孫娜
摘 要:飲料灌裝機控制系統(tǒng)采用西門子S7-200系列的PLC做控制器,文中詳細介紹了飲料灌裝機控制系統(tǒng)的總體構(gòu)成,仔細分析了系統(tǒng)的輸入輸出量,配置I/O口,傳送帶系統(tǒng)采用伺服電機,實現(xiàn)精準定位,進行了飲料灌裝機控制系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計,HMI上位機遠程操控。
關(guān)鍵詞: S7-200;灌裝機; I/O
中圖分類號:TN081 文獻標識碼:A
當(dāng)今社會伴隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,人們生活消費水平的日益提高,對各種飲品的需求量也越來越大。近幾年德國工業(yè)4.0以及中國制造2025目標的提出,高產(chǎn)量、高效率、高品質(zhì)、智能化已成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的宗旨,工業(yè)逐步走向自動化、智能化。傳統(tǒng)的飲料灌裝機器采用繼電器、接觸器控制裝置,而PLC(可編程序控制器)是以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置,它將傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與計算機技術(shù)結(jié)合在一起,近年來在工業(yè)自動控制、機電一體化、改造傳統(tǒng)設(shè)備等方面得到普遍應(yīng)用。本文設(shè)計一種基于西門子S7-200的飲料灌裝機,傳統(tǒng)的灌裝方法存在一些缺點,例如:灌裝精度和穩(wěn)定性難以保證、更換灌裝規(guī)格困難等。本系統(tǒng)采用的飲料分裝計量是通過時間和單位時間流量來確定的,計量精度由S7-200控制確定。PLC控制具有編程簡單、工作可靠、使用方便、系統(tǒng)容易升級等特點,在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
1.飲料灌裝機系統(tǒng)的控制要求
灌裝機依據(jù)灌裝對象的不同,灌裝原理及灌裝模式也是千差萬別,不同的灌裝對象有著不同的灌裝原理,按灌裝壓力分為:真空液體灌裝機、常壓液體灌裝機、壓力液體灌裝機,本文重點介紹壓力灌裝機。本系統(tǒng)主要研究灌裝及壓蓋貼標簽的過程,其余例如洗罐、廢罐回收、運輸?shù)冗^程不作為本文研究重點。系統(tǒng)工作過程要求如下(圖1)。
(1)傳感器S1感應(yīng)到有罐放入傳送帶后,啟動電動機M1,傳送帶運轉(zhuǎn)。
(2)當(dāng)傳感器S2感知到信號時,罐運到位,傳送帶停止。
(3)啟動裝罐機械手1,到瓶口處,下壓注入飲料,定時注入完畢后,收回機械手1,繼續(xù)啟動傳送帶。
(4)當(dāng)傳感器S3感知到信號時,停止,啟動壓蓋機械手2,完成壓蓋操作,收回機械手2,繼續(xù)啟動傳送帶。
(5)當(dāng)傳感器S4感知到信號時,停止,啟動貼標簽機械手3,完成貼標簽,收回機械手3,繼續(xù)啟動傳送帶將成罐運走。
2.飲料灌裝機系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1控制系統(tǒng)框圖(如圖2所示)
根據(jù)自動灌裝系統(tǒng)的控制過程及工藝要求,硬件配置由西門子S7-200作為主控制器,配置輸入傳感器系統(tǒng)、輸出接觸器系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、機械手系統(tǒng)、電動機系統(tǒng)。由于生產(chǎn)加工工藝要求設(shè)備精度必須足夠高,有偏差或者定位不準都會給生產(chǎn)帶來很大的損失,所以在器件選型方面,選擇控制精度高、反應(yīng)速度快的CPU226,作為該灌裝站的主機。電機選用伺服電機,伺服電機是在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機,是一種補助馬達間接變速裝置。電機定位能夠清楚累計誤差,可使控制速度、位置精度非常準確,具有機電時間常數(shù)小、線性度高等特點。遠程操控觸摸屏選擇昆侖通態(tài)的HMI,參數(shù)隨時可調(diào)節(jié),操作靈活方便。
2.2 I/O分配
輸入端分別為罐傳感器S1,到位傳感器S2,壓蓋傳感S3,標簽傳感S4,啟動S5,停止S6,依次用I0.0-I0.5。輸出電機M1,注料、壓蓋、貼簽依次采用Q0.0-Q0.3。
3.飲料灌裝機系統(tǒng)的軟件設(shè)計
依據(jù)系統(tǒng)的要求,結(jié)合系統(tǒng)硬件設(shè)計,利用STEP7應(yīng)用軟件進行系統(tǒng)軟件設(shè)計,主程序完成以下功能:
系統(tǒng)初始化、分為手動與自動流程,自動狀態(tài)下當(dāng)S1為1時,啟動傳送帶,到S2為1停止傳送帶,調(diào)用注料機械手1,定時時間到,移開機械手1,啟動傳送帶,至傳感器S3為1時再停止,壓蓋,延時再啟動傳送帶至傳感器S4為1停止,貼標簽,整個主流程完畢運走成罐。
系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。
4.系統(tǒng)設(shè)計精度保證
在該灌裝系統(tǒng)的運動控制應(yīng)用中,很多伺服電機和設(shè)備執(zhí)行器都可以滿足精度要求,但是完整控制系統(tǒng)的選型、設(shè)計和集成對于運動控制的可重復(fù)性和精度十分關(guān)鍵。根據(jù)負載查詢技術(shù)參數(shù),選擇力矩、速度、精度合適的伺服電機,合理選型可以消除一部分誤差。伺服電機利用閉環(huán)控制改進了定位精度。閉環(huán)位置控制、更高的力矩和更高的速度,使得伺服電機在高精度應(yīng)用場合具有更大的優(yōu)勢。在設(shè)計中更加注重伺服電機、編碼器反饋以及伺服驅(qū)動器,必須設(shè)計成按照一個整體協(xié)同工作,使之與電機和負載匹配。
結(jié)語
論文在進行了大量的調(diào)研和查閱國內(nèi)、外文獻資料的基礎(chǔ)上,確定了西門子S7-200做控制器,介紹了飲料灌裝系統(tǒng)的工作原理、硬件設(shè)計、軟件流程以及這種運動控制系統(tǒng)精度保證的一點點建議,系統(tǒng)實現(xiàn)了快速準確灌裝,為現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝提高生產(chǎn)效率提出了建議。
參考文獻
[1]申海鵬,劉東紅,王佃剛.認識灌裝設(shè)備學(xué)習(xí)灌裝技術(shù)[J].食品安全導(dǎo)刊,2011(7):42-45.
[2]張德芹,徐世許,吳光強.基于PLC的定量灌裝控制系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機,2014(8):127-128.
[3]李明,李麗娟,楊松,等.全自動液體定量灌裝機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].包裝工程,2013(5):78-81.
[4]陶權(quán).PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝與調(diào)試[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2009.
[5]張生慧,寧明理,楊大毅.白酒灌裝過程工序間配合與效率提升的探討[J].釀酒, 2015(5):78-79.
[6]譚威.基于PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].華中科技大學(xué),2007.