全自動(dòng)智能罐裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳奕建，黃河琉，黃源瑞，李奇梼，謝世穎，楊保海

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 前言

食品包裝工藝是企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié),其中對(duì)于液體的灌裝就占領(lǐng)了非常大的一塊市場(chǎng)。它在飲料廠、化工廠、奶茶商店中所占據(jù)的地位和競(jìng)爭(zhēng)力的增強(qiáng),也極大地促使了灌裝工藝和機(jī)械化的進(jìn)步;灌裝是現(xiàn)代化液體包裝工藝的主要組成部分,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,它的應(yīng)用技術(shù)水平近年來(lái)得到了不斷的提高。

1 灌裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

飲料灌裝系統(tǒng)由4個(gè)單元組成，分別是投放單元、灌裝單元、輸送單元、封裝單元。本文對(duì)飲料灌裝系統(tǒng)的硬件、軟件和人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

硬件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)外部機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和傳感器、控制器、電磁閥的設(shè)計(jì)，將機(jī)械、自動(dòng)化控制原理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)等技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成實(shí)用可靠的灌裝系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)包括程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試，通過(guò)對(duì)PLC進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)流程化灌裝的生產(chǎn)方式。判斷一臺(tái)設(shè)備的好壞取決于設(shè)備的可靠性和安全性，通過(guò)設(shè)計(jì)觸摸屏界面對(duì)設(shè)備的各部位進(jìn)行監(jiān)控，這樣有利于設(shè)備的維修和保養(yǎng)，觸摸屏窗口具有精準(zhǔn)高效的技術(shù)統(tǒng)計(jì)和可靠的報(bào)警功能，能夠精準(zhǔn)地將生產(chǎn)情況告知操作員，使操作員能夠靈活高效地使用設(shè)備。

全自動(dòng)罐裝系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。1表示裝塑料杯的杯桶，2表示儲(chǔ)料罐，3出料嘴的可調(diào)單向閥，4表示管道，5表示塑料杯，6表示轉(zhuǎn)盤的杯槽，7表示用于取杯的真空吸盤，8表示雙桿伸縮氣缸，9表示物料轉(zhuǎn)盤的展開形狀，10表示攪拌器，11為收膜卷筒，12為出膜卷筒，13為封口膜，14為機(jī)械手抓用于搬運(yùn)產(chǎn)品，15為直線導(dǎo)軌，16為XY軸的變速箱，17/18為步進(jìn)電機(jī)。19為RV減速步進(jìn)電機(jī)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 飲料灌裝系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示為硬件框架圖，PLC的主要接線圖如圖3所示。

圖2 硬件框架圖

圖3 PLC的主要接線圖

■ 2.1 塑料杯投放單元

投杯單元主要由杯桶、分杯器、伸縮氣缸、真空吸盤和真空發(fā)生器組成。分杯器包括筒頭、分杯爪和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，筒頭連接于杯筒遠(yuǎn)離封底的一端，筒頭設(shè)置有出杯口，出杯口與容納腔連通，分杯爪的第一端與筒頭活動(dòng)連接，分杯爪的第二端向出杯口的中心軸線延伸，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與分杯爪和筒頭活動(dòng)連接，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)分杯爪的第二端與出杯口的中心軸線的距離。杯桶的分杯爪所形成的出杯孔的口徑可以通過(guò)分杯器的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而適用于不同口徑尺寸的紙杯。通過(guò)將真空吸盤安裝在單軸伸縮氣缸上，單軸氣缸安裝在投杯器底端，氣缸伸縮運(yùn)動(dòng)使杯子由真空吸盤吸入工位開始生產(chǎn)。

■ 2.2 輸送單元

輸送單元主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、減速箱、物料轉(zhuǎn)盤組成；高效地利用步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)大大提升了灌裝系統(tǒng)的精準(zhǔn)性。步進(jìn)電機(jī)班安裝減速裝置的情況下，PLC發(fā)送出一個(gè)脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，精度要求越高，步距腳就越小，運(yùn)轉(zhuǎn)越平穩(wěn)，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量)換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速)。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度，電機(jī)通過(guò)減速器后的轉(zhuǎn)矩通過(guò)聯(lián)軸器傳給物料轉(zhuǎn)盤，使得電動(dòng)機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)更大的負(fù)載。

■ 2.3 灌裝單元

灌裝單元的主要部件有：6個(gè)儲(chǔ)料罐、6個(gè)出料閥、管道組成。出料閥由一個(gè)薄型氣缸推動(dòng)自動(dòng)復(fù)位閥門開關(guān)，調(diào)節(jié)氣缸上的節(jié)流閥可以控制出料的速度。當(dāng)塑料杯送至灌裝單元正下方的時(shí)候漫反射傳感器檢測(cè)輸出信號(hào)使轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)停止，灌裝單元出料嘴根據(jù)閥門開啟的時(shí)間控制輸出量，料裝完后進(jìn)入到封裝單元。

■ 2.4 封裝單元

封裝單元主要部件有：工件臺(tái)、發(fā)熱盤、氣缸等；設(shè)備啟動(dòng)的同時(shí)就對(duì)發(fā)熱盤進(jìn)預(yù)熱，以串級(jí)PID控制方法實(shí)現(xiàn)溫度控制，在加熱流程上串接上一個(gè)PID溫度控制器形成閉環(huán)系統(tǒng)，在溫度控制器上設(shè)置需要的溫度，由溫度控制器輸出去發(fā)熱盤；發(fā)熱盤與雙軸伸縮氣缸連接；封裝單元的反射式光電傳感器檢測(cè)到要封裝的產(chǎn)品后，轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)停止，此時(shí)杯膜通過(guò)卷筒上的直流電機(jī)和封口膜配套使用的電子感應(yīng)器精準(zhǔn)地將膜中心對(duì)準(zhǔn)杯子，氣缸推動(dòng)發(fā)熱盤伸出至最大行程，保壓1.5s，然后氣缸緩緩升起，卷筒電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行收膜。

■ 2.5 分揀單元

分揀單元主要由重量傳感器、氣缸、產(chǎn)品倉(cāng)庫(kù)、機(jī)械手等，其中機(jī)械手等，其中機(jī)械手由四個(gè)維度組成，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上升下降、左旋右旋、伸出縮回、夾緊放松控制，使得搬運(yùn)產(chǎn)品的范圍更寬。

機(jī)械手運(yùn)作前，機(jī)械手必須處于初始狀態(tài)，如果不在，機(jī)械手通過(guò)PLC程序控制回到初始狀態(tài)。

底盤在機(jī)械手中的作用是用來(lái)承載重物和帶動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。它由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和加減速箱組成。正常工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)底盤旋轉(zhuǎn)，通過(guò)PLC發(fā)出的脈沖數(shù)和方向控制，精準(zhǔn)控制底盤旋轉(zhuǎn)的角度。

手臂就是一種可以連接并承載手爪移動(dòng)的主要機(jī)器。它由 PLC 經(jīng)步進(jìn)電機(jī)控制器通過(guò)自動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)來(lái)控制絲桿和螺母在其上的運(yùn)動(dòng),同時(shí)還可以采用限位開關(guān)對(duì)這些移動(dòng)進(jìn)行限位,保證了運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)性和高效率地運(yùn)行。通過(guò)使用稱重控制器和稱量傳感器設(shè)置一個(gè)重量區(qū)間,只要產(chǎn)品的重量不超出其在重量區(qū)間的范圍,就可以判斷為合格產(chǎn)品,機(jī)械手夾存放到指定的倉(cāng)庫(kù),不合格的產(chǎn)品通過(guò)機(jī)械手夾存放到廢物區(qū)。通過(guò)使用稱重控制器和重量傳感器設(shè)定重量的區(qū)間，只要重量不超過(guò)重量區(qū)間范圍，就判斷為合格產(chǎn)品，機(jī)械手夾取到指定倉(cāng)庫(kù)，不合格產(chǎn)品通過(guò)機(jī)械手夾取到廢品區(qū)。

3 飲料灌裝系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)能夠通過(guò)手機(jī)觸摸屏自動(dòng)顯示設(shè)備的工作狀態(tài),人機(jī)交互界面主要有三種:登錄界面、生產(chǎn)任務(wù)配置管理界面、裝置運(yùn)行情況監(jiān)視管理界面、報(bào)警管理界面、調(diào)試管理界面、流程展示。

主要功能：提供系統(tǒng)啟動(dòng)/停止、生產(chǎn)任務(wù)設(shè)置、訂單生成、飲料配方管理、故障狀態(tài)、顯示不合格產(chǎn)品數(shù)數(shù)量。

■ 3.1 登錄頁(yè)面主要功能

為了防止其他人員誤操作而導(dǎo)致事故發(fā)生，人機(jī)界面的首頁(yè)設(shè)置了用戶管理權(quán)限功能，通過(guò)調(diào)用“!LogOn()”函數(shù)可以彈出用戶登錄界面，注銷當(dāng)前用戶調(diào)用“!LogOあ”函數(shù)注銷當(dāng)前用戶；為了使系統(tǒng)更加人性化，還使用了“!ChangPassword()”函數(shù)用來(lái)修改密碼，調(diào)用“!Editusers”函數(shù)彈出管理用戶對(duì)話框；此設(shè)備設(shè)置了兩個(gè)工種，操作員和管理員，操作員只能進(jìn)行生產(chǎn)操作，管理員擁有操作設(shè)備的所有權(quán)限。通過(guò)在設(shè)備操作模塊按鈕中設(shè)置了操作權(quán)限，以實(shí)現(xiàn)對(duì)權(quán)限的管理。在登錄模塊中加入了腳本程序，登錄后可以對(duì)用戶賬號(hào)信息進(jìn)行修改。

■ 3.2 生產(chǎn)任務(wù)設(shè)置界主要功能

生產(chǎn)任務(wù)設(shè)置界面如圖4所示，在此頁(yè)面設(shè)計(jì)了一個(gè)管理信息系統(tǒng)，以操作員為主導(dǎo)，通過(guò)在飲料菜單界面選擇要生產(chǎn)的參數(shù)后生成一個(gè)訂單，飲料菜單界面設(shè)計(jì)有飲料配方設(shè)置模塊、生成訂單按鈕、清除數(shù)據(jù)按鈕組成，根據(jù)產(chǎn)品名稱設(shè)置排產(chǎn)量、出料口、生產(chǎn)優(yōu)先級(jí)后點(diǎn)生產(chǎn)訂單按鈕就會(huì)彈出提示框已經(jīng)成功創(chuàng)建訂單，訂單編號(hào)由年+月+日+今日0時(shí)起生成訂單順序組成，每個(gè)訂單占用三菱PLC的14個(gè)斷電保持寄存器，三菱FX-3UPLC斷電保持寄存器有7800個(gè)（D200-D799），分別用于存儲(chǔ)器訂單的訂單編號(hào)、排產(chǎn)量、出料口、生產(chǎn)狀態(tài)， PLC編程時(shí)使用位元件左右移指令（SFTR和SFTL）管理訂單的生產(chǎn)順序，訂單會(huì)按照優(yōu)先級(jí)1-3的順序生產(chǎn)；取消訂單按鈕控制了PLC的傳送指令（MOV），對(duì)訂單使用的寄存器數(shù)值清零，訂單內(nèi)容清零的同時(shí)，觸摸屏上的訂單也隨之消失。在此界面設(shè)計(jì)了控制設(shè)備按鈕，急停按鈕控制了PLC的特殊輔助寄存器M8034(禁止全部輸出)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備緊急停止的效果。

圖4 生產(chǎn)任務(wù)設(shè)置界面

■ 3.3 設(shè)備監(jiān)控界面的主要功能

在生產(chǎn)中，設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控是必不可少的，在監(jiān)控界面中監(jiān)視了6個(gè)儲(chǔ)料罐的液位，每個(gè)儲(chǔ)料罐底部由一個(gè)重量傳感器支撐，使用重量傳感器去皮后得到液體的重量，重量控制器使用RS-485通訊接口和觸摸屏通訊，這樣就可以實(shí)現(xiàn)液位的監(jiān)控；杯桶杯子剩余數(shù)量也做了監(jiān)視，杯桶的頂端安裝有一個(gè)漫反射型傳感器，考慮到杯子是成組投放的，可以利用PLC計(jì)數(shù)器功能，杯子與杯子相連的重合區(qū)檢測(cè)杯子的數(shù)量；通過(guò)編輯腳本程序，當(dāng)前已生產(chǎn)數(shù)/需生產(chǎn)總數(shù)，使兩個(gè)變量相除得出生產(chǎn)進(jìn)度。

■ 3.4 報(bào)警界面的主要功能

如圖5為報(bào)警界面，在報(bào)警界面中可以通過(guò)表格看到報(bào)警事件，當(dāng)氣壓、電壓、溫度、重量、通訊狀態(tài)、急停按鈕被按下等都會(huì)觸發(fā)報(bào)警，并且記錄到表格上，觸摸屏態(tài)時(shí)需要在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)里添加報(bào)警組對(duì)象，報(bào)警瀏覽機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)組對(duì)象后可以在一個(gè)表格顯示多個(gè)單元的報(bào)警內(nèi)容，同時(shí)會(huì)觸發(fā)PLC的設(shè)備保護(hù)程序，這樣保障了工作人員的安全和設(shè)備的安全。

圖5 環(huán)境檢測(cè)及斷電檢測(cè)流程圖

圖5 報(bào)警界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文用飲料的例子設(shè)計(jì)了全自動(dòng)灌裝系統(tǒng)，此系統(tǒng)即可以對(duì)飲料進(jìn)行灌裝，稍作改造可以作為農(nóng)藥、洗衣液等進(jìn)行生產(chǎn)，人機(jī)界面上的信息管理系統(tǒng)可以很好的管理客戶發(fā)來(lái)的訂單，為使用此設(shè)備的企業(yè)或組織運(yùn)行者提供更好的管理和決策功能。設(shè)備很大程度的依賴觸摸屏控制，提高設(shè)備的生產(chǎn)功能和速度。