摘要: 本文講述如何利用臺達(dá)機(jī)電產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)液體灌裝機(jī)的自動化生產(chǎn)控制。文章先介紹設(shè)備結(jié)構(gòu)、電氣架構(gòu)圖及選型說明，然后詳細(xì)闡述設(shè)備工作原理及程序說明。實(shí)際運(yùn)行證明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，有較高應(yīng)用價值，得到最終客戶的認(rèn)可。
關(guān)鍵詞：設(shè)備結(jié)構(gòu)、電氣架構(gòu)、變頻器、PLC
1 引言
液體灌裝機(jī)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(jī)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(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，維護(hù)的方便性，灌裝的精度、速度是衡量灌裝機(jī)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(yùn)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(yùn)算操作的電子裝置。具有通用性好，可靠性高，安裝靈活，擴(kuò)展方便，性價比高等一系列優(yōu)點(diǎn)，基于PLC和變頻器等機(jī)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(dá)目前可為客戶提供PLC控制器、人機(jī)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(jī)電一體化解決方案。本文介紹的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)灌裝機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置與PLC、變頻調(diào)速、人機(jī)界面等現(xiàn)代自動控制技術(shù)手段的完整結(jié)合，形成機(jī)電一體化。
2工藝分析
以瓶裝飲料為例，液體灌裝機(jī)的工藝如下：用以裝液體的瓶子通過撥瓶星輪由沖瓶機(jī)導(dǎo)出并傳送至灌裝機(jī)。進(jìn)入灌裝機(jī)的瓶子由瓶頸托板卡住瓶口保持，并通過升降機(jī)構(gòu)在凸輪作用下實(shí)現(xiàn)上升與下降。灌裝機(jī)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(jìn)入旋蓋機(jī)。旋蓋機(jī)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(jī)上保持公轉(zhuǎn)并自轉(zhuǎn)，在凸輪作用下實(shí)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(jī)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(jī)器運(yùn)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(jī)進(jìn)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(jī)導(dǎo)出瓶子--à灌裝機(jī)-à上升-à重力灌裝-à下降-à進(jìn)入旋蓋機(jī)封蓋-à進(jìn)入傳輸帶。系統(tǒng)需設(shè)置檢查點(diǎn)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(jī)驅(qū)動動高精度食品級的不銹鋼齒輪泵，通過PLC控制變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(diǎn)，我們給客戶配置了以下產(chǎn)品
1. PLC: DVP14SS11R2*1
2. 人機(jī)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(dá)EL變頻器體積小巧，功能強(qiáng)大，并內(nèi)置EMI
濾波器，十分適合用在食品及藥機(jī)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(shí)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(dá)14SS11R2 PLC通訊給定，通訊協(xié)議為38400，7，E，1，ASCII碼；運(yùn)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(jī)界面通訊，另一個RS485口和臺達(dá)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(jì)。而全套臺達(dá)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(yùn)行，同時PLC開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值達(dá)到低速爬行的值后，通訊控制變頻器以低速運(yùn)行，直到計數(shù)值到達(dá)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(jī)界面根據(jù)最終客戶的要求可以配臺達(dá)的TP04G文本，也可配臺達(dá)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(yùn)行參數(shù)，主要是運(yùn)行速度，爬行速度，速度切換點(diǎn)。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(diǎn)設(shè)置畫面：
對于不同容量的瓶子，低速爬行點(diǎn)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(diǎn)設(shè)置
特殊參數(shù)：
齒輪泵運(yùn)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(jìn)入人機(jī)界面的學(xué)習(xí)畫面，然后一直按住啟動鍵，電機(jī)就一直以一定速度運(yùn)行，同時文本或觸摸屏上顯示當(dāng)前實(shí)時的灌裝量，當(dāng)瓶子快灌滿時，松開啟動按鈕，再按人機(jī)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(fèi)時以費(fèi)力，因此，我們在PLC程序中為客戶做了20組配方。臺達(dá)觸摸屏本身也提供配方功能，而且功能十分強(qiáng)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(shí)際是通過變址尋址功能實(shí)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(hù)；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(jī)已批量采用臺達(dá)產(chǎn)品，性能穩(wěn)定可靠，得到最終客戶的認(rèn)可。并且由于設(shè)備廠的客戶多在海外，得知臺達(dá)提供全球聯(lián)保的品質(zhì)服務(wù)，這進(jìn)一步加強(qiáng)了客戶的信心與滿意度。
