基于PLC食用油灌裝生產(chǎn)線的電氣控制

摘要：在食用油灌裝生產(chǎn)線上，利用兩臺可編程控制器（PLC）進行控制，一臺控制食用油的灌裝，一臺控制食用油產(chǎn)品的裝箱，生產(chǎn)過程中的有關參數(shù)通過人機界面設置，使生產(chǎn)線完全實現(xiàn)自動化。試驗證明，采用PLC控制生產(chǎn)線灌裝油的效率遠高于半自動灌裝生產(chǎn)線。

關鍵詞：可編程控制器（PLC）；伺服電機；人機界面；變頻器

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）10-2423-04

對于食用油生產(chǎn)企業(yè)來講，食用油灌裝機是基本的生產(chǎn)灌裝設備，食用油灌裝機的使用情況不僅可以反映糧油企業(yè)的運營情況，而且預示著企業(yè)未來的發(fā)展狀況。在食用油品牌競爭激烈的時代，擁有先進的高精度灌裝設備是獲得市場競爭的一種重要手段。

食用油灌裝機是集機、電、氣、光、磁于一體的機械電子設備。在設計時應著力于提高包裝機械的自動化程度，按產(chǎn)品自動包裝工藝要求組合成全自動包裝系統(tǒng)進行生產(chǎn)，生產(chǎn)過程的檢測與控制、故障的診斷與排除將實現(xiàn)全面自動化，實現(xiàn)高速、優(yōu)質(zhì)、低耗和安全生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)的方案設計

從電氣角度考慮，目前市場見到的大部分食用油灌裝機械在自動化程度方面主要分為半自動灌裝機和全自動灌裝機。半自動灌裝機一般都帶有腳踏開關，流程為：定量→放桶→腳踏啟動→油嘴下落→灌裝→油嘴回升→真空回吸→下放一組空桶。全自動灌裝機流程為：人工定量→人工放瓶→自動感應瓶口位置油嘴下落→自動灌裝→自動傳送→人工放蓋→自動壓蓋→自動噴碼→傳送到庫房裝箱。

根據(jù)生產(chǎn)需要，為盡可能地滿足灌裝生產(chǎn)線全自動化、高精確性、低成本、高可靠性、維修簡單等要求，研究采用全自動化的設計思路，用可編程控制器（PLC）進行控制。

整個生產(chǎn)線的工藝流程為：注塑機注出空瓶→計數(shù)器計數(shù)→灌裝機灌裝→壓蓋機壓蓋→貼標機貼標→噴碼機噴碼→機械手裝箱。

整個系統(tǒng)分為灌裝和裝箱兩大部分，其系統(tǒng)結構分別見圖1和圖2。

各個工序的具體電氣控制方法如下：①注塑。由注塑機注出來的空瓶經(jīng)過人工篩選（一般很少有不良品）和一段時間冷卻后進入下道工序。②計數(shù)。由計數(shù)器感應并計數(shù)，計數(shù)器和PLC聯(lián)機，而PLC和人機界面（觸摸屏）聯(lián)機并把計數(shù)器計的數(shù)在人機界面上顯示出來。③灌裝。在生產(chǎn)線上有1個前擋瓶閥和1個后擋瓶閥，在前擋瓶閥上方裝有1個傳感器，當前擋瓶閥感應到有4個空油瓶經(jīng)過，稍作延時，前擋瓶閥自動擋瓶，此時后擋瓶閥也處于擋瓶狀態(tài)，灌裝頭下降灌油，灌裝機的油口由1個總油口和4個分油口組成，每個油口由一個電磁閥控制。為了使每瓶油的裝油量準確無誤，在每個分油口上裝有一個流量計。電磁閥和流量計都和PLC聯(lián)機，流量計會根據(jù)流量給PLC發(fā)脈沖來計算流量，當實際脈沖值快達到設定脈沖值時關閉總油閥，當達到設定脈沖值時關閉分油閥，灌裝完畢。④壓蓋。壓蓋機后下方裝有傳感器，當感應到有油瓶來到時壓蓋機在PLC的控制下自動壓蓋，待完成后擋瓶閥自動開啟，油瓶進入下道工序。⑤貼標。貼標機能自動感應所來油瓶，當油瓶通過，自動進行貼標。⑥噴碼。噴碼機能自動感應所來油瓶并完成噴碼。⑦裝箱。由氣動機械手自動裝夾和搬運。當機械手下的傳感器感應有4個油瓶通過時由PLC控制擋瓶閥擋瓶，再由機械手裝夾和搬運，過程中的運動精度由伺服系統(tǒng)控制伺服電機來保證。當機械手提起后，擋瓶閥開啟。另外，整個灌裝過程用人機界面進行監(jiān)控，保證生產(chǎn)的正常有序進行，在出現(xiàn)異常時會自動報警。

2 系統(tǒng)的硬件設計

考慮到生產(chǎn)線工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元器件連接的靈活性和方便性，采用PLC作為核心控制器，各控制對象都必須在PLC的統(tǒng)一控制下協(xié)同工作[1]，PLC采用深圳市匯川技術股份有限公司的H2U-1616MR型（16點輸入、16點輸出）和H1U-0806MT型（8點輸入、6點輸出），兩臺PLC分別用于灌裝和裝箱的控制。匯川H2U系列PLC具有小型化、高速度、高性能的特點，完全兼容日本三菱FX2N系列的PLC，包括程序、軟件、擴展模塊等，甚至擁有一些其他PLC沒有的功能，比如加密功能，因此，具有很高的性價比，是國產(chǎn)PLC中的高端產(chǎn)品。

人機界面是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。目前市場上使用較多的觸摸屏主要有西門子、臺大、威能通、匯川，其中西門子的觸摸屏以質(zhì)量好著稱，而市場占有率最高的是威能通的觸摸屏，因其較高的性價比是用戶的首選，而考慮到兼容性，該系統(tǒng)所用的是性價比較高的匯川觸摸屏IT-6070[2]。各部分的接線圖見圖3、圖4和圖5。

該系統(tǒng)共采用4臺電機，一臺3 kW油泵電機，一臺1.5 kW輸送帶軌道電機，兩臺伺服電機。伺服系統(tǒng)是使物體的位置、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入信號（或給定值）的變化而自動控制的系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)主要靠脈沖來定位，其定位精度高，可以達到0.001 mm。在伺服系統(tǒng)方面國內(nèi)與國外有著很大的差距，因此很多廠家使用的都是國外品牌，比如德國的西門子，日本的松下、三菱，美國的AB等，但使用較多的還是日本的伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的是三菱的MR-J2S-40A伺服控制器和三菱的HF-KP-43A伺服電機[3]。

變頻器是應用變頻技術與微電子技術通過改變電機工作的電源頻率來控制交流電動機的電力控制設備。考慮到兼容和性價比，本設計采用匯川的MD280NT1.5GB變頻器來控制軌道電機的運行[4]。

擋瓶閥、升降閥、抽真空閥選用派克公司的D41VW001C1NJWTI6N電磁閥，計數(shù)器選用正泰集團股份有限公司的NJJ5-J電子計數(shù)器，所有開關按鈕選用正泰集團股份有限公司的產(chǎn)品，流量計選用江蘇順通建設集團有限公司的ST-LDE系列流量計，斷路器選用正泰集團股份有限公司的DZ27-60斷路器。

3 系統(tǒng)的軟件設計

灌裝PLC采用匯川的H2U-1616MR型，輸入16點、輸出16點。灌裝PLC的I/O輸入和輸出口分配分別見表1和表2。

灌裝的主體程序使用的是步進梯形圖指令，將被控設備的運行過程分解為若干個狀態(tài)或工序，針對每一個狀態(tài)進行邏輯編程，再根據(jù)信號條件進行狀態(tài)間的切換。這種編程方法思路清晰，簡化了邏輯設計，方便調(diào)試和維護。

步進梯形圖指令可用梯形圖表示，在步進梯形圖中，將狀態(tài)S看做一個控制的工序，從而將輸入信號和輸出控制按順序編程。這種控制最大的特點是在工序進行時，只要將各道工序的順序安排好，即可控制設備[5]。

裝箱PLC采用匯川的H1U-0806MT型，輸入8點、輸出6點。裝箱PLC的I/O口輸入和輸出分配分別見表3和表4。

輸入繼電器X代表PLC外部元件，通過X端口來檢測外部信號狀態(tài)，0代表信號開路，1代表信號閉合。輸出繼電器與PLC的物理輸出端口一一對應。PLC每次掃描完用戶程序后，會將繼電器Y的狀態(tài)傳送到PLC的硬件端口上，0表示輸出端口開路，1表示輸出端口閉合。輔助繼電器M作中間變量，用于信號狀態(tài)的傳遞，該變量與外部端口沒有直接的聯(lián)系，該變量可無限次使用。寄存器D用于存儲數(shù)據(jù)，每個寄存器的寬度為16 bit[6，7]。

灌裝PLC的流程見圖6，裝箱PLC的流程見圖7。研究使用的是匯川的H2U-1616MR和H1U-0806MT型PLC，編程軟件是匯川的AutoShop V1.0.7編程軟件[8，9]。

4 結語

通過實踐證明本系統(tǒng)提高了灌裝機械的自動化程度，實現(xiàn)了機電一體控制，同時有著很高的穩(wěn)定性和很強的抗干擾能力。全智能化控制將是控制領域的一個趨勢，它可以盡可能地改善工作環(huán)境，降低勞動強度，具有很強的可行性。

參考文獻：

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