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首页基于 PLC 的旋转灌装机控制系统设计
本论文主要研究了基于PLC的旋转灌装机控制系统设计。食品机械是专为食品工业服务的,包装机械大约有70%是为食品包装服务的,特别是近年来饮料工业迅速发展,使得液体灌装设备的需求大量增长。美国、日本等国的包装设备正在向高效率、高精度、高自动化程度方向发展。我国的包装机械起步较晚,主要是采用引进一消化的发展模式,虽能满足生产需求,但技术含量不高,特别是对光、磁和计算机等先进技术的应用较少,从而使得我国包装机械的包装精度和运行稳定性同国外设备相比存在着较大差距。本论文对集清洗、灌装、加盖三合一体的旋转型灌装机一XG-24128进行控制系统研究,使其对500ml PET瓶灌装速度可达18000BPH以上,单个封盖头的工作效率可达2000-2200瓶/小时,灌装容量误差不大于3%。在高速灌装下能够实现高的灌装精度和运行稳定性,自动生产可以实现无瓶不灌。通过本论文的研究设计,可以满足食品包装行业对高效率、高精度、高自动化程度的需求。
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1.4 PLC 简介
1.4.1 PLC 的特点
可编程控制器(Programmable Logic Controller, PLC)是一种数字运算操作的电子系
统,专为在工业环境下应用而设计
[8]
。它采用可编程序的存储器,在其内部存储执行逻辑
运算、顺序控制器、计数、定时和算术运算等操作指令,并通过数字的、模拟的输入和输
出,控制各种类型的机械或自动化设备以及生产过程。
继电器是一种小信号的自动控制电器,利用电流、电压、速度、时间、温度等物理量
的预定值作为控制信号来实现接通和分断电路。这种控制模式常采用继电器与接触器结合
使用的控制方式,由各类有触头的电气元件组成,通过触头的闭合或断开来实现对电机的
启动控制、制动和调速控制。这种控制方式的主要特点是价格低,线路设计简单,安装和
调整都相对方便,是简单机械设备最基本的控制形式
[9]
。
近年来,PLC 以其独有的特点迅速发展起来,越来越多地应用于工业生产中,与继电
器模式相比,PLC 具有以下优点:
1)在应用方面,PLC 采用了微处理机技术和通信技术,可广泛应用于顺序控制、运动
控制、通信、数据管理等领域,并具有极强的柔性;而继电器的应用范围有限,对小型问
题的解决往往连线复杂,使得控制柜庞大,可靠性降低,不具有柔性。
2) 在控制速度上,PLC 控制是由程序控制大量的内部软元件实现的,并不实际动作,
所以 PLC 控制中,只有程序的执行时间,各软元件的动作并无延时,相对来说响应速度快,
机械故障少。
3) 在可维护性上,继电器控制模式是依靠电气元件的机械触头动作来实现整个控制
系统的功能,控制中使用的所有电气元件都要进行接线,这就使得安装变得相对较麻烦,
而且出现故障时也不好找出故障根源,使系统维修和保养起来相对费时;PLC 控制中大量
的继电器功能都是由系统软元件或内部继电器来完成的,因此相对继电器模块来说,稳定
性有很大提高。另外,在施工和设计过程中,PLC 控制也比继电器控制更为方便省时。
灌装机作为包装机械的重要组成部分,最大的特点就是动作复杂、频繁,且有较多的
执行元件
[9]
。在这种场合使用继电器逻辑控制必然需要大量的中间继电器,而这些中间继
电器在用 PLC 控制的情况下,就可以对其内部的辅助继电器进行编程来取代。从物理介质
方面来讲前者是要用具体的电气元件来组合,而后者只是用到 PLC 的内部寄存器,在 PLC
编程容量许可的范围内,可以不花费额外的费用来实现复杂的逻辑控制。一般的 PLC 都有
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上百点内部辅助继电器甚至更多,且还有多种专用的内部继电器,足可以应付一般的控制
要求,唯一需要做的工作就是对 PLC 进行编程。除此之外,PLC 相对于其他的工业控制系
统还具有更多的优点
[8]-[10]
:
1) 易操作且共用性好
PLC 技术经过多年的研究和发展已日趋成熟,其产品也从原来的整机式向模块式发展,
并且产品品种多,种类齐全。设计时设计者可根据控制系统的特点及需求选用其 PLC 模块
组成控制系统,然后进行输入和输出点的定义及接线即完成了所需系统的硬件设计。硬件
配置确定以后,通过修改用户程序可以快速改变控制系统的工作状态。
2) 功能多,环境适应性好
简单可编程控制器可以实现逻辑运算、计时、计数和顺控等功能,此外,还有各种功
能模块可供选择,如可进行数据转换的 A/D 和 D/A 模块、用于伺服电机和步进电机运动控
制的定位模块及 PLC 之间交换数据的通信模块等,实现对生产现场不同类型数据的控制,
可以应用于各类复杂程度不等的控制对象,控制对象可以从一台生产机械到一个生产过程。
用户根据自己的需求确定硬件配置后就可以组成所需的控制系统。
3) 良好的稳定性和防干扰能力
可编程控制器是“专为工业环境下应用而设计”的产品,防干扰能力好。
4) 编程易学易懂
可编程控制器采用梯形图形式进行编程,易学易懂,对参与人员的专业水平要求不高,
可操作性强,用户能方便的读取程序并对程序进行编写和修改。
5) 设计、安装、调试方便简单
模块化设计,且中间继电器少,大大减少了时间延迟及由于机械触头带来的故障问题,
使用性能好,且设计、安装、维护的工作量也大为减少。
6) 封装性好、能耗不高
体积小,封装性好,结构更为紧凑、坚固,重量轻,功耗相对于其他控制系统而言大
为降低,是电气控制系统的首选产品。
1.4.2 PLC 的应用范围
由于 PLC 适应性广,使用稳定性好,防干扰能力强等优点,己被广泛应用于工业生产
的各个领域,特别是大中型企业生产规模的不断扩大化和自动化,使得近年来对 PLC 的需
求量越来越大
[10]
。
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(1)开关量的逻辑控制
不同的控制系统虽然控制方式不同,但都能实现开关量的逻辑控制。用继电器一接触
器模式实现逻辑控制时,需要使用大量的机械触头,从而使得连线多,系统动作时间延迟
性大,稳定性变差,且维修成本大。用 PLC 取代继电器,可以采用系统软元件来实现其控
制要求,系统稳定性好。特别是自动生产线的控制,优势更加明显,如数控机床的电气控
制、包装机械控制、运输带控制等。
(2)运动控制
PLC 有专门的运动控制模块,如 QD70 系列,可以实现对多轴的复杂运动进行控制,控
制精度高,响应速度快。并且 PLC 有专门的运动控制中央处理器,可以实现最多对 96 轴
的运动控制,配合以定位模块,尤其适合于大型的运动控制系统。
(3)闭环过程控制
闭环过程控制与逻辑控制相对,它主要是对模拟量进行控制,这些模拟量都是连续变
化的,如压力、温度等。PLC 配备有模拟量输入模块和模数及数模转换模块,可以实现数
字量和模拟量之间的相互转换。闭环过程控制现己广泛应用到中、大型 PLC 控制中,过程
控制广泛应用于热处理炉、压力灌装机械、塑料成型设备等。
(4)数据处理
PLC 具有强大的数据处理能力,不仅可以进行逻辑运算,还可以进行复杂的数学运算,
如函数运算、矩阵运算等功能。此外,PLC 如一般计算机一样可以进行数据存储、不同设
备之间的数据传输等。
(5)通信联网
PLC 通过 USB 接口、 RS232/RS485 接口以及各种不同类型的连接电缆,以实现多个可
编程控制器、可编程控制器与操作终端、可编程控制器与其他设备等之间互相通信,进行
数据的传输和处理,并以此来构成数据网络,形成集中管理加分散控制的分布式控制系统。
第 2 章 XG-24128 型灌装机控制系统方案设计
2.1 XG-24128 型灌装机的工艺要求
课题研究的是伺服泵高速清洗灌装旋盖三合一机,为 24 头旋转型液体灌装机,主要
灌装介质为食用油和普通饮料。该灌装机结构上主要由风道进瓶组件、清洗组件、灌装组
件、旋盖组件、出瓶组件五大部分组成,要求对于 500ml 的 PET 瓶可以实现高速稳定精确
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灌装,且实现无瓶不灌装、无瓶不加盖及在线清洗等功能。
课题研究的 24 头旋转型伺服泵高速清洗灌装旋盖三合一机型号为 XG-24128,下述中
均以 XG-24128 代表此灌装机,它的主要技术要求为:
(1) 灌装速度从 12000 瓶/h 提高到 18000 瓶/h 以上;
(2) 灌装对象为 500ml 的 PET 瓶,灌装介质为食用油和普通饮料;
(3) 灌装的容量误差《3%。,不合格品数量《0.3%,包材利用率》99.7%;
(4) 保证灌装时无滴漏、无泡沫产生;
(5) 保证无瓶不灌装,无瓶不加盖;
(6) 可以实现完整的 CIP 清洗(不拆卸设备、零部件、管道的情况下,通过使用清
洗溶液对设备进行清洗后能达到食品生产的卫生级要求);
(7) 单个封盖头的工作效率达到 2000-2200 瓶/小时以上;
(8) 灌装机设计符合国标 GB16789-1997 食品机械安全卫生要求。
2.2 XG-24128 型灌装机的整体结构
论文所研究的 XG-24128 型灌装机三维示意图(灌装组件隐藏了防尘罩)如
图 2-1 所示,结构部分主要分为风道进瓶组件、清洗组件、灌装组件、加盖组件、
出瓶组件等部分组成,结构图如阁 2-2 所示,各组件及其作用如下:
11 图 2-1 灌装机三维示意图
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