全自動液體灌裝詳解
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,0 引言
液體灌裝機按灌裝計量方式的形式不同，有4種基本形式：容積泵式、蠕動泵式、金屬陶瓷活塞計量泵式和時間壓力法。前兩種計量方式已被國內(nèi)眾多廠家廣泛運用，后兩種運用較少。容積量杯式計量方式更換灌裝規(guī)格時間長，難清洗，使用很不方便。蠕動泵制造精度低，容易變形磨損，其分裝精度和穩(wěn)定性難于保證，不適合大批量生產(chǎn)。金屬／陶瓷活塞計量泵，采用不銹鋼／陶瓷材料，計量調(diào)整和拆洗都不是太方便。時間壓力法是更為進的灌裝計量方式，是在恒壓儲液罐中，被分裝液體的計量是通過時間和單位時間的流量來確定的。計量精度由可編程控制器自動控制，可以保證液體流經(jīng)通道及閥體時無死角，無殘留，無固體磨損，清洗消毒不拆卸任何零件，可在線清洗。時間壓力法是好的種計量方式，國外正在積開發(fā)該灌裝機。
為此，我們在積開發(fā)恒壓控制技術(shù)，綜合應(yīng)用自動化新技術(shù)的同時，開發(fā)成功了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的采用時間壓力法的直線式全自動灌裝機。采用可編程控制器處理信號，通過人機界面觸摸屏監(jiān)測運行狀態(tài)，可在線修改運行參數(shù)。任意輸入灌裝計量，精度高，灌裝范圍大，機械設(shè)備簡單，容易維護。
系統(tǒng)的可靠性、控制度及自動化程度直接影響到灌裝的品質(zhì)和生產(chǎn)工人的勞動強度。采用可編程控制器為核心控制線路，簡化系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，而且使系統(tǒng)的自動化控制性能和程度大大提高。采用觸摸屏作為人機界面，作為操作人員和機器設(shè)備之間雙向溝通的橋梁，可以通過文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應(yīng)付隨時可能的變化信息，能明確指示并告之操作員機器目前的狀況，大提高了設(shè)備的附加值。強大的功能及優(yōu)異的穩(wěn)定性使它非常適合用于工業(yè)環(huán)境，日益成為現(xiàn)代化工業(yè)必不可少的設(shè)備之。
1全自動灌裝工藝要求
1.1工藝流程
全自動灌裝機用于灌裝各種各樣的瓶裝水劑，例如農(nóng)藥、酒和飲料。在全自動灌裝機上方有個恒壓儲液罐（料箱），里面有兩個相隔Scm的液位傳感器。通過它控制個旋轉(zhuǎn)汽動閥進行料位控制，使液位保持穩(wěn)定。料箱連接16個灌裝頭。灌裝頭由汽動閥控制，通過控制汽動閥開啟的時間，就達到控制劑量。其精度由精選的優(yōu)質(zhì)元件和軟件進行保證。傳送帶電動機由變頻器控制，進瓶處設(shè)置光纖傳感器檢測進瓶個數(shù)。當檢測到16個時，傳送帶電動機停止，出瓶處汽缸伸出擋住空料瓶，進瓶處汽缸也伸出不再進瓶。這時，灌裝頭下降到瓶口，并由觸摸屏輸入的時間通過PLC來控制灌裝頭上的汽動閥的開啟時間，進行灌裝。灌裝結(jié)束后，灌裝頭上升，出瓶處汽缸縮回，傳送帶電動機又開始工作，進瓶處汽缸延時2s后縮回，光纖傳感器又檢測進瓶個數(shù)，循環(huán)以上過程。其機構(gòu)簡圖組成如圖1所示。
1.2控制要求
1)實現(xiàn)既能從進料到出料和灌裝的整個過程自動化，又能實現(xiàn)各個環(huán)節(jié)的手動控制。
2)實現(xiàn)和過程動作配套的高度的灌裝時間控制以及液位的自控。
3)當系統(tǒng)某部分出現(xiàn)故障時（如液位不到、氣壓低和檢測不到16個料瓶等），PLC能對它們實時監(jiān)測，記憶鎖存，并通過觸摸屏快速指示報警，指明報警類型。
4)實現(xiàn)系統(tǒng)間的安全聯(lián)鎖。
5)所有技術(shù)參數(shù)、工藝參數(shù)、操作手冊、維修指南都通過觸摸屏保存。
2控制系統(tǒng)的構(gòu)成
全自動灌裝機有套嚴格的工藝程序，何時進瓶、出瓶，什么時候灌裝頭上升、下降，什么時候灌裝，灌裝料量多少，進瓶時的傳送帶速度，出瓶時的傳送帶速度，加速時間，減速時間等，都有嚴格的要求。系統(tǒng)不但有高度的時間和液位控制，而槍有調(diào)速、汽缸進出、升降等功能。此外，根據(jù)工藝的要求，除了能實現(xiàn)全自動化外，還能實現(xiàn)手動操作。為了滿足上述要求，如果采用常規(guī)的儀表和繼電控制，那么，系統(tǒng)不但復(fù)雜、繁瑣，而且可靠性等也相應(yīng)降低。采用PLC和觸摸屏的有機結(jié)合，不僅能有效地解決上述問題，而且在觸摸屏上能反映和調(diào)整技術(shù)參數(shù)、工藝參數(shù)，例如能顯示灌裝速度、產(chǎn)量，能調(diào)整每步工藝之間的時間，系統(tǒng)的可靠性、可操作性、可視性都有了很大的提高。
2.1控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
1) PLC的硬件設(shè)置與I/O分配
控制系統(tǒng)由個控制箱、PLC、液位控制系統(tǒng)、傳感器控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、汽缸控制系統(tǒng)以及觸摸屏控制系統(tǒng)等組成。其硬件組成如圖2所示。下面簡述控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容。
控制系統(tǒng)的核心部件PLC選用松下公司的EPO系列可編程控制器。該編程器為16位CPU的超小型高功能PLC，指令資源豐富，性能價格比很高。主控單元為FPO - C32，輸入點數(shù)16、輸出點數(shù)為16點，擴充輸出FPO - E16點單元，就能滿足該系統(tǒng)的要求。該PLC的程序容量為5K，具有豐富的邏輯運算、算術(shù)運算、計數(shù)、步進、定時及分支等功能，大大方便了編程。
2)時間壓力法計量控制系統(tǒng)
計量控制系統(tǒng)是全自動灌裝機的重要部分，其控制程度、劑量穩(wěn)定性直接影響到生產(chǎn)的品質(zhì)。本系統(tǒng)就劑量本身而言，只有軟件控制，即輸入到觸摸屏的劑量（時間量），通過RS - 232口傳遞給PLC，PLC再通過軟件控制灌裝劑量。
3)無級調(diào)速控制系統(tǒng)
灌裝機的速度調(diào)整是用變頻器無級調(diào)速實現(xiàn)的。由于系統(tǒng)在瓶灌裝時的速度以及出瓶的速度要求是不樣的，所以要對變頻器的輸出頻率進行按需調(diào)節(jié)。假如系統(tǒng)處在手動狀態(tài)，那么可以進行人工調(diào)節(jié)。如果系統(tǒng)處在自動狀態(tài)，那么必須自動實現(xiàn)不同階段的速度調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)是通過PLC和變頻器的有機結(jié)合實現(xiàn)的。PLC根據(jù)程序不同段的要求，依次切換變頻器的輸入控制端，從而實現(xiàn)分段速度控制，達到速度調(diào)節(jié)的目的。
4)人機操作界面
操作人員可以通過人機界面與可編程控制器進行信息、數(shù)據(jù)的處理和交流。人機界面主要任務(wù)是迅速獲取、處理應(yīng)用系統(tǒng)運行過程中的數(shù)據(jù)、命令，并以適當?shù)姆绞斤@示出來。憑借觸摸屏編程軟件的強大功能，進行菜單界面設(shè)計、圖形界面設(shè)計，時間完成了這個操作自由、簡單且在功能上分自動、手動操作等多種控制方式的人機操作界面，能夠清晰顯示操作步驟、設(shè)備運行狀況，即使是新手也可輕松操作，并且系統(tǒng)保養(yǎng)方便、快捷。
其組成如圖3所示
2.2 PLC的軟件構(gòu)成
本系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)主要有3部分組成：自動程序控制模塊、手動控制模塊和公共模塊。其中，自動模塊和手動模塊的輸出是中間變量，真正驅(qū)動負載的是公共輸出模塊。它直接驅(qū)動繼電器、電磁閥、蜂鳴器、觸摸屏程序等。
系統(tǒng)的自動控制過程是按工藝的要求進行程序編制的。本系統(tǒng)在設(shè)計上采用步進控制方式，也就是在個過程完成后再去執(zhí)行另個過程。當然，自動過程也要具備定的條件，如：料位不能低于規(guī)定的下限；各執(zhí)行元件的自動開關(guān)必須合上；自動過程開始時料位合乎要求等。圖4是自動過程的程序框圖。液位不到、氣壓低或檢測不到16個料瓶時，表明系統(tǒng)已不能正常工作，這時觸摸屏輸出報警信號和類型，操作人員根據(jù)信號類型進行故障處理，避免不必要的經(jīng)濟損失，使生產(chǎn)正常運行。
3抗干擾措施
在以PLC為核心的這個控制系統(tǒng)中，存在著多種信號。由于信號較多，系統(tǒng)布線時又難以完全分開，所以會出現(xiàn)意想不到的干擾信號，例如微波信號。這些干擾信號不僅影響系統(tǒng)的控制，甚zhi使系統(tǒng)無法正常工作。在這其中，尤以變頻器的干擾為大，它不但使電源的正弦波發(fā)生畸變，產(chǎn)生各種高次諧波，而且不能滿足系統(tǒng)的控制和測量度，所以在抗干擾方面既采用了硬件措施，又采用了軟件措施。為了防止變頻器和其他強電設(shè)備引起的電源干擾，PLC的電源輸入采用隔離變壓器和開關(guān)電源。這樣，能有效抑制高次諧波等引起的干擾。在實際生產(chǎn)過程中，我們及時解決了微波對PLC的干擾，取得了較豐富的經(jīng)驗。
4結(jié)論
全自動灌裝機采用時間壓力控制方法，利用微電腦( PLC)自動控制，電腦觸摸屏儲存本機所有資料及數(shù)據(jù)，操作方便，性能可靠，且結(jié)構(gòu)簡單，易損件少，適應(yīng)能力強，各種異型瓶均可包裝，更換灌裝瓶的規(guī)格，不需更換任何零件。
全自動灌裝機設(shè)備整機簡潔流暢，操作人員工作時不接觸機器任何零件，具有無級調(diào)速、無瓶不灌裝、產(chǎn)量高等特點。在農(nóng)藥灌裝行業(yè)，我們在國內(nèi)開發(fā)了全自動灌裝機，并邱得省計量廳的計量證書。到現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展到食品和油類灌裝，依靠高科技，該產(chǎn)品獲得了很好的經(jīng)濟效率，受到用戶的廣泛好評和積推廣。
原文作者 張文明
