高精度灌裝生產(chǎn)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周根榮，陳瑞祥，秘美娜

ZHOU Gen-rong, CHEN Rui-xiang, BI Mei-na

（南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南通 226019）

0 引言

化工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)中有大量的產(chǎn)品灌裝生產(chǎn)線(xiàn)，視灌裝重量精度要求的不同，有定量、定時(shí)、稱(chēng)重等不同的灌裝工藝，如果產(chǎn)品是配比原料（如氯乙烯類(lèi)化工原料），通常要求重量誤差控制在1～5‰之內(nèi)，因而必須采用稱(chēng)重灌裝工藝。

相對(duì)其他工藝來(lái)說(shuō)，稱(chēng)重式工藝由于要采用稱(chēng)重傳感器實(shí)時(shí)采集灌裝重量，理論上可將誤差控制在允許范圍內(nèi)，但實(shí)際生產(chǎn)中，由于受加工精度、重復(fù)使用磨損、雜物污染等原因，空桶重量存在較大誤差，從而嚴(yán)重影響產(chǎn)品精度，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮空桶去皮。另外，稱(chēng)重式工藝生產(chǎn)中，為保證重量精度，不可能全程使用大流量灌裝，所以通常效率較低。

灌裝成品在生產(chǎn)廠(chǎng)家通常是抽檢，無(wú)法檢出全部不合格成品，而在用戶(hù)使用過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)不合格品，因?yàn)闆](méi)有生產(chǎn)信息標(biāo)簽，導(dǎo)致生產(chǎn)廠(chǎng)家無(wú)法溯源，究查不合格品原因。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文介紹了一種高速高精度灌裝生產(chǎn)線(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，下位機(jī)利用PLC控制器為核心，采用高精度稱(chēng)重傳感器實(shí)現(xiàn)灌裝重量的實(shí)時(shí)采集，光電開(kāi)關(guān)配合檢測(cè)空桶到位，實(shí)現(xiàn)空桶去皮，極大地減小了重量誤差；采用超聲波傳感器在線(xiàn)測(cè)量灌裝液位高度，適時(shí)切換灌裝流量，提高灌裝效率；灌裝完成后，PLC將重量數(shù)據(jù)送給上位PC機(jī)質(zhì)量管理系統(tǒng)，質(zhì)量管理系統(tǒng)將重量數(shù)據(jù)連同其他信息保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)生成ID標(biāo)簽自動(dòng)打印、貼標(biāo)，以便發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)可方便追查。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1為灌裝生產(chǎn)線(xiàn)的工作示意圖，采用空桶臺(tái)、灌裝臺(tái)、成品臺(tái)獨(dú)立三部分傳動(dòng)輥機(jī)構(gòu)，空桶臺(tái)和成品臺(tái)用普通三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)、灌裝臺(tái)則用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；灌裝臺(tái)底部安裝高精度稱(chēng)重傳感器，PLC經(jīng)變送及通信模塊讀取重量數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)工作示意圖

為防止原料噴濺，灌裝頭由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)作上下移動(dòng)，灌裝過(guò)程中超聲波傳感器檢測(cè)液位高度，PLC根據(jù)液位高度，控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)灌裝頭往上移動(dòng)，保證與液位保持在一個(gè)較近距離。

光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)空桶是否到位，到位后空桶臺(tái)、灌裝臺(tái)、成品臺(tái)全部停止運(yùn)動(dòng)，先測(cè)量此時(shí)空桶重量（皮重），然后灌裝頭向下移動(dòng)，距桶底一定距離后停止，接著由粗注頭開(kāi)始大流量灌裝，過(guò)程中灌裝頭根據(jù)液位高度逐漸上抬，當(dāng)液位高度到達(dá)設(shè)定值后，切換到精注頭灌裝。達(dá)到設(shè)定灌裝重量后，灌裝停止，PLC將本桶重量上傳給上位PC機(jī)質(zhì)量管理系統(tǒng)，并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)控制打印貼標(biāo)機(jī)，生成ID標(biāo)簽，并自動(dòng)打印、貼標(biāo)。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)控制器采用三菱公司先進(jìn)的FX3U系列FX3U-32MT小型PLC[1]，可通過(guò)專(zhuān)用指令[2]，直接輸出2路200kHz高速脈沖（Y0、Y1），提供2個(gè)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)脈沖，簡(jiǎn)化了硬件組成，提高了系統(tǒng)可靠性。

系統(tǒng)中，稱(chēng)重模塊是個(gè)關(guān)鍵器件，為此采用梅特勒-托利多（METTLER TOLEDO）的高精度稱(chēng)重傳感器WMHB60sx（標(biāo)稱(chēng)范圍60kg，精度1g）、以及與此傳感器配套的ACM200變送及通信模塊[3]，PLC系統(tǒng)通過(guò)RS-232方式讀取ACM200獲得的重量數(shù)據(jù)[4]，不再另行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集及處理電路，從而提高了系統(tǒng)精度。

XX918A3C2M12為施耐德公司生產(chǎn)的超聲波傳感器[5]，實(shí)現(xiàn)液位高度的非接觸式測(cè)量，檢測(cè)距離50mm～500mm，輸出信號(hào)4mA～20mA，由FX2N-2AD模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)[4]；XUB0BPSNM12漫反射型光電開(kāi)關(guān)也是施耐德產(chǎn)品[5]，用來(lái)檢測(cè)空桶是否到位。

空桶臺(tái)、成品臺(tái)由普通三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，PLC經(jīng)繼電器控制電路，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)與停止。

上位機(jī)系統(tǒng)利用組態(tài)軟件，構(gòu)建質(zhì)量管理系統(tǒng)，一方面作為控制系統(tǒng)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視與控制，另一方面讀取PLC上傳的每桶灌裝重量數(shù)據(jù)，并生成ID序號(hào)，形成記錄保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)將ID序號(hào)送給打印貼標(biāo)機(jī)，實(shí)現(xiàn)ID標(biāo)簽的自動(dòng)打印與貼標(biāo)。

FX3U-32MT主模塊主要輸入輸出口資源分配如表1所示。

3 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

系統(tǒng)中灌裝臺(tái)、灌裝頭2個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，均選用日本東方馬達(dá)公司（Oriental motor）的RKⅡ脈沖序列輸入型步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[6]，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器全采用RKSD507-C，灌裝頭、灌裝臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分別選用PKE564、PKE596五相步進(jìn)電機(jī)。步距角均設(shè)為0.36°（1000步/轉(zhuǎn)），單脈沖工作方式，能接受最大為250K的高速脈沖串控制電機(jī)速度、位置和方向，可實(shí)現(xiàn)一般場(chǎng)合的位置控制。圖3為灌裝臺(tái)步進(jìn)系統(tǒng)電氣原理圖，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器端、PLC端各相關(guān)I/O口信號(hào)說(shuō)明如表2所示，灌裝頭步進(jìn)系統(tǒng)與此類(lèi)似，不再贅述。

圖3 灌裝臺(tái)步進(jìn)系統(tǒng)電氣原理圖

表2 灌裝臺(tái)步進(jìn)系統(tǒng)各I/O口信號(hào)說(shuō)明

步進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空桶、灌裝頭的行進(jìn)距離和速度控制，以灌裝臺(tái)為例，可按如下步驟計(jì)算空桶的設(shè)定行進(jìn)長(zhǎng)度、速度與步進(jìn)系統(tǒng)脈沖數(shù)、頻率之間的關(guān)系：

1）設(shè)驅(qū)動(dòng)輥直徑為Dbmm，空桶設(shè)定行進(jìn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)bmm，速度為Vbmm/s，則所需脈沖數(shù)為：

2）同理，脈沖頻率可由Fb=(1000×Vb)/(π×Db)得出。

PLC程序計(jì)算出脈沖數(shù)Pb、頻率Fb后，通過(guò)相對(duì)定位指令（DRVI）使Y0口發(fā)出脈沖，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)空桶行進(jìn)，DRVI指令格式如下：

[DRVI D100 D200 Y000 Y002]

其中：D100存放經(jīng)計(jì)算所得的脈沖數(shù)Pb，D200存放脈沖頻率Fb，Y0為高頻脈沖輸出I/O口，Y2則控制旋轉(zhuǎn)方向。

表1 系統(tǒng)主要輸入輸出口分配

4 質(zhì)量管理系統(tǒng)

采用北京亞控公司Kingview 6.53版組態(tài)軟件[7]，構(gòu)建質(zhì)量管理系統(tǒng)，一方面作為控制系統(tǒng)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視與控制，主要設(shè)設(shè)置參數(shù)有生產(chǎn)品種選擇、工位號(hào)確定、灌裝臺(tái)行進(jìn)距離設(shè)定、粗注精注切換高度值設(shè)定、灌注定量值設(shè)定等。另一方面質(zhì)量管理系統(tǒng)讀取PLC上傳的每桶灌裝重量數(shù)據(jù)，并生成ID序號(hào)，與其他信息一起形成記錄，保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于后續(xù)發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)及時(shí)追查原因，數(shù)據(jù)記錄具體信息見(jiàn)圖4；另外質(zhì)量管理系統(tǒng)還與自動(dòng)打印及貼標(biāo)系統(tǒng)聯(lián)系，將ID序號(hào)送給打印貼標(biāo)機(jī)，實(shí)現(xiàn)ID標(biāo)簽的自動(dòng)打印與貼標(biāo)。

圖4 某一時(shí)間段灌裝線(xiàn)產(chǎn)品記錄

原先設(shè)備配有“去皮”按鈕，工藝要求操作工人在每桶灌裝前都要按“去皮”按鈕，實(shí)現(xiàn)空桶去皮，比較煩瑣且容易遺忘，而在實(shí)際生產(chǎn)中，工人也沒(méi)有嚴(yán)格遵守這一規(guī)定，往往是第一桶灌裝時(shí)按一次“去皮”，后續(xù)空桶都按照第一桶的“皮重”進(jìn)行灌裝，而由生產(chǎn)記錄可以明顯看出，各空桶重量其實(shí)相差較大（最大1653g，最小1413g，相差240g），所以并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)空桶精確去皮，當(dāng)然也就無(wú)法保證灌裝凈重。

而現(xiàn)在的這套生產(chǎn)線(xiàn)，不需工人參與，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)空桶自動(dòng)去皮，減少了工藝數(shù)量，灌裝凈重精度大大提高，同時(shí)還與自動(dòng)打印貼標(biāo)機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)ID標(biāo)簽的自動(dòng)打印與貼標(biāo)，提高了整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化程度，出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題時(shí)也可方便溯源。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的灌裝生產(chǎn)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)與質(zhì)量管理于一體，利用位置傳感、定長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)、液位檢測(cè)等傳感、控制手段，實(shí)現(xiàn)空桶精確去皮，極大地減小了重量誤差；根據(jù)液位高度切換灌裝流量，有效地提高了灌裝效率；實(shí)時(shí)保存每桶的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，質(zhì)量問(wèn)題跟蹤有據(jù)可查。該生產(chǎn)線(xiàn)投入生產(chǎn)后，明顯地提高了灌裝生產(chǎn)的效率和精度，減輕了操作人員的工作強(qiáng)度，提升了灌裝生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化水平，其技術(shù)還可在食品、醫(yī)藥等行業(yè)中得到推廣應(yīng)用。

[1]FX3U系列微型可編程控制器用戶(hù)手冊(cè),JY997D19801[EB/OL].三菱電機(jī)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司,2005.12.

[2]FX3U 系列微型可編程控制器編程手冊(cè),JY997D19401M[EB/OL].三菱電機(jī)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司,2014.06.

[3]WMH-Ex_Plattform_Datasheet_120601_en.pdf[EB/OL].梅特勒-托利多國(guó)際股份有限公司,2013.05.

[4]FX系列特殊功能模塊用戶(hù)手冊(cè)[EB/OL].三菱電機(jī)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司,2009.06.

[5]傳感器及安全檢測(cè)產(chǎn)品選型指南[EB/OL].施耐德電氣中國(guó)有限公司,2011.11.

[6]RKⅡ脈沖序列輸入型使用說(shuō)明書(shū)[EB/OL].東方馬達(dá)株式會(huì)社,2013.05,

[7]組態(tài)王6.53用戶(hù)手冊(cè)[EB/OL].北京亞控科技有限公司,2011.05.