液體定量灌裝技術廣泛應用於化工、 飲料、 石油和醫療等生產領域中。在液體灌裝設備中， 將灌裝槍移動到灌裝桶桶口位置是整個灌裝設備的關鍵問題。現在的很多灌裝設備采取的是人工搖動灌裝槍頭至灌裝桶桶口的方式， 該方式以下 3 點欠缺:一是由作業人員人工對孔， 因此工人的勞動強度比較大;二是對孔時間長， 耽誤了灌裝時間， 影響液體灌裝機的灌裝效率;三是難於保證灌裝槍與灌裝桶口達到恰到好處的對準度， 一旦出現偏位， 哪怕是極低的幾率， 會造成灌裝液體的外流， 既影響灌裝作業場所的清潔， 又造成液體的浪費， 以及腐蝕、 有毒性液體對工人的危害。一小部分設備的定位灌裝桶桶口係統部分， 通過選購國外如美國某公司、 日本某公司等的機器視覺係統， 能夠實現液體定量灌裝的全自動化， 但是進口的機器視覺係統價格比較昂貴， 增加了設備成本。

為了解決上述問題， 液體灌裝機用的灌裝桶自動輸送裝置巧妙地利用一種機械機構設計實現了灌裝設備中灌裝桶桶口自動定位的問題。與前兩者采用的方案相比， 方案不僅能夠實現尋找灌裝桶桶口工序的自動化， 同時很大程度地降低了成本， 節約了灌裝過程的時間， 實現灌裝過程的全自動化。文中在液體灌裝機用的灌裝桶自動輸送裝置的機械結構的基礎上， 對全自動液體定量灌裝設備的控製係統進行了詳細介紹與分析。

1 全自動液體定量灌裝機工業要求

1．1 工藝流程

全自動液體定量灌裝機能夠灌裝各種有毒、 腐蝕性液體， 單桶灌裝的容量是 200 L， 容許的誤差在 0． 1 L 範圍內。

灌裝桶放置於輸送機構的輸送帶後， 輸送電機啟動， 輸送灌裝桶至灌裝位置。當到達灌裝位置時， 接近開關感應到灌裝桶， 將感應信號傳送至 PLC， PLC控製輸送電機停止， 升降氣缸在 PLC 的控製下開始上升， 同時帶動滾輪臂結構上升至氣缸行程的最大位置， 升降氣缸停止上升， 同步電機開始啟動帶動滾輪臂運動， 灌裝桶在滾輪臂的帶動下可以旋轉。由於灌裝桶屬於偏心桶， 在進行機械結構的設計時， 桶口上方的光電傳感器與灌裝頭都處於桶口旋轉軌跡圓上，所以當灌裝桶旋轉至光電傳感器的正下方， 光電傳感器感應到灌裝桶桶口邊緣時， 將信號傳送至 PLC， PLC根據光電傳感器的信號， 將停止同步電機的運動。當檢測到桶口後， 吸蓋裝置在氣缸的帶動下旋轉至灌裝桶桶口的正上方， 吸取灌裝桶的桶蓋， 在完成吸蓋動作後回複到原來的位置。當桶蓋被吸取後， 開始進行定量灌裝過程， PLC 控製無杆氣缸帶動灌裝槍進入到灌裝桶中進行液體灌裝， 稱重傳感器能夠感應到灌裝桶中重量的變化， 而稱重控製器選用的是日本某公司的 F701。通過稱重儀表端子線將稱重傳感器與 F701 相連接， 在儀表 F701 界麵上進行相應的設置能夠實現液體的定量灌裝， 液體灌裝的精度得到保障;液體定量灌裝結束後， 儀表會傳送灌裝結束標誌信號至 PLC， PLC 根據此信號結束定量灌裝過程。PLC 控製無杆氣缸帶動灌裝槍上升至初始位置，吸蓋裝置旋轉至灌裝桶桶口位置的正上方將桶蓋放置於灌裝桶桶口。輸送電機啟動， 將灌裝滿的灌裝桶輸送至指定位置。

1．2 控製以及工藝要求

(1)為了便於操作人員調試設備和檢查故障原因，設備能夠實現送空桶、 檢測空桶到達灌裝位置、 桶口位置檢測、 液體定量灌裝以及滿桶輸送整個過程的自動化控製和手動化控製， 並且能夠實現兩者之間的切換選擇。

(2)實現液體定量灌裝的精確度， 能夠灌裝各種有毒、 腐蝕性液體， 單桶灌裝的容量是 200 L， 容許的誤差在 0． 1 L 範圍內。

(3)為了方便操作人員處理設備工作過程中的故障， 當係統某一部分出現故障(如檢測桶口時出現檢測失敗的情況， 灌裝槍頭就不能順利通過桶口進入桶內， 就會出現灌裝槍頭頂在桶上和定量灌裝時出現超出容許誤差的情況等)， PLC 會對這些故障進行實時監測， 記憶鎖存， 並通過觸摸屏快速顯示報警， 指明報警類型以及可能存在的故障原因。

(4)為了提高設備的安全性， 係統之間各種安全聯鎖。

(5)為了方便操作人員操作和維修設備， 所有的技術參數、 工藝參數、 操作手冊、 報警記錄、 故障原因、維修指南等都通過觸摸屏保存。

2  PLC 控製係統硬件設計

2．1 硬件基本配置

根據全自動液體定量灌裝機設備的控製以及工藝要求， 硬件配置由日本某公司的 PLC- FX3U、 觸摸屏 GT1275， 日本某公司的稱重控製器 F701、 無杆氣缸、 壓力傳感器、 接近傳感器等構成。考慮到係統的可靠性和穩定性， 電機、 電磁閥、 傳感器、 氣缸等均采用進口設備。

2．2 控製係統硬件的組成

控製係統由一個電控櫃、 PLC、 稱重係統、 電源係統、 觸摸屏係統等組成。全自動液體定量灌裝機控製係統的硬件組成見圖 2。

控製係統的核心部件 PLC 采用某公司的FX3U 係列編程控製器， 該係列編程控製器具有內置高達 64 K 大容量的 RAM 存儲器、 內置業界最高水平的高速處理 0． 065 μs/基本指令、 基本單元左側均可以連接功能強大簡便易用的適配器。編程軟件為某公司的 GX Developer。稱重係統核心部件選用的為 F701， 通過 DDK57 －30240 與 PLC 相連接， 通過PLC 的控製能夠實現儀表自動啟動、 停止、 快加， 慢加等， 同時還具有分檔加料、 超差報警、 去皮重等功能，能夠實現高精度的定量灌裝。觸摸屏係統采用的是某公司的 GT1275， 為三菱最新係列的觸摸屏， 采用 RS485進行通訊， 抗幹擾能力強， 對運行係統進行監控、 控製等。該控製係統不需要采用昂貴的進口機器視覺檢測軟件就能夠實現灌裝桶桶口的定位、 灌裝過程的全自動化， 很好地控製了設備的成本， 提高了競爭力。

3 全自動液體定量灌裝機控製係統軟件設計

3．1 人機操作界麵的設計

通過人機界麵， 操作人員可以與 PLC 進行信息、數據等的處理與交流。同時人機界麵能夠更直觀地顯示整個係統的運行狀態， 實時對運行狀態進行監控， 當出現報警等故障時， 故障可能原因顯示在人機界麵上， 對操作人員解決係統故障提供了很大的幫助。人機界麵的組成見圖 3。

自動控製模塊能夠使灌裝設備整個過程實現全自動運行;手動控製模塊能讓操作人員在手動控製模式時對設備的整個運行過程進行控製， 適合在對設備進行調試或者檢查係統出現的故障原因時使用此模式;實時監控模塊監控著係統運行過程中整個運行狀態， 便於操作人員對設備運行過程的監控與分析;報警記錄模塊記錄了在係統運行過程中出現故障或錯誤的情況， 便於操作人員及時停止係統運行， 檢查故障， 增強係統的安全性;操作手冊模塊存儲了操作說明、 維修手冊、 可能故障原因以及處理方法， 便於操作人員日常對設備的操作和維修。

3．2  PLC 控製軟件設計

在設計中根據工藝流程與工藝要求結合設計流程圖， 用基本邏輯指令編製出梯形圖。在液體灌裝設備中， 液體灌裝機用的灌裝桶自動輸送裝置巧妙地利用一種機械機構設計實現了灌裝設備中灌裝桶桶口自動定位的問題， 因此隻對全自動液體定量灌裝機控製係統中自動尋找桶口部分的程序給出詳細分析。與人工搖動灌裝槍頭至灌裝桶桶口的方式相比， 該控製係統對孔的時間很短， 而且對孔的精度很高， 同時該控製係統軟件具有故障檢測、 安全自鎖、自動化程度高、 安全性能強等特點。各軟元件見表1，自動尋找桶口程序的梯形圖見圖 4。


自動尋找桶口控製係統的程序運行過程如下。

(1)輔助繼電器 M1 為係統正常運行標誌位， 當M1 接通且空桶輸送電機啟動運行(Y0 接通)， 接近開關觸發， 表示檢測到灌裝桶被輸送到灌裝位置， 此時停止空桶輸送電機運行即 Y0 複位;當灌裝槍上升到頂位時接近開關 2 被觸發即 X14 接通， 此時將氣動電磁閥 1 置位使支座上升。

(2)當支座上升到頂位時， 接近開關 4 被觸發即X16 接通， 此時將支座上升到頂位的狀態保存到輔助繼電器 M2 中， 同時觸發定時器 T1。定時器 T1 的計時單位為 100 ms， 設定值為 20 mm。如果直接在支座上升到頂位後立即開始啟動同步電機， 會出現由於支座上升後沒有停穩而同步電機啟動造成灌裝桶傾倒的現象， 所以在此處設置2 s 的延時， 待支座平穩上升到頂位後， 再啟動同步電機。

(3)當定時器 T1 的 2 s 延時到達後， 啟動同步電機即接通 Y2， 將帶動灌裝桶進行旋轉。

(4)當係統正常運行標誌位 M1 接通， 灌裝槍升到頂位即 X14 接通， 同步電機在運行中， 此時如果同步電機在帶動灌裝桶旋轉的過程中灌裝桶桶口突起的邊緣， 剛好在光電傳感器的檢測範圍內時， 光電傳感器被觸發， X2 接通。檢測到灌裝桶口， 同時將停止同步電機運行， 使灌裝槍開始下降， 即複位 Y2， 複位Y5， 置位 Y6。

(5)當灌裝槍在下降的過程中， 灌裝槍沒有順利進入桶口中而是頂在桶上， 此時壓力開關被觸發， 即X0 被觸發， 立刻停止灌裝槍下降， 將灌裝槍上升， 並且在觸摸屏係統監控界麵顯示頂桶報警等待操作人員處理即複位 Y6， 置位 Y5， 置位 M3， M3 為頂桶報警標誌位。

(6)當係統正常運行， 灌裝槍順利地進入桶口中然後繼續下降。當下降到灌裝槍最低位置時， 接近開關 3 被觸發， 即 X15 接通， 停止灌裝槍下降的同時開始啟動稱重儀表， 即複位 Y6， 置位 M4， M4 為稱重儀表啟動標誌位。

4 結論

利用精巧的機械結構設計、 PLC、 氣動元件、 稱重儀表、 人機界麵相結合的控製方案， 與現在大部分企業采用的手動搖動灌裝槍進行灌裝的同類包裝機相比， 該控製係統能夠實現全自動灌裝過程， 灌裝過程時間大大減少。相對於采用進口機器視覺係統的灌裝機， 大大降低了設備的成本。同時利用觸摸屏對係統進行監控與操作， 使灌裝機係統操作更方便、 更人性化。該控製係統已通過實驗， 仿真調試成功。設備現場運行性能穩定、 安全、 可靠、 自動化程度高， 已經量產， 且客戶反應良好， 提高了企業的生產效率， 降低了工人的勞動強度， 為企業帶來了很好的經濟效益。

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