和輸出模塊的規(guī)格及數(shù)量依控制系統(tǒng)所需的點數(shù)來確定，所需點數(shù)越多，則所需 I/O 模塊數(shù)也越多，但最大模塊數(shù)及最多點數(shù)由所選 用的 CPU 來定。灌裝機選用的 I/O 模塊為三菱 Q系列 CPU 的 I/O 模塊，它具有以下特點：（ 1)體積小，積木式 I/O 模塊 [14]。（ 3)維護和保養(yǎng) 相對容易，模塊裝卸方便，可以對每個輸出模塊進行單獨設(shè)置，而且可以在編程軟件上確定安裝模塊的構(gòu)成，也可以在編程軟件上對安裝模塊進行設(shè)置，使得維護非常方便。鑒于以上特點，廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。按照控制軸數(shù)江蘇大學本科畢業(yè)設(shè)計 19 的多少，運動控制模塊有 1 軸、 2 軸、 4 軸、 8 軸，不僅可以實現(xiàn)直線控制、直線插補，還具備圓弧插補、螺旋插補、多種原點回歸方式等功能 [15]。關(guān)于QD70P8 定位模塊的使用及特點在伺服電機及步進電機的控制中有詳細介紹。人機界面的主要作用是輸入工作命令、設(shè)置參數(shù)等進而控制系統(tǒng)的動作，而且用戶還可以從人機界面上讀取信息，了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 三菱電機的 GT1000 系列的觸摸屏配合以設(shè)計好的運行或監(jiān)控畫面可以實時顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)；對其接口進行相應的設(shè)置并與可編程控制器相連，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，不存在操作或命令延遲現(xiàn)象；畫面顯示功能更加豐富，可顯示單張畫面，也可顯示多張畫面或畫中畫等；搭載了 64 位 RISC CPU,高速處理器實現(xiàn)了高 速運算，使操作更為快捷；除了與三菱電機的其他產(chǎn)品連接通訊速度快之外，接口的通用性好，與其他品牌的相應產(chǎn)品連接時信息和數(shù)據(jù)的交換速度也很快。 可編程控制器 (Q06HCPU) XG24128 型灌裝機控制系統(tǒng)選用的是三菱電機 Q系列 PLC,主要用于中型和大型的控制系統(tǒng)。 Q 系列 PLC 的基本模塊除了常用的電源模塊、 CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊之外，還有常用于運動控制的定位模塊、用于數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊等，根據(jù)特殊需要還有溫度調(diào)節(jié)模塊、高速計數(shù)器模塊等可供選擇。 XG24128 型灌裝機控制系統(tǒng)所選用的可編程控制器為 Q06HCPU，它是三菱電機高性能型 QCPU 的一種 ,主要用于中型、中大型和大型控制系統(tǒng)；與 QOOCPU、 Q01CPU 相比， Q06HCPU的程序執(zhí)行能力和數(shù)據(jù)處理能力更快，整個系統(tǒng)的時間延遲??；并且該可編程控制器的大內(nèi)存量尤其適合于中大型控制系統(tǒng)程序多，所需空間大的需求。整個 PLC 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式為主 基 板一擴展 基 板形式， 基板上各模塊的安裝連接順序為電源模塊 CPU (中央處理器）模塊 輸入模塊 輸出模塊 運動控制模塊（ QD70P8) 串行通訊模塊（ QJ71C24N)。此灌裝機的 PLC 系統(tǒng)擴展級數(shù)為 3級，擴展板 Q68B 為擴展 1 級，擴展基板 Q65B 為擴展 2 級，人機界面為擴展3級， CPU 將人機界面視為 16點的智能功能模塊。準確定義輸入 /輸出點對整個控制系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要。表 33輸入點分配表 江蘇大學本科畢業(yè)設(shè)計 22 江蘇大學本科畢業(yè)設(shè)計 23 江蘇大學本科畢業(yè)設(shè)計 24 根據(jù)第二章介紹的控制系統(tǒng)選用的執(zhí)行機構(gòu)，本節(jié)對控制灌裝和加蓋的伺服電機、用于陶瓷泵換向的 步 進電機、系統(tǒng)運行的電動機及擋瓶和止蓋用電磁體等的選用、性能、連接控制方式進行介紹。 伺服電機的選型及連接 伺服電機與普通的三相異步 電動機一樣，常作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，連接其他機械分，用以實現(xiàn)機械部分的移動或轉(zhuǎn)動。 XG24128 型灌裝機的灌裝部分 ， 要 精確、快速地完成灌裝就要求：第一：吸液動作所用的時間相對較短，所以要求電機轉(zhuǎn)動速度要快，且能迅速啟動、停止，沖擊較小；第二：灌裝時為了防止起泡和飛濺，采用變速灌裝，這就要求電機速度的可控性好，變速快。 江蘇大學本科畢業(yè)設(shè)計 25 系統(tǒng)選用的是北京 EMOTION 公司的 SEMA 系列及 SEDA 系列伺服電機和伺服放大器，其常用的控制方式有：位置控制 P (用脈沖指令來控制伺服，編碼器反饋脈沖與脈沖發(fā)生模塊發(fā)出的脈沖的比為基準來控制伺服電機的地址 或位移量）、速度控制 S (將脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應的模擬 DC 指令或數(shù)字指令，并以此來控制電動機）、扭 矩控制 T (通過扭矩指令，即模擬電壓來控制伺服電機）。 SEDA 系列伺服放大器上有顯示模塊，可以顯示電機當前運行速度、當前指令速度、脈沖累積值、電子齒輪比、控制模式、位置指令脈沖殘量等，可以根據(jù)面板上向上鍵、向左鍵、向右鍵和回車鍵選取要査看或顯示的內(nèi)容，也可對相關(guān)參數(shù)進行編輯 。 一般來說，伺服馬達及伺服放大器的連接順序為：三相電源 開關(guān) 保險 接觸器 伺服放大器 伺服馬達。但對于多伺服系統(tǒng)來說，這種連接方式不僅使得接觸器數(shù)量增多，而且需要增 加 PLC 輸出點數(shù)，顯得累贅。伺服放大器串連時，伺服單元的三相 電 源和控制用的二相電源在接入接線端子之前要連接接觸器，如圖 33 所示的 1KM 和 2KM，在設(shè)計報警電路時要將這兩個接觸串連其中，對伺服電路起保護作用。灌裝組件共有24 個灌裝頭， 24 個灌裝頭呈圓形排列，所以每套伺服泵要控制兩個灌裝頭，同一伺服泵控制的 兩個灌裝頭呈 180度方向安裝。 伺服電機的運動控制是由 QD70P8 來實現(xiàn)的。 QD70 定位模塊 QD70 定位模塊是多軸運動控制系統(tǒng)中常用的定位模塊，它可以實現(xiàn)移動到任意位置的位置控制、速度控制及速度一位置切換控制，是不需要復雜控制的系統(tǒng)常用的功能模塊。并且 CPU 上需要連接安裝有 GX Developer/GX ConfiguratorPT 軟件的外圍設(shè)備，通過 GX Developer 把控制順序和條件創(chuàng)建為順控程序，也可對順控程序進行仿在 GX ConfiguratorPT 中進行參數(shù)和數(shù)據(jù)的初始化設(shè)置 。 QD70 定位模塊常用的定位方式是位置控制和速度控制。電動機旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)就是電動機編碼器的分辨率。 速度控制模式 ：盡管使用位置控制模塊可以根據(jù)發(fā)生的脈沖總數(shù)決定移動的距離，但還需設(shè)定移動的速度，移動速度是由 QD70 模塊輸出的脈沖頻率來確定的。 圖 35為使用 QD70 定位模塊吋系統(tǒng)的運行方式圖。運行時，由驅(qū)動裝置中江蘇大學本科畢業(yè)設(shè)計 28 的偏差計數(shù)器對脈沖數(shù)進行存儲并計數(shù)， D/A 轉(zhuǎn)換器將脈沖數(shù)及頻率轉(zhuǎn)換成 DC 電流，通過伺 服放大器對伺服電機進行控制。電機旋轉(zhuǎn)時，連接到伺服電機的 PG 發(fā)出反饋脈沖，它的頻率與電機的旋轉(zhuǎn)速度也是成比例的。每軸可以設(shè)置最多 10 個定位數(shù)據(jù)，每個定位數(shù)據(jù)包括運行形式、控制方法、加 /減速時間、減速 /停止時間、命令速度、定位地址或位移量和停頓時間設(shè)置，通過設(shè)置這些數(shù)據(jù)，可以對逐個軸實現(xiàn)單獨的定位控制，從而用簡單的控制方式實現(xiàn)復雜的運動 。 步進電機控制設(shè)計 步 進電機的選型 步 進電機也是 電 氣控制系統(tǒng)中 常用的機電執(zhí)行元件，它是將 Hi 脈 沖轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移，帶動其他元件作精確度轉(zhuǎn)動或定位移移動 [19]。輸入一個脈沖，電機便轉(zhuǎn)動一步，脈沖消失，電機便停止，這也是 步 進電機名字的由來?？刂菩盘柕拿}沖總數(shù)決定 步 進電機的位移量，脈沖信號的頻率決定電機的轉(zhuǎn)動速度，各相繞組的接通次序或脈沖方向決定電機的轉(zhuǎn)動方向，通過對這些量進行控制，可以江蘇大學本科畢業(yè)設(shè)計 29 得到所需的各種運動特性。 步進電機的步距角是進行電機選型時的重要依據(jù)，同時也是決定系統(tǒng)運行 性能的重要指標 [20]。 前面已經(jīng)介紹過，灌裝組件共有 24 個灌裝頭， 12 套伺服泵，每套伺服泵控制安裝在180 度方向的兩個灌裝頭。 步 進電機的作用就是在極短時間內(nèi)完成伺服泵定角度的轉(zhuǎn)動。因為系統(tǒng)長期運行，累積誤差的存在會影響 伺服泵與兩個灌裝頭之間的位置關(guān)系，從而使整個灌裝無法進行。 表 36步 進電機選型表 系統(tǒng)選用的是常州德昌機電科技有限公司的 步 進電機及其驅(qū)動器， DCH30806 系列驅(qū)動器采用雙極恒流方式，輸出電流范圍為 ~，通過驅(qū)動器側(cè)板 7， 8， 9， 10四位開關(guān)的不同組合來調(diào)節(jié)輸出電流大小，共有 16 種電流值可供選擇。 步進電機的連接及控制 換向所用步進電機由定位模塊 QD70P8 控制， 步 進電機組與 QD70P8 模塊連 接圖如圖 36所示。單脈沖模式下步進脈沖由脈沖端口接入，由方向端口的電平高低決定電機的運轉(zhuǎn)方向；雙脈沖模式下，驅(qū)動器從脈沖端口接收正轉(zhuǎn)脈沖，從方向端口接收反轉(zhuǎn)脈沖。 輸入脫機信號時，驅(qū)動器將切斷電機各相繞組電流使電機軸處于自由狀態(tài)，此時 步 進脈沖將不能被響應。脫機控制信號撤消后驅(qū)動器自動恢復到脫機前的相序并恢復電機電流。脫機端懸空時，通電后電機停止運動時， 步 進電機軸處于制動停止狀態(tài)；輸入脫機信號時，通電后電機停止后，電機軸處于自由狀態(tài)，可手動轉(zhuǎn)動。 其他執(zhí)行機構(gòu)控制設(shè)計 電動機的控制設(shè)計 XG24128 型灌裝機的執(zhí)行機構(gòu)除了用來灌裝和加蓋的伺服電機和步進電機外，有灌轉(zhuǎn)主電機、后輸送電機、散熱風機等交流三相異步 電 機。 江蘇大學本科畢業(yè)設(shè)計 31 電機與輸出模塊的連接圖如圖 37所示，按下啟動按鈕后，線圈 KM3~KM13 得電，連接在相應電機前的常 開 觸點閉合，電機啟動。 江蘇大學本科畢業(yè)設(shè)計 32 電磁體控制設(shè)計 XG24128 型灌裝機要求實現(xiàn) 無瓶不加蓋的功能，灌裝機供蓋組件設(shè)計有止蓋機構(gòu)。直至下一有瓶信號傳來時，若有瓶，則止蓋電磁體的彈片吸合，供蓋；若無瓶，彈片繼續(xù)彈出，止蓋 [22]。擋瓶電磁體的控制連接圖如圖 310 所示 ，擋瓶電磁體線路中串連中間繼電器 KA2的常閉觸點， Y37 輸出使得中間繼電器 KA2 得電，其常閉觸點斷開，擋瓶電磁體的彈片彈出，完成擋瓶動作。 Y37 的輸出狀態(tài)及時間 T由程序設(shè)定。 1號為復位傳感器，江蘇大學本科畢業(yè)設(shè)計 34 它的主要作用是：按下復位按鈕，灌裝主電機帶動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，當復位傳感器 1 檢測到灌裝頭 1轉(zhuǎn)動到此位置時， PLC 控制灌裝主電機停止，主電機復位完成，目的是使每次開 機 運行之前 1號灌裝頭都停在灌裝起始位處。 4號為灌滿檢測傳感器，灌裝頭旋轉(zhuǎn)到此位置時即停止灌裝，這也是灌滿的標志位。 29 號傳感器為有瓶放蓋傳感器，灌滿的瓶子經(jīng)過渡盤 Ⅲ 進入加蓋組件，若傳感器 29檢測此工位無瓶，則止蓋電磁體動作，使相應旋蓋頭無蓋，從而實現(xiàn)無瓶不加蓋，提高蓋子的使用率及灌裝機的自動化水平，同時又可防止余蓋掉入灌裝系統(tǒng)造成機械故障。 本章前三節(jié)確定了 XG24128 型灌裝機控制系統(tǒng)的 PLC 控制中心、伺服電機和 步 進電機及電磁體等執(zhí)行元件的選用、傳感器的布置等，控制系統(tǒng)的硬件連接圖如圖 312， 313, 314 所示，分別為主基板和擴展基板 擴展基板 2的硬件連接圖，主基板與擴展基板 擴展基板 2之間的連接方式如圖 32 所示。本章主要圍繞著這個重點 進行介紹，另外本章所指的灌裝只限于灌裝組件，并不指代整個灌裝系統(tǒng)。 ： 灌裝流程 圖 41所示為復位之后灌裝部分的流程圖，圖所示位置為 24 號灌裝頭在 1號工位時