高精度灌装生产线监控系统的设计

周根荣，陈瑞祥，秘美娜

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

（南通大学 电气工程学院，南通 226019）

0 引言

化工、食品、医药等行业中有大量的产品灌装生产线，视灌装重量精度要求的不同，有定量、定时、称重等不同的灌装工艺，如果产品是配比原料（如氯乙烯类化工原料），通常要求重量误差控制在1～5‰之内，因而必须采用称重灌装工艺。

相对其他工艺来说，称重式工艺由于要采用称重传感器实时采集灌装重量，理论上可将误差控制在允许范围内，但实际生产中，由于受加工精度、重复使用磨损、杂物污染等原因，空桶重量存在较大误差，从而严重影响产品精度，因此系统设计时必须要考虑空桶去皮。另外，称重式工艺生产中，为保证重量精度，不可能全程使用大流量灌装，所以通常效率较低。

灌装成品在生产厂家通常是抽检，无法检出全部不合格成品，而在用户使用过程中，如果发现不合格品，因为没有生产信息标签，导致生产厂家无法溯源，究查不合格品原因。

针对以上问题，本文介绍了一种高速高精度灌装生产线的监控系统设计，下位机利用PLC控制器为核心，采用高精度称重传感器实现灌装重量的实时采集，光电开关配合检测空桶到位，实现空桶去皮，极大地减小了重量误差；采用超声波传感器在线测量灌装液位高度，适时切换灌装流量，提高灌装效率；灌装完成后，PLC将重量数据送给上位PC机质量管理系统，质量管理系统将重量数据连同其他信息保存在数据库中，同时生成ID标签自动打印、贴标，以便发生质量问题时可方便追查。

1 系统总体设计

图1为灌装生产线的工作示意图，采用空桶台、灌装台、成品台独立三部分传动辊机构，空桶台和成品台用普通三相异步电机驱动、灌装台则用步进电机驱动；灌装台底部安装高精度称重传感器，PLC经变送及通信模块读取重量数据。

图1 系统工作示意图

为防止原料喷溅，灌装头由步进电机带动作上下移动，灌装过程中超声波传感器检测液位高度，PLC根据液位高度，控制步进电机带动灌装头往上移动，保证与液位保持在一个较近距离。

光电开关检测空桶是否到位，到位后空桶台、灌装台、成品台全部停止运动，先测量此时空桶重量（皮重），然后灌装头向下移动，距桶底一定距离后停止，接着由粗注头开始大流量灌装，过程中灌装头根据液位高度逐渐上抬，当液位高度到达设定值后，切换到精注头灌装。达到设定灌装重量后，灌装停止，PLC将本桶重量上传给上位PC机质量管理系统，并保存在数据库中，同时控制打印贴标机，生成ID标签，并自动打印、贴标。

图2 系统控制框图

2 系统硬件设计

下位机控制器采用三菱公司先进的FX3U系列FX3U-32MT小型PLC[1]，可通过专用指令[2]，直接输出2路200kHz高速脉冲（Y0、Y1），提供2个步进电机系统的驱动脉冲，简化了硬件组成，提高了系统可靠性。

系统中，称重模块是个关键器件，为此采用梅特勒-托利多（METTLER TOLEDO）的高精度称重传感器WMHB60sx（标称范围60kg，精度1g）、以及与此传感器配套的ACM200变送及通信模块[3]，PLC系统通过RS-232方式读取ACM200获得的重量数据[4]，不再另行设计数据采集及处理电路，从而提高了系统精度。

XX918A3C2M12为施耐德公司生产的超声波传感器[5]，实现液位高度的非接触式测量，检测距离50mm～500mm，输出信号4mA～20mA，由FX2N-2AD模拟量输入模块转化为数字信号[4]；XUB0BPSNM12漫反射型光电开关也是施耐德产品[5]，用来检测空桶是否到位。

空桶台、成品台由普通三相异步电机驱动，PLC经继电器控制电路，实现两个电机的启动与停止。

上位机系统利用组态软件，构建质量管理系统，一方面作为控制系统人机界面，实现生产过程的监视与控制，另一方面读取PLC上传的每桶灌装重量数据，并生成ID序号，形成记录保存在数据库中，同时将ID序号送给打印贴标机，实现ID标签的自动打印与贴标。

FX3U-32MT主模块主要输入输出口资源分配如表1所示。

3 步进驱动系统

系统中灌装台、灌装头2个步进驱动系统，均选用日本东方马达公司（Oriental motor）的RKⅡ脉冲序列输入型步进驱动系统[6]，步进驱动器全采用RKSD507-C，灌装头、灌装台步进电机分别选用PKE564、PKE596五相步进电机。步距角均设为0.36°（1000步/转），单脉冲工作方式，能接受最大为250K的高速脉冲串控制电机速度、位置和方向，可实现一般场合的位置控制。图3为灌装台步进系统电气原理图，步进驱动器端、PLC端各相关I/O口信号说明如表2所示，灌装头步进系统与此类似，不再赘述。

图3 灌装台步进系统电气原理图

表2 灌装台步进系统各I/O口信号说明

步进系统实现空桶、灌装头的行进距离和速度控制，以灌装台为例，可按如下步骤计算空桶的设定行进长度、速度与步进系统脉冲数、频率之间的关系：

1）设驱动辊直径为Dbmm，空桶设定行进长度为Lbmm，速度为Vbmm/s，则所需脉冲数为：

2）同理，脉冲频率可由Fb=(1000×Vb)/(π×Db)得出。

PLC程序计算出脉冲数Pb、频率Fb后，通过相对定位指令（DRVI）使Y0口发出脉冲，驱动步进电机带动空桶行进，DRVI指令格式如下：

[DRVI D100 D200 Y000 Y002]

其中：D100存放经计算所得的脉冲数Pb，D200存放脉冲频率Fb，Y0为高频脉冲输出I/O口，Y2则控制旋转方向。

表1 系统主要输入输出口分配

4 质量管理系统

采用北京亚控公司Kingview 6.53版组态软件[7]，构建质量管理系统，一方面作为控制系统人机界面，实现生产过程的监视与控制，主要设设置参数有生产品种选择、工位号确定、灌装台行进距离设定、粗注精注切换高度值设定、灌注定量值设定等。另一方面质量管理系统读取PLC上传的每桶灌装重量数据，并生成ID序号，与其他信息一起形成记录，保存在数据库中，便于后续发生质量问题时及时追查原因，数据记录具体信息见图4；另外质量管理系统还与自动打印及贴标系统联系，将ID序号送给打印贴标机，实现ID标签的自动打印与贴标。

图4 某一时间段灌装线产品记录

原先设备配有“去皮”按钮，工艺要求操作工人在每桶灌装前都要按“去皮”按钮，实现空桶去皮，比较烦琐且容易遗忘，而在实际生产中，工人也没有严格遵守这一规定，往往是第一桶灌装时按一次“去皮”，后续空桶都按照第一桶的“皮重”进行灌装，而由生产记录可以明显看出，各空桶重量其实相差较大（最大1653g，最小1413g，相差240g），所以并没有实现空桶精确去皮，当然也就无法保证灌装净重。

而现在的这套生产线，不需工人参与，系统能实现空桶自动去皮，减少了工艺数量，灌装净重精度大大提高，同时还与自动打印贴标机相连，实现ID标签的自动打印与贴标，提高了整个生产线的自动化程度，出现产品质量问题时也可方便溯源。

5 结束语

本文所介绍的灌装生产线监控系统，集现场生产与质量管理于一体，利用位置传感、定长驱动、液位检测等传感、控制手段，实现空桶精确去皮，极大地减小了重量误差；根据液位高度切换灌装流量，有效地提高了灌装效率；实时保存每桶的生产数据，质量问题跟踪有据可查。该生产线投入生产后，明显地提高了灌装生产的效率和精度，减轻了操作人员的工作强度，提升了灌装生产线的自动化水平，其技术还可在食品、医药等行业中得到推广应用。

[1]FX3U系列微型可编程控制器用户手册,JY997D19801[EB/OL].三菱电机自动化（中国）有限公司,2005.12.

[2]FX3U 系列微型可编程控制器编程手册,JY997D19401M[EB/OL].三菱电机自动化（中国）有限公司,2014.06.

[3]WMH-Ex_Plattform_Datasheet_120601_en.pdf[EB/OL].梅特勒-托利多国际股份有限公司,2013.05.

[4]FX系列特殊功能模块用户手册[EB/OL].三菱电机自动化（中国）有限公司,2009.06.

[5]传感器及安全检测产品选型指南[EB/OL].施耐德电气中国有限公司,2011.11.

[6]RKⅡ脉冲序列输入型使用说明书[EB/OL].东方马达株式会社,2013.05,

[7]组态王6.53用户手册[EB/OL].北京亚控科技有限公司,2011.05.