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1  全自動(dòng)稱重式灌裝機(jī)的基本組成及原理

設(shè)備主要由以下 6部分組成: 開(kāi)始進(jìn)桶灌裝時(shí), 由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的一條平板輸送帶 A 和由伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的一對(duì)進(jìn)桶螺旋 B, 將桶分開(kāi)并且同步地將桶送入進(jìn)桶星輪; 進(jìn)桶星輪由封蓋部分通過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)它將空桶送到灌裝機(jī) F 的秤盤, 檢測(cè)到位開(kāi)始灌裝; 灌裝完畢進(jìn)入封蓋區(qū)域 C 和 D, 分別進(jìn)行放內(nèi)蓋、 封內(nèi)蓋和壓外蓋; 最后通過(guò)封蓋檢測(cè)合格的進(jìn)入下一環(huán)節(jié) E, 否則進(jìn)入剔桶區(qū)域 E.

2  自控系統(tǒng)

包裝線采用SIMATIC S7- 300 PLC, PLC 編程組態(tài)工具 STEP7采用 SIMATIC 軟件的集成, 為實(shí)現(xiàn) PLC 編程組態(tài)的易用性以及與上位機(jī)組態(tài)系統(tǒng)的集成統(tǒng)一性提供了強(qiáng)大的軟件平臺(tái)。PROFIBUS- DP 用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時(shí)間必須要比主站(PLC) 程序循環(huán)時(shí)間短。

2. 1  S7- 300 PLC的硬件的組成及配置

( 1) 電源單元對(duì)交流電源進(jìn)行整流、 濾波、 和穩(wěn)壓, 轉(zhuǎn)換成供PLC 的中央處理器、 存儲(chǔ)器等電子電路工作所需要的直流電源。

( 2)CPU 單元內(nèi)部包括微處理器及其控制邏輯、 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、 用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。CPU 的運(yùn)算速度快, 指令豐富且具有多種尋址方式。

2. 2  程序編程軟件 STEP7 V5. 3

STEP7 V5. 3 是用于對(duì) SIMATIC 進(jìn)行設(shè)計(jì)、 組態(tài)、 編程和故障排除的軟件。用戶可以在 STEP7 中編寫程序和對(duì)硬件進(jìn)行組態(tài), 并將用戶程序和硬件組態(tài)信息下載到 CPU, 或者從 CPU上傳到 PC機(jī)。當(dāng)程序下載、 調(diào)試完成后, PLC 系統(tǒng)就可以執(zhí)行各種自動(dòng)任務(wù)了。

控制系統(tǒng)的性能已經(jīng)不僅取決于 PLC 的 CPU, 還受 PLC 所處的擴(kuò)展環(huán)境( 即網(wǎng)絡(luò)環(huán)境) 的影響。OCME 公司的 R5 全自動(dòng)稱重式灌裝機(jī)的控制系統(tǒng)的包裝線建立的 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用于單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí) SIMATIC 的控制網(wǎng)絡(luò), 它應(yīng)用了混合介質(zhì)的傳輸技術(shù)以及令牌和主從的邏輯拓?fù)? 可以同時(shí)在雙絞線或光纖上傳輸。

2. 3  S7- 300的通訊和組態(tài)

首先, 在 STEP7 中組態(tài) 2 個(gè) S7- 300 站, 其中集成 DP 口選擇為主站模式, CP342- 5 選擇為從站模式。然后在 PROFIBUS- DP 的硬件列表下, 從【Configured Stations】/【S7- 300CP342-5DP 】中選擇從站硬件組態(tài)中所選用的 CP342- 5 的型號(hào), 拖拽到 DP 主站總線上, 單擊【Connect】按鈕, 將該從站連接在主站建立的 PROFIBUS 網(wǎng)上。選擇從站, 在從站的 硬件插槽上 ( 如Slotl), 插入相應(yīng)的輸入輸出模塊, 也可以插入通用的【Universal module】模塊, 自己定義輸入輸出字節(jié)。系統(tǒng)定義了 10 字節(jié)輸入、 10字節(jié)輸出的數(shù)據(jù)交換區(qū)。這樣, 硬件組態(tài)就完成了。

灌裝機(jī)的PROFIBUS- DP 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由 3個(gè)主站、 7 個(gè)從站構(gòu)成的 PROFIBUS 系統(tǒng)。3 個(gè)主站之間構(gòu)成令牌邏輯環(huán)。當(dāng)某主站得到令牌報(bào)文后, 該主站可在一定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行主站工作。在這段時(shí)間內(nèi), 它可依照主- 從通訊關(guān)系表與所有從站通信,也可依照上- 主通訊關(guān)系表與所有主站通信。是一個(gè)典型的分布式主、 從系統(tǒng)。這種存取機(jī)制, 其中主站周期性的順序同從站交換數(shù)據(jù)。

3  在線調(diào)試系統(tǒng)

在 PC機(jī)上完成的組態(tài)和用戶程序必須下載到 PLC 中, 并且經(jīng)過(guò)軟硬件的調(diào)試才能夠最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制任務(wù)。

3. 1  建立在線連接

STEP7 中, 無(wú)論在項(xiàng)目界面、 編程界面、 數(shù)據(jù)查看界面還是主界面下, 都提供了離線和在線兩種視圖。離線視圖顯示的 PC本地存儲(chǔ)的項(xiàng)目?jī)?nèi)容; 在線視圖顯示 CPU 中的實(shí)際內(nèi)容。當(dāng)PC通過(guò)編程電纜與 PLC 連接后, 就可以在 STEP7 中建立在線連接。在【SIMATIC Manager】中, 單擊工具欄上的 Online 按鈕, 就顯示在線視圖。接著進(jìn)行用戶程序(OB、 FC、 FB 和 DB) 和硬件組態(tài)信息( SDB)等下載到 PLC 的 CPU 中。

3. 2  硬件調(diào)式與診斷

要調(diào)試一個(gè) PLC 系統(tǒng), 查找故障, 可以直接利用硬件模塊自身的信息。S7- 300 PLC系統(tǒng)提供的診斷機(jī)制可以幫助用戶方便的發(fā)現(xiàn)故障, 并查找故障原因。

3. 2. 1  硬件狀態(tài)指示燈

首先, 硬件狀態(tài)指示燈是最直觀的界面。S7 PLC 模塊面板上都有相應(yīng)的指示燈, 用于指示模塊當(dāng)前的狀態(tài)。通過(guò)指示燈, 用戶可以立即發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤, 并可以初步判斷錯(cuò)誤的類型。因此, 當(dāng)程序下載后, 首先要做的就是從指示燈判斷模塊狀態(tài)。

(1) 電源模塊。DC 24 V: 顯示 24 V 直流電流供電狀態(tài)。

(2)CPU 模塊。SF: 程序錯(cuò)誤時(shí)點(diǎn)亮或帶有診斷功能的模塊錯(cuò)誤時(shí)點(diǎn)亮; BATF: 電池錯(cuò)誤時(shí)點(diǎn)亮; ERCE: 有變量被強(qiáng)制時(shí)點(diǎn)亮;RUN: CPU 處于運(yùn)行狀態(tài); STOP: 處于停機(jī)狀態(tài); BF: 現(xiàn)場(chǎng)總線故障時(shí)燈亮。

(3) 數(shù)字量 I/O 模塊。在每個(gè) I/O 點(diǎn)旁邊有一個(gè)指示燈, 指示該位 I/O 的值, I/ O 值為 1時(shí)燈亮。

3. 2. 2  診斷緩沖區(qū)

診斷是 S7 PLC 內(nèi)部集成的識(shí)別和記錄功能。在 CPU 中,有一個(gè)診斷緩沖區(qū)用于記錄事件或者錯(cuò)誤的信息。當(dāng)出錯(cuò)時(shí)系統(tǒng)會(huì)將該事件以及其發(fā)生的時(shí)間都記錄到診斷緩沖區(qū)中, 如果診斷緩沖區(qū)已滿, 最舊的信息會(huì)被覆蓋。發(fā)生錯(cuò)誤時(shí), 除了在診斷緩沖區(qū)中記錄, 還可能調(diào)用相應(yīng)的錯(cuò)誤處理 OB. 利用診斷功能, 用戶可以發(fā)現(xiàn) CPU 或其他模塊的錯(cuò)誤或者用戶程序的錯(cuò)誤。

3. 3  測(cè)試程序

程序中的邏輯錯(cuò)誤往往需要通過(guò)對(duì)程序的跟蹤調(diào)試查找。STEP7提供了對(duì)程序狀態(tài)檢測(cè)和跟蹤調(diào)試的功能。

3．3．1  監(jiān)視程序狀態(tài)

在LAD 程序中, 監(jiān)視界面會(huì)顯示信號(hào)流的狀態(tài)和變量值。處于有效狀態(tài)的元件顯示為綠色實(shí)線, 處于無(wú)效狀態(tài)的元件顯示為藍(lán)色虛線。在變量位置會(huì)顯示該變量的當(dāng)前值。

3．3．2  斷點(diǎn)調(diào)試

借助斷點(diǎn), 可以單步測(cè)試 STL 程序。是否支持?jǐn)帱c(diǎn), 以及支持?jǐn)帱c(diǎn)的數(shù)目都與具體 CPU 型號(hào)有關(guān)。使用斷點(diǎn)調(diào)試功能,必須先通過(guò)菜單【Debug】/【Operation】將 CPU 操作模式選擇為測(cè)試模式(Test Operation), 出現(xiàn)斷點(diǎn)調(diào)試畫面。通過(guò)菜單【View】/【PLC Register】可以顯示 PLC 內(nèi)部寄存器的值。因此與程序狀態(tài)檢測(cè)相比可以更精確地觀察程序的執(zhí)行情況。

3. 4  系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)上面一系列的系統(tǒng)調(diào)試, 基本上定位了軟硬件的控制部分, 現(xiàn)在還需進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。這一步比較關(guān)鍵, 它關(guān)系到整個(gè)灌裝機(jī)系統(tǒng)性能的體現(xiàn), 最主要的則是影響整條線的灌裝速度和品質(zhì)。 它的工作過(guò)程就是按照這條路線如此循環(huán)工作下去的

4 典型故障分析

4. 1  PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤動(dòng)、 死機(jī)等現(xiàn)象

在調(diào)試過(guò)程中, 出現(xiàn)了 PLC 控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤動(dòng)作、 死機(jī)等現(xiàn)象, 每次出現(xiàn)都會(huì)耽誤時(shí)間, 影響生產(chǎn), 于是就得重新安裝驅(qū)動(dòng)程序。經(jīng)過(guò)外國(guó)專家對(duì) PLC 程序的論證和仿真, 確認(rèn)程序沒(méi)有問(wèn)題, 主要原因有以下 2 點(diǎn):

(1)操作人員在調(diào)用品種配方文件后沒(méi)有及時(shí)清除以前的文件, 致使死機(jī), 因?yàn)榇讼到y(tǒng)本身開(kāi)發(fā)就有缺陷, 而且它還在追憶記錄。這時(shí)只能重新啟動(dòng), 調(diào)用新的配方文件, 該文件里的一系列參數(shù)必須重新設(shè)定, 包括 20 個(gè)灌裝嘴的設(shè)置、 控制閥等。

( 2)來(lái)自信號(hào)線引入的干擾與 PLC 控制系統(tǒng)連接的各類信號(hào)傳輸線, 除了傳輸有效的各類信息之外, 總會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入。此干擾主要有 2 種途徑: 一是通過(guò)變送器供電電源或共用信號(hào)儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾, 這往往被忽視; 二是信號(hào)線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾, 即信號(hào)線上的外部感應(yīng)干擾, 這是很嚴(yán)重的。由信號(hào)引入干擾會(huì)引起 I/O 信號(hào)工作異常和測(cè)量精度大大降低, 嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。對(duì)于隔離性能差的系統(tǒng), 還將導(dǎo)致信號(hào)間互相干擾, 引起共地系統(tǒng)總線回流, 造成邏輯數(shù)據(jù)變化、 誤動(dòng)作和死機(jī)。PLC 控制系統(tǒng)因信號(hào)引入干擾造成 I/O 模件損壞數(shù)相當(dāng)嚴(yán)重, 由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。返工后, 發(fā)現(xiàn)電源線和信號(hào)線有的很混亂, 重敷電纜。

若 PLC 系統(tǒng)置于射頻場(chǎng)內(nèi), 就會(huì)收到輻射干擾, 其影響主要通過(guò) 2 條路徑: 一是直接對(duì) PLC 內(nèi)部的輻射, 由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾; 二是對(duì) PLC 通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射, 由通信線路的感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)大小, 特別是頻率有關(guān), 一般通過(guò)設(shè)置屏蔽電纜和 PLC 局部屏蔽及高壓泄放元件進(jìn)行保護(hù)。

4. 2  進(jìn)桶螺旋與主旋轉(zhuǎn)盤不同步

這是整條線運(yùn)行的良好的關(guān)鍵, 進(jìn)桶螺旋與主機(jī)旋轉(zhuǎn)不同步, 致使產(chǎn)生 3種可能的結(jié)果: 一是桶已經(jīng)到位, 可是灌裝嘴部位還沒(méi)到位; 二是根本就不能進(jìn)一個(gè)完整的塑料桶, 可能夾扁桶子, 造成材料的浪費(fèi); 三是桶進(jìn)入的速度與灌裝速度不同步,即灌裝速度與進(jìn)桶螺旋不匹配。

產(chǎn)生此問(wèn)題的原因主要有 2點(diǎn):

(1)變頻器的各項(xiàng)參數(shù)不是最優(yōu)的, 致使主機(jī)各齒輪之間的傳動(dòng)速度不同步。

( 2)主機(jī)灌裝區(qū)域靠編碼器( encode)準(zhǔn)確定位, 編碼器與變頻器也是通訊的, 通過(guò)信號(hào)反饋、 PID 調(diào)節(jié), 這樣整個(gè)同步和定位是比較準(zhǔn)確的。但原來(lái)是伺服馬達(dá)的部分參數(shù)丟失, 使其追憶到原來(lái)的出廠參數(shù)。需要在“Monitor”菜單的“ wormscrew for –mat”子菜單畫面將進(jìn)桶螺旋復(fù)位, 根據(jù)信息重新置參, 這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)在硬件診斷菜單里編碼器的通訊狀態(tài)也恢復(fù)良好, 再進(jìn)行變頻器參數(shù)優(yōu)化, 重新啟動(dòng)發(fā)現(xiàn)一切正常。但是, 操作工停機(jī)需停在非灌裝區(qū), 若在灌裝區(qū), 開(kāi)機(jī)灌裝前需進(jìn)行手動(dòng)進(jìn)桶螺旋找零位。

5  結(jié)束語(yǔ)

該灌裝包裝線經(jīng)過(guò)安裝、 調(diào)試, 經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的運(yùn)行, 沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何故障, 運(yùn)行良好, 基本上達(dá)到了預(yù)期的目的。尤其是停止旋轉(zhuǎn)一稱盤校零這一環(huán)節(jié), 自動(dòng)校稱特別方便。
劉  輝, 哈新智, 張風(fēng)平, 趙彥偉
 

 

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