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    1 引言

    液體灌裝機廣泛應(yīng)用于食品，飲料，化工，醫(yī)藥等行業(yè)，是目前應(yīng)用非常廣泛的包裝機械之一。現(xiàn)代社會對于灌裝設(shè)備的安全要求越來越高，要求灌裝出的食品、飲料、藥品或其他化工產(chǎn)品整齊、美觀且具有良好的包裝質(zhì)量，相應(yīng)的灌裝機運行穩(wěn)定性，維護的方便性，灌裝的精度、速度是衡量灌裝機控制系統(tǒng)好壞的重要性能指標(biāo)。

    傳統(tǒng)的繼電器控制設(shè)備不僅體積大，耗電多、效率低且故障率高，已無法滿足現(xiàn)代生產(chǎn)快速反應(yīng)、精確度高且連續(xù)穩(wěn)定運行時間長的要求。可編程序控制器（簡稱PLC）是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。具有通用性好，可靠性高，安裝靈活，擴展方便，性價比高等一系列優(yōu)點，基于PLC和變頻器等機電產(chǎn)品的控制系統(tǒng)可以很好地滿足當(dāng)前現(xiàn)代生產(chǎn)的需求。

    臺達目前可為客戶提供PLC控制器、人機界面、變頻驅(qū)動器、伺服驅(qū)動器、數(shù)控系統(tǒng)等系列自動化產(chǎn)品，可以向客戶提供完善可靠的機電一體化解決方案。本文介紹的系統(tǒng)實現(xiàn)灌裝機的機械結(jié)構(gòu)裝置與PLC、變頻調(diào)速、人機界面等現(xiàn)代自動控制技術(shù)手段的完整結(jié)合，形成機電一體化。

    2　工藝分析

    以瓶裝飲料為例，液體灌裝機的工藝如下：用以裝液體的瓶子通過撥瓶星輪由沖瓶機導(dǎo)出并傳送至灌裝機。進入灌裝機的瓶子由瓶頸托板卡住瓶口保持，并通過升降機構(gòu)在凸輪作用下實現(xiàn)上升與下降。灌裝機采用重力灌裝方式，瓶口上升頂開灌裝閥開始灌裝，當(dāng)物料上升到堵住回氣孔位置時結(jié)束灌裝。灌裝結(jié)束后瓶口下降離開灌裝閥，瓶子通過過渡撥輪進入旋蓋機。旋蓋機上的止旋刀卡住瓶頸部位，保持瓶子直立并防止旋轉(zhuǎn)。旋蓋頭在旋蓋機上保持公轉(zhuǎn)并自轉(zhuǎn)，在凸輪作用下實現(xiàn)抓蓋、套蓋、旋蓋、脫蓋動作，完成整個封蓋過程。落蓋導(dǎo)軌上設(shè)有防止反蓋通過及反蓋取出機構(gòu)，同時裝有一組光電開關(guān)，當(dāng)落蓋導(dǎo)軌上無蓋時會自動停止機器運轉(zhuǎn)，可以有效的避免無蓋瓶的出現(xiàn)。同時，落蓋導(dǎo)軌上還設(shè)有旋蓋機進瓶檢測開關(guān)，與落蓋導(dǎo)軌和撥蓋盤連接處的鎖蓋氣缸連鎖控制瓶蓋的排出，保證無瓶時停止喂蓋，減少蓋子的損耗。

    基本流程為：沖瓶機導(dǎo)出瓶子--?灌裝機-?上升-?重力灌裝-?下降-?進入旋蓋機封蓋-?進入傳輸帶。系統(tǒng)需設(shè)置檢查點防止空送、漏蓋、漏瓶或者上蓋錯誤等。

    3 設(shè)備結(jié)構(gòu)介紹

    此設(shè)備結(jié)構(gòu)如下圖，由電機驅(qū)動動高精度食品級的不銹鋼齒輪泵，通過PLC控制頻器的速度來精確控制灌裝量的多少，主要用于飲料等液體的灌裝。

             

                                        圖1 設(shè)備全圖

                        

                                             圖2 齒輪泵結(jié)構(gòu)

    4、電氣架構(gòu)圖及選型說明：

    根據(jù)客戶的設(shè)備小巧緊湊的特點，我們給客戶配置了以下產(chǎn)品，
    1. PLC: DVP14SS11R2*1
    2. 人機界面：TP04GAS2 或 DOPAS57BSTD
    3. 變頻器: VFD007EL21A
    4. 其它電氣配件

                      

                                            圖3 電氣架構(gòu)圖

    選型說明：

    臺達EL變頻器體積小巧，功能強大，并內(nèi)置EMI濾波器，十分適合用在食品及藥機行業(yè)，EL內(nèi)置面板，且所有型號變頻器都具有RS485接口，通訊協(xié)議為國際標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS ASCII/RTU，通訊接口為RJ11/RJ45，通過485通訊，可以節(jié)約客戶成本，減少客戶外部的接線，還可以實時了解變頻器的狀態(tài)（如輸出電流，頻率，故障代碼）。本文中變頻器的頻率通過臺達14SS11R2 PLC通訊給定，通訊協(xié)議為38400，7，E，1，ASCII碼；運行停止考慮到安全問題，通過外部端子控制。
選用14SS的原因，首先客戶是被其“小身材”吸引，從上圖還以看出，客戶的設(shè)備由于常常是一條大生產(chǎn)線上的一個工作站，因此整體設(shè)計得十分緊湊，14SS在設(shè)備中占用的空間十分小；其次，14SS還標(biāo)配兩個通訊口，一個RS232和人機界面通訊，另一個RS485口和臺達EL變頻器通訊，相得益彰，既充分利用了各產(chǎn)品的功能，成本是也沒有增加。如果選用其它廠牌PLC，要不加裝通訊卡，要不加DA模塊，才可控制變頻器的速度，無論從成本上，還是安裝的尺寸上，都不經(jīng)濟。而全套臺達產(chǎn)品，可以給客戶提供更靈活的功能組合，更佳的性價比。

    5、設(shè)備工作原理及程序說明：

    灌裝模式分為手動和自動兩種模式。
    手動模式下，按一下啟動鍵，變頻器以設(shè)定的高速頻率運行，同時PLC開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值達到低速爬行的值后，通訊控制變頻器以低速運行，直到計數(shù)值到達設(shè)定的容量后，變頻器停止，灌裝完成，等待下一次啟動信號，此模式主要用于試生產(chǎn)。

    自動模式，和手動過程一樣，只是當(dāng)一次灌裝結(jié)束后，不需再按啟動按鈕，而是等待設(shè)定好的時間后，再自己啟動，適合和生產(chǎn)線配合使用。

    人機界面根據(jù)最終客戶的要求可以配臺達的TP04G文本，也可配臺達的觸摸屏產(chǎn)品。界面主要用于設(shè)置工作模式（手動/自動）和運行參數(shù)，主要是運行速度，爬行速度，速度切換點。界面的設(shè)計以方便人員操作為首要因素。以下以觸摸屏介紹操作畫面。

    主畫面：

    直觀顯示當(dāng)前的參數(shù)設(shè)置，并可隨時調(diào)整，如工作模式，灌裝量，速度，并且以柱狀圖顯示液位當(dāng)前的狀態(tài)，對操作人員來說，醒目方便。主畫面如圖4所示：

                         

                                       圖4 主畫面

    低速爬行點設(shè)置畫面：
   對于不同容量的瓶子，低速爬行點是不同的。設(shè)置畫面如圖5所示:

                          

                                  圖5 爬行速度及速度切換點設(shè)置

特殊參數(shù)：

    齒輪泵運行一段時間后，其密封性能會下降，導(dǎo)致灌裝量有偏差，因此，在程序中，我們提供一個系數(shù)給客戶微調(diào)，以消除此問題。特殊參數(shù)設(shè)置畫面如圖6所示。

                  

                         圖6 特殊參數(shù)設(shè)置畫面

    自學(xué)習(xí)功能：

    為了方便客戶換產(chǎn)品時，不知道當(dāng)前容器的容量時，我們在程序中加入的學(xué)習(xí)功能。首先，客戶先進入人機界面的學(xué)習(xí)畫面，然后一直按住啟動鍵，電機就一直以一定速度運行，同時文本或觸摸屏上顯示當(dāng)前實時的灌裝量，當(dāng)瓶子快灌滿時，松開啟動按鈕，再按人機界面上的保存按鍵，灌裝量就保存了下來。這種功能尤其適合為異型容器。
自學(xué)習(xí)功能設(shè)置畫面如圖6所示。

                     

                                圖7 自學(xué)習(xí)功能設(shè)置畫面

    PLC程序：

    由于客戶要灌裝的產(chǎn)品種類很多，如果換了產(chǎn)品要重新輸入?yún)?shù)，對客戶來說費時以費力，因此，我們在PLC程序中為客戶做了20組配方。臺達觸摸屏本身也提供配方功能，而且功能十分強大，可以節(jié)約PLC的程序和空間。在此設(shè)備中，配方之所以做PLC中，是因為客戶的界面有時會換文本，為了程序的統(tǒng)一，就全做在PLC中了。PLC做配方的功能實際是通過變址尋址功能實現(xiàn)的，并且做成了子程序。在此程序中，用了很多子程序，目的有2，一是可以使程序模塊話，方便維護；二是，子程序只在需要時（如修改參數(shù)后）才被主程序調(diào)用，因此，可以使設(shè)備在正常工作中，PLC的掃描周期最短，可提高灌裝的精度。

    其標(biāo)準(zhǔn)梯形圖程序如圖8所示：

                   

                                 圖8 標(biāo)準(zhǔn)梯形圖程序畫面

    主菜單畫面如圖9所示：

                       

                                  圖9 主菜單畫面

    6、結(jié)束語

    通過使用全套產(chǎn)品，使該設(shè)備電氣架構(gòu)簡單，功能豐富，性價比也很高。從去年開始，該機已批量采用臺達產(chǎn)品，性能穩(wěn)定可靠，得到最終客戶的認可。并且由于設(shè)備廠的客戶多在海外，得知臺達提供全球聯(lián)保的品質(zhì)服務(wù)，這進一步加強了客戶的信心與滿意度。