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回轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的灌裝定量有多種形式, 常用的有注塞式、容積式、液位式、稱重式等多種方式。隨著控制技術(shù)的提高, 稱重傳感器技術(shù)的成熟, 稱重式定量灌裝是回轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。稱重式定量灌裝很好的解決包裝計(jì)量不準(zhǔn)確的難題, 提高了包裝定量的精度。

1 主電機(jī)控制

1.1 主電機(jī)控制的主要控制原理

主電機(jī)主要是通過(guò)變頻器控制, 其控制原理框圖如圖 1 所示, 從圖 1 可以看出, 主電機(jī)有灌裝和清洗兩個(gè)運(yùn)行速度, 灌裝速度通過(guò)PLC 中的模擬輸出模塊控制, 清洗速度由變頻器參數(shù)設(shè)定, 運(yùn)行模式由 PLC 給出。

1.2 主電機(jī)的主要控制要求

在變頻器中設(shè)置最高轉(zhuǎn)速, 第 2 轉(zhuǎn)速( 清洗速度) 等變頻器的必要參數(shù)。在人機(jī)界面上設(shè)置主電機(jī)運(yùn)行頁(yè)面, 包括運(yùn)行狀態(tài)( 灌裝 / 清洗)、主機(jī)開、關(guān), 灌裝速度, 產(chǎn)量計(jì)數(shù)。主電機(jī)的運(yùn)行受開機(jī)按鈕、關(guān)機(jī)按鈕和人機(jī)界面設(shè)置按鈕的雙重控制。

1.3 旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇

選用增量型編碼器, 分辨率為 300 , 通過(guò)A 、 B 項(xiàng)加 Z 項(xiàng)復(fù)位計(jì)數(shù), 對(duì)于 24 頭灌裝機(jī),計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙倍頻處理, 計(jì)數(shù) 25 為一個(gè)灌裝回轉(zhuǎn)工位周期。

1.4 設(shè)備零位和絕對(duì)零位

對(duì)于旋轉(zhuǎn)編碼器, 每旋轉(zhuǎn)一周, 給 PLC 發(fā)送 300 個(gè)脈沖, 通過(guò) Z 相發(fā)給 PLC 一個(gè)復(fù)位信號(hào),使 PLC 中高速計(jì)數(shù)器從 1 計(jì)到 300 后復(fù)位,我們把 300 稱之為絕對(duì)計(jì)數(shù)零位。

對(duì)于每臺(tái)灌裝機(jī), 把 1 號(hào)灌裝閥對(duì)準(zhǔn)入瓶口,計(jì)數(shù)器復(fù)位開始計(jì)數(shù)稱之為設(shè)備計(jì)數(shù)零位。在實(shí)際控制中, 由于編碼器安裝的位置是一個(gè)變數(shù), 因此,不同的設(shè)備, 絕對(duì)計(jì)數(shù)零位不同。對(duì)于每一臺(tái)設(shè)備, 需要進(jìn)行設(shè)備零位的設(shè)置。

1.5 設(shè)備零位的尋找和設(shè)定

點(diǎn)動(dòng)設(shè)備, 使 1 號(hào)閥對(duì)準(zhǔn)入瓶口,將高速計(jì)數(shù)器 C 的數(shù)據(jù)傳入寄存器 C 1中,寄存器 C 2 =300- C 1 , 寄存器 C 3 =C- C 1 ( C≥C 1 ) 或 C 3 =C 2 +C ( C

2 稱重控制器的定量控制方案

如圖 2 所示, 是兩組利用稱重控制器稱重計(jì)量的控制原理圖。采用稱重控制器控制各個(gè)灌裝閥的灌裝, 對(duì)于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的灌裝料缸、灌裝閥、稱重平臺(tái)等的接線簡(jiǎn)化了難度。

圖中 AB 1 為控制器 A 1 的稱重傳感器, Y 1 為對(duì)應(yīng)灌裝閥的快速開閥灌裝電磁閥, Y 2 為對(duì)應(yīng)灌裝閥的慢速開閥灌裝電磁閥, IN 1 開始灌裝信號(hào)( 脈沖), IN 2 為強(qiáng)制關(guān)灌裝閥信號(hào)( 脈沖)。它們組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。通過(guò) RS485 對(duì)控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、配方選擇等。

2.1 碳刷滑環(huán)的設(shè)計(jì)要求及接線方法

灌裝料缸、灌裝閥、稱重平臺(tái)等是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),灌裝稱重過(guò)程均在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中完成, 根據(jù)圖 2 所示, 控制器的控制信號(hào)線、電源線要通過(guò)碳刷滑環(huán)連接。

碳刷滑環(huán)的碳刷引線, 如表 1 所示, 碳刷引線共 9根,其中 B 1 、 B 2 為控制器 A 1 、 A 2 等的供電電源, B 3 、 B 4 為灌裝開閥汽缸提供 DC24V電源, B 5 為控制器 A 1 、 A 2 等提供開閥信號(hào),B 6為控制器 A 1 、 A 2 等提供強(qiáng)制關(guān)閥信號(hào), B 7 為備用,B 8 、 B 9 是 RS485 的連線。

分段滑環(huán)解決簡(jiǎn)化接線問(wèn)題, 由于灌裝機(jī)有 24 個(gè)灌裝頭, 因此, 輸入信號(hào)需要 48個(gè),利用分段滑環(huán) B 5 、 B 6 等份為 24段,結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3 所示, 分別接在 24 個(gè)控制器的 IN 1 和 IN 2上,進(jìn)行灌裝開閥和強(qiáng)制關(guān)閥。

值得注意的是, 滑環(huán)導(dǎo)體之間的間隔距離必須大于碳刷寬度, 否則, 無(wú)法將信號(hào)分開。通過(guò)表 1 和表 2 的接線, 巧妙的解決和簡(jiǎn)化了控制器的接線問(wèn)題。

2.2 控制器的要求

稱重控制器必須具有很強(qiáng)的抗干擾、抗震動(dòng)能力, 提供一種常用的通訊協(xié)議。自動(dòng)零位跟蹤、上電自動(dòng)清零、取皮。對(duì)控制器的所有參數(shù)、配方參數(shù)和配方選擇, 快 / 慢加料及快加料百分比設(shè)定等能通過(guò)上位機(jī)調(diào)整。輸入 IN 1 定義為灌裝開閥開始脈沖信號(hào)( PNP ), 該信號(hào)的輸入, 自動(dòng)取皮稱量,開始快加料( Out 1 =1 、 Out 2 =0 ) , 達(dá)到設(shè)定百分比后慢加料( Out 2 =1 、 Out 1 =0 ), 達(dá)到定量后, 關(guān)閥( Out 2 =0 、 Out 1 =0 ), 如果在未達(dá)到設(shè)定量, IN 2 有信號(hào), 關(guān)閥( Out 2 =0 、Out 1 =0 ) 并報(bào)警, 上傳到 PLC 。在人機(jī)界面上設(shè)定,通過(guò) PLC 控制, 從 RS485 總線發(fā)送信號(hào),對(duì)任何灌裝閥進(jìn)行開閥和關(guān)閥, 手動(dòng)定量灌裝功能, 對(duì)任意一個(gè)灌裝閥進(jìn)行稱重灌裝。

2.3 稱重的控制

機(jī)器運(yùn)行周期, 前面講過(guò), 灌裝機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周, 編碼器計(jì)數(shù) 600 個(gè),每個(gè)工位 25 個(gè)數(shù),即為一個(gè)機(jī)器運(yùn)行工位周期。

根據(jù) PLC 的編程指令, 高速計(jì)數(shù)器的值等于 24 個(gè)數(shù)據(jù)范圍, 對(duì)中間寄存器輸值, 這個(gè)中間計(jì)存器便產(chǎn)生周期性變化。如: 10+K× 25≤C 0 ≤15+K× 25 ( K=0 , 23 ) 成立, 令 M 0 =1 , M 0 在程序運(yùn)行中, 隨著 C 0 的變化周期性的規(guī)律變化。

灌裝的控制, 檢測(cè)到一個(gè)瓶子進(jìn)來(lái),根據(jù)機(jī)器周期移位 n位,n 為檢測(cè)瓶子到灌裝初位的工位數(shù)。根據(jù)第 n 位的狀態(tài), 通過(guò) PLC 的 DO 1進(jìn)行輸出, 控制無(wú)瓶不開閥。只要機(jī)器運(yùn)行, 通過(guò) DO 2 輸出強(qiáng)制關(guān)灌裝閥。

2.4 稱重控制器的調(diào)試方法

控制器的參數(shù)設(shè)置, 對(duì)于每一個(gè)控制器, 均要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置, 包括控制器地址、常用稱重量程、快開閥比例值等參數(shù)的設(shè)置, 通信功能的調(diào)試。建立稱重測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái), 利用灌裝閥、稱重托瓶機(jī)構(gòu)建立稱重測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái), 對(duì)每一個(gè)控制器進(jìn)行測(cè)試, 調(diào)試到滿意的效果后上機(jī)調(diào)試, 降低上機(jī)調(diào)試難度, 提高整機(jī)調(diào)試速度。

上機(jī)靜態(tài)調(diào)試, 通過(guò)通訊總線,在機(jī)器停止情況下, 對(duì)每一個(gè)灌裝閥進(jìn)行定量灌裝調(diào)試,調(diào)試出快開閥、量程參數(shù), 記錄數(shù)據(jù)。上機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)試, 動(dòng)態(tài)上機(jī)調(diào)試是稱重調(diào)試的最后一步,必須在前三步調(diào)試完成后進(jìn)行。

2.5 灌裝罐內(nèi)殘留物料的回收

灌裝結(jié)束后, 灌裝罐內(nèi)有剩余的殘留物料,清洗之前進(jìn)行回收, 減少浪費(fèi)和環(huán)境的污染。在灌裝稱重畫面, 設(shè)置物料回收按鈕,選擇該按鈕后, 回收槽汽缸動(dòng)作,灌裝入口不再進(jìn)瓶,液位控制關(guān)閉, 進(jìn)料閥關(guān)閉。 PLC 根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的運(yùn)行位置, 判斷灌裝閥的開閉狀態(tài),通過(guò)總線傳送給控制器進(jìn)行開和關(guān)灌裝閥。

3  PLC 進(jìn)行稱重定量的控制方案

如圖 4 所示, PLC 為控制核心, 稱重傳感器通過(guò)放大器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成 4- 20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),經(jīng)過(guò) PLC 處理, 控制灌裝閥的快灌裝和慢灌裝, 達(dá)到稱重控制灌裝。本方案的主要缺點(diǎn)是 PLC 處理的數(shù)據(jù)量比較大, 要求 PLC 運(yùn)行速度、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊精度采樣周期高,對(duì)于一臺(tái)設(shè)備,需要雙 PLC 控制, 軟件編程工作量大, 優(yōu)點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單。

碳刷滑環(huán)的設(shè)計(jì)要求及接線方法相對(duì)控制器方案比較簡(jiǎn)單, 如表 3 所示, 碳刷滑環(huán)的碳刷引線共 6根,其中 B 1 、 B 2 為 PLC 等的 DC24V供電電源, B 3 為無(wú)瓶檢測(cè)信號(hào), B 4 為備用,B 5 、B 6 是 PLC 與人機(jī)界面的 RS485 通訊連線。

4 灌裝機(jī)液位控制(灌裝過(guò)程)

4.1 灌裝機(jī)液位控制原理

在灌裝過(guò)程中, 料缸液位的穩(wěn)定,可以提高灌裝稱重定量的精度。液位探測(cè)器采用電容式直桿連續(xù)檢測(cè)和限位探頭。含有抗冷凝屏蔽管,對(duì)物料粘結(jié)補(bǔ)償能力, 使探頭在粘結(jié)嚴(yán)重場(chǎng)合下亦能維持穩(wěn)定, 精確的開關(guān)點(diǎn), 無(wú)需對(duì)其進(jìn)行清洗或重復(fù)標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)。

控制器采用模擬量輸入輸出模塊, 其原理如圖 5 所示, 物料進(jìn)料控制采用氣動(dòng)薄膜閥,通過(guò)氣電轉(zhuǎn)換器 A2 控制物料的進(jìn)量。

4.2 液位控制要求

在人機(jī)界面上建立液位探測(cè)器的參數(shù)設(shè)置畫面, 設(shè)置液位探測(cè)器上下限位值,設(shè)置值、測(cè)量值。模擬量輸入輸出模塊的參數(shù)表, PID 調(diào)節(jié)設(shè)置參數(shù), 電流輸出顯示,采樣次數(shù), 輸出頻率等的設(shè)置, 根據(jù)該模塊的技術(shù)數(shù)據(jù)的要求進(jìn)行編程。

5 結(jié)束語(yǔ)

稱重式定量灌裝是一個(gè)發(fā)展方向和趨勢(shì),稱重控制是一個(gè)完整復(fù)雜的控制系統(tǒng), 對(duì)于各種回轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的稱重控制有不同的要求, 不是一篇兩篇文章能夠解決的, 在具體的實(shí)現(xiàn)中,需要解決很多實(shí)際出現(xiàn)的問(wèn)題, 本文只是對(duì)控制原理進(jìn)行了論述, 僅供參考。

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