1  全自動稱重式灌裝機的基本組成及原理

設備主要由以下 6部分組成: 開始進桶灌裝時, 由馬達驅動的一條平板輸送帶 A 和由伺服馬達驅動的一對進桶螺旋 B, 將桶分開並且同步地將桶送入進桶星輪; 進桶星輪由封蓋部分通過鏈條驅動它將空桶送到灌裝機 F 的秤盤, 檢測到位開始灌裝; 灌裝完畢進入封蓋區域 C 和 D, 分別進行放內蓋、 封內蓋和壓外蓋; 最後通過封蓋檢測合格的進入下一環節 E, 否則進入剔桶區域 E.

2  自控係統

包裝線采用SIMATIC S7- 300 PLC, PLC 編程組態工具 STEP7采用 SIMATIC 軟件的集成, 為實現 PLC 編程組態的易用性以及與上位機組態係統的集成統一性提供了強大的軟件平台。PROFIBUS- DP 用於現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息並周期地向從站發送輸出信息。總線循環時間必須要比主站(PLC) 程序循環時間短。

2. 1  S7- 300 PLC的硬件的組成及配置

( 1) 電源單元對交流電源進行整流、 濾波、 和穩壓, 轉換成供PLC 的中央處理器、 存儲器等電子電路工作所需要的直流電源。

( 2)CPU 單元內部包括微處理器及其控製邏輯、 係統程序存儲器、 用戶數據存儲器。CPU 的運算速度快, 指令豐富且具有多種尋址方式。

2. 2  程序編程軟件 STEP7 V5. 3

STEP7 V5. 3 是用於對 SIMATIC 進行設計、 組態、 編程和故障排除的軟件。用戶可以在 STEP7 中編寫程序和對硬件進行組態, 並將用戶程序和硬件組態信息下載到 CPU, 或者從 CPU上傳到 PC機。當程序下載、 調試完成後, PLC 係統就可以執行各種自動任務了。

控製係統的性能已經不僅取決於 PLC 的 CPU, 還受 PLC 所處的擴展環境( 即網絡環境) 的影響。OCME 公司的 R5 全自動稱重式灌裝機的控製係統的包裝線建立的 PROFIBUS 網絡是應用於單元級和現場級 SIMATIC 的控製網絡, 它應用了混合介質的傳輸技術以及令牌和主從的邏輯拓撲, 可以同時在雙絞線或光纖上傳輸。

2. 3  S7- 300的通訊和組態

首先, 在 STEP7 中組態 2 個 S7- 300 站, 其中集成 DP 口選擇為主站模式, CP342- 5 選擇為從站模式。然後在 PROFIBUS- DP 的硬件列表下, 從【Configured Stations】/【S7- 300CP342-5DP 】中選擇從站硬件組態中所選用的 CP342- 5 的型號, 拖拽到 DP 主站總線上, 單擊【Connect】按鈕, 將該從站連接在主站建立的 PROFIBUS 網上。選擇從站, 在從站的 硬件插槽上 ( 如Slotl), 插入相應的輸入輸出模塊, 也可以插入通用的【Universal module】模塊, 自己定義輸入輸出字節。係統定義了 10 字節輸入、 10字節輸出的數據交換區。這樣, 硬件組態就完成了。

灌裝機的PROFIBUS- DP 網絡是一個由 3個主站、 7 個從站構成的 PROFIBUS 係統。3 個主站之間構成令牌邏輯環。當某主站得到令牌報文後, 該主站可在一定時間內執行主站工作。在這段時間內, 它可依照主- 從通訊關係表與所有從站通信,也可依照上- 主通訊關係表與所有主站通信。是一個典型的分布式主、 從係統。這種存取機製, 其中主站周期性的順序同從站交換數據。

3  在線調試係統

在 PC機上完成的組態和用戶程序必須下載到 PLC 中, 並且經過軟硬件的調試才能夠最終實現自動控製任務。

3. 1  建立在線連接

STEP7 中, 無論在項目界麵、 編程界麵、 數據查看界麵還是主界麵下, 都提供了離線和在線兩種視圖。離線視圖顯示的 PC本地存儲的項目內容; 在線視圖顯示 CPU 中的實際內容。當PC通過編程電纜與 PLC 連接後, 就可以在 STEP7 中建立在線連接。在【SIMATIC Manager】中, 單擊工具欄上的 Online 按鈕, 就顯示在線視圖。接著進行用戶程序(OB、 FC、 FB 和 DB) 和硬件組態信息( SDB)等下載到 PLC 的 CPU 中。

3. 2  硬件調式與診斷

要調試一個 PLC 係統, 查找故障, 可以直接利用硬件模塊自身的信息。S7- 300 PLC係統提供的診斷機製可以幫助用戶方便的發現故障, 並查找故障原因。

3. 2. 1  硬件狀態指示燈

首先, 硬件狀態指示燈是最直觀的界麵。S7 PLC 模塊麵板上都有相應的指示燈, 用於指示模塊當前的狀態。通過指示燈, 用戶可以立即發現錯誤, 並可以初步判斷錯誤的類型。因此, 當程序下載後, 首先要做的就是從指示燈判斷模塊狀態。

(1) 電源模塊。DC 24 V: 顯示 24 V 直流電流供電狀態。

(2)CPU 模塊。SF: 程序錯誤時點亮或帶有診斷功能的模塊錯誤時點亮; BATF: 電池錯誤時點亮; ERCE: 有變量被強製時點亮;RUN: CPU 處於運行狀態; STOP: 處於停機狀態; BF: 現場總線故障時燈亮。

(3) 數字量 I/O 模塊。在每個 I/O 點旁邊有一個指示燈, 指示該位 I/O 的值, I/ O 值為 1時燈亮。

3. 2. 2  診斷緩衝區

診斷是 S7 PLC 內部集成的識別和記錄功能。在 CPU 中,有一個診斷緩衝區用於記錄事件或者錯誤的信息。當出錯時係統會將該事件以及其發生的時間都記錄到診斷緩衝區中, 如果診斷緩衝區已滿, 最舊的信息會被覆蓋。發生錯誤時, 除了在診斷緩衝區中記錄, 還可能調用相應的錯誤處理 OB. 利用診斷功能, 用戶可以發現 CPU 或其他模塊的錯誤或者用戶程序的錯誤。

3. 3  測試程序

程序中的邏輯錯誤往往需要通過對程序的跟蹤調試查找。STEP7提供了對程序狀態檢測和跟蹤調試的功能。

3．3．1  監視程序狀態

在LAD 程序中, 監視界麵會顯示信號流的狀態和變量值。處於有效狀態的元件顯示為綠色實線, 處於無效狀態的元件顯示為藍色虛線。在變量位置會顯示該變量的當前值。

3．3．2  斷點調試

借助斷點, 可以單步測試 STL 程序。是否支持斷點, 以及支持斷點的數目都與具體 CPU 型號有關。使用斷點調試功能,必須先通過菜單【Debug】/【Operation】將 CPU 操作模式選擇為測試模式(Test Operation), 出現斷點調試畫麵。通過菜單【View】/【PLC Register】可以顯示 PLC 內部寄存器的值。因此與程序狀態檢測相比可以更精確地觀察程序的執行情況。

3. 4  係統功能的實現

通過上麵一係列的係統調試, 基本上定位了軟硬件的控製部分, 現在還需進行整機調試。這一步比較關鍵, 它關係到整個灌裝機係統性能的體現, 最主要的則是影響整條線的灌裝速度和品質。 它的工作過程就是按照這條路線如此循環工作下去的

4 典型故障分析

4. 1  PLC控製係統產生誤動、 死機等現象

在調試過程中, 出現了 PLC 控製係統產生誤動作、 死機等現象, 每次出現都會耽誤時間, 影響生產, 於是就得重新安裝驅動程序。經過外國專家對 PLC 程序的論證和仿真, 確認程序沒有問題, 主要原因有以下 2 點:

(1)操作人員在調用品種配方文件後沒有及時清除以前的文件, 致使死機, 因為此係統本身開發就有缺陷, 而且它還在追憶記錄。這時隻能重新啟動, 調用新的配方文件, 該文件裏的一係列參數必須重新設定, 包括 20 個灌裝嘴的設置、 控製閥等。

( 2)來自信號線引入的幹擾與 PLC 控製係統連接的各類信號傳輸線, 除了傳輸有效的各類信息之外, 總會有外部幹擾信號侵入。此幹擾主要有 2 種途徑: 一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網幹擾, 這往往被忽視; 二是信號線受空間電磁輻射感應的幹擾, 即信號線上的外部感應幹擾, 這是很嚴重的。由信號引入幹擾會引起 I/O 信號工作異常和測量精度大大降低, 嚴重時將引起元器件損傷。對於隔離性能差的係統, 還將導致信號間互相幹擾, 引起共地係統總線回流, 造成邏輯數據變化、 誤動作和死機。PLC 控製係統因信號引入幹擾造成 I/O 模件損壞數相當嚴重, 由此引起係統故障的情況也很多。返工後, 發現電源線和信號線有的很混亂, 重敷電纜。

若 PLC 係統置於射頻場內, 就會收到輻射幹擾, 其影響主要通過 2 條路徑: 一是直接對 PLC 內部的輻射, 由電路感應產生幹擾; 二是對 PLC 通信內網絡的輻射, 由通信線路的感應引入幹擾。輻射幹擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場大小, 特別是頻率有關, 一般通過設置屏蔽電纜和 PLC 局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。

4. 2  進桶螺旋與主旋轉盤不同步

這是整條線運行的良好的關鍵, 進桶螺旋與主機旋轉不同步, 致使產生 3種可能的結果: 一是桶已經到位, 可是灌裝嘴部位還沒到位; 二是根本就不能進一個完整的塑料桶, 可能夾扁桶子, 造成材料的浪費; 三是桶進入的速度與灌裝速度不同步,即灌裝速度與進桶螺旋不匹配。

產生此問題的原因主要有 2點:

(1)變頻器的各項參數不是最優的, 致使主機各齒輪之間的傳動速度不同步。

( 2)主機灌裝區域靠編碼器( encode)準確定位, 編碼器與變頻器也是通訊的, 通過信號反饋、 PID 調節, 這樣整個同步和定位是比較準確的。但原來是伺服馬達的部分參數丟失, 使其追憶到原來的出廠參數。需要在“Monitor”菜單的“ wormscrew for –mat”子菜單畫麵將進桶螺旋複位, 根據信息重新置參, 這時會發現在硬件診斷菜單裏編碼器的通訊狀態也恢複良好, 再進行變頻器參數優化, 重新啟動發現一切正常。但是, 操作工停機需停在非灌裝區, 若在灌裝區, 開機灌裝前需進行手動進桶螺旋找零位。

5  結束語

該灌裝包裝線經過安裝、 調試, 經過幾個月的運行, 沒有發現任何故障, 運行良好, 基本上達到了預期的目的。尤其是停止旋轉一稱盤校零這一環節, 自動校稱特別方便。
劉  輝, 哈新智, 張風平, 趙彥偉
 

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