全自動(dòng)液體灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李文宇，李海龍，周益林，王延軍

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

全自動(dòng)液體灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李文宇，李海龍，周益林，王延軍

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

全自動(dòng)液體灌裝機(jī)系統(tǒng)包括主機(jī)灌裝與成品碼垛兩大分系統(tǒng)。介紹了PLC、觸摸屏和稱重儀表聯(lián)網(wǎng)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在全自動(dòng)液體灌裝機(jī)中的應(yīng)用，對(duì)灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的組成、PLC與稱重儀表的通訊、PLC高速計(jì)數(shù)器的使用做了較為詳細(xì)的闡述。

液體灌裝；PLC；稱重儀表；通信

0 引言

本文所述的全自動(dòng)液體灌裝機(jī)主要服務(wù)于食用油包裝、石油化工等液體灌裝行業(yè)，可以對(duì)食用油、油漆涂料、潤(rùn)滑油、防凍液、蠟油等進(jìn)行高速、高精度的灌裝，并將灌裝好的成品自動(dòng)碼垛，實(shí)現(xiàn)了灌裝、碼垛的全自動(dòng)化。

灌裝線采用氣壓—機(jī)械傳動(dòng)方式，具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作模式，在自動(dòng)狀態(tài)下，灌裝主機(jī)可以自動(dòng)進(jìn)行大、小流量的灌裝切換以及達(dá)到設(shè)定重量后自動(dòng)關(guān)閉閥門，然后通過(guò)輸送帶將灌裝完成的桶輸送到壓蓋工位自動(dòng)進(jìn)行壓蓋操作。碼垛機(jī)可以自動(dòng)將成品油碼成用戶設(shè)定好的行數(shù)X排數(shù)X層數(shù)的形式，并將碼好的垛盤輸送到存放區(qū)。整個(gè)控制系統(tǒng)采用PLC、觸摸屏以及智能稱重儀表聯(lián)網(wǎng)組成，充分發(fā)揮了PLC和觸摸屏可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)以及編程方便的優(yōu)點(diǎn)，而稱重儀表的使用使得達(dá)到重量時(shí)的控制反應(yīng)更為迅速，PLC與稱重儀表的通訊連接使得布線更為方便、控制輸入點(diǎn)數(shù)也得以減少[1,2]。

1 灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

全自動(dòng)液體灌裝線主要由灌裝主機(jī)和碼垛機(jī)兩大分系統(tǒng)構(gòu)成。在整個(gè)系統(tǒng)的控制上采用獨(dú)立控制的體系結(jié)構(gòu)，即用戶可以根據(jù)實(shí)際情況單獨(dú)使用其中一部分，若同時(shí)使用時(shí)系統(tǒng)提供了可靠的連鎖保護(hù)及協(xié)同工作能力。

1.1 灌裝主機(jī)控制系統(tǒng)

灌裝過(guò)程采用兩級(jí)控制，即在開始階段將閥門全部打開，而在將要達(dá)到設(shè)定的灌裝值時(shí)，將大流量的閥門關(guān)閉，采用小流量進(jìn)行最后的灌裝。灌裝主機(jī)控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、稱重儀表以及各種開關(guān)構(gòu)成。觸摸屏實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)操作界面，提供了狀態(tài)監(jiān)控、重量顯示、參數(shù)設(shè)定、故障顯示等功能。PLC完成了輸送線的啟/停、閥門的開/關(guān)控制。稱重儀表將壓力傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將經(jīng)過(guò)濾波等處理后的結(jié)果通過(guò)串口傳送到PLC，且其本身具有兩個(gè)數(shù)字輸出點(diǎn)，可以直接對(duì)閥門進(jìn)行控制，使得控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度大為提高，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的灌裝精度[3]。整個(gè)灌裝主機(jī)的控制系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 灌裝主機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖

圖2 碼垛機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖

1.2 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)

碼垛機(jī)控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器及各種開關(guān)構(gòu)成。PLC通過(guò)高速計(jì)數(shù)器讀取編碼器的數(shù)值，控制運(yùn)送小車達(dá)到指定的層和列。通過(guò)觸摸屏可以根據(jù)用戶的需要設(shè)定碼垛的層數(shù)、行數(shù)以及列數(shù)。在整個(gè)灌裝系統(tǒng)工作時(shí)，碼垛機(jī)可以提供給主機(jī)多種信息，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制[4]。碼垛機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 灌裝機(jī)控制軟件的實(shí)現(xiàn)

2.1 灌裝主機(jī)的控制程序

圖3 主機(jī)控制程序邏輯結(jié)構(gòu)圖

在灌裝主機(jī)的程序設(shè)計(jì)中，PLC與稱重儀表的數(shù)據(jù)交換是編程的難點(diǎn)。通過(guò)稱重儀表的控制面板可以設(shè)置通訊的波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、停止位、校驗(yàn)位、ID號(hào)。稱重儀表的通訊協(xié)議已經(jīng)固化到儀表本身，通訊的數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換為ASCLL碼，在通訊的過(guò)程中可能會(huì)受到干擾而發(fā)生錯(cuò)誤，因而在稱重儀表的協(xié)議中規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸采用BCC碼進(jìn)行檢驗(yàn)，BCC校驗(yàn)碼的方法就是將要傳送的字符串的ASCLL碼以字節(jié)為單位作異或運(yùn)算，并將所得結(jié)果作為指令的一部分傳送出去，接收方接到數(shù)據(jù)后再對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行同樣的運(yùn)算，并跟接收到的BCC碼進(jìn)行比較，如果一致說(shuō)明本次數(shù)據(jù)傳送成功，如果不同則將本次得到的數(shù)據(jù)拋棄，并告知發(fā)送方重新發(fā)送[5,6]。當(dāng)PLC收到稱重儀表的數(shù)據(jù)后進(jìn)行轉(zhuǎn)化得到壓力傳感器的實(shí)際重量值，并在觸摸屏上進(jìn)行顯示。當(dāng)用戶進(jìn)行灌裝參數(shù)的修改時(shí)，PLC的程序中也須將所要傳送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ASCALL碼，并計(jì)算得到BCC校驗(yàn)碼形成數(shù)據(jù)串一起傳送到稱重儀表[7]。

圖4 碼垛機(jī)控制程序邏輯結(jié)構(gòu)圖

在PLC的程序編制中，由于灌裝重量需要進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，采用了定時(shí)中斷每隔100ms向稱重儀表發(fā)送一次命令，請(qǐng)求儀表將其采樣值傳送到PLC，同時(shí)打開了端口接收中斷將稱重儀表返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。PLC程序除要完成數(shù)據(jù)的互相交換任務(wù)外，還需對(duì)大量電機(jī)、電磁閥進(jìn)行控制。圖3是主機(jī)控制程序的邏輯結(jié)構(gòu)圖。

2.2 碼垛機(jī)的控制程序

在碼跺機(jī)控制系統(tǒng)中采用旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)判斷輸送小車的目的行與層，這與傳統(tǒng)碼跺機(jī)采用行程開關(guān)來(lái)判斷行與層相比，既節(jié)約了成本又提高了控制的準(zhǔn)確性。旋轉(zhuǎn)編碼器采用普通的計(jì)數(shù)器其準(zhǔn)確的數(shù)值無(wú)法獲取，西門子PLC提供了高速計(jì)數(shù)器指令，高速計(jì)數(shù)器累計(jì)CPU掃描速率不能控制的高速事件，可以配置最多12種不同的操作模式。西門子PLC提供的6路高速計(jì)數(shù)器對(duì)其所支持的時(shí)鐘、方向控制、復(fù)位和啟動(dòng)都有專用的輸入點(diǎn)。根據(jù)碼跺機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際需要，在控制程序的編制中使用了高速計(jì)數(shù)器2、4，采用的是模式10，模式10為A/B相帶復(fù)位的正交計(jì)數(shù)器模式，PLC接收來(lái)自編碼器的兩相脈沖信號(hào)，當(dāng)A相超前于B相，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，反之A相落后于B相，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如果復(fù)位信號(hào)接通，計(jì)數(shù)器即清零[5,8]。

HSC2用來(lái)獲取輸送小車的層坐標(biāo)，HSC4用來(lái)獲取輸送小車的行坐標(biāo)。以小車行坐標(biāo)的控制為例說(shuō)明程序的實(shí)現(xiàn)方式，首先打開中斷29（HSC4 當(dāng)前值等于預(yù)置值時(shí)響應(yīng)），當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)的位置與設(shè)定的第一行坐標(biāo)相等時(shí)則響應(yīng)中斷29，在中斷程序中將下一行的坐標(biāo)裝載到HSC4的預(yù)置值中，以此循環(huán)就可以準(zhǔn)確控制小車到達(dá)指定的行，實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制。在碼跺機(jī)的控制程序中，除需準(zhǔn)確控制小車到達(dá)目的行、目的層，還需對(duì)跺盤倉(cāng)跺盤的輸送，何時(shí)抓桶、放桶等動(dòng)作進(jìn)行控制[5,9]。圖4是碼跺機(jī)控制程序的邏輯結(jié)構(gòu)圖。

3 結(jié)論

本文介紹了全自動(dòng)液體灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)液體灌裝機(jī)兩大分系統(tǒng)灌裝主機(jī)與碼跺機(jī)的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，對(duì)PLC與稱重儀表通過(guò)串口進(jìn)行通訊的實(shí)現(xiàn)以及PLC高速計(jì)數(shù)器的應(yīng)用做了比較全面的介紹。對(duì)于液體灌裝機(jī)來(lái)說(shuō)，對(duì)其性能的考核主要包括灌裝速度、精度以及長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性，我們所研制的全自動(dòng)液體灌裝機(jī)在這幾個(gè)方面都得到了市場(chǎng)的認(rèn)可，取得了較為滿意的性能指標(biāo)。

[1] 李文友,胡振泉,葉保華.高精度桶裝液體灌裝生產(chǎn)線的研制[J].包裝與食品機(jī)械,2005,23(4):4-6.

[2] 盧志珍.基于PLC的全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].無(wú)錫:江南大學(xué),2008.

[3] 孫茂泉,嚴(yán)偉躍.稱重式液料灌裝機(jī)控制系統(tǒng)[J].輕工機(jī)械,2007, 25(3):94-96.

[4] 王松巖.應(yīng)用可編程序控制器設(shè)計(jì)碼垛機(jī)控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,1991,10(2):26-30.

[5] 西門子有限公司.西門子S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)[Z]. 08/2005.

[6] 李文宇,趙玉龍,李運(yùn)華.運(yùn)枕龍門吊計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].液壓與氣動(dòng),2005(8):47-49.

[7] 楊東海,翁新華,楊汝清.基于VC++和MFC的上位機(jī)與PLC的通訊系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2003,19(3):10-12.

[8] 熊田忠,孫承志,吉順平,李建民.基于S7—200PLC的某除濕機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010,26(16):61-62.

[9] 程偉,解國(guó)安,周雷.西門子S7—200高速計(jì)數(shù)器指令在軸承選別機(jī)的應(yīng)用實(shí)例[J].黑龍江科技信息,2013,(32):76-76.

The design and realization of computer control system in machine for irrigating liquid

LI Wen-yu, LI Hai-long, ZHOU Yi-lin, WANG Yan-jun

TB485.3

：A

1009-0134(2017)01-0119-03

2016-09-01

李文宇（1981 -），男，山西人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化生產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。