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技術論壇  S7 - 300 PLC的潤滑油液體灌裝機改造設計
S7 - 300 PLC的潤滑油液體灌裝機改造設計2019-11-18

1.1概述

在液體灌裝機發展領域,我國的起點不高,而且發展時間較晚。20世紀初至50年代中期,手工灌裝操作占據主導。70年代初,北上廣發達城市引進了多條國外液體灌裝機灌裝生產線,隨后,我國許多制造廠家通 過人工測繪等方法仿制了部分液體灌裝機灌裝線,初步提高了 我們自主研發的水平⑸。目前在液體灌裝機領域的國產品牌中,北京恒拓、廣州凱士、香港建技等品牌成為液體灌裝機制造領域的知名品牌⑹。國外液體灌裝機知名生產廠商有美國的Kiefer公司、Horix公司、意大利的OCME公司等⑺。我國的潤滑油液體灌裝機設備的生產水平還處于中低端層次,在主要技術標準方面還處于落后狀態,控制技術改進勢在必行。多樣 控制系統PLC、DCS等在工業控制領域應用的 日益廣泛,使我們利用先進技術進行深入發展,潤滑 油、飲料、啤酒等行業的發展壯大,對液體灌裝機需求將 會逐漸增長,機遇與挑戰并存是我國灌裝機企業面臨的共同狀況。然而,面對競爭日益激烈的國際化市場,國內自動灌裝機生產廠家也在積極發展,不斷探索先進技術,自 動化、智能化技術尤其需要學習,并將所學的知識應用于液體灌裝機新技術的研發⑼。

1.2 PLC的基本結構及應用

自動灌裝機PLC Programmable Logical Controller,可編程序 邏輯控制器)。PLC主要由CPU???,輸入、輸出???/span>,編程器等組成,某些特殊的功能??槭怯美賜瓿?/span> 一定特殊任務的。其內部采用總線結構,進行數據和指令的傳輸”們O因此,我們可以把自動灌裝機PLC看作一個系統,該系統的外部的各種開關量、模擬量等均可作為 PLC的輸入,它們被存入內部寄存器中,經過PLC 部的各種運算、處理后實現輸出,它們是PLC的輸出 變量,由輸出變量對指定設備進行相應控制"UO

目前,國內實現簡單自動灌裝機自動化流程的設備一般都使用PLC來實現,成本較低,可操作性強。單從包裝行業的各種小型自動灌裝機設備就能略見一斑,許多裝箱機、碼垛 機、開箱機都是使用PLC來實現自動化操作。

1.3改造方案

本文的改造方案是對自動灌裝機從控制系統和機械 結構兩方面的改造和提升??刂葡低撤矯?,進口設 備使用的是S7 - 200PLC作為控制系統核心,改造后,采用S7 -300PLC作為主控制系統,同時釆用??榛刂聘腦旖諶蠡?a class=a2 href='/'>定量灌裝機自動灌裝生產線,增加了單桶灌裝模式和不同產品規格的灌裝模式,通過軟、 硬件組態實現潤滑油定量灌裝機灌裝線系統的優化控制成本;機械結構方面增加伺服定位的優化、氣動控制??橛嘔凸嘧巴肥?,實現1 L包裝桶全自動灌裝、裝 箱、碼垛的生產流程。自動灌裝機由于需要實現精準灌裝,輸入、輸出點較多,相關聯設備也比較多,所需實現的控制較為復雜。因為西門子S7 -300PLC在??榛?/span> 控制方面的技術很成熟,其他功能諸如高速計數、 PID算法等功能較強,使得此項目易于實現,所以S7-300 PLC是主控制器的首選。

2液體灌裝機的主要類型和灌裝方式

2.1液體灌裝機的主要類型

自動灌裝機分類標準主要有兩種:一種是根據稱重形 式來分類,另外一種是根據包裝物運動形式來分類。 根據自動灌裝機灌裝的稱重形式如何進行,有減量式稱重灌裝機 和容積式灌裝機。稱重式灌裝機平均速度相比容 積式灌裝機要慢一些,在大批量生產過程中優勢不明顯。但稱重式灌裝機在不同的工況條件

下,穩定性較好,而容積式自動灌裝機受工作溫度影響較大。因為不同 的溫度,所灌裝的液體物料的密度會有一定變化,這樣就會導致計量誤差,影響產品質量。同樣也有根據灌裝包裝物如何運動進行分類,根據包裝物運動形式 可以分為旋轉型和直線型兩種主要形式。

2.2灌裝的基本方法介紹

對于自動灌裝機灌裝基本方法,不同類別、不同性質的產品要有不同的灌裝方法,灌裝機的灌裝方法主要包括: 1)常壓法;2)等壓法;3)真空法;4)重力真空式;5 壓力法。

2.3待改造液體灌裝機及灌裝模式選擇

進口自動灌裝機的主控制系統采用的是S7 - 200PLC,配電柜布置相對繁雜,未形成??榛刂?/span> 處理。進口的灌裝機只有6個灌裝頭,自動液體灌裝機釆用稱重模 式進行灌裝,生產能力每小時1500桶,產能速度相 對落后。

由于所生產的是工業用潤滑油,自動液體灌裝機灌裝方式的選擇 從工藝性能和要求兩方面考慮,作為潤滑油,其工藝 性能如黏度、重度都屬于正常普通液體類型。對于一般的化工液料如工業酒精、潤滑油等,可以采用常壓 法。雖然旋轉式灌裝機在某些方面的優勢高于直線型也灌裝機,但是,旋轉式液體灌裝機體積較大,設備稱重系 統的技術含量較高,并且設備制造成本較高,同時速 度上與直線灌裝機相比處于劣勢,因此改造后的自動灌裝機灌裝線仍選擇直線灌裝機形式。灌裝模式上,原來的液體自動灌裝機釆用的是稱重模式,灌裝速度已經遠遠跟不上現代 化的生產節奏,決定采用容積式灌裝方式,提升灌裝 速度,實現大批量、訂單化生產。

3潤滑油灌裝機控制系統改造設計方案

3.1潤滑油灌裝機控制系統及流程

自動灌裝機系統要求具有將生產數據(工業產出能力、生 產批號等)上載到PC機的功能,同時可以査看瞬時 生產速率,已灌裝數量等等。定量液體灌裝機的設備開啟自動灌裝之后,灌裝輸送機開始運轉。主控制系統采 PLC做的主控制元件,光電和接近開關等檢測稱重傳感器作為外部輸入信號,伺服電機、動作氣缸等作為 輸出元件。同時自動灌裝機生產線具有產品的在線實時監控功 ,并具有產品信息的錄入功能,計算機通過串行通 訊與PLC相連,能夠實時采集數據并能進行生產線數據處理和數據錄入、保存。

灌裝包裝桶在灌裝機中依次完成:上桶,進桶, 上料,進料,灌裝,出桶,旋蓋,封箱,碼垛等9個步 驟。正常操作時,在滿足聯鎖開關閉合、氣壓條件、 液位條件等外部輸號正常時,設備在按壓啟動 開關后,應處于自動運行模式,灌裝線上的各個工位 會按照PLC中編好的程序循環掃描執行。

3.2 PLC選型以及電氣設計

根據本課題設計方案選用了西門子S7 -300 配套產品,包括電源???、CPU???、輸入???、輸出 ???、FM354定位??櫚?。本設計選用了 PS307 源???/span>,CPU選擇315 -2DP,由于需要實現近70 外部輸入檢測動作,近50個外部輸出動作,系統設 計中使用了多個DI/DO.AI/AO???,包括2 SM321數字量輸入???/span>,1SM322數字量輸出模 ,1SM323數字量輸入/輸出???,1SM331 模擬量輸入???,1SM332模擬量輸出??橛美唇惺淙?、輸出指令操作。當灌裝機的外部傳感器 有輸入信號時,輸入??榛崍⒓唇噶畬淶僥??/span> 中,當經過CPU處理后,需要輸出??橄嚶Φ愕畝?。

3.2. 1 液體灌裝機電氣設計

自動液體灌裝機的主回路在設計時充分考慮電機負荷、交流變直流的開關電源位置和配電柜規格,使之滿 足生產需要,控制柜的總電源開關應安裝在控制柜面板上,以便使用時不必打開控制柜門,柜內預留 有一定的空間,方便調整??刂乒竇幼白遠彰?, 內部有散熱風扇及備用插座。PLC輸入輸出各留出至少5個以上的空 點,并留有單獨不被其他設備占用的計算機連接接口,逐級設定管理控制權限。傳感器要安裝牢固, 位置應方便維護;傳感器加裝外部金屬防護,防止損壞。

液體灌裝機的電機包括2個三相異步電機和1個送桶電機和1個伺服電機,三相異步電機電機回路如 5所示,從圖中可以看出上桶輸送電機無變速功 能,灌裝輸送電機是由一個變頻器控制的,可以實現 速度變化,此變頻器是松下VFO系列變頻器,電機輸出功率0.75 kW,額定輸出電流2.03 A。

3.2.2 自動灌裝機控制系統輸入、輸出???/span>

兩個SM321數字量輸入??檣?/span>,包括了空桶最少堆積輸入信號,工位檢測光電,反桶檢測光電,卡口板前后到位的輸入信號,送桶電機前進、后退、停車信號,送桶電機前后極限開關,伺服上下極限位信 號,排油壓力信號等等。

 3.2.3 伺服驅動系統

伺服電機通過齒形帶帶動兩個垂直的滾珠絲杠轉動,兩個滾珠絲杠帶動主橫梁向上移動,主橫梁上 12個活塞桿推動油缸活塞向上移動。主橫梁上升到初始位置,即觸發傳感器14時,伺服電機停止運 行。這個位置是油缸開始計量的起始位置(伺服零 位)。

伺服電機反轉,主橫梁上的活塞桿帶動12個活 塞向下運動,油箱的油通過換向閥進入油缸。伺服 電機的轉數(也就是油缸活塞向下行走的距離)與設定的灌裝量是通過計算相對應的,達到設定灌裝 量時,伺服電機停止轉動,大、小換向氣缸拉動連桿 12個油缸的換向閥旋轉到油缸與灌裝頭連通的 位置(排油位置),等待灌裝。

電子秤自動灌裝機FM354定位??槭峭ü運歐緇目刂?,實于簡單的點到點定位,或者響應、精度和速度有極高 要求的復雜運動模式,為高速機械設備定位提供了高效解決方案(⑸。FM354處理軸的實際定位,用模 擬驅動接口( -10 V~ +10 V)控制驅動器。編碼器(SSI或增量)報告目前軸的位置,FM354利用此信 息來修正輸出電壓。其定位功能包括:手動調整,增 量方式,MDI,運行中的MDI,自動/單段控制。

4潤滑油灌裝機控制系統軟件設計

4.1控制系統及程序設計

原有的程序設計只能實現部分灌裝功能,手動、自動操作都集中在一套主程序中,不能實現??榛?/span> 處理。電子秤液體灌裝機系統設計中使用CPU315 -2DP作為主控制器,工作電壓為220 V/380 V,輸出頻率為50~60 Hz, 次系統設計的主程序全部由此CPU進行控制,實現點到點定位,或者響應、精度和速度有極高 要求的復雜運動模式,為高速機械設備定位提供了 高效解決方案(⑸。FM354處理軸的實際定位,用模 擬驅動接口( -10 V~ +10 V)控制驅動器。編碼器 SSI或增量)報告目前軸的位置,FM354利用此信息來修正輸出電壓。其定位功能包括:手動調整,增 量方式,MDI,運行中的MDI,自動/單段控制。原有的程序設計只能實現部分灌裝功能,手動、 自動操作都集中在一套主程序中,不能實現??榛?。系統設計中使用CPU315 -2DP作為主控制器,工作電壓為220 V/380 V,輸出頻率為50~60 Hz, 次系統設計的主程序全部由此CPU進行控制,實現自動灌裝機控制系統PLC程序設計中將主程序全 部放到了0B1組織塊中,其余使用了多個FC功能 塊和DB數據塊,用來進行子程序設計和部分數據輸入、輸出指令操作,實現灌裝過程的自動化。

4.2 HMI程序的軟件設計

HMI Human Machine Interface 的縮寫,即 人機接口,也叫人機界面。人機界面(又稱用戶 界面或使用者界面)是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介,它實現信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換〔⑹。原防爆電子秤灌裝機屏幕 是傳統的電阻屏,使用過程中容易出現誤操作,同時也是黑白圖像。從以上界面可以發現原有的觸摸屏使用不方便,甚至時間都不能做到自我同步,黑白界面也使得生產線的科技感大打折扣,給人不舒服的感覺。同時原有的自動界面和手動界面也不適合使用者操作。由于灌裝機改造升級就要使得觸摸屏更加人性化、現代化,觸摸屏也同樣選擇了西門子HMI操作屏MP277,這樣便于后期維護、更換,方便調試。在 硬件使用上,MP277運行可靠,質量方面已經得到世 界各國工控領域的認可,全面達到了生產的使用要 求。MP277的編程軟件是WinCC flexible SP3,早己 成功地應用于工控領域〔⑺。MP277開發系統是應 用程序的集成開發環境,可以在這個環境下完成界面的設計。面板組態軟件采用WinCC flexible SP3 , 操作系統為Windows XP Professional SP2,在進行組態前,應進行用戶界面的設計方案確定。通過認真 考慮,將其用戶界面的編輯包括:油品選擇界面,灌 裝過程監控界面,實際生產參數設置界面,手動操作界面,伺服手動操作界面,手動排空操作界面。

5自動灌裝機灌裝線現場調試

5.1自動灌裝機灌裝線的現場調試

自動灌裝機灌裝線的現場調試是在公司設備管理人員在場的情況下,在全部系統的控制柜的安裝、接線完成后,首先進行上電,將現場的氣源打開,按照灌裝開機流程,從后往前逐一啟動,進行電路通 斷測試,然后對控制系統中所有輸入、輸出點進行了手動動作測試。對位置不當的輸入、輸出信 號及時進行調整,隨后又對各工位的外部傳感器、PLC??榻辛瞬饈?。觀察全部測試完成后,進行了本灌裝線的聯機調試工作,觀察檢測 潤滑油灌裝工藝流程的運行情況。

6結論

本課題從實際應用角度出發,綜合我國自動灌裝機的現狀以及存在的問題,并針對原灌裝生產設備生產率低、自動化程度低、缺乏實時監控等缺陷,利用現在較為完善的控制方式,提出基于S7 - 300 PLC的潤滑油灌裝機控制系統,并對系統的各個功能進行了詳盡的描述,根據生產現場的實際需要進行了相應的軟硬件設計。利用西門子組態軟件設計了潤滑油灌裝機控制系統的監控界面。利用西 門子系列PLC可編程控制器通過軟件的編寫,實現了灌裝機效率的大幅度提升,生產平均速度突破 6000/小時,而原來的灌裝速度是1500/小時, 同時,操作使用方便,提升了生產線的自動化水平, 為公司生產提高產能,創造了工業價值。

 

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