液體定量灌裝技術廣泛應用于化工、飲料、石油和醫(yī)療等生產領域中。在液體灌裝設備中, 將灌裝槍移動到灌裝桶桶口位置是整個灌裝設備的關鍵問題。現在的很多灌裝設備采取的是人工搖動灌裝槍頭至灌裝桶桶口的方式, 該方式以下3點欠缺:一是由作業(yè)人員人工對孔, 因此工人的勞動強度比較大;二是對孔時間長, 耽誤了灌裝時間, 影響液體灌裝機的灌裝效率;三是難于保證灌裝槍與灌裝桶口達到恰到好處的對準度, 一旦出現偏位, 哪怕是極低的幾率, 會造成灌裝液體的外流, 既影響灌裝作業(yè)場所的清潔, 又造成液體的浪費, 以及腐蝕、有毒性液體對工人的危害。一小部分設備的定位灌裝桶桶口系統(tǒng)部分, 通過選購國外如美國康耐視公司、日本基恩士公司等的機器視覺系統(tǒng), 能夠實現液體定量灌裝的全自動化, 但是進口的機器視覺系統(tǒng)價格比較昂貴, 增加了設備成本[1]。
為了解決上述問題, 液體灌裝機用的灌裝桶自動輸送裝置[2]巧妙地利用一種機械機構設計實現了灌裝設備中灌裝桶桶口自動定位的問題。與前兩者采用的方案相比, 方案不僅能夠實現尋找灌裝桶桶口工序的自動化, 同時很大程度地降低了成本, 節(jié)約了灌裝過程的時間, 實現灌裝過程的全自動化。文中在液體灌裝機用的灌裝桶自動輸送裝置的機械結構的基礎上, 對全自動液體定量灌裝設備的控制系統(tǒng)進行了詳細介紹與分析。
1 全自動液體定量灌裝機工業(yè)要求
1.1 工藝流程
全自動液體定量灌裝機組成見圖1。全自動液體定量灌裝機能夠灌裝各種有毒、腐蝕性液體, 單桶灌裝的容量是200 L, 容許的誤差在0.1 L范圍內。
圖1 全自動液體定量灌裝機組成Fig.1 Sketch map of the automatic quantitative liquid filling machine 下載原圖
1-同步電機;2-滾輪臂;3-灌裝槍;4-無桿氣缸;5-吸蓋裝置;6-光電傳感器;7-灌裝桶;8-接近開關;9-輸送帶;10:傳動齒輪;11:傳送帶;12:輸送電機;13:升降氣缸;14:稱重傳感器
灌裝桶放置于輸送機構的輸送帶后, 輸送電機啟動, 輸送灌裝桶至灌裝位置。當到達灌裝位置時, 接近開關感應到灌裝桶, 將感應信號傳送至PLC, PLC控制輸送電機停止, 升降氣缸在PLC的控制下開始上升, 同時帶動滾輪臂結構上升至氣缸行程的最大位置, 升降氣缸停止上升, 同步電機開始啟動帶動滾輪臂運動, 灌裝桶在滾輪臂的帶動下可以旋轉。由于灌裝桶屬于偏心桶, 在進行機械結構的設計時, 桶口上方的光電傳感器與灌裝頭都處于桶口旋轉軌跡圓上, 所以當灌裝桶旋轉至光電傳感器的正下方, 光電傳感器感應到灌裝桶桶口邊緣時, 將信號傳送至PLC, PLC根據光電傳感器的信號, 將停止同步電機的運動。當檢測到桶口后, 吸蓋裝置在氣缸的帶動下旋轉至灌裝桶桶口的正上方, 吸取灌裝桶的桶蓋, 在完成吸蓋動作后回復到原來的位置。當桶蓋被吸取后, 開始進行定量灌裝過程, PLC控制無桿氣缸帶動灌裝槍進入到灌裝桶中進行液體灌裝, 稱重傳感器能夠感應到灌裝桶中重量的變化, 而稱重控制器選用的是日本unipulse公司的F701。通過稱重儀表端子線將稱重傳感器與F701相連接, 在儀表F701界面上進行相應的設置能夠實現液體的定量灌裝, 液體灌裝的精度得到保障;液體定量灌裝結束后, 儀表會傳送灌裝結束標志信號至PLC, PLC根據此信號結束定量灌裝過程。PLC控制無桿氣缸帶動灌裝槍上升至初始位置, 吸蓋裝置旋轉至灌裝桶桶口位置的正上方將桶蓋放置于灌裝桶桶口。輸送電機啟動, 將灌裝滿的灌裝桶輸送至指定位置。
1.2 控制以及工藝要求
1) 為了便于操作人員調試設備和檢查故障原因, 設備能夠實現送空桶、檢測空桶到達灌裝位置、桶口位置檢測、液體定量灌裝以及滿桶輸送整個過程的自動化控制和手動化控制, 并且能夠實現兩者之間的切換選擇。
(2) 實現液體定量灌裝的精確度, 能夠灌裝各種有毒、腐蝕性液體, 單桶灌裝的容量是200 L, 容許的誤差在0.1 L范圍內。
(3) 為了方便操作人員處理設備工作過程中的故障, 當系統(tǒng)某一部分出現故障 (如檢測桶口時出現檢測失敗的情況, 灌裝槍頭就不能順利通過桶口進入桶內, 就會出現灌裝槍頭頂在桶上和定量灌裝時出現超出容許誤差的情況等) , PLC會對這些故障進行實時監(jiān)測, 記憶鎖存, 并通過觸摸屏快速顯示報警, 指明報警類型以及可能存在的故障原因。
(4) 為了提高設備的安全性, 系統(tǒng)之間各種安全聯(lián)鎖。
(5) 為了方便操作人員操作和維修設備, 所有的技術參數、工藝參數、操作手冊、報警記錄、故障原因、維修指南等都通過觸摸屏保存。
2 PLC控制系統(tǒng)硬件設計
2.1 硬件基本配置
根據全自動液體定量灌裝機設備的控制以及工藝要求, 硬件配置由日本三菱公司的PLC-FX3U、觸摸屏GT1275, 日本unipulse公司的稱重控制器F701、無桿氣缸、壓力傳感器、接近傳感器等構成。考慮到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性, 電機、電磁閥、傳感器、氣缸等均采用進口設備。
2.2 控制系統(tǒng)硬件的組成
控制系統(tǒng)由一個電控柜、PLC、稱重系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、觸摸屏系統(tǒng)等組成。全自動液體定量灌裝機控制系統(tǒng)的硬件組成見圖2。
控制系統(tǒng)的核心部件PLC采用三菱公司的FX3U系列編程控制器, 該系列編程控制器具有內置高達64 K大容量的RAM存儲器、內置業(yè)界最高水平的高速處理0.065μs/基本指令、基本單元左側均可以連接功能強大簡便易用的適配器[4]。編程軟件為三菱公司的GX Developer。稱重系統(tǒng)核心部件選用的為F701, 通過DDK57-30240與PLC相連接, 通過PLC的控制能夠實現儀表自動啟動、停止、快加, 慢加等, 同時還具有分檔加料、超差報警、去皮重等功能[3], 能夠實現高精度的定量灌裝。觸摸屏系統(tǒng)采用的是三菱公司的GT1275, 為三菱最新系列的觸摸屏, 采用RS485進行通訊, 抗干擾能力強, 對運行系統(tǒng)進行監(jiān)控、控制等。該控制系統(tǒng)不需要采用昂貴的進口機器視覺檢測軟件就能夠實現灌裝桶桶口的定位、灌裝過程的全自動化, 很好地控制了設備的成本, 提高了競爭力。
圖2 全自動液體定量灌裝機控制系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware constitution of the automatic quantitative liquid filling machine control system 下載原圖
3 全自動液體定量灌裝機控制系統(tǒng)軟件設計
3.1 人機操作界面的設計
通過人機界面, 操作人員可以與PLC進行信息、數據等的處理與交流。同時人機界面能夠更直觀地顯示整個系統(tǒng)的運行狀態(tài), 實時對運行狀態(tài)進行監(jiān)控, 當出現報警等故障時, 故障可能原因顯示在人機界面上, 對操作人員解決系統(tǒng)故障提供了很大的幫助[5,6]。人機界面的組成見圖3。
自動控制模塊能夠使灌裝設備整個過程實現全自動運行;手動控制模塊能讓操作人員在手動控制模式時對設備的整個運行過程進行控制, 適合在對設備進行調試或者檢查系統(tǒng)出現的故障原因時使用此模式;實時監(jiān)控模塊監(jiān)控著系統(tǒng)運行過程中整個運行狀態(tài), 便于操作人員對設備運行過程的監(jiān)控與分析;報警記錄模塊記錄了在系統(tǒng)運行過程中出現故障或錯誤的情況, 便于操作人員及時停止系統(tǒng)運行, 檢查故障, 增強系統(tǒng)的安全性;操作手冊模塊存儲了操作說明、維修手冊、可能故障原因以及處理方法, 便于操作人員日常對設備的操作和維修。
圖3 人機界面總體功能結構Fig.3 Overall function structure of the human machine interface 下載原圖
3.2 PLC控制軟件設計
在設計中根據工藝流程與工藝要求結合設計流程圖, 用基本邏輯指令編制出梯形圖。在液體灌裝設備中, 液體灌裝機用的灌裝桶自動輸送裝置巧妙地利用一種機械機構設計實現了灌裝設備中灌裝桶桶口自動定位的問題, 因此只對全自動液體定量灌裝機控制系統(tǒng)中自動尋找桶口部分的程序給出詳細分析[7,8,9]。與人工搖動灌裝槍頭至灌裝桶桶口的方式相比, 該控制系統(tǒng)對孔的時間很短, 而且對孔的精度很高, 同時該控制系統(tǒng)軟件具有故障檢測、安全自鎖、自動化程度高、安全性能強等特點。各軟元件見表1, 自動尋找桶口程序的梯形圖見圖4。
表1 軟元件Tab.1 Soft element table 下載原表
圖4 PLC梯形圖Fig.4 PLC ladder diagram 下載原圖
自動尋找桶口控制系統(tǒng)的程序運行過程如下。
(1) 輔助繼電器M1為系統(tǒng)正常運行標志位, 當M1接通且空桶輸送電機啟動運行 (Y0接通) , 接近開關觸發(fā), 表示檢測到灌裝桶被輸送到灌裝位置, 此時停止空桶輸送電機運行即Y0復位;當灌裝槍上升到頂位時接近開關2被觸發(fā)即X14接通, 此時將氣動電磁閥1置位使支座上升。
(2) 當支座上升到頂位時, 接近開關4被觸發(fā)即X16接通, 此時將支座上升到頂位的狀態(tài)保存到輔助繼電器M2中, 同時觸發(fā)定時器T1。定時器T1的計時單位為100 ms, 設定值為20 mm。如果直接在支座上升到頂位后立即開始啟動同步電機, 會出現由于支座上升后沒有停穩(wěn)而同步電機啟動造成灌裝桶傾倒的現象, 所以在此處設置2 s的延時, 待支座平穩(wěn)上升到頂位后, 再啟動同步電機。
(3) 當定時器T1的2 s延時到達后, 啟動同步電機即接通Y2, 將帶動灌裝桶進行旋轉。
(4) 當系統(tǒng)正常運行標志位M1接通, 灌裝槍升到頂位即X14接通, 同步電機在運行中, 此時如果同步電機在帶動灌裝桶旋轉的過程中灌裝桶桶口突起的邊緣, 剛好在光電傳感器的檢測范圍內時, 光電傳感器被觸發(fā), X2接通。檢測到灌裝桶口, 同時將停止同步電機運行, 使灌裝槍開始下降, 即復位Y2, 復位Y5, 置位Y6。
(5) 當灌裝槍在下降的過程中, 灌裝槍沒有順利進入桶口中而是頂在桶上, 此時壓力開關被觸發(fā), 即X0被觸發(fā), 立刻停止灌裝槍下降, 將灌裝槍上升, 并且在觸摸屏系統(tǒng)監(jiān)控界面顯示頂桶報警等待操作人員處理即復位Y6, 置位Y5, 置位M3, M3為頂桶報警標志位。
(6) 當系統(tǒng)正常運行, 灌裝槍順利地進入桶口中然后繼續(xù)下降。當下降到灌裝槍最低位置時, 接近開關3被觸發(fā), 即X15接通, 停止灌裝槍下降的同時開始啟動稱重儀表, 即復位Y6, 置位M4, M4為稱重儀表啟動標志位。
4 結論
利用精巧的機械結構設計、PLC、氣動元件、稱重儀表、人機界面相結合的控制方案, 與現在大部分企業(yè)采用的手動搖動灌裝槍進行灌裝的同類包裝機相比, 該控制系統(tǒng)能夠實現全自動灌裝過程, 灌裝過程時間大大減少。相對于采用進口機器視覺系統(tǒng)的灌裝機, 大大降低了設備的成本。同時利用觸摸屏對系統(tǒng)進行監(jiān)控與操作, 使灌裝機系統(tǒng)操作更方便、更人性化。該控制系統(tǒng)已通過實驗, 仿真調試成功。設備現場運行性能穩(wěn)定、安全、可靠、自動化程度高, 已經量產, 且客戶反應良好, 提高了企業(yè)的生產效率, 降低了工人的勞動強度, 為企業(yè)帶來了很好的經濟效益。