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液體定量灌裝技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工、飲料、石油和醫(yī)療等生產(chǎn)領(lǐng)域中。在液體灌裝設(shè)備中，將灌裝槍移動(dòng)到灌裝桶桶口位置是整個(gè)灌裝設(shè)備的關(guān)鍵問(wèn)題?，F(xiàn)在的很多灌裝設(shè)備采取的是人工搖動(dòng)灌裝槍頭至灌裝桶桶口的方式，該方式以下3點(diǎn)欠缺:一是由作業(yè)人員人工對(duì)孔，因此工人的勞動(dòng)強(qiáng)度比較大;二是對(duì)孔時(shí)間長(zhǎng)，耽誤了灌裝時(shí)間，影響液體灌裝機(jī)的灌裝效率;三是難于保證灌裝槍與灌裝桶口達(dá)到恰到好處的對(duì)準(zhǔn)度，一旦出現(xiàn)偏位，哪怕是極低的幾率，會(huì)造成灌裝液體的外流，既影響灌裝作業(yè)場(chǎng)所的清潔，又造成液體的浪費(fèi)，以及腐蝕、有毒性液體對(duì)工人的危害。一小部分設(shè)備的定位灌裝桶桶口系統(tǒng)部分，通過(guò)選購(gòu)國(guó)外如美國(guó)某公司、日本某公司等的機(jī)器視覺系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)液體定量灌裝的全自動(dòng)化，但是進(jìn)口的機(jī)器視覺系統(tǒng)價(jià)格比較昂貴，增加了設(shè)備成本［1］。
為了解決上述問(wèn)題，液體灌裝機(jī)用的灌裝桶自動(dòng)輸送裝置［2］巧妙地利用一種機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了灌裝設(shè)備中灌裝桶桶口自動(dòng)定位的問(wèn)題。與前兩者采用的方案相比，方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)尋找灌裝桶桶口工序的自動(dòng)化，同時(shí)很大程度地降低了成本，節(jié)約了灌裝過(guò)程的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)灌裝過(guò)程的全自動(dòng)化。文中在液體灌裝機(jī)用的灌裝桶自動(dòng)輸送裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)全自動(dòng)液體定量灌裝設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹與分析。
1全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)工業(yè)要求
1．1工藝流程
全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)組成見圖1。全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)能夠灌裝各種有毒、腐蝕性液體，單桶灌裝的容量是200L，容許的誤差在0．1L范圍內(nèi)。灌裝桶放置于輸送機(jī)構(gòu)的輸送帶后，輸送電機(jī)啟動(dòng)，輸送灌裝桶至灌裝位置。當(dāng)?shù)竭_(dá)灌裝位置時(shí)，接近開關(guān)感應(yīng)到灌裝桶，將感應(yīng)信號(hào)傳送至PLC，PLC控制輸送電機(jī)停止，升降氣缸在PLC的控制下開始上升，同時(shí)帶動(dòng)滾輪臂結(jié)構(gòu)上升至氣缸行程的最大位置，升降氣缸停止上升，同步電機(jī)開始啟動(dòng)帶動(dòng)滾輪臂運(yùn)動(dòng)，灌裝桶在滾輪臂的帶動(dòng)下可以旋轉(zhuǎn)。由于灌裝桶屬于偏心桶，在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，桶口上方的光電傳感器與灌裝頭都處于桶口旋轉(zhuǎn)軌跡圓上，所以當(dāng)灌裝桶旋轉(zhuǎn)至光電傳感器的正下方，光電傳感器感應(yīng)到灌裝桶桶口邊緣時(shí)，將信號(hào)傳送至PLC，PLC根據(jù)光電傳感器的信號(hào)，將停止同步電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到桶口后，吸蓋裝置在氣缸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)至灌裝桶桶口的正上方，吸取灌裝桶的桶蓋，在完成吸蓋動(dòng)作后回復(fù)到原來(lái)的位置。當(dāng)桶蓋被吸取后，開始進(jìn)行定量灌裝過(guò)程，PLC控制無(wú)桿氣缸帶動(dòng)灌裝槍進(jìn)入到灌裝桶中進(jìn)行液體灌裝，稱重傳感器能夠感應(yīng)到灌裝桶中重量的變化，而稱重控制器選用的是日本某公司的F701。通過(guò)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(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)束后，儀表會(huì)傳送灌裝結(jié)束標(biāo)志信號(hào)至PLC，PLC根據(jù)此信號(hào)結(jié)束定量灌裝過(guò)程。PLC控制無(wú)桿氣缸帶動(dòng)灌裝槍上升至初始位置，吸蓋裝置旋轉(zhuǎn)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(jī)啟動(dòng)，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(diào)試設(shè)備和檢查故障原因，設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)送空桶、檢測(cè)空桶到達(dá)灌裝位置、桶口位置檢測(cè)、液體定量灌裝以及滿桶輸送整個(gè)過(guò)程的自動(dòng)化控制和手動(dòng)化控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)兩者之間的切換選擇。
(2)實(shí)現(xiàn)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200L，容許的誤差在0．1L范圍內(nèi)。
(3)為了方便操作人員處理設(shè)備工作過(guò)程中的故障，當(dāng)系統(tǒng)某一部分出現(xiàn)故障(如檢測(cè)桶口時(shí)出現(xiàn)檢測(cè)失敗的情況，灌裝槍頭就不能順利通過(guò)桶口進(jìn)入桶內(nèi)，就會(huì)出現(xiàn)灌裝槍頭頂在桶上和定量灌裝時(shí)出現(xiàn)超出容許誤差的情況等)，PLC會(huì)對(duì)這些故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記憶鎖存，并通過(guò)觸摸屏快速顯示報(bào)警，指明報(bào)警類型以及可能存在的故障原因。
(4)為了提高設(shè)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(shè)備，所有的技術(shù)參數(shù)、工藝參數(shù)、操作手冊(cè)、報(bào)警記錄、故障原因、維修指南等都通過(guò)觸摸屏保存。
2PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1硬件基本配置
根據(jù)全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)設(shè)備的控制以及工藝要求，硬件配置由日本某公司的PLC-FX3U、觸摸屏GT1275，日本某公司的稱重控制器F701、無(wú)桿氣缸、壓力傳感器、接近傳感器等構(gòu)成?？紤]到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，電機(jī)、電磁閥、傳感器、氣缸等均采用進(jìn)口設(shè)備。
2.2控制系統(tǒng)硬件的組成
控制系統(tǒng)由一個(gè)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(dòng)液體定量灌裝機(jī)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FX3U系列編程控制器，該系列編程控制器具有內(nèi)置高達(dá)64K大容量的RAM存儲(chǔ)器、內(nèi)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(cè)均可以連接功能強(qiáng)大簡(jiǎn)便易用的適配器［4］。編程軟件為GXDeveloper。稱重系統(tǒng)核心部件選用的為F701，通過(guò)DDK57－30240與PLC相連接，通過(guò)PLC的控制能夠?qū)崿F(xiàn)儀表自動(dòng)啟動(dòng)、停止、快加，慢加等，同時(shí)還具有分檔加料、超差報(bào)警、去皮重等功能［3］，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定量灌裝。觸摸屏系統(tǒng)采用的是GT1275，為三菱最新系列的觸摸屏，采用RS485進(jìn)行通訊，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、控制等。該控制系統(tǒng)不需要采用昂貴的進(jìn)口機(jī)器視覺檢測(cè)軟件就能夠?qū)崿F(xiàn)灌裝桶桶口的定位、灌裝過(guò)程的全自動(dòng)化，很好地控制了設(shè)備的成本，提高了競(jìng)爭(zhēng)力。
3全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1人機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)
通過(guò)人機(jī)界面，操作人員可以與PLC進(jìn)行信息、數(shù)據(jù)等的處理與交流。同時(shí)人機(jī)界面能夠更直觀地顯示整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警等故障時(shí)，故障可能原因顯示在人機(jī)界面上，對(duì)操作人員解決系統(tǒng)故障提供了很大的幫助［5－6］。人機(jī)界面的組成見圖3。

自動(dòng)控制模塊能夠使灌裝設(shè)備整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行;手動(dòng)控制模塊能讓操作人員在手動(dòng)控制模式時(shí)對(duì)設(shè)備的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行控制，適合在對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試或者檢查系統(tǒng)出現(xiàn)的故障原因時(shí)使用此模式;實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊監(jiān)控著系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，便于操作人員對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)控與分析;報(bào)警記錄模塊記錄了在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤的情況，便于操作人員及時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)行，檢查故障，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性;操作手冊(cè)模塊存儲(chǔ)了操作說(shuō)明、維修手冊(cè)、可能故障原因以及處理方法，便于操作人員日常對(duì)設(shè)備的操作和維修。
3．2PLC控制軟件設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)中根據(jù)工藝流程與工藝要求結(jié)合設(shè)計(jì)流程圖，用基本邏輯指令編制出梯形圖。在液體灌裝設(shè)備中，液體灌裝機(jī)用的灌裝桶自動(dòng)輸送裝置巧妙地利用一種機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了灌裝設(shè)備中灌裝桶桶口自動(dòng)定位的問(wèn)題，因此只對(duì)全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)控制系統(tǒng)中自動(dòng)尋找桶口部分的程序給出詳細(xì)分析［7－9］。與人工搖動(dòng)灌裝槍頭至灌裝桶桶口的方式相比，該控制系統(tǒng)對(duì)孔的時(shí)間很短，而且對(duì)孔的精度很高，同時(shí)該控制系統(tǒng)軟件具有故障檢測(cè)、安全自鎖、自動(dòng)化程度高、安全性能強(qiáng)等特點(diǎn)。各軟元件見表1，自動(dòng)尋找桶口程序的梯形圖見圖4。

自動(dòng)尋找桶口控制系統(tǒng)的程序運(yùn)行過(guò)程如下。
(1)輔助繼電器M1為系統(tǒng)正常運(yùn)行標(biāo)志位，當(dāng)M1接通且空桶輸送電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行(Y0接通)，接近開關(guān)觸發(fā)，表示檢測(cè)到灌裝桶被輸送到灌裝位置，此時(shí)停止空桶輸送電機(jī)運(yùn)行即Y0復(fù)位;當(dāng)灌裝槍上升到頂位時(shí)接近開關(guān)2被觸發(fā)即X14接通，此時(shí)將氣動(dòng)電磁閥1置位使支座上升。
(2)當(dāng)支座上升到頂位時(shí)，接近開關(guān)4被觸發(fā)即X16接通，此時(shí)將支座上升到頂位的狀態(tài)保存到輔助繼電器M2中，同時(shí)觸發(fā)定時(shí)器T1。定時(shí)器T1的計(jì)時(shí)單位為100ms，設(shè)定值為20mm。如果直接在支座上升到頂位后立即開始啟動(dòng)同步電機(jī)，會(huì)出現(xiàn)由于支座上升后沒(méi)有停穩(wěn)而同步電機(jī)啟動(dòng)造成灌裝桶傾倒的現(xiàn)象，所以在此處設(shè)置2s的延時(shí)，待支座平穩(wěn)上升到頂位后，再啟動(dòng)同步電機(jī)。
(3)當(dāng)定時(shí)器T1的2s延時(shí)到達(dá)后，啟動(dòng)同步電機(jī)即接通Y2，將帶動(dòng)灌裝桶進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
(4)當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行標(biāo)志位M1接通，灌裝槍升到頂位即X14接通，同步電機(jī)在運(yùn)行中，此時(shí)如果同步電機(jī)在帶動(dòng)灌裝桶旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中灌裝桶桶口突起的邊緣，剛好在光電傳感器的檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，光電傳感器被觸發(fā)，X2接通。檢測(cè)到灌裝桶口，同時(shí)將停止同步電機(jī)運(yùn)行，使灌裝槍開始下降，即復(fù)位Y2，復(fù)位Y5，置位Y6。
(5)當(dāng)灌裝槍在下降的過(guò)程中，灌裝槍沒(méi)有順利進(jìn)入桶口中而是頂在桶上，此時(shí)壓力開關(guān)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(bào)警等待操作人員處理即復(fù)位Y6，置位Y5，置位M3，M3為頂桶報(bào)警標(biāo)志位。
(6)當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，灌裝槍順利地進(jìn)入桶口中然后繼續(xù)下降。當(dāng)下降到灌裝槍最低位置時(shí)，接近開關(guān)3被觸發(fā)，即X15接通，停止灌裝槍下降的同時(shí)開始啟動(dòng)稱重儀表，即復(fù)位Y6，置位M4，M4為稱重儀表啟動(dòng)標(biāo)志位。
4結(jié)論
利用精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、PLC、氣動(dòng)元件、稱重儀表、人機(jī)界面相結(jié)合的控制方案，與現(xiàn)在大部分企業(yè)采用的手動(dòng)搖動(dòng)灌裝槍進(jìn)行灌裝的同類包裝機(jī)相比，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)灌裝過(guò)程，灌裝過(guò)程時(shí)間大大減少。相對(duì)于采用進(jìn)口機(jī)器視覺系統(tǒng)的灌裝機(jī)，大大降低了設(shè)備的成本。同時(shí)利用觸摸屏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與操作，使灌裝機(jī)系統(tǒng)操作更方便、更人性化。該控制系統(tǒng)已通過(guò)實(shí)驗(yàn)，仿真調(diào)試成功。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行性能穩(wěn)定、安全、可靠、自動(dòng)化程度高，已經(jīng)量產(chǎn)，且客戶反應(yīng)良好，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為企業(yè)帶來(lái)了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

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