0 引言

液体定量灌装技术广泛应用于化工、饮料、石油和医疗等生产领域中[1], 在液体灌装机设备中, 灌装定量是整个机器设备的关键问题。目前市面上的液体灌装机的灌装定量方法主要是采用称重定量方法[2], 通过采集称重传感器的数据来实现对液体的定量灌装[3], 该方法具有以下3个缺点[4]:第一实时性不高, PLC通过模数转换器采集称重传感器数据来进行控制, 使得整个控制过程时间长, 实时性不高, 最终使得控制精度不高。第二传感器的安装[5], 布线困难。第三高精度、高性能的称重传感器的价格高, 导致机器的成本增加。利用PLC中的高速计数器HSC0在第12种工作模式中对控制伺服电机的脉冲输出口Q0.0进行高速计数, 实现灌装定量的方法能很好地解决以上的问题。

1 方法原理

1.1 伺服电机的位置控制

液体灌装机通过伺服电机的位置控制来实现灌装的功能, 为了使得伺服电机运行平稳, 利用高速脉冲列 (PTO) 来控制伺服电机。PTO是按照给定的脉冲个数和周期输出一串 (占空比为50%) 脉冲[6], PTO主要通过包络来实现位置控制, 包络是一个预先定义的以位置为横坐标、以速度为纵坐标的曲线[7], 包络的运动图形如图1所示。一个包络由多段组成, 包含一个达到目标速度的加速过程和以目标速度匀速运动的过程, 最后包含由目标速度到停止的减速过程。西门子CPU226控制器的Q0.0与Q0.1输出口具有高速脉冲输出功能, 利用Q0.0输出高速脉冲列来对伺服电机进行位置控制[8]。

图1 包络的运动图形   下载原图

1.2 定量灌装

西门子CPU226支持6个高速计数器HSC0到HSC5, 具有12种工作模式[9], 只有HSC0与HSC3支持模式12, 高速计数器HSC0计数Q0.0输出的脉冲数, Q0.0输出的脉冲是对伺服电机进行位置控制的, 所以通过高速计数器HSC0对灌装量进行实时监控, 进而达到灌装定量的功能。

1.3 容量计算

定量缸是标准的圆柱形状, 所以灌装容量体积

式中R——定量缸的半径/cm

H——活塞运动的距离/cm

式中f2——位置指令

i——减速比

P——螺距/cm

式中f2——位置指令

f1——脉冲数

N/M——电子齿轮比

电子齿轮比, 减速比, 螺距与定量缸的半径都是已知的, 通过以上公式知道, 只要知道PLC通过Q0.0发送给伺服驱动器的脉冲个数, 就可以知道灌装的容量。换句话来说, Q0.0的脉冲数实际上对应的就是灌装容量即Q0.0的脉冲数经过上面的公式运算, 运算结果就是灌装容量。通过高速计数器HSCO计数Q0.0的脉冲输出个数, 实现了对灌装容量的实时监控, 最终实现了灌装定量的功能。

2 实现过程

定量缸组件如图2所示。伺服电机通过同步带带动丝杠运动, 丝杠带动连杆机构运动, 连杆机构中具有8个活塞, 通过带动活塞的上下运动实现灌装的功能。

图2 定量缸组件   下载原图

1-上极限传感器2-原点传感器3-下极限传感器4-进料阀门5-进料阀门控制传感器6-出料阀门控制传感器7-出料阀门

定量缸的下面具有一个三通阀门, 阀门打开时, 定量缸与料槽连通 (进料口打开) , 出料口关闭。三通阀门关闭时, 定量缸与料槽不连通 (进料口关闭) , 出料口打开。灌装开始时, 进料口打开, 连杆机构往下运动, 带动活塞在定量缸里往下运动, 使得定量缸里的原料返回料槽, 当连杆机构运动到定量缸原定传感器位置的时候, 连杆机构开始往上运动, 带动活塞在定量缸里往上运动, 使得原料进入定量缸内, 到达位置后, 进料口关闭, 出料口打开, 连杆机构往下运动, 带动活塞在定量缸里往下运动, 活塞压缩原料, 使得原料从出料口流出, 同时, 启动PLC的高速计数器HSC0, 运行在第12种工作模式, 开始对Q0.0输出的高速脉冲计数, 当达到设定好的目标脉冲个数即灌装容量时, 出料口关闭, 进料口打开, 从而实现了灌装定量的功能。

3 软件设计流程

高速计数器HSC0在第12模式下, 对Q0.0高速输出脉冲进行计数之前, 要先对HSC0进行初始化, 流程如图3所示, 初始化的步骤如下:

(1) 用初始扫描存储器位 (SM0.1=1) 调用执行初始化操作子程序, 由于采用了这样的子程序调用, 后续不会再调用这个子程序, 从而减少扫描时间; (2) 初始化子程序中, 对希望的控制操作对SMB37置数; (3) 执行HDEF指令, HSC输入置0, MODE输入置12; (4) 向SMD38写入初始值; (5) 向SMD42写入预设值; (6) 执行HSC指令, 使CPU226对HSC0编程; (7) 退出子程序。

图3 HSC0高速计数器初始化流程   下载原图

灌装定量软件流程如图4所示, 程序执行到灌装定量时, 首先启动高速计数器HSCO, 开始对Q0.0输出的高速脉冲进行计数, 关闭进料口, 开启出料口。启动Q0.0脉冲输出, 判断高速计数器HSCO的计数与预设值是否相等, 相等时, 关闭出料口, 开启进出料口, 关闭高速计数器HSCO, 完成灌装定量功能。

图4 灌装定量流程   下载原图

4 结论

本文介绍的灌装定量方法已应用到直列式全自动液体灌装机中, 该直列式液体灌装机具有8个定量缸, 每次灌装过程能完成8瓶液体灌装, 灌装生产速度快, 灌装精度非常高。实际测量数据表明, 利用该液体灌装机灌装2L的果浆液体时, 精度误差能达到千分之一以内, 灌装精度提高, 效果显著。相对传统的称重式液体灌装机[10], 该直列式液体灌装机无需使用称重传感器来实现灌装定量, 降低了成本、不具有安装困难和布线的困难。该液体灌装机已在实际生产中运行了半年以上, 客户反映, 该液体灌装机, 灌装精度高、灌装速度快、稳定性好。该灌装定量方法的实现, 提高了液体灌装机的灌装精度、速度, 从而提高了生产效益。