黏稠物料大桶灌裝秤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

師 帥

(常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

類似高黏度密封膠等黏稠物料的大桶灌裝，相對普通液體物料，稱重灌裝方式有所不同，比如：噴槍結(jié)構(gòu)不同，普通液體物料一般采用有底閥的灌裝噴槍，黏稠物料一般采用無底閥噴槍且噴槍口直徑明顯增大；物料進(jìn)給不同，普通液體物料一般為球閥控制，黏稠物料一般用壓鍋機(jī)來控制；噴槍升降控制不同，普通液體物料一般用氣缸來帶動(dòng)噴槍的升降，黏稠物料可以采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的方式來升降噴槍。本文介紹一種用于灌裝黏稠物料的200L大桶托盤灌裝秤，噴槍升降由步進(jìn)系統(tǒng)來控制，高精度稱重儀表采集稱重?cái)?shù)據(jù)，PLC、觸摸屏、傳感器等電氣元件完成對灌裝流程及步進(jìn)系統(tǒng)的控制，本系統(tǒng)有效提升了操作人員的工作效率及產(chǎn)品包裝質(zhì)量，明顯降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地提升了企業(yè)生產(chǎn)的效率、質(zhì)量、安全性及自動(dòng)化水平。

1 黏稠物料大桶灌裝秤簡介

1.1 結(jié)構(gòu)組成

灌裝秤結(jié)構(gòu)上主要有稱重平臺、支撐柱、滾珠絲杠、灌裝管道、灌裝槍、壓鍋機(jī)、移動(dòng)式過濾器、通風(fēng)裝置、電氣控制箱、步進(jìn)電機(jī)等組成，結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示。稱重平臺最大量程1500kg，分度值0.5kg，通過連接稱重儀表來上傳稱重?cái)?shù)據(jù)。支撐柱對整個(gè)灌裝機(jī)構(gòu)起支撐作用，包括對滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)、灌裝管道等的支撐。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)灌裝管道及灌裝槍進(jìn)行升降操作。壓鍋機(jī)在灌裝時(shí)把物料加壓后，通過移動(dòng)式過濾器、灌裝管道及灌裝槍把物料壓入包裝鐵桶中。正常灌裝管道若出現(xiàn)故障，可以啟用備用灌裝管道繼續(xù)進(jìn)行包裝，以便滿足生產(chǎn)需要。有機(jī)玻璃壓板可有效防止灌裝中的雜質(zhì)掉入包裝桶中。木質(zhì)插板可以有效保護(hù)秤臺表面，減少包裝鐵桶對秤臺的磨損，同時(shí)木質(zhì)插板為旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其上面可以同時(shí)放置四個(gè)包裝鐵桶，當(dāng)一桶灌裝完成后，通過人工旋轉(zhuǎn)木質(zhì)插板，把其它空桶旋轉(zhuǎn)至噴槍正下方，便可以進(jìn)行下一桶的灌裝，直至四個(gè)桶全部灌裝完成。

圖1 灌裝秤結(jié)構(gòu)組成示意圖

1.2 工作原理

灌裝秤的工作原理如圖2所示，灌裝秤的物料給定是通過PLC間接控制壓鍋機(jī)來實(shí)現(xiàn)，壓鍋機(jī)的啟動(dòng)通常是手動(dòng)開啟，壓鍋機(jī)的停止是PLC自動(dòng)控制。開始灌裝前通常將噴槍降至離桶底較近位置，開始灌裝后噴槍要隨著灌裝重量的增加自動(dòng)慢速提升，PLC根據(jù)稱重儀表采集的重量數(shù)據(jù)，按照設(shè)定的數(shù)據(jù)，通過控制步進(jìn)系統(tǒng)帶動(dòng)滾珠絲杠來慢速提升噴槍，從而使整個(gè)灌裝過程中噴槍口始終在物料平均液面之上，而且盡量使噴槍口離物料平均液面的距離能保持相對穩(wěn)定，這樣可以有效保證物料能充分的灌裝至包裝鐵桶內(nèi)，使物料在包裝桶內(nèi)不同位置的密度相對穩(wěn)定，達(dá)到灌裝物料的合格要求。本灌裝秤通過步進(jìn)系統(tǒng)帶動(dòng)滾珠絲杠來提升噴槍，控制精度高，控制方式靈活，參數(shù)設(shè)置方便，能夠滿足黏稠物料在灌裝過程中對噴槍提升的相關(guān)要求。

圖2 灌裝秤工作原理圖

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

灌裝秤控制系統(tǒng)方案圖如圖3所示，其中PLC為控制中心，稱重儀表采集稱重傳感器數(shù)據(jù)，PLC與稱重儀表之間串行通信方式交互信息。接近傳感器為四個(gè)電感式接近開關(guān)，主要檢測噴槍的四個(gè)關(guān)鍵位置，分別是噴槍最高位、噴槍升到位、噴槍在桶內(nèi)和噴槍降到位。開關(guān)按鈕主要包括手動(dòng)/自動(dòng)/備用選擇開關(guān)、手動(dòng)升/降噴槍開關(guān)、快/慢升降噴槍選擇開關(guān)、啟動(dòng)/停止灌裝按鈕等。PLC控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠，從而升降噴槍來準(zhǔn)確定位。指示燈用于指示灌裝狀態(tài)及告警狀態(tài)的輸出，繼電器用于對氮?dú)獯祾呒皦簷C(jī)壓盤的間接控制。觸摸屏用于設(shè)置灌裝參數(shù)，顯示灌裝數(shù)據(jù)、狀態(tài)及報(bào)警等。

圖3 灌裝秤控制系統(tǒng)方案圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

灌裝秤的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括PLC的I/O分配表、電氣原理圖設(shè)計(jì)、元器件清單列表等，以下對PLC的I/O分配表及PLC主模塊原理圖設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。

3.1 PLC的I/O分配表

灌裝秤控制系統(tǒng)PLC的I/O分配表見表1所示。表中主要列出了PLC已使用的輸入/輸出地址及信號名稱，備用地址沒完全列出。

表1 灌裝秤控制系統(tǒng)PLC的I/O分配表

3.2 PLC主模塊原理圖設(shè)計(jì)

PLC選用西門子S7-200的CPU224XP-DC/DC/DC，主模塊有2個(gè)Port口，Port1口與稱重儀表進(jìn)行串行通信，Port0口可連接打印機(jī)或上位機(jī)進(jìn)行通信，配置通訊模塊EM277與TP觸摸屏進(jìn)行通信。PLC主模塊接線原理圖如圖4所示。圖中+E1、-E1為DC24V的正端與負(fù)端，+E2、-E2為DC5V的正端和負(fù)端，由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的脈沖端和方向端要求都為DC5V信號，所以1M、1L+端分別接DC5V的負(fù)端與正端。PLC的供電端M、L+分別接DC24V的負(fù)端和正端。輸入部分的開關(guān)、按鈕基本上都布置于現(xiàn)場控制箱面板上，其中SA13選用三位的自復(fù)位選擇開關(guān)，SA14選用三位的自鎖選擇開關(guān)，SA14用于三種控制模式的選擇。輸出部分Q0.0和Q0.2分別接至步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號端和方向信號端，Q0.7接KA11繼電器用于氮?dú)獯祾呖刂?，用KA11的輔助觸點(diǎn)控制氮?dú)獯祾唠姶砰y，Q1.0接壓機(jī)壓盤的聯(lián)鎖控制繼電器KA12，KA12的輔助觸點(diǎn)接入壓機(jī)壓盤控制電路。

圖4 PLC主模塊接線原理圖

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

灌裝秤的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要為控制要求分析、控制流程梳理及PLC程序設(shè)計(jì)等。

4.1 灌裝控制要求

本文灌裝秤的控制要求主要分為三種模式，分別是自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和備用模式。

4.1.1 自動(dòng)模式

正常灌裝時(shí)一般都采用自動(dòng)模式。具體控制要求包括：觸摸屏可以對灌裝的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，具有配方功能，對常用的灌裝物料采用配方功能進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；觸摸屏對噴槍提升的速度可以進(jìn)行設(shè)置和修改，噴槍提升的速度分為快速和慢速兩種選擇，快速檔下細(xì)分為五檔選擇，慢速檔下也細(xì)分為五檔選擇，總的提升速度可設(shè)10檔，有效滿足不同物料對噴槍提升速度的要求；壓機(jī)的開啟需與噴槍降到位進(jìn)行聯(lián)鎖，啟動(dòng)灌裝前，噴槍降到位后才允許開啟壓機(jī)，壓機(jī)需手動(dòng)開啟，觸摸屏要有提示信息，操作人員確認(rèn)后手動(dòng)開啟壓機(jī)，灌裝進(jìn)行中壓機(jī)一直處于工作狀態(tài)，當(dāng)灌裝物料重量至目標(biāo)值時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)停止壓機(jī)；整個(gè)灌裝過程中始終保持噴槍在液面之上，噴槍頭不能進(jìn)入物料中灌裝，噴槍要隨著灌裝物料重量的增加不斷提升，并盡量控制噴槍頭與液面的距離保持相對穩(wěn)定；氮?dú)獯祾呖刂疲?dāng)灌裝啟動(dòng)并噴槍降到位時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制氮?dú)獯祾唠姶砰y得電，開始氮?dú)獯祾?，灌裝結(jié)束后延時(shí)10秒自動(dòng)關(guān)閉氮?dú)獯祾?；秤臺上可以同時(shí)放四個(gè)空桶，一桶灌裝完成后，繼續(xù)灌裝下一桶，四桶全部灌裝完成后，由叉車把重桶吊離秤臺；單桶灌裝或多桶灌裝方式，在灌裝前可以在觸摸屏上進(jìn)行選擇；自動(dòng)模式時(shí)，灌裝秤具有斷電記憶功能，再上電后，按啟動(dòng)按鈕，灌裝秤可以按斷電前的狀態(tài)繼續(xù)灌裝。

4.1.2 手動(dòng)模式

手動(dòng)模式一般在灌裝桶不是空桶時(shí)使用，比如桶內(nèi)已有部分物料，首先通過觸摸屏修改灌裝目標(biāo)值，目標(biāo)值要根據(jù)桶內(nèi)已有的物料重量進(jìn)行人工計(jì)算，此時(shí)其它參數(shù)也可以進(jìn)行修改，然后人工操作噴槍升降至桶內(nèi)合適位置，再按啟動(dòng)按鈕進(jìn)行灌裝，后續(xù)的灌裝流程與自動(dòng)模式基本相同。

4.1.3 備用模式

備用模式在PLC系統(tǒng)存在故障但稱重儀表功能正常時(shí)使用，此時(shí)噴槍無法電動(dòng)升降，操作人員通過手動(dòng)操作啟停壓機(jī)進(jìn)行灌裝，目的是防止PLC系統(tǒng)有故障時(shí)影響工廠的正常生產(chǎn)，作為一種補(bǔ)救措施。

4.2 灌裝控制流程

灌裝秤自動(dòng)模式下的灌裝流程圖如圖5所示。初始狀態(tài)下，叉車把四個(gè)空桶吊裝至秤臺上，觸摸屏上設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，按控制箱上的啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)灌裝；然后進(jìn)行毛重狀態(tài)的判斷，若不是毛重狀態(tài)則向儀表發(fā)送清皮命令，若是毛重狀態(tài)則進(jìn)行空桶上秤判斷，毛重狀態(tài)下通過儀表的顯示值跟空桶的重量作比較則可以判斷空桶是否上秤；PLC控制步進(jìn)系統(tǒng)降噴槍，降至噴槍降到位的時(shí)候停止，此位置由接近傳感器檢測；PLC向儀表發(fā)去皮命令，去皮判斷成功后，開始正式灌裝，此時(shí)開啟壓機(jī)并開啟氮?dú)獯祾?；灌裝中，系統(tǒng)始終進(jìn)行當(dāng)前灌裝值與目標(biāo)值的比較，同時(shí)，當(dāng)灌裝值達(dá)到噴槍單次提升值時(shí)，PLC控制步進(jìn)系統(tǒng)提升噴槍固定高度，此處的單次提升值、噴槍提升的速度、噴槍提升的固定高度等都可以在觸摸屏上進(jìn)行設(shè)定和修改；當(dāng)灌裝值達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，停止灌裝，關(guān)閉壓機(jī)，延時(shí)10秒后關(guān)閉氮?dú)獯祾卟⑴袛嘣什睿幌到y(tǒng)提升噴槍至升到位，此位置由相應(yīng)接近傳感器檢測；至此，一桶物料灌裝完全結(jié)束，然后，人工把秤臺上未灌裝的空桶旋轉(zhuǎn)至噴槍口的正下方，按啟動(dòng)按鈕繼續(xù)下一桶的灌裝。

圖5 自動(dòng)模式灌裝流程圖

4.3 PLC程序設(shè)計(jì)

灌裝秤的PLC程序設(shè)計(jì)采用主程序調(diào)用子程序的結(jié)構(gòu)，調(diào)用的子程序有：儀表通信、灌裝流程控制、步進(jìn)控制、數(shù)據(jù)記錄、上位DP通信、觸摸屏報(bào)警及打印等。以下對步進(jìn)控制子程序進(jìn)行說明。

本文步進(jìn)控制中高速脈沖的輸出方法采用西門子S7-200的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)形式，通過編程軟件的位控向?qū)蒔TO0_CTRL(控制)、PTO0_RUN(運(yùn)行運(yùn)動(dòng)包絡(luò))、PTO0_MAN(手動(dòng)模式)、PTO0_LDPOS(裝載位置)四個(gè)PTO(脈沖串輸出)指令模塊，然后在步進(jìn)控制子程序中再進(jìn)行調(diào)用。步進(jìn)控制子程序具體包括的程序部分有：電機(jī)移動(dòng)方向的控制部分；電機(jī)快速5檔選擇的控制部分，0～4分別代表速度為300，324，348，372及399cm/min；電機(jī)慢速5檔選擇的控制部分，0～4分別代表速度為12，36，60，84及99cm/min；對PTO0_MAN指令的快速及慢速賦值控制；計(jì)算噴槍每提升1次，電機(jī)所移動(dòng)的距離及脈沖數(shù)；分別計(jì)算包絡(luò)編號選為0～4時(shí)的加速、恒速及減速脈沖數(shù)；對PTO0_RUN指令的編程與調(diào)用；對PTO0_CTRL指令的編程與調(diào)用；對PTO0_MAN指令的編程與調(diào)用；對PTO0_LDPOS指令的編程與調(diào)用。其中PTO0_RUN指令的程序段如下所示：

LD Always_On:SM0.0

= L60.0

LD motor_run1:M23.0

O motor_run2:M23.1

= L63.7

LD L60.0

CALL PTO0_RUN:SBR8,L63.7,包絡(luò)編號:VB2601,噴槍在桶內(nèi)開關(guān):I2.2,V2700.0,VB2701,VB2702,VB2703,VD2704

此段程序中SM0.0為PTO0_RUN指令的使能信號，M23.0或M23.1為PTO0運(yùn)行的激活條件，VB2601為PTO0的包絡(luò)編號或符號名，I2.2 為PTO0的停止條件。

其中PTO0_LDPOS指令的程序段如下所示：

LD Always_On:SM0.0

= L60.0

LD motor_run1:M23.0

LD 噴槍升到位開關(guān):I2.1

EU

OLD

= L63.7

LD L60.0

CALL PTO0_LDPOS:SBR10,L63.7,0,V2760.0,VB2761,VD2762

此段程序中SM0.0為PTO0_LDPOS指令的使能信號，M23.0或I2.1上升沿為PTO0脈沖計(jì)數(shù)清零(即為新的零位置)的條件。

5 結(jié)束語

本文黏稠物料大桶灌裝秤在某有機(jī)硅外資企業(yè)已成功應(yīng)用，使用情況良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，極大地提高了生產(chǎn)效率和灌裝產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了灌裝秤的自動(dòng)化水平，為企業(yè)獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。在使用過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處，比如，由于物料非常黏稠，每桶灌裝完成后，噴槍口物料與桶內(nèi)物料是黏連在一起的，需要人工操作來分離物料，后續(xù)改造可以考慮此部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度。