PLC旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

摘要：食品工業(yè)離不開機(jī)械，尤其是當(dāng)今飲料和礦泉水的需求增大，對包裝設(shè)備的需求量也得到了空前的增長。國外的包裝設(shè)備基本達(dá)到了效率高、精度高、自動化程度高的要求，我國在這方面還需要有所提高。文章研究的是旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)控制系統(tǒng)，它集清洗、灌裝、加蓋為一體，在高速灌裝下能夠?qū)崿F(xiàn)較高的灌裝精度和運(yùn)行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)；PLC；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；食品工業(yè)；包裝設(shè)備 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP278 文章編號：1009-2374（2015）27-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.015

1 灌裝機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

灌裝機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包括以下部分，各部分在其中都起著非常重要的作用：（1）機(jī)箱組件。固定、支撐是機(jī)箱組件的基本作用，它是灌裝系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的重要保障。（2）風(fēng)道進(jìn)瓶組件。左右刮瓶板卡在瓶口的螺旋位置，風(fēng)道進(jìn)瓶組件的配合使用，沿刮瓶板向下一組件移動使其在風(fēng)力作用下。有一電磁體擋瓶機(jī)構(gòu)在風(fēng)道進(jìn)瓶組件的末端設(shè)計(jì)，空瓶保持間距以防止卡瓶在擋瓶機(jī)構(gòu)作用下。（3）過渡盤Ⅰ。（4）洗瓶組件。主要進(jìn)行清洗對空瓶內(nèi)外壁。（5）過渡盤Ⅱ。清洗之后需要進(jìn)行灌裝的路徑。（6）灌裝用的組件。24個(gè)灌裝頭組成灌裝組件，灌裝位置跟蹤灌裝模式開始灌裝時(shí)，空瓶進(jìn)入灌裝組件后運(yùn)動到的地方。為了提高灌裝的速度，減少液體的飛濺和產(chǎn)生氣泡，我們始終讓灌裝頭與被灌的液面保持一定距離。在灌裝液體時(shí)，跟隨灌裝組件灌液的同時(shí)，被灌裝的瓶子和它一起轉(zhuǎn)動，當(dāng)運(yùn)動到出瓶的位置時(shí)，應(yīng)該先加蓋，這時(shí)進(jìn)入加蓋組件，灌滿液體的瓶子通過過渡盤，兩個(gè)灌裝頭每套沿180度直線分布的伺服泵控制，伺服泵控制灌裝組件的灌裝頭有24個(gè)，此件共12套，使用步進(jìn)電機(jī)來控制它，換向機(jī)的伺服泵都配備有一套此系統(tǒng)，三個(gè)液口之間轉(zhuǎn)換用控制陶瓷泵。由無瓶檢測傳感器灌裝開始工位處安裝，相應(yīng)工位無瓶當(dāng)傳感器檢測到時(shí)不灌裝，對應(yīng)的伺服電機(jī)不動作，由PLC發(fā)出指令控制，實(shí)現(xiàn)了無瓶不灌裝。（7）過渡盤Ⅲ。灌裝完成后加蓋的路徑。（8）提供蓋子的機(jī)構(gòu)。它的作用是提供瓶蓋。在供蓋機(jī)構(gòu)的末端設(shè)有電磁體擋蓋機(jī)構(gòu)，相應(yīng)工位無瓶時(shí)會被傳感器檢測到，對應(yīng)的旋蓋頭無蓋擋蓋機(jī)構(gòu)作用。（9）加蓋組件。在旋轉(zhuǎn)頭的作用下，將瓶蓋旋緊灌滿液體的瓶子，加蓋組件要經(jīng)過3號過渡盤進(jìn)入，此環(huán)節(jié)由8套伺服電機(jī)完成加蓋。為了防止擰不緊或擰裂等情況，旋蓋組件共有8個(gè)旋蓋頭，采用了扭矩控制模式對扭矩進(jìn)行控制，以保證自動上蓋。（10）出瓶組件。3個(gè)后輸送電機(jī)帶動進(jìn)入出瓶子的組件，在導(dǎo)瓶盤作用下灌裝完成并且蓋好蓋的瓶子經(jīng)由出瓶口出來，整個(gè)灌裝流程完成。

2 灌裝機(jī)的工藝流程設(shè)計(jì)

我們設(shè)計(jì)的主要依據(jù)就是工藝流程，工藝流程的設(shè)計(jì)不同，自然我們的設(shè)計(jì)方案思路都不一樣。我們設(shè)計(jì)的流程主要是風(fēng)道進(jìn)瓶、洗瓶、灌裝和供蓋機(jī)構(gòu)、加蓋、出瓶。整個(gè)流程分為兩路，比較清晰。瓶子組件是一條線路，瓶蓋組件是另一條線路。在風(fēng)力的作用下，空的瓶子進(jìn)入風(fēng)道進(jìn)瓶組件后，通過過渡盤進(jìn)入到洗瓶組件，清洗干凈后再進(jìn)入灌裝組件開始對瓶子進(jìn)行灌裝，灌裝完后的瓶子通過過渡盤到了加蓋這一環(huán)節(jié)，在此同時(shí)，提供瓶蓋的機(jī)構(gòu)也向加蓋組件供蓋，之后灌滿的瓶子才被進(jìn)行加蓋，最后被灌裝完加完蓋的瓶子開始出瓶，這個(gè)是

在出瓶機(jī)構(gòu)的作用下完成的，完整的灌裝流程進(jìn)行完畢。

3 灌裝機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們選用了主要用于中型和大型的控制系統(tǒng)研究的灌裝機(jī)控制系統(tǒng)，它選用的是采用模塊化設(shè)計(jì)的三菱Q系列PLC，可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定自由選擇所需的模塊及數(shù)量，這樣控制系統(tǒng)有很強(qiáng)的優(yōu)勢。本系統(tǒng)的PLC主要用于運(yùn)動控制的定位，其中常用于數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的供電電源的模塊、微處理器的模塊、I/O模塊、模擬量輸入模塊、高速計(jì)數(shù)器、溫度調(diào)節(jié)模塊等，以上可以根據(jù)系統(tǒng)的特殊需要來選擇。在安裝模式上采用主基板-擴(kuò)展基板，是Q系列PLC可以采用的形式，這樣會使得容量增大，I/O點(diǎn)數(shù)增加可以通過增加擴(kuò)展模塊，增加模塊的安裝數(shù)。灌裝機(jī)控制系統(tǒng)選用的可編程控制器為Q06HCPU，它的突出優(yōu)點(diǎn)是程序執(zhí)行能力超強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理能力很好、時(shí)間精準(zhǔn)度高，使整個(gè)系統(tǒng)的誤差微小，還有超大的內(nèi)存。以上程序尤為適合控制系統(tǒng)所需空間大的需求。

本文設(shè)計(jì)的灌裝機(jī)PLC控制系統(tǒng)的主基板-擴(kuò)展基板形式是整個(gè)PLC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，基板上各模塊的安裝連接順序?yàn)椋弘娫茨K→CPU（中央處理器）模塊→輸入模塊→輸出模塊→運(yùn)動控制模塊（QD70P8）→串行通訊模塊（QJ71C24N）。本設(shè)計(jì)中的擴(kuò)展模式尤為適合PLC系統(tǒng)采用，這樣很容易在擴(kuò)展模塊上設(shè)置擴(kuò)展的級數(shù)。此系統(tǒng)共有3個(gè)擴(kuò)展級：第一級為擴(kuò)展板Q68B；第二級為擴(kuò)展基板Q65B；第三級擴(kuò)展為人機(jī)界面，其中的人機(jī)界面為16點(diǎn)的智能功能模塊。

4 結(jié)語

本文對XG-24128型灌裝機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。首先對灌裝機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，在分析其灌裝工藝流程的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求來確定整體方案，對灌裝機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過明確它的硬件配置，之后確定PLC的類型及相關(guān)模塊，此時(shí)還要考慮灌裝機(jī)的設(shè)備狀況和工藝要求，再對系統(tǒng)的I/O口進(jìn)行定義，并硬件機(jī)構(gòu)進(jìn)行布置，包括對伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)還有其他電氣元件的選型和布置。灌裝機(jī)的核心設(shè)計(jì)是用一個(gè)伺服泵來同時(shí)控制兩個(gè)灌裝頭，這實(shí)現(xiàn)了連續(xù)灌裝的目的，這樣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本確定了。最后還要對連續(xù)灌裝頭的位置進(jìn)行確定，對灌裝的速度進(jìn)行確定分配，還要研究換向機(jī)構(gòu)。做好了這些硬件后，才能更好地對其軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)的核心是相應(yīng)程序的編制，通過程序能夠最優(yōu)地實(shí)現(xiàn)灌裝的流程。為更好地操控系統(tǒng)，我們還進(jìn)行了人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，在此我們將觸摸屏運(yùn)用了進(jìn)來，這樣可以使整個(gè)系統(tǒng)能夠非常方便地進(jìn)行控制。

本文針對工業(yè)生產(chǎn)的需求、灌裝機(jī)以及灌裝技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，淺析了灌裝機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、工藝流程設(shè)計(jì)思路，提出了可靠的硬件設(shè)計(jì)方案。根據(jù)受控制對象的生產(chǎn)工藝的要求，結(jié)合整個(gè)灌裝的流程，設(shè)計(jì)了灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的整體方案，之后根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了系統(tǒng)的硬件配置。但是由于緊迫的時(shí)間和所掌握知識的限制，本系統(tǒng)還有很多不足，有許多地方需要改進(jìn)和優(yōu)化。本設(shè)計(jì)目前尚未進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試之后還會有很多問題待分析、待解決，這都是以后的工作重點(diǎn)。設(shè)想為設(shè)備成本如果降低，我們在運(yùn)用這種方案，即用一套伺服泵控制兩個(gè)灌裝頭，實(shí)現(xiàn)連續(xù)灌裝的控制系統(tǒng)方案，來達(dá)到高速、精確、穩(wěn)定的灌裝是否可行呢？這些問題都有待進(jìn)一步的研究。

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作者簡介：楊榮秀，女，山東濟(jì)寧人，濟(jì)寧技師學(xué)院助理講師，研究方向：自動化。

（責(zé)任編輯：周 瓊）