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。在液体灌装设备中, 将灌装枪移动到灌装桶桶口位置是整个灌装设备的关键问题。现在的很多灌装设备采取的是人工摇动灌装枪头至灌装桶桶口的方式, 该方式以下3点欠缺:一是由作业人员人工对孔, 因此工人的劳动强度比较大;二是对孔时间长, 耽误了灌装时间, 影响液体灌装机的灌装效率;三是难于保证灌装枪与灌装桶口达到恰到好处的对准度, 一旦出现偏位, 哪怕是极低的几率, 会造成灌装液体的外流, 既影响灌装作业场所的清洁, 又造成液体的浪费, 以及腐蚀、有毒性液体对工人的危害。一小部分设备的定位灌装桶桶口系统部分, 通过选购国外如美国康耐视公司、日本基恩士公司等的机器视觉系统, 能够实现液体定量灌装的全自动化, 但是进口的机器视觉系统价格比较昂贵, 增加了设备成本[1]。

为了解决上述问题, 液体灌装机用的灌装桶自动输送装置[2]巧妙地利用一种机械机构设计实现了灌装设备中灌装桶桶口自动定位的问题。与前两者采用的方案相比, 方案不仅能够实现寻找灌装桶桶口工序的自动化, 同时很大程度地降低了成本, 节约了灌装过程的时间, 实现灌装过程的全自动化。文中在液体灌装机用的灌装桶自动输送装置的机械结构的基础上, 对全自动液体定量灌装设备的控制系统进行了详细介绍与分析。

1 全自动液体定量灌装机工业要求

1.1 工艺流程

全自动液体定量灌装机组成见图1。全自动液体定量灌装机能够灌装各种有毒、腐蚀性液体, 单桶灌装的容量是200 L, 容许的误差在0.1 L范围内。

图1 全自动液体定量灌装机组成Fig.1 Sketch map of the automatic quantitative liquid filling machine   下载原图

1-同步电机;2-滚轮臂;3-灌装枪;4-无杆气缸;5-吸盖装置;6-光电传感器;7-灌装桶;8-接近开关;9-输送带;10:传动齿轮;11:传送带;12:输送电机;13:升降气缸;14:称重传感器

灌装桶放置于输送机构的输送带后, 输送电机启动, 输送灌装桶至灌装位置。当到达灌装位置时, 接近开关感应到灌装桶, 将感应信号传送至PLC, PLC控制输送电机停止, 升降气缸在PLC的控制下开始上升, 同时带动滚轮臂结构上升至气缸行程的最大位置, 升降气缸停止上升, 同步电机开始启动带动滚轮臂运动, 灌装桶在滚轮臂的带动下可以旋转。由于灌装桶属于偏心桶, 在进行机械结构的设计时, 桶口上方的光电传感器与灌装头都处于桶口旋转轨迹圆上, 所以当灌装桶旋转至光电传感器的正下方, 光电传感器感应到灌装桶桶口边缘时, 将信号传送至PLC, PLC根据光电传感器的信号, 将停止同步电机的运动。当检测到桶口后, 吸盖装置在气缸的带动下旋转至灌装桶桶口的正上方, 吸取灌装桶的桶盖, 在完成吸盖动作后回复到原来的位置。当桶盖被吸取后, 开始进行定量灌装过程, PLC控制无杆气缸带动灌装枪进入到灌装桶中进行液体灌装, 称重传感器能够感应到灌装桶中重量的变化, 而称重控制器选用的是日本unipulse公司的F701。通过称重仪表端子线将称重传感器与F701相连接, 在仪表F701界面上进行相应的设置能够实现液体的定量灌装, 液体灌装的精度得到保障;液体定量灌装结束后, 仪表会传送灌装结束标志信号至PLC, PLC根据此信号结束定量灌装过程。PLC控制无杆气缸带动灌装枪上升至初始位置, 吸盖装置旋转至灌装桶桶口位置的正上方将桶盖放置于灌装桶桶口。输送电机启动, 将灌装满的灌装桶输送至指定位置。

1.2 控制以及工艺要求

1) 为了便于操作人员调试设备和检查故障原因, 设备能够实现送空桶、检测空桶到达灌装位置、桶口位置检测、液体定量灌装以及满桶输送整个过程的自动化控制和手动化控制, 并且能够实现两者之间的切换选择。

(2) 实现液体定量灌装的精确度, 能够灌装各种有毒、腐蚀性液体, 单桶灌装的容量是200 L, 容许的误差在0.1 L范围内。

(3) 为了方便操作人员处理设备工作过程中的故障, 当系统某一部分出现故障 (如检测桶口时出现检测失败的情况, 灌装枪头就不能顺利通过桶口进入桶内, 就会出现灌装枪头顶在桶上和定量灌装时出现超出容许误差的情况等) , PLC会对这些故障进行实时监测, 记忆锁存, 并通过触摸屏快速显示报警, 指明报警类型以及可能存在的故障原因。

(4) 为了提高设备的安全性, 系统之间各种安全联锁。

(5) 为了方便操作人员操作和维修设备, 所有的技术参数、工艺参数、操作手册、报警记录、故障原因、维修指南等都通过触摸屏保存。

2 PLC控制系统硬件设计

2.1 硬件基本配置

根据全自动液体定量灌装机设备的控制以及工艺要求, 硬件配置由日本三菱公司的PLC-FX3U、触摸屏GT1275, 日本unipulse公司的称重控制器F701、无杆气缸、压力传感器、接近传感器等构成。考虑到系统的可靠性和稳定性, 电机、电磁阀、传感器、气缸等均采用进口设备。

2.2 控制系统硬件的组成

控制系统由一个电控柜、PLC、称重系统、电源系统、触摸屏系统等组成。全自动液体定量灌装机控制系统的硬件组成见图2。

控制系统的核心部件PLC采用三菱公司的FX3U系列编程控制器, 该系列编程控制器具有内置高达64 K大容量的RAM存储器、内置业界最高水平的高速处理0.065μs/基本指令、基本单元左侧均可以连接功能强大简便易用的适配器[4]。编程软件为三菱公司的GX Developer。称重系统核心部件选用的为F701, 通过DDK57-30240与PLC相连接, 通过PLC的控制能够实现仪表自动启动、停止、快加, 慢加等, 同时还具有分档加料、超差报警、去皮重等功能[3], 能够实现高精度的定量灌装。触摸屏系统采用的是三菱公司的GT1275, 为三菱最新系列的触摸屏, 采用RS485进行通讯, 抗干扰能力强, 对运行系统进行监控、控制等。该控制系统不需要采用昂贵的进口机器视觉检测软件就能够实现灌装桶桶口的定位、灌装过程的全自动化, 很好地控制了设备的成本, 提高了竞争力。

图2 全自动液体定量灌装机控制系统硬件组成Fig.2 Hardware constitution of the automatic quantitative liquid filling machine control system   下载原图

3 全自动液体定量灌装机控制系统软件设计

3.1 人机操作界面的设计

通过人机界面, 操作人员可以与PLC进行信息、数据等的处理与交流。同时人机界面能够更直观地显示整个系统的运行状态, 实时对运行状态进行监控, 当出现报警等故障时, 故障可能原因显示在人机界面上, 对操作人员解决系统故障提供了很大的帮助[5,6]。人机界面的组成见图3。

自动控制模块能够使灌装设备整个过程实现全自动运行;手动控制模块能让操作人员在手动控制模式时对设备的整个运行过程进行控制, 适合在对设备进行调试或者检查系统出现的故障原因时使用此模式;实时监控模块监控着系统运行过程中整个运行状态, 便于操作人员对设备运行过程的监控与分析;报警记录模块记录了在系统运行过程中出现故障或错误的情况, 便于操作人员及时停止系统运行, 检查故障, 增强系统的安全性;操作手册模块存储了操作说明、维修手册、可能故障原因以及处理方法, 便于操作人员日常对设备的操作和维修。

图3 人机界面总体功能结构Fig.3 Overall function structure of the human machine interface   下载原图

3.2 PLC控制软件设计

在设计中根据工艺流程与工艺要求结合设计流程图, 用基本逻辑指令编制出梯形图。在液体灌装设备中, 液体灌装机用的灌装桶自动输送装置巧妙地利用一种机械机构设计实现了灌装设备中灌装桶桶口自动定位的问题, 因此只对全自动液体定量灌装机控制系统中自动寻找桶口部分的程序给出详细分析[7,8,9]。与人工摇动灌装枪头至灌装桶桶口的方式相比, 该控制系统对孔的时间很短, 而且对孔的精度很高, 同时该控制系统软件具有故障检测、安全自锁、自动化程度高、安全性能强等特点。各软元件见表1, 自动寻找桶口程序的梯形图见图4。

表1 软元件Tab.1 Soft element table     下载原表

图4 PLC梯形图Fig.4 PLC ladder diagram   下载原图

自动寻找桶口控制系统的程序运行过程如下。

(1) 辅助继电器M1为系统正常运行标志位, 当M1接通且空桶输送电机启动运行 (Y0接通) , 接近开关触发, 表示检测到灌装桶被输送到灌装位置, 此时停止空桶输送电机运行即Y0复位;当灌装枪上升到顶位时接近开关2被触发即X14接通, 此时将气动电磁阀1置位使支座上升。

(2) 当支座上升到顶位时, 接近开关4被触发即X16接通, 此时将支座上升到顶位的状态保存到辅助继电器M2中, 同时触发定时器T1。定时器T1的计时单位为100 ms, 设定值为20 mm。如果直接在支座上升到顶位后立即开始启动同步电机, 会出现由于支座上升后没有停稳而同步电机启动造成灌装桶倾倒的现象, 所以在此处设置2 s的延时, 待支座平稳上升到顶位后, 再启动同步电机。

(3) 当定时器T1的2 s延时到达后, 启动同步电机即接通Y2, 将带动灌装桶进行旋转。

(4) 当系统正常运行标志位M1接通, 灌装枪升到顶位即X14接通, 同步电机在运行中, 此时如果同步电机在带动灌装桶旋转的过程中灌装桶桶口突起的边缘, 刚好在光电传感器的检测范围内时, 光电传感器被触发, X2接通。检测到灌装桶口, 同时将停止同步电机运行, 使灌装枪开始下降, 即复位Y2, 复位Y5, 置位Y6。

(5) 当灌装枪在下降的过程中, 灌装枪没有顺利进入桶口中而是顶在桶上, 此时压力开关被触发, 即X0被触发, 立刻停止灌装枪下降, 将灌装枪上升, 并且在触摸屏系统监控界面显示顶桶报警等待操作人员处理即复位Y6, 置位Y5, 置位M3, M3为顶桶报警标志位。

(6) 当系统正常运行, 灌装枪顺利地进入桶口中然后继续下降。当下降到灌装枪最低位置时, 接近开关3被触发, 即X15接通, 停止灌装枪下降的同时开始启动称重仪表, 即复位Y6, 置位M4, M4为称重仪表启动标志位。

4 结论

利用精巧的机械结构设计、PLC、气动元件、称重仪表、人机界面相结合的控制方案, 与现在大部分企业采用的手动摇动灌装枪进行灌装的同类包装机相比, 该控制系统能够实现全自动灌装过程, 灌装过程时间大大减少。相对于采用进口机器视觉系统的灌装机, 大大降低了设备的成本。同时利用触摸屏对系统进行监控与操作, 使灌装机系统操作更方便、更人性化。该控制系统已通过实验, 仿真调试成功。设备现场运行性能稳定、安全、可靠、自动化程度高, 已经量产, 且客户反应良好, 提高了企业的生产效率, 降低了工人的劳动强度, 为企业带来了很好的经济效益。