李德英，袁 練

（湖南信息學(xué)院 電子科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410151）

浙江禾川科技股份有限公司（HCFA）專(zhuān)注于工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品的研發(fā)、制造、銷(xiāo)售及應(yīng)用集成，是我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化高端裝備及機(jī)器人核心部件的主要供應(yīng)商。禾川主要產(chǎn)品涵蓋了工業(yè)自動(dòng)化整個(gè)系列，包括伺服系統(tǒng)、控制器（PLC）、視覺(jué)系統(tǒng)、編碼器、變頻器、觸摸屏等，機(jī)型近500 個(gè)型號(hào)，并已通過(guò)CE、RoHS 產(chǎn)品認(rèn)證。Q1 PAC 是禾川推向市場(chǎng)的新一代總線(xiàn)控制器，如圖1所示，Q1 PAC&X3EB 伺服系統(tǒng)以?xún)?yōu)質(zhì)可靠的性能和極高的性?xún)r(jià)比聞名工控市場(chǎng)。

圖1 禾川Q1 PACFig.1 HCFA Q1 PAC

禾川Q1 PAC 是集成了邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、可視化系統(tǒng)等多種通訊于一體的多功能中型控制器，全方位支持IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范以及擁有豐富的功能庫(kù)。Q1 豐富的通訊接口與多種協(xié)議支持使其擁有強(qiáng)大的場(chǎng)景適用性與靈活便捷的通訊交互，同時(shí)圖形化的數(shù)據(jù)采集使得系統(tǒng)整體監(jiān)控更加直觀(guān)和高能精準(zhǔn)可視。Q1 所支持EtherCAT 可帶64 軸（可通過(guò)更改循環(huán)周期拓展），EtherCAT 通訊是當(dāng)今世界上最快最經(jīng)濟(jì)的工業(yè)通訊[1]。

禾川X3E 系列驅(qū)動(dòng)器是具有高可靠穩(wěn)定性和內(nèi)置豐富功能的通用型伺服驅(qū)動(dòng)器，其主要體現(xiàn)到自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的3 個(gè)指標(biāo)——快：控制環(huán)路計(jì)算周期最快40 μs，速度環(huán)帶寬大于1.2 kHz，定位時(shí)間≤5 ms @Tacc50 ms；準(zhǔn)：定位理論精度范圍±1 Turn/131072，速度控制精度±1 rpm，轉(zhuǎn)矩控制分辨率0.1%* 額定轉(zhuǎn)矩；穩(wěn)：在線(xiàn)負(fù)載參數(shù)（慣量比）辨識(shí)，在線(xiàn)自整定增益；在線(xiàn)自適應(yīng)陷波濾波器消除共振，最多支持4 組共振抑制。

1 隨動(dòng)式智能灌裝機(jī)機(jī)體介紹

灌裝機(jī)是將液體或膠體灌入容器的機(jī)器，隨動(dòng)式智能灌裝機(jī)采取的控制方案是禾川Q1 PAC+X3EB 總線(xiàn)伺服，其電氣拓?fù)淙鐖D2所示。機(jī)體主要由來(lái)料分瓶、線(xiàn)寬及灌高調(diào)整、平移灌裝、液嘴升降、推活塞、輸送線(xiàn)、液儲(chǔ)罐組成。分瓶部分根據(jù)控制分瓶軸和理料輸送線(xiàn)的速度差把來(lái)瓶分出所需要的間距；線(xiàn)寬及灌高調(diào)整部分根據(jù)瓶徑及瓶高的不同，自動(dòng)調(diào)整線(xiàn)體寬及機(jī)架高度；平移灌裝部分主要作用帶著罐頭機(jī)構(gòu)同步平移跟隨瓶子灌裝液體；液嘴升降是指配合液面高度自動(dòng)調(diào)整液嘴高度，以改善灌裝效果；推活塞部分主要作用是負(fù)責(zé)從液體存儲(chǔ)罐抽出罐液，根據(jù)多段速控制把液體通過(guò)管道打進(jìn)灌裝頭；理料輸送線(xiàn)主要是完成料瓶的輸送作用，承擔(dān)起控制主軸角色；液體存儲(chǔ)罐根據(jù)液位傳感器來(lái)控制罐液的存儲(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如圖3所示。

圖2 隨動(dòng)式灌裝機(jī)電氣拓?fù)銯ig.2 Follow up the electrical topology of filling machine

圖3 隨動(dòng)式智能灌裝機(jī)Fig.3 Follow up intelligent filling machine

2 隨動(dòng)式智能灌裝機(jī)的基本工藝流程

隨動(dòng)智能灌裝機(jī)的關(guān)鍵工藝是跟隨，即灌裝頭嚴(yán)格與輸送帶保持實(shí)時(shí)同步，實(shí)現(xiàn)灌裝頭與輸送帶嚴(yán)格同步的方法是通過(guò)控制器電子凸輪功能實(shí)現(xiàn)。即當(dāng)進(jìn)瓶傳感器檢測(cè)到瓶子時(shí)，系統(tǒng)即刻通過(guò)伺服探針鎖存當(dāng)前輸送帶位置，當(dāng)輸送帶當(dāng)前位置-鎖存位置=灌裝頭到進(jìn)瓶傳感器距離時(shí)即瓶子到達(dá)灌裝頭位同步條件滿(mǎn)足，以輸送帶作為主軸通過(guò)電子凸輪帶動(dòng)從軸灌裝頭做同步運(yùn)動(dòng)，當(dāng)灌裝頭軸從加速區(qū)到達(dá)同步區(qū)后活塞開(kāi)始推料液體從灌裝頭流入容器，當(dāng)活塞推料行程到，灌裝頭軸脫離與輸送帶的同步停止運(yùn)動(dòng)，然后活塞與灌裝頭返回啟動(dòng)位，等待下一個(gè)工作信號(hào)的到來(lái)。

3 隨動(dòng)式智能灌裝機(jī)關(guān)鍵工藝分析

對(duì)于隨動(dòng)式高速灌裝機(jī)來(lái)說(shuō)，它的核心功能與創(chuàng)新主要體現(xiàn)在灌裝頭與輸送帶的同步精確跟隨與灌裝頭的智能選瓶，實(shí)現(xiàn)這些功能的方法是通過(guò)電子凸輪、伺服探針鎖存以及關(guān)于檢瓶信號(hào)的數(shù)據(jù)處理方法。

3.1 檢瓶位置的探針鎖存功能

探針抓取入瓶信號(hào)采用伺服探針功能實(shí)現(xiàn)，采用伺服探針的原因是PLC 與伺服通信有掃描周期，如用PLC 輸入點(diǎn)作為檢瓶信號(hào)會(huì)產(chǎn)生位置延遲，用伺服探針則是外部檢瓶信號(hào)直接反饋到伺服，反饋的位置數(shù)據(jù)更實(shí)時(shí)與精準(zhǔn)[2]。禾川X3E 伺服驅(qū)動(dòng)器指定DI8（P04.08）、DI9（P04.09）作為探針1 和探針2 的輸入DI，啟用伺服的方法是將進(jìn)瓶傳感器接至X3EB 總線(xiàn)伺服的DI8、DI9 引腳。再把伺服面板的也就是將P04.08 設(shè)置為39，P04.09 設(shè)置為40，并通過(guò)Codesys 設(shè)置探針功能（60B8h）和探針狀態(tài)字（60B9h）。具體實(shí)現(xiàn)方法如圖4所示。

圖4 伺服電機(jī)探針鎖存功能實(shí)現(xiàn)Fig.4 Servo motor probe latch

3.2 輸送帶與灌裝頭跟隨同步實(shí)現(xiàn)

電子凸輪是按設(shè)定凸輪位置曲線(xiàn)進(jìn)行的連續(xù)運(yùn)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)軸與軸之間的同步運(yùn)動(dòng)，在各種要求主從同步的場(chǎng)景中得到了廣泛應(yīng)用。跟隨式灌裝機(jī)的核心工藝之一是灌裝頭與被灌裝瓶在同步運(yùn)動(dòng)中完成工序，是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)飛速發(fā)展的產(chǎn)物[3]。它的實(shí)現(xiàn)方法是當(dāng)灌裝瓶到達(dá)灌裝頭下時(shí)，觸發(fā)電子凸輪功能塊，灌裝頭根據(jù)凸輪曲線(xiàn)規(guī)劃跟隨輸送帶做同步運(yùn)動(dòng)，電子凸輪曲線(xiàn)規(guī)劃程序如下所示，實(shí)現(xiàn)程序塊如圖5所示。

圖5 主從軸高速同步電子凸輪功能Fig.5 Master slave high speed synchronous electronic cam

3.3 灌裝智能選瓶的實(shí)現(xiàn)

進(jìn)瓶光電傳感器持續(xù)檢測(cè)進(jìn)給瓶，每檢測(cè)到一個(gè)進(jìn)瓶信號(hào)伺服探針就鎖存一個(gè)輸送帶當(dāng)前位置數(shù)據(jù)，當(dāng)輸送帶實(shí)時(shí)位置減伺服鎖存位置等于傳感器至灌裝頭距時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入同步灌裝狀態(tài)。此工藝是源源不斷的瓶子進(jìn)給產(chǎn)生多個(gè)鎖存位置數(shù)據(jù)，直至達(dá)到工作條件才會(huì)從前往后清除，故本步采用數(shù)組遞推算法實(shí)現(xiàn)，如下程序所示。

4 隨動(dòng)式灌裝機(jī)效率影響因素分析

灌裝機(jī)的生產(chǎn)效率通常定義為每分鐘灌裝完成的產(chǎn)品數(shù)，直觀(guān)來(lái)說(shuō)就是經(jīng)過(guò)輸送帶瓶子的數(shù)量。從人的直接感觀(guān)效應(yīng)來(lái)說(shuō)，通常第一認(rèn)知是輸送帶運(yùn)動(dòng)速度越高，產(chǎn)量越高，但從機(jī)器整體運(yùn)行分析隨動(dòng)式灌裝機(jī)是活塞定位、灌裝頭與輸送帶同步平移運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一協(xié)同。機(jī)器的工作步序是輸送帶做連續(xù)運(yùn)動(dòng)，灌裝頭根據(jù)檢瓶信號(hào)做跟隨同步運(yùn)動(dòng)，同時(shí)灌裝頭進(jìn)入同步區(qū)后活塞進(jìn)行推料定位，推料結(jié)束即灌裝完成后灌裝頭停止運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)回歸啟動(dòng)工作位。

整個(gè)流程中最核心的工序是灌裝頭同步后“活塞推料”，活塞推料灌裝嘴出液系統(tǒng)灌裝進(jìn)行中，活塞推料完成灌裝嘴脫瓶停止跟隨，因此活塞的運(yùn)動(dòng)時(shí)間決定著灌裝頭的同步時(shí)間?；钊耐屏蠒r(shí)間與灌裝頭的運(yùn)動(dòng)時(shí)間是一致的，灌裝容量不變，如將輸送帶的速度調(diào)高，那么（灌裝頭行程+）=灌裝頭時(shí)間*（灌裝頭速度+），灌裝頭走的行程長(zhǎng)了返回時(shí)間必然增加且對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)間有硬性要求，因此改變單一的輸送帶的速度對(duì)整體灌裝效率并無(wú)意義，由上分析，提高機(jī)器工作效率的最佳方法是提高活塞推料速度，推料時(shí)間減少，灌裝頭運(yùn)動(dòng)時(shí)間減少，機(jī)器整體效率提高。而圍繞著機(jī)器效率的核心活塞推料速度所必然伴隨的是液體的壓力效應(yīng)，推料速度越快意味著在單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)同一橫截面的液體越多，即液體流量越大，液體的壓力越大，液體越具有沖擊力，試想一個(gè)灌裝頭每秒出液1 kg，可想而知此時(shí)液體的壓力。高速的液體碰到灌裝瓶會(huì)產(chǎn)生濺液，因此為了保持生產(chǎn)的穩(wěn)定性就要抑制濺液。抑制濺液的本質(zhì)是減低液流的壓力，即一般通過(guò)調(diào)節(jié)活塞運(yùn)動(dòng)速度實(shí)現(xiàn)，故濺液是影響機(jī)器整體效率的首要因素。在保證機(jī)器不濺液穩(wěn)定運(yùn)行前提下，應(yīng)盡可能提高活塞運(yùn)動(dòng)速度減少灌裝時(shí)間提高機(jī)器整體效率。其次才是根據(jù)灌裝頭行程調(diào)節(jié)相適應(yīng)的輸送帶速度。

5 灌裝機(jī)控制系統(tǒng)介紹

整個(gè)灌裝機(jī)系統(tǒng)主要分為2 個(gè)模式，分別是待機(jī)模式（手動(dòng)）、運(yùn)行模式（自動(dòng)）[4]。在待機(jī)模式下操作員可以設(shè)定好相關(guān)參數(shù)，并把相關(guān)參數(shù)保存至系統(tǒng)配方，以便生產(chǎn)實(shí)時(shí)調(diào)用。運(yùn)行模式則是生產(chǎn)準(zhǔn)備好，操作員按下啟動(dòng)機(jī)器進(jìn)入生產(chǎn)狀態(tài)，當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)器會(huì)自動(dòng)急停并反饋故障進(jìn)入手動(dòng)模式，操作人員根據(jù)HMI 提示排除故障，人機(jī)操作界面如圖6所示。

圖6 隨動(dòng)式灌裝機(jī)人機(jī)操作界面Fig.6 Man machine interface of follow up filling machine

6 結(jié)語(yǔ)

消費(fèi)需求的變化正在使得生廠(chǎng)商和服務(wù)商改變傳統(tǒng)模式，市場(chǎng)逐漸走向消費(fèi)者為導(dǎo)向的創(chuàng)新型道路，柔性快速的供應(yīng)鏈正在成為企業(yè)的關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)力[5]。多樣化生產(chǎn)場(chǎng)景形成了多樣化的生產(chǎn)需求，滿(mǎn)足個(gè)性化定制需求是新制造的核心競(jìng)爭(zhēng)力，浙江禾川科技股份有限公司能夠?yàn)榭蛻?hù)提供全方位的自動(dòng)化核心零部件與整體解決方案，滿(mǎn)足廣大設(shè)備廠(chǎng)商對(duì)定制化解決方案的需求[6]。禾川總線(xiàn)方案能精確判斷、智能選瓶、精確灌裝，高速高精度實(shí)現(xiàn)同步跟隨、灌液體積實(shí)時(shí)可調(diào)、多段速控制罐液、異常不灌液、瓶子不同規(guī)格灌液、多級(jí)配方選擇與保存、減少重復(fù)操作，操作清晰、簡(jiǎn)單易用、功能全面，并能實(shí)時(shí)根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行功能優(yōu)化。