基于plc的旋转灌装机控制系统设计 本科毕业论文

继续教育学院COLLEGEOFCONTINUINGEDUCATIONOFJIANGSUUNIVERSITY本科毕业论文基于PLC的旋转灌装机控制系统设计学生学号学生姓名专业班级指导教师姓名指导教师职称年月基于PLC的旋转灌装机控制系统设计专业班级学生姓名指导教师教师职称摘要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XG24128进行控制系统研究，使其对500MLPET瓶灌装速度可达18000BPH以上，单个封盖头的工作效率可达20002200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装和无瓶不加盖。并对XG24128型灌装机的关键技术一个伺服泵同时控制两个灌装头并实现连续灌装的控制设计进行研究。首先，对XG24128型灌装机进行控制系统方案设计。在研究XG24128型灌装机整体结构的基础上分析其灌装的工艺流程，并根据设计要求确定灌装机控制系统的整体方案。其次，明确控制系统的硬件配置。根据灌装机的设备状况和工艺要求，确定PLC的类型及相关模块，对I/O口进行定义，并对伺服电机、步进电机和其他电器元件进行选型和布置。接着，对XG24128型灌装机的关键技术一个伺服泵同时控制两个灌装头并实现连续灌装的控制设计进行研究。分析连续灌装时灌装头位置的确定，对灌装速度进行初步分配，并对其换向机构进行研究。最后，在硬件配置的基础上，对XG24128型灌装机进行控制系统的软件设计。在对XG24128型灌装机控制过程进行分析的基础上编制相应的程序和系统软件，实现其灌装流程。进行人机界面的设计，使PLC和触摸屏配合使用，充分发挥触摸屏的优势使系统操作更方便快捷。关键词灌装机，PLC控制，伺服泵，运动控制，连续灌装BASEDONTHEPLCROTARYFILLINGMACHINECONTROLSYSTEMDESIGNABSTRACTTHEFOODSTUFFMACHINERYSERVESTHEWHOLEFOODINDUSTRY,ANDTHEABOUT70PERCENTOFPACKINGMACHINERYSERVESTHEFOODSTUFFPACKAGING,ESPECIALLY,BEVERAGEINDUSTRYRAPIDLYDEVELOPSRECENTLYSOTHATTHEREISANINCREASEDDEMANDFORLIQUIDFILLINGEQUIPMENTTHEREISANEWTENDENCYAMONGTHEPACKAGINGEQUIPMENTOFAMERICAANDJAPANTOWARDSTHEDIRECTIONOFHIGHEFFICIENCY,HIGHACCURACY,ANDHIGHAUTOMATIONDOMESTICPACKAGINGMACHINERYDEVELOPEDLATE,ANDITPRINCIPALLYUSEDTHEDEVELOPMENTMODEOFIMPORTABSORB,ALTHOUGHITCANMEETTHEDEMANDFORPRODUCTION,THETECHNOLOGYCONTENTISLOW,ESPECIALLY,ITHARDLYAPPLIESADVANCEDTECHNOLOGYSUCHASPHOTO,MAGNETICANDCOMPUTERANDSOONTHEREFORE,THEREISAGREATGAPBETWEENTHEPACKAGINGACCURACYANDSTABILITYOFTHEDOMESTICPACKAGINGMACHINERYANDTHEOVERSEASEQUIPMENTTHETHESISEMPHASIZESONRESEARCHINGONTHECONTROLSYSTEMOFXG24128ROTARYFILLINGMACHINEWHICHINTEGRATESWASHING,FILLINGANDSPINNINGCAPSTHEMACHINERYFILLSTHE500MLPETBOTTLEATASPEEDOF18000BPH,THEEFFICIENCYOFSINGLETIPSEALINGLIDCANREACH20002200BOTTLE/HOUR,ANDTHEBLUNDEROFFILLINGCAPABILITYISNTMORETHAN3O,SOTHATITCANMAINTAINHIGHACCURACYANDSTABILITYATHIGHSPEED,MOREOVER,THEAUTOMATICPRODUCTIONCANREACHTHEGOALNOBOTTLESNOFILLING,NOSTOPPERMEANTIME,THETHESISALSORESEARCHTHEKEYTECHNOLOGYOFXG24128THATTHEFILLINGSECTIONUSESONESERVOPUMPTOCONTROLTWOTIPSFILLINGFLUIDINORDERTOIMPROVETHEFILLINGSPEEDANDCONTINUOUSFILLINGFIRSTLY,THISARTICLEDESIGNSTHEPROGRAMOFCONTROLSYSTEMONTHEBASISOFRESEARCHINGTHEWHOLESTRUCTUREOFXG24128,ITANALYSESTHEPROCESSFLOWOFTHEFILLINGANDDETERMINESTHEWHOLEPROGRAMOFTHECONTROLSYSTEMOFFILLINGMACHINEACCORDINGTOTHEDEMANDOFDESIGNSECONDLY,THISARTICLEDEFINESTHEHARDWARECOLLOCATIONOFCONTROLSYSTEMITDETERMINESTHETYPEANDCORRELATIONMODULEOFPLC,DEFINESTHEI/OINLIGHTOFTHEPROCESSREQUIREMENTSANDEQUIPMENTSTATUSOFFILLINGMACHINERY,ANDSELECTSANDARRANGESSUCHELECTRICALSECTIONSASSERVOANDFEELERSEARCHFURTHERMORE,THEARTICLERESEARCHESTHEKEYTECHNOLOGYOFXG24128THATTHEFILLINGSECTIONUSESONESERVOPUMPTOCONTROLTWOTIPSTILLINGFLUIDINORDERTOIMPROVETHEFILLINGSPEEDANDCONTINUOUSFILLING,ANALYSESHOWTOLOCATETHETIPSFILLINGFLUIDDURINGTHECONTINUOUSFILLING,DISTRIBUTESTHESPEEDOFFILLING,ANDRESEARCHINGTHEREVERSEMECHANISMFINALLY,THEPAPERDESIGNSSOFTWAREOFCONTROLSYSTEMOFXG24128FILLINGMACHINEONBASISOFHARDWARECOLLOCATIONONBASISOFANALYZINGCONTROLPROCEDUREITDRAWSUPRELEVANTPROGRAMSANDSYSTEMSOFTWAREWITHAVIEWTOACHIEVINGTHEFILLINGPROCESSWHILEDESIGNINGSOFTWAREITTRIESTODESIGNHMIOFTHEFILLINGMACHINEKEYWORDSFILLINGMACHINE,PLCCONTROL,SERVOPUMP,KINESISCONTROL,CONTINUOUSFILLIN目录中文摘要IIABSTRACTIII第1章绪论111论文研究的背景和意义112灌装技术在国内外的研究现状213灌装机械概述3131基本概念3132灌装机的分类414PLC简介6141PLC的特点6142PLC的应用范围7第2章XG24128型灌装机控制系统方案设计1021XG24128型灌装机的工艺要求1022XG24128型灌装机的整体结构1023XG24128型灌装机控制系统的方案设计13231电气控制系统的组成13232XG24128型灌装机的工艺流程14233XG24128型灌装机的控制方案15第3章XG24128型灌装机控制系统硬件设计1731PLC控制系统设计17311PLC选型18312输入/输出点的确定IV2232执行机构的选择26321伺服电机控制设计26322步进电机控制设计30323其他执行机构控制设计3234硬件配置图3635本章小结38第4章XG24128型灌装机灌装关键技术研究3841灌装流程3942复位4143灌装42431初次吸液42432灌装头位置的确定43433灌装速度的确定4444换向49441换向流程49442换向参数设计51第5章XG24128型灌装机控制系统软件设计5351灌装机PLC控制程序设计53511PLC控制系统软件设计思想53512PLC编程软件GXDEVELOPER简介56513控制程序设计5852人机界面设计64第6章结朿语67参考文献68第1章绪论11论文研究的背景和意义随着全球经济的快速发展，人们对包装品的需求越来越大，而且与传统包装工业相比，包装技术向精确、节约、高效型方向发展，从而使得包装机械不论在技术还是在制造水平上都需要新的突破1。全球包装机械无论是从技术、产品或市场占有情况等诸多方面比较，美国和日本称得上是包装强国，德国和意大利紧随其后。美国是世界工业的领头羊，因其包装工业起步较早，发展至今已有完备的包装工业体系。其包装设备与其他产品一样，以高、精、尖著称，而且由于计算机信息技术比其他国领先，且计算机在工业中的使用和普及比其他国家都早，所以计算机技术被广泛应用于包装机械中，较早地形成了机电一体化控制模式2。日本与美国相比，起步相对较晚，但60年代至90年代，日本包装业大量引进先进技术，并在此基础上消化吸收，成果显著，使其包装工业的制造水平持续快速发展。日本小型和微型电子技术较为成熟，所以其包装工业虽然起步较晚，但在消化他国的技术中，将其擅长的微电子技术应用其中，特别是后来的工业机器人技术和模块化技术等的应用，为包装工业的发展提供了更多的空间，至今仍影响着包装机械的走向。与美国和日本的包装机械不同，德国的包装机械在制造技术和包装性能上有其独有的优势，特别是啤酒和含气体饮料的灌装设备解决了气泡和遗漏等灌装难题，实现了高速灌装。德国包装机械的另一特点是率先实现了包装机械的成套性，中大型包装设备可以同时实现对包装容器的预处理、称重、包装、封口等多个工序3。意大利着重发展其食品包装机械，在外形上对其他国家的包装机械进行一定程度的改良，而且更注重包装生产的稳定性。美国和日本等发达工业国家发展工业之时正是我国制造工业的低谷，包装机械与其他工业产品一样也是新中国成立之后才开始起步的。包装工业的发展期主要是改革开放之后，随着我国经济开始迅速发展，人民的消费水平也大大增强，从而使得生产设备特别是包装机械的需求变得空前紧缺。此时为了提高我国包装工业的技术水平，大量进口国外的先进技术和生产线，消化吸收并进行改良，发展自己的包装工业34。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发展迅速，使得液体灌装设备的需求大量增长。传统的灌装机或灌装生产线对灌装环境的要求较高，比如灌装材料含气体和不含气体、常温灌装和高温灌装、塑料容器和玻璃容器抑或金属容器等，都有其专用的灌装生产线，且不能互用。在灌装机方面，特别是液体灌装机产品上，国外发达国家尤其是美国和日本的灌装设备精度高，灌装自动化程度高，且同一型号的灌装机可以实现不同规格、不同灌装介质和不同灌装容器的灌装，大大拓宽了包装机械的使用环境。除此之外，近年来美国和日本等发达工业国家的灌装机在灌装速度上也有很大提升，KRONES公司生产的灌装机灌装头的数量已可达178头，灌装机直径大至5米，且可以实现灌装机直径增大转速提升的情况下保证灌装容器的稳定性2。灌装生产效率、灌装质量和生产自动化程度的提升很大程度上推动了灌装机械的发展。我国灌装设备的制造水平与这些国家相比还存在比较大的差距，国内灌装机生产企业规模小，且很多生产企业主要还是靠引进国外的技术和生产线，或在此基础上对同类产品进行仿造。国内24工位的饮料灌装机，对于500MLPET瓶灌装速度为12000BPH，单个封盖头的工作效率为15001800瓶/小时，且灌装的容量误差较大，与国外产品有较大的差距。本课题研究目的和意义是对集清洗、灌装、加盖三合一体的旋转型灌装机XG24128进行控制系统研究，使其对500MLPET瓶灌装速度可达18000BPH以上，单个旋盖头的工作效率可达20002200瓶/小时。而且在高速灌装下能够保证高的灌装精度和灌装稳定性，且自动生产可以实现无瓶不灌装和无瓶不加盖的功能。12灌装技术在国内外的研究观状目前，美国、德国和意大利等国的灌装设备设计制造水平相对较高，灌装产品也呈现以下几个方面的动向4第一，灌装速度提高。灌装效率成为衡量灌装机械发展的重要指标，从而使得灌装机械向规模化、高效率方向发展。许多大型企业着力于研究如何通过最大限度地增加灌装头的数量，或加快灌装轮盘的转速，或提高不同灌装介质的最大灌装速度，或改善灌装阀的结构等方法来提高灌装效率。第二，灌装机械的结构革新。力在改变传统灌装机结构笨重复杂，中间传动元件多传动精度降低，操作专业性高且维护成本高等缺点，最大程度地减少灌装机的结构零部件，降低制造成本，使得保证其生产的稳定性的同时使操作简单易学。第三，灌装环境适应性好。同一台灌装机可以对不同灌装介质进行灌装，可对不同类型、不同大小的灌装容器进行灌装；当灌装环境改变时，重要零部件的更换和维修方便简单，零件的通用性增强。第四，灌装机的技术含量提升。电气控制技术已成熟应用于灌装机械中，特别是PLC技术广泛应用，人机界面实现操作交互，故障自我诊断，实现了设备运行的高效智能。近年来光、磁技术的大量研究成果也越来越多地应用到工业生产中，灌装机械要实现高灌装速度、高灌装精度和高自动生产化必将大量使用光、磁、计算机等先进技术。我国灌装机械的发展与美国和日本等发达工业国家相比虽然还有很大差距，但是近年来由于经济快速发展，更多地包装产品进入人们的日常生活，从而需要更多的包装机械对其进行生产，所以包装机械发展空间越来越大。我国的灌装设备和灌装技术发展较晚，主要靠引进国外先进技术，并结合国内的生产环境对其进行改良。同时，由于我国在光、电、磁及计算机应用上的研究与国外发达国家存在不小的差距，这也使得我国灌装机械在技术上的发展受到制约。我国灌装机械近年来向高自动化程度及高集成性方向发展，结构上力求简单而不影响功能，一台灌装机可以同时实现进瓶、清洗、灌装、加盖、出瓶、称量等功能；在控制系统上，从原来的继电器控制逐渐向PLC控制转换；同时为了操作更加方便，触摸屏越来越多地被使用5。国内一些企业和高校对灌装机的研究主要集中在其控制系统和灌装精度方面，例如对一药品灌装机采用全伺服PLC控制系统，且设计有灌装跟踪系统及随机称量系统，使得灌装自动化程度高，灌装质量好，且实现灌装精度的随时检测。国内灌装机大多采用计量泵模式，这种灌装模式最大的缺点是不能实现对各个灌装泵的单独控制。为了满足高精度（灌装容量误差不大于3。）、高灌装速度（灌装速度达到18000BPS以上）的要求，XG24128型伺服泵高速清洗灌装加盖三合一机采用伺服电机与陶瓷柱塞泵相结合的结构，利用伺服电机响应速度快，易控制，陶瓷柱塞泵精度高等优势，实现灌装机的高速和高精度的灌装，且能实现对各个灌装泵的单独控制。同时为了节约成本，采用一个伺服泵同时控制两个灌装头并实现连续灌装的控制设计，提高灌装速度。13灌装机械概述131基本概念灌装机械的主要作用是将液体介质充填到包装容器中，灌装机械一般可以实现灌装、封口、称量等功能6。液体灌装中，对灌装精度和稳定性影响最大的是灌装介质的黏度，其次是是否含有气体，是否会起泡及是否含微小固体物及其含量等。根据灌装介质的黏度，灌装的液体介质可分为流体（如牛奶、清凉饮料及酒类等低度液体）、半液体（如调味酱、果酱等黏度大，灌装需借外力的液体）、黏滞流体（如调味酱、果酱等黏度大，需借外力才能流动的液体）。根据灌装介质中是否含气体或是否会生成气体可将灌装介质分为硬饮料（含酒精成分的含气饮料）、软饮料（不含酒精成分的含气饮料）、不含气体液体（如白酒和醋等）。由于灌装产品的物理化学性质，特别是黏度、含气量不同，灌装要求也有所不同，常用的液体灌装方法有常压灌装法、等压灌装法、真空灌装法、压力灌装法、虹吸灌装法。132灌装机的分类1、按灌装方法分类67常压灌装机顾名思义，是在常压下将灌装介质灌装到容器中所用的设备。常用于灌装不含气体的灌装介质，如醋、酱油、药水类等。负压灌装机灌装前先对灌装容器抽真空使其形成负压，然后再将灌装介质充填其中。适宜于灌装低黏度的液体，比如油类、糖浆、含维生素的饮料、农药、化工试剂。但不适合于灌装含芳香性的酒类，因为会增加酒香气的损失。等压灌装机灌装前先向灌装容器中充气，使得容器中的气体压力与储液缸内相同，然后将灌装介质充填到灌装容器中的设备。主要用于含气体的灌装介质的灌装设备，可减少气体的损失。压力灌装机灌装介质黏度高难灌装时，采用压力灌装机，借助于外力作用使其充填到灌装容器中的设备，主要用于高黏度灌装介质的灌装。2、按包装容器的主要运动形式分类旋转型灌装机灌装机的各个组成部分均为转盘式，按相同的线速度进行旋转，使得灌装容器在各个灌装盘之间运动。用此类灌装机进行灌装时，灌装容器从灌装开始工位开始灌装，同时跟随灌装盘一起转动，主轴旋转一周完成一个灌装容器的灌装，灌满后的灌装容旋转至下一组件进行下一工序的动作。旋转型灌装机的实物图如图11所示。直线式灌装机灌装容器沿直线运动，并且灌装时灌装容器是静止的，灌装完成之后跟随传动机构一起进入下一个工序。直线型灌装机实物图如图12所示，直线式灌装机应用较早，灌装技术较为成熟，但直线式比旋转式的空间利用率小，而且灌装时是静止的，其灌装效率受到一定影响，一般用于药品的灌装，正逐渐被旋转型灌装机替代。图11旋转型灌装机图12直线式灌装机3、按自动化程度分手工灌装机灌装过程全部采用人工操作控制，多为无气类液料的灌装。但目前较少使用。半自动化灌装机在液体灌装中，上瓶、卸瓶均以手工操作，但灌装过程为自动。自动化灌装机早期的自动化灌装机功能单一，一般只完成一个工序；近年来自动化灌装机功能越来越多，可实现洗瓶、灌装、封口等多个工序，适合用于大型的流水灌装线上。14PLC简介141PLC的特点可编程控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER,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8101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。142PLC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。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XG24128型灌装机控制系统方案设计21XG24128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XG24128，下述中均以XG24128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03，包材利用率997；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20002200瓶/小时以上；8灌装机设计符合国标GB167891997食品机械安全卫生要求。22XG24128型灌装机的整体结构论文所研究的XG24128型灌装机三维示意图（灌装组件隐藏了防尘罩）如图21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22所示，各组件及其作用如下11图21灌装机三维示意图图22灌装机结构图1机箱组件；2风道进瓶组件；3过渡盘；4一洗瓶组件；5过渡盘；6灌装组件；7过渡盘；8供盖组件；9一加盖组件；10出瓶组件1、机箱组件机箱组件的主要作用是固定和支撑其他组件、控制系统、传动系统，保证其具有正确的相对位置及运转时的稳定性，从而使整个灌装系统正常工作11。2、风道进瓶组件XG24128型灌装机的灌装对象为500MLPET瓶，由于空瓶质量较轻，所以进瓶动力由风力提供。风道进瓶组件的左右刮瓶板配合使用，卡在瓶口的螺旋位置，使其在风力作用下沿刮瓶板向下一组件移动。风道进瓶组件的末端设计有一电磁体挡瓶机构，在挡瓶机构作用下，空瓶保持一定间距进入过渡盘I，以防止卡瓶。3、过渡盘I空瓶由风道进瓶组件进入洗瓶组件的过渡盘。4、洗瓶组件主要对空瓶内外壁进行清洗。空瓶从过渡盘I进入洗瓶组件后沿空间曲线导轨先旋转180度垂直倒置瓶口向下，清洁水由分水盘流经管道，经过喷头高速喷出冲洗瓶子内壁后沿内壁流出；同时，清洗区的外喷头喷水清洁瓶子外壁。清洗过的瓶子沿曲线导轨再旋转180度瓶口向上，清洗后的瓶子经由过渡盘II进入灌装组件准备灌装。5、过渡盘II空瓶由清洗组件进入灌装组件的过渡盘。6、灌装组件灌装组件由24个灌装头组成，空瓶进入灌装组件后运动到灌装位置时开始灌装。灌装采用跟踪灌装模式，灌装头与液面始终保持一定距离，既可提高灌装速度，又可减少气泡和飞溅。灌液的同时，瓶子跟随灌装组件一起转动，运动到出瓶位置时，灌满的瓶子经由过渡盘III进入加盖组件。灌装组件的24个灌装头山12套伺服泵控制，每套伺服泵控制沿180度直线分布的两个灌装头，每套伺服泵都配备有一套由步进电机控制的换向机构，用于控制陶瓷泵在三个液口之间转换。灌装开始工位处安装有有无瓶检测传感器，当传感器检测到相应工位无瓶时，PLC发出指令控制对应的伺服菜不动作，实现无瓶不灌装。灌装组件安装有灌装主电机，同时也是整个灌装机的运转电机，通过齿轮传动系统带动其他组件旋转，使瓶子从进瓶组件完成整个灌装流程由出瓶组件出瓶。7、过渡盘瓶子由灌装组件进入旋盖组件的过渡盘。8、供盖机构供盖机构的作用是向加盖系统提供瓶盖，并且保证在供盖机构的作用下，瓶盖进入旋盖头时开口向下，以便于旋盖。同时，供盖机构的末端设有电磁体挡盖机构，当传感器检测到相应工位无瓶时，挡盖机构作用，使空瓶位相对应的旋盖头无盖，实现无瓶不加盖。9、加盖组件灌满液体的瓶子经由过渡盘III进入加盖组件，在旋盖头的作用下将瓶盖旋紧，完成加盖。旋盖组件共有8个旋盖头，由8套伺服电机采用扭矩控制模式对扭矩进行控制，以保证自动上盖率的同时，防止拧不紧或拧裂等情况。10、出瓶组件灌满并加盖完成以后的瓶子在导瓶盘作用下进入出瓶组件，由3个后输送电机带动，在出瓶口出瓶，完成整个灌装流程。23XG24128型灌装机控制系统的方案设计231电气控制系统的组成上一小节简单介绍了XG24128型灌装机的结构部分，主要由进瓶洗瓶灌装加盖出瓶等组件组成，控制系统的作用就是对开关、按钮、传感器等输入信号进行分析，从而做出响应来控制各执行机构完成相应的动作，使整个灌装过程准确而有序得进行。图23为常用的电气控制系统的组成图。1输入元件输入元件的主要作用是将操作者的命令或由传感器、编码器等检测到的其他外部信息输入到控制中心。常用的输入元件有主令电器（按钮开关、行程开关等）、各类传感器（位置传感器、压力传感器等）、编码器（反映物体的相对或绝对运动距离）等。2控制中心控制中心的主要作用是对输入信号进行存储、分析、运算或判断，将工作命令以输出信号的形式传递给执行机构。常用的控制中心部件有可编程控制器PLC和继电器。3执行机构执行机构的作用是接收控制中心的输出信号，执行工作命令常用的执行机构有电动机、电磁体、伺服电机、步进电机等。232XG24128型灌装机的工艺流程工艺流程是控制系统设计的主要依据，也是控制系统依托机械部分要实现的目标，不同的工艺流程，其控制方案也不同。图24为XG24128型灌装机的工艺流程图，由工艺流程图可以看出，灌装工艺由分为瓶子和瓶盖两条分支。空瓶在风力作用下进入风道进瓶组件后，经由过渡盘I进入到洗瓶组件，在洗瓶组件完成瓶子内外壁的清洁后进入灌装组件进行灌装，灌装完成后的瓶子在过渡盘III带动下进入加盖组件；与此同时，瓶盖在供盖机构作用下进入加盖组件，对灌满后的瓶子完成加盖动作后，在出瓶机构的作用下出瓶，完成整个灌装流程。此工艺流程也是旋转型灌装机的典型工艺流程。233XG24128型灌装机的控制方案根据XG24128型灌装机的工艺要求，对照其灌装的工艺流程，依据一般电气系统的组成确定控制系统各部分如下输入元件按钮开关（控制复位、启动、停止、清洗、急停）、传感器（有瓶灌装检测、有瓶放盖检测、缺盖检测、无盖检测、极限位置检测、出瓶堵瓶检测、灌装完成检测等）、变频器、编码器。控制中心XG24128型灌装机输入/输出信号多，且要求控制速度快而准确，时间延迟尽可能小，控制对象既有开关量也有模拟量，需对20台伺服电机和12台步进电机进行运动控制，且所有执行机构的运动需协调一致，所以控制中心采用PLC控制系统，这也是工业控制中常用的控制形式。执行元件伺服电机共有20套伺服系统（伺服马达伺服驱动器），其中12台伺服电机与12套陶瓷泵相连，在PLC系统的控制下带动陶瓷泵准确完成吸液及灌液动作；其余8台伺服电机与8套旋盖头相接，为旋盖头完成旋盖动作提供动力。步进电机步进电机（步进马达步进驱动器）共有12套，用于灌装陶瓷泵的精确换向。电动机共有13套，分别是系统运转主电机即灌装主电机（1套）、出瓶输送电机（1套）、上盖风机（1套）、后输送电机（4套）、冲冼泵电机（1套）、理盖器电机（1套）、上盖振动电机（1套）、散热风机（1套）、进液泵电机（1套）、吹干机电机（1套）。电磁体止盖电磁体、挡瓶电磁体。指示灯显示系统的运行状态。为了便于用户操作，且能随时观察到系统的运转状态，系统采用HMI人机界面，HUMANMACHINEINTERFACE控制灌装机的机械动作，控制系统框图如图25所示。图25控制系统框图第3章XG24128型灌装机控制系统硬件设计控制系统的硬件配置视控制对象不同而总体来说要考虑控制对象的工艺要求、设备状况、工作环境、输入输出点的多少等条件13。一般来说，控制系统的硬件设计中，输入元件的设计较为简单，而控制中心和执行机构的设计及型号选取直接影响整个控制系统的性能优劣。本章针对控制对象XG24128型灌装机的工艺要求及灌装流程，重点介绍其控制中心及执行机构的设计，并在此基础上完成整个控制系统的硬件配置及连接。从第2章介绍XG24128型灌装机控制系统的总体方案可知，控制系统不仅要对电磁体、电动机进行控制，还要对伺服电机、步进电机进行复杂的运动控制，使整个灌装动作精确、有序地完成，这就对其硬件配置提出了更高的要求。31PLC控制系统设计传统的继电器控制有很多弊端，将成熟的计算机技术和虚拟技术与继电器控制连接起来，使得影响继电器控制的触点虚拟化，作为控制器的内部继电器或软元件来使用，并应用于在工业生产中就形成了PLC控制。所以从原理上来说，PLC是“专为工业环境下应用而设计”的专用计算机，它的结构和组成也具有一般计算机的特点以中央处理单元为核心，在系统程序的管理下运行。PLC的基本组成如图31所示。PLC同一般计算机一样，使用之前需要先下载系统程序。在设计阶段，确定所用的PLC的类型及相关模块，对控制对象的运动进行分析后，编制控制对象所用的用户程序，将这些程序及与控制对象相关的设置存储在PLC的中央处理器中，中央处理器根据用户程序对这些信息进行处理后，把执行机构的工作命令以输出信号的形式从输出接口传送到接触器、电磁体、伺服电机等执行机构来完成工作命令。在运行过程中，PLCCPU除了通过输入接口和输出接口进行信号传输外，还可以通过扩展接口接收来自扩展単元的信号，此外，监控器、其他PLC、外部存储器等还可以通过外部设备接口与PLCCPU进行信号传输。311PLC选型根据图31所示PLC的基本组成，对照控制对象XG24128型灌装机的设计要求精确、可靠、柔性好、干扰小、协调性好等特点，并根据灌装机控制对象的要求，选用如表31所示的三菱公司的PLC及相关模块来组成XG24128型灌装机的控制系统。工业触摸屏（HMI选用三菱公司的GT1575VTBA型触摸屏（附件及连接电缆的型号在表中未列出）。1、基板基板是整个PLC系统的支撑体，它的主要作用是安装选定的各个模块14。基板上一般需要安装有电源模块，基板将电源模块产生的电压提供给CPU、输入模块、输出模块、运动控制模块等，同时承担着在CPU、I/O模块、运动控制模块之间进行控制数据传输的作用。灌装机的PLC系统采用的是主基板一扩展基板的形式，通过扩展电缆进行数据传输。选用的Q33B型主基板可安装3个模块，1级扩展基板Q68B可安装8个模块，2级扩展基板Q65B可安装5个模块。2、电源模块电源模块的作用是提供5V电压，通过基板将电压供给CPU及其他模块。进行电源模块选择时，电源模块5V电压的额定输出电流必须大于安装在基板上的所有模块所消耗的电流和。表32为主基板上各模块的DC5V消耗电流与电源模块的输出电流表。按上表所示方法对扩展基板1和扩展基板2进行电源输出电流的校核扩展基板1上各模块DC5V消耗电流的合计值为297A电源模块Q61P的输出电流（6A，满足要求；扩展基板2上各模块DC5V消耗电流的合计值为（0955AX电源模块Q61P的输出电流（6A满足要求。3、I/O模块I/O模块是指输入模块和输出模块，输入模块和输出模块的规格及数量依控制系统所需的点数来确定，所需点数越多，则所需I/O模块数也越多，但最大模块数及最多点数由所选用的CPU来定。系统选用的Q06HCPU为高性能Q系列PLCCPU,它的单机最大I/O控制点数为40点，可控制模块数可达64块，若系统所需的I/O控制点数更多，可选用扩展I/O模块来增加控制点数。灌装机选用的I/O模块为三菱Q系列CPU的I/O模块，它具有以下特点（1体积小，积木式I/O模块14。（2功能多DC输入模块的输入响应时间可以在设定软件中进行设定，高速输入模块最快响应时间可以达到01MS；DC晶体管输出模块具有短路保护功能，避免因短路等原因对I/O模块造成损伤。（3维护和保养相对容易，模块装卸方便，可以对每个输出模块进行单独设置，而且可以在编程软件上确定安装模块的构成，也可以在编程软件上对安装模块进行设置，使得维护非常方便。（4安全性好，可在线对模块进行更换，系统出现异常时，不用停止整个控制系统就可以更换模块并且兼容性能好。鉴于以上特点，广泛应用于工业控制系统中。4、运动控制模块运动控制模块是三菱PLC智能功能模块中对运动进行控制时运用比较多的一种，它主要是与步进电机或伺服电机配合使用来实现复杂的速度控制或是定位控制。按照控制轴数的多少，运动控制模块有1轴、2轴、4轴、8轴，不仅可以实现直线控制、直线插补，还具备圆弧插补、螺旋插补、多种原点回归方式等功能15。灌装机控制系统选用的是可用于8轴控制的QD70P8定位模块对灌装伺服电机及换向步进电机进行速度控制。关于QD70P8定位模块的使用及特点在伺服电机及步进电机的控制中有详细介绍。5、触摸屏工业控制中，为了方便用户操作及观察，经常需要用到人机界面。人机界面的主要作用是输入工作命令、设置参数等进而控制系统的动作，而且用户还可以从人机界面上读取信息，了解系统的工作状态。XG24128型灌装机选用的人机界面是三菱电机的GT1575系列的触摸屏，该系列的触摸屏分辨率为640480，显示色为256色，可视角度广，亮度高，带有多种类型的接口可连接控制系统、运动控制器、电机和计算机等，也可以与打印机、音频设备相接，对信号进行输出。三菱电机的GT1000系列的触摸屏配合以设计好的运行或监控画面可以实时显示系统的工作状态；对其接口进行相应的设置并与可编程控制器相连，可实现数据的高速传输，不存在操作或命令延迟现象；画面显示功能更加丰富，可显示单张画面，也可显示多张画面或画中画等；搭载了64位RISCCPU,高速处理器实现了高速运算，使操作更为快捷；除了与三菱电机的其他产品连接通讯速度快之外，接口的通用性好，与其他品牌的相应产品连接时信息和数据的交换速度也很快。此外，三菱电机该系列的触摸屏除了最基本的一对一功能外，也能一台触摸屏对多台设备进行操作、监控或多台触摸屏串联起来同时与同一产品连接；一台触摸屏有4个通道，分别对每个通道进行设置后可连接不同的产品；该系统的触摸屏容量增加到57MB，画面设计时可以存储更多的高清晰度图片，可添加自定义的画面设计部件库，运用更多更形象的设计部件。6、可编程控制器Q06HCPUXG24128型灌装机控制系统选用的是三菱电机Q系列PLC,主要用于中型和大型的控制系统。它与原A系列PLC相比最大的特点是采用模块化设计，用户可以根据系统的控制要求自由选择所需的模块及数量，灵活地构成控制系统。Q系列PLC的基本模块除了常用的电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块之外，还有常用于运动控制的定位模块、用于数据类型转换的模拟量输入模块等，根据特殊需要还有温度调节模块、高速计数器模块等可供选择。在安装模式上，Q系列PLC可以采用主基板一扩展基板的形式，不仅可以通过增加扩展模块增加模块的安装数和可用的I/O点数，还可以增大存储容量。XG24128型灌装机控制系统所选用的可编程控制器为Q06HCPU，它是三菱电机高性能型QCPU的一种,主要用于中型、中大型和大型控制系统；与QOOCPU、Q01CPU相比，Q06HCPU的程序执行能力和数据处理能力更快，整个系统的时间延迟小；并且该可编程控制器的大内存量尤其适合于中大型控制系统程序多，所需空间大的需求。根据表31所示灌装机选用的PLC产品，设计XG24128型灌装机PLC控制系统的组成图如图32所示。整个PLC系统的结构形式为主基板一扩展基板形式，基板上各模块的安装连接顺序为电源模块CPU中央处理器）模块输入模块输出模块运动控制模块（QD70P8串行通讯模块（QJ71C24N。PLC系统采用扩展模式时，需要在扩展模块上设置扩展的级数。此灌装机的PLC系统扩展级数为3级，扩展板Q68B为扩展1级，扩展基板Q65B为扩展2级，人机界面为扩展3级，CPU将人机界面视为16点的智能功能模块。312输入/输出点的确定PLC的输入/输出单元也就是I/O单元，它是PLC与工业现场的连接接口，工业现场的工作命令或运转信息通过输入接口传送给PLC系统，PLC系统对输入信号进行过滤、存储、判断、运算等，将工作命令以输出信号的形式传送给工业现场的执行机构来完成工作命令。准确定义输入/输出点对整个控制系统的设计至关重要。表33和表34分别为XG24128型灌装机输入点和输出点的定义表。表33输入点分配表32执行机构的选择根据第二章介绍的控制系统选用的执行机构，本节对控制灌装和加盖的伺服电机、用于陶瓷泵换向的步进电机、系统运行的电动机及挡瓶和止盖用电磁体等的选用、性能、连接控制方式进行介绍。321伺服电机控制设计XG24128型灌装机共有20套伺服电机，其中灌装组件有12套，分别与12套陶瓷泵相连接，为陶瓷泵吸液及灌液提供动力；加盖组件有8套，为8套旋盖头提供动力，本小节主要研究灌装组件的12套伺服电机。1、伺服电机的选型及连接伺服电机与普通的三相异步电动机一样，常作为控制系统的执行机构，连接其他机械分，用以实现机械部分的移动或转动。伺服电机最大的特点是可控性好，有电信号输入时，伺服电机就按照控制信号的要求转动；没有电信号输入时，就停止运动，并且转向和转速的可控性好。XG24128型灌装机的灌装部分，要精确、快速地完成灌装就要求第一吸液动作所用的时间相对较短，所以要求电机转动速度要快，且能迅速启动、停止，冲击较小；第二灌装时为了防止起泡和飞溅，采用变速灌装，这就要求电机速度的可控性好，变速快。基于以上条件，选择灌装所用的动力由伺服电机提供，根据需要选择的伺服电机的型号如表35所示。系统选用的是北京EMOTION公司的SEMA系列及SEDA系列伺服电机和伺服放大器，其常用的控制方式有位置控制P用脉冲指令来控制伺服，编码器反馈脉冲与脉冲发生模块发出的脉冲的比为基准来控制伺服电机的地址或位移量）、速度控制S将脉冲信号转换为相应的模拟DC指令或数字指令，并以此来控制电动机）、扭矩控制T通过扭矩指令，即模拟电压来控制伺服电机）。位置控制时需要的上位控制器较为简单，但响应速度相应较慢；速度控制和扭矩控制时，伺服响应速度快，可以实现精确控制，可需要的上位控制器较为复杂。SEDA系列伺