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技術論壇  PC和PLC的自動灌裝機控制系統研究
PC和PLC的自動灌裝機控制系統研究2019-11-18

0引言

現行的自動灌裝機方式主要有量筒式灌裝、稱重式灌裝、直線式/旋轉式電磁閥灌、電磁感應式灌裝。量筒式自動灌裝機主要以機械設備為主,與機械制造和加工有很大的關系,灌裝速度較慢,產品維修率高;稱重式灌裝可以達到很高的精度,但由于其稱重比較復雜,因而速度較慢;電磁感應式灌裝原理較復雜,當今自動灌裝機生產線上推廣應用較少,還處于研發階段;由于直線式電磁閥灌裝只能間隙式工作,產量受到一定限制,電磁閥最多設置20個,此時產量為6000瓶/小時,而目前很多用戶產量要求1

0000瓶/小時,比較可行的方法是采用回轉式灌裝。旋轉式電磁閥自動灌裝機的灌裝閥的開關由電磁閥控制,灌裝精度更高,計時恒壓定量灌裝原理,可使灌裝量的誤千在千分之五以下。電動自動灌裝機及電磁閥控制計量裝置,液體灌裝機可進行精確的連續灌裝,減少浪費,避免包裝過量可能產生的危險?;謐壩形尷吣?榻郵芡獠靠刂葡渲?/span>PLC設置好的定量灌裝參數,自動灌裝機可確保數據傳輸的連續可靠。自動灌裝機灌裝過程通過與灌裝閥相關的恒壓計時進行控制,自動灌裝機灌裝中無垂直機械運動,因而無磨損、免維護、易清洗。無菌控制閥與容器在灌裝過程中不接觸,自動灌裝機非常適合在無菌環境中灌裝。旋轉式電磁閥自動灌裝機有先進的防滴漏裝置,液體灌裝機是集機、光、電一體化設計,自動化程度高,自動配料系統能對機器的運作自動監控,保證操作自動化。生重大影響。現行的旋轉式自動液體灌裝機采用傳統的導電滑環,存在一下問題:

1)能耗大。

2)導電滑環有磨損,須經常更換。

3) 液體灌裝機導電滑環運行時可能產生電火花,無法運用在酒精等易燃液體灌裝。定量灌裝機采用一個plc,主控制PLC通過無線通信??榭刂?/span>pie灌裝,這一方法很好的解決了導電滑環存在的問題,有廣泛的應用前景。

1系統功能及特點

為了有效解決以上問題,我們設計了基于液體灌裝機PLC、PC、觸摸屏和無線收發??櫚?a class=a2 href='/pc107.html'>定量灌裝機。液體灌裝機采用精密不銹鋼電磁閥作為各灌裝頭的流量控制閥,定量灌裝機采用觸摸屏操控設備并完成各項技術參數設定,利用PLC強大的存儲能力和計算能力,存不同類型產品的技術參數并控制各執行元件完成設備的各項任務,PC負責協調控制PLC,并存儲實時數據庫,還可提供一個友好的人機交互界面剛。

基于PCPLC的精確液體灌裝機自動化控制系統實現了:

1)“所見及所得”——以毫升為單位,灌裝量誤差在05%以內,只需從觸摸屏上輸入相應的毫升數,即可實現誤差的調整;

2)“液體灌裝機在線實時調整”-在不?;那榭?,隨時根據抽檢結果,調整灌裝量的誤差,實現定量的調整;

3)“液體灌裝機生產參數記憶”-每次生產調整完畢后,在生產各項技術參數調試穩定運行后可對不同的灌裝對象的各項工作參數進行記憶,在下一次灌裝該種產品時,只需調用即可,不需要重新設置工作參數;

4)“靈活增減配方數目”——用戶可根據實際需要增加或減少一定數量的配方,實現多個標準容量的灌裝;

5)“歷史記錄實時查詢”——用戶可在PC中的數據庫中查詢實時更新的歷史記錄,包括灌裝速度、灌裝設置的參數等。

2控制系統設計

21定量灌裝原理

基于PCPLC的精確液體灌裝機采用電磁閥控制通斷,采用時間繼電器控制流量,調節每一個繼電器的接通時間控制噴嘴的灌裝容量。

從以下3個方面分析定量灌裝原理:

1)電磁閥液體灌裝機的流量控制系統采用恒液面控制裝置,流量的計算如式1U=VXt(1)其中,“表示流量,v表示流速,f表示灌裝時間。因為采用了恒液面控制裝置,因此,12----SXP(2)其中,S表示灌裝頭截面,P表示灌裝壓力。具體到每一臺液體灌裝機,其截面積是固定的,因此,流量大小與灌裝時間成正比例關系,只需控制每個電磁閥的打開時間就能實現對灌裝流量的控制。

例如:一般白酒灌裝容量為500ML,先測定電磁閥1灌裝500ml,時間t1,電磁閥2灌裝500ml時間t2,通過觸摸屏輸入到PLC,灌裝機工作時,電磁閥1

和電磁閥2,同時打開,分別工作t1t2后關閉,因此灌裝量達到要求。當容量變化時,閥的特征參數不變,只要分別修改灌裝時間tlt2即可,因為有PLC,多個灌裝時間可以一次修改完成。

2)光電開關的有無容器判斷

由于液體灌裝機的形狀各異,當旋轉底座旋轉時,我們選擇對灌裝容器位置進行檢測。當灌裝容器經過某一小角度范圍(根據實際位置設定角度,約30。)時,觸發光電開關,送上升沿脈沖至PLC,同時滿足其他條件,則打開相應電磁閥進行灌裝;若沒有灌裝容器經過時,沒有觸發脈沖,則不進行灌裝。

3)光電編碼器的角度控制

液體灌裝機系統采用絕對式光電編碼器作為灌裝機的角位移傳感器,自動液體灌裝機具有分辨率高、響應速度快、體積小、重量輕、耐惡劣環境等特點。光電編碼器的精度或分辨率主要決定于每轉輸出的脈沖數。光電編碼器一般都輸出兩相位相差90。的脈沖信號A、B,同時還輸出其反相脈沖序列A、B,當編碼器順時針旋轉時,A相超前于B90。;逆時針旋轉時,A相滯后于B90。由于本系統旋轉方向一致,不存在正反轉情況,不需要進行相位的判斷,但是可以相互矯正脈沖數,避免誤動作,提高控制精度。

鑒于工業現場的條件,光電編碼器輸出脈沖信號一般夾雜著干擾毛刺,長距離傳遞時,尤其明顯;而且編碼器旋轉時容易受機械振動影響,即微振動干擾,還有電沖擊,共模干擾等,這些干擾的存在都可能導致計數出現不穩定,因此,必要時進入PLC計數前需整形處理。

目前常規光電編碼器的分辨率大多不超過5000n/轉,自動液體灌裝機為了提高角度控制精度,自動液體灌裝機系統采用的倍頻鑒相電路。倍頻鑒相電路由窄脈沖發生器和邏輯門兩部分組成。窄脈沖發生器利用RC積分電路把A、A、B、百4個方波信號變換成窄脈沖,然后由與或非門進行邏輯組合得到四倍頻的窄脈沖。自動液體灌裝機電路采用脈沖沿的充電過程獲取窄脈沖并與原脈沖相與輸出,能夠相對地提高抗干擾能力和脈沖輸出的穩定度。高速計數囂選用3000n/轉的光電編碼器,采用四倍頻后,角位移分辨率為:y:』生:003。

。4×30007因此,角度的控制精度足以滿足本系統的控制要求。

22自動液體灌裝機控制系統結構基于PCPLC的精確定量灌裝自動化控制系統中,PLC負責底層硬件控制,PC負責上層控制和人機交互截面。電磁閥控制計量裝置,

自動液體灌裝機可進行精確的連續灌裝?;謐壩形尷吣?榻郵芡獠靠刂葡渲?/span>PC設置好的定量灌裝參數,可確保數據傳輸的連續可靠。自動液體灌裝機通過恒液面控制裝置控制灌裝的壓力大小,并通過恒壓計時原理,使灌裝量得到精確控制嘲。定量灌裝流程如下.首先在PC里設置灌裝的各參數,然后按觸摸屏開始,啟動傳送帶,自動液體灌裝機當灌裝瓶到達灌裝位置前的光電傳感器時,觸發光電傳感器開始計數,計數達到設定值,電機停,灌裝頭下降插入瓶口,PLC控制電磁閥打開并開始灌裝,PLC開始計時,灌裝時間到,灌裝完成啟動傳送帶,開始下一步工序。

3通信??檣杓?/span>

現行的自動液體灌裝機一般采用導電滑環進行參數設置和控制信號通信。但由于參數設置和控制信號的數量越來越多,需要導電滑環的接點越多,導電滑環越來越大,因而能耗大;導電滑環有磨損,必須經常那個更換;導電滑環運行時可能產生電火花,無法運用在酒精等易燃液體灌裝。因此,自動液體灌裝機系統采用無線通信控制,采用無線收發???,只需接入一路電源信號,滿足高速灌裝機的旋轉灌裝難題f7l。

31通信協議的選擇

PLC選擇自由口通信模式,通信協議是由用戶自己定義的,在這里我們結合PLC本身的特點采用針對半雙工通信的AX25協議。AX25協議是由AMRAD、RATSAMSAT等組織根據CCITTX25協議修改而成,用于業余無線電通信的一種分組通信協議。1984年,AX25協議由ARRL正式發行,在無線數據通信中得到廣泛應用【8]。AX25協議定義了OSI參考模型中的第二層(數據鏈路層),定義了3種幀格式:信息幀、控制幀和無編號幀。AX25協議的信息幀的格式如表1所示。

1AX25協議的信息,PLC在使用自由口進行通信時,接收指令RCV可以通過設定對收到的數據進行起始字節和結束字節進行檢查,以完成對一幀數據的接收,但是要求起始字節和結束字節不能相同。經過調整和優化后調整和優化后的協議起始標志數據FCS(幀校驗)結束標志.

2自動液體灌裝機無線通信方案系統采用西門子的S7200系列PLC作為控制器。PLC的串行通信接口是RS485標準接口,包括兩根差分數據線??垢扇判院?,通信距離長,

自動液體灌裝機實現基于RS485接口的無線通信有兩種方案:一種是選用通用的無線Modem。無線Modem中通常嵌入了微處理器,能夠完成收發數據的緩存、呼叫、應答等功能,但是成本高;另一種方案是采用半成品的無線通信???,根據所研制系統的特點,設計專用接口電路。我們采用了后一種方案。我們采用的SA68D4RT無線通信??榘宋尷囈郵?、發射、FSK調制和解調功能。接口方式是5VTTL電平兼容接口。無線通信??槭前胨さ?,收/發的切換通過收發控制信號線實現。圖5PLC與無線通信??櫚慕涌誑蟯?。PLC發送的串行數據通過RS485收發器轉換為TTL電平,輸出到無線收發??櫚氖莘⑺投?。無線通信??楹?/span>RS485收發器的收/發切換由PLC的輸出觸點控制。光電隔離完成PLC24V電平與5VTTL電平的轉換、隔離。‘一—’IR$485L———'數據發送1RS485、—'1收發器n——一數據接收JI.......................~PLCE+收發控制輸出觸點,自動液體灌裝機PLC與無線通信??櫚慕涌諏頌岣咄ㄐ諾目煽啃?,在發送數據之前,PLC先與PC進行握手,握手成功后在傳送數據;對發送來的每一個信息幀的起始字節和結束字節進行檢查,如果出錯,則不予接收;幀校驗采用累加和校驗。

33PLCIPC的通信接口設計PLC都有一個編程口,大部分PLC的編程口采用RS422標準,計算機的串行口采用RS232標準。Windows環境下進行串口編程一般有兩種方法,pWindowsAPI串口編程和串行通信控件編程。在Windows環境下編程的最大特征之一就是設備無關性,自動液體灌裝機通過設備驅動程序將Windows應用程序與不同的外部設備隔離。Windows本身封裝了Windows通信機制,這種方式稱為通信API,Windows程序員可利用Windows通信API進行編程,不用對硬件進行操作,但這種編程方法比較復雜,對計算機的硬件也必須有一定的了解。因此對串口編程常常采用第二種方法。即使用MSComm(串行通信)控件。串行通信控件通過串行端口傳輸和接收數據。為應用程序提供串行通信功。能它的使用非常簡單,程序員不必花時間去了解較為復雜的API函數,在VisualC++

VisualBasic中均可方便地使用。VisualBasic高級語言具有以下特點:可視化的設計平臺;面向對象的設計方法;結構化的設計語言;事件驅動的編程機制;動態數據交換技術和動態鏈接庫技術,能充分利用Windows資源;開放的數據庫功能與網絡支持。自動液體灌裝機對于采用VisualBasic進行監控軟件的開發極為有利。用戶編寫的通信程序只是針對個人計算機,因此該程序流程僅僅針對需要編程的個人計算機,程序流程一般有通信口初始化、發送請求、接收響應、發送報文、讀取應答報文等???。

4自動液體灌裝機軟件系統系統的軟件設計采用??榛峁?,這樣便于程序的調試、修改和擴充。全部軟件主要包括監控程序以及顯示、參數設置、傳送帶控制、無線通信,液體

自動液體灌裝機灌裝等程序???,各程序??樵詡囁爻絳虻耐騁壞鞫認鹿ぷ?,結構上主要分為主程序和中斷服務程序。上位PC機使用的是微軟的Windows操作系統,上位PC機通過R

S232接口與S7·200PLC進行數據通信。雖然上位PC機的串口標準為RS232,但西門子S7200PLC系列提供的PCPP電纜均帶有RS232RS485電平轉換器,因此不需增加任何硬件就可以方便地將計算機和S7-200PLC互聯。自由端口模式串行通信的實現和監控界面的顯示程序利用VB60編寫。其設計流程如圖6所示。(開始)jt發置串口號、端口號、通信波特率、奇偶校檢、數據位。停止位和接受最大字符數0設置發送報文數據的格式l設置$7--200CPU讀寫操作以及寫入目的寄存器地址j0

自動液體灌裝機自動發送手動發送設置自動發送間隔時間根據設踅進行報文數據的發送0自動接收下位穢1s7200PLC發送反饋報文信息0(結束)6上位PC機程序設計流程上位PCVB程序實現的功能有:1)實現與下位機s7200PLC1254個字符的自由端口模式通信;2)設置通信串口參數;3)設置端口1的波特率、奇偶校驗等等初始化參魏4)

自動液體灌裝機設置發送的相關參數,如目的寄存器地址;5)設置最大傳輸字符數,默認下是255個字符;6)設置自動發送數據的時間間隔;7)自動顯示S7200CP反饋回來的根據。根據自動定量灌裝機系統的實際要求,所傳輸的數據均為十進制【9]。采用主從方式,即上位PC機作為主機,西門子S7200PLCCPU226作為從機,通過RS23PPI電纜連接PC機/PLC的串行通訊口(COM口和S7200CPU通訊口)。將調試通過的PLC用戶程序下載到S7200CPU226中,并將工作模式開關置于RUN位置,啟動用戶程序的運行。計算機通過VB控制界面程序成功實現自由端口模式下與s7-200PLCCPU226之間的數據通信。

5結論

液體灌裝機基于PCPLC的精確定量灌裝是集機、電、信號處理、無線通信等于一體的技術設備,智能化和自動化程度高,精度高,并且操作簡單,能自動監控系統能對機器的運作。論文主要研究利用PCPLC為核心開發出精確定量灌裝自動配料系統,實現自動灌裝的高精度、高速度和高穩定性。現場生產和控制單元部分的工作主要是設計基于PLC的電氣控制系統,利用上位機PC構成的兩級控制系統,合理地分擔上位監控和現場數據采集與控制任務?;?/span>PCPLC的精確定量灌裝控制系統將對灌裝領域產生較大的影響,有廣闊的應用前景。

 

 

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