全自动液体灌装机控制系统的设计与实现

2017-02-10李文宇李海龙周益林王延军

制造业自动化 2017年1期

关键词：控制程序结构图码垛

李文宇，李海龙，周益林，王延军

（北京强度环境研究所，北京 100076）

全自动液体灌装机控制系统的设计与实现

李文宇，李海龙，周益林，王延军

（北京强度环境研究所，北京 100076）

全自动液体灌装机系统包括主机灌装与成品码垛两大分系统。介绍了PLC、触摸屏和称重仪表联网组成的计算机控制系统在全自动液体灌装机中的应用，对灌装机控制系统的组成、PLC与称重仪表的通讯、PLC高速计数器的使用做了较为详细的阐述。

液体灌装；PLC；称重仪表；通信

0 引言

本文所述的全自动液体灌装机主要服务于食用油包装、石油化工等液体灌装行业，可以对食用油、油漆涂料、润滑油、防冻液、蜡油等进行高速、高精度的灌装，并将灌装好的成品自动码垛，实现了灌装、码垛的全自动化。

灌装线采用气压—机械传动方式，具有自动和手动两种工作模式，在自动状态下，灌装主机可以自动进行大、小流量的灌装切换以及达到设定重量后自动关闭阀门，然后通过输送带将灌装完成的桶输送到压盖工位自动进行压盖操作。码垛机可以自动将成品油码成用户设定好的行数X排数X层数的形式，并将码好的垛盘输送到存放区。整个控制系统采用PLC、触摸屏以及智能称重仪表联网组成，充分发挥了PLC和触摸屏可靠性高、抗干扰能力强以及编程方便的优点，而称重仪表的使用使得达到重量时的控制反应更为迅速，PLC与称重仪表的通讯连接使得布线更为方便、控制输入点数也得以减少[1,2]。

1 灌装机控制系统的设计

全自动液体灌装线主要由灌装主机和码垛机两大分系统构成。在整个系统的控制上采用独立控制的体系结构，即用户可以根据实际情况单独使用其中一部分，若同时使用时系统提供了可靠的连锁保护及协同工作能力。

1.1 灌装主机控制系统

灌装过程采用两级控制，即在开始阶段将阀门全部打开，而在将要达到设定的灌装值时，将大流量的阀门关闭，采用小流量进行最后的灌装。灌装主机控制系统主要由触摸屏、PLC、称重仪表以及各种开关构成。触摸屏实现了友好的人机操作界面，提供了状态监控、重量显示、参数设定、故障显示等功能。PLC完成了输送线的启/停、阀门的开/关控制。称重仪表将压力传感器的模拟信号转换为数字信号，并将经过滤波等处理后的结果通过串口传送到PLC，且其本身具有两个数字输出点，可以直接对阀门进行控制，使得控制系统的响应速度大为提高，从而提高了整个系统的灌装精度[3]。整个灌装主机的控制系统流程图如图1所示。

图1 灌装主机控制结构图

图2 码垛机控制结构图

1.2 码垛机控制系统

码垛机控制系统主要由触摸屏、PLC、旋转编码器及各种开关构成。PLC通过高速计数器读取编码器的数值，控制运送小车达到指定的层和列。通过触摸屏可以根据用户的需要设定码垛的层数、行数以及列数。在整个灌装系统工作时，码垛机可以提供给主机多种信息，实现了系统的联锁控制[4]。码垛机控制系统的结构图如图2所示。

2 灌装机控制软件的实现

2.1 灌装主机的控制程序

图3 主机控制程序逻辑结构图

在灌装主机的程序设计中，PLC与称重仪表的数据交换是编程的难点。通过称重仪表的控制面板可以设置通讯的波特率、数据长度、停止位、校验位、ID号。称重仪表的通讯协议已经固化到仪表本身，通讯的数据需要转换为ASCLL码，在通讯的过程中可能会受到干扰而发生错误，因而在称重仪表的协议中规定数据传输采用BCC码进行检验，BCC校验码的方法就是将要传送的字符串的ASCLL码以字节为单位作异或运算，并将所得结果作为指令的一部分传送出去，接收方接到数据后再对相应的数据进行同样的运算，并跟接收到的BCC码进行比较，如果一致说明本次数据传送成功，如果不同则将本次得到的数据抛弃，并告知发送方重新发送[5,6]。当PLC收到称重仪表的数据后进行转化得到压力传感器的实际重量值，并在触摸屏上进行显示。当用户进行灌装参数的修改时，PLC的程序中也须将所要传送的数据转换为ASCALL码，并计算得到BCC校验码形成数据串一起传送到称重仪表[7]。

图4 码垛机控制程序逻辑结构图

在PLC的程序编制中，由于灌装重量需要进行实时更新，采用了定时中断每隔100ms向称重仪表发送一次命令，请求仪表将其采样值传送到PLC，同时打开了端口接收中断将称重仪表返回的数据进行处理。PLC程序除要完成数据的互相交换任务外，还需对大量电机、电磁阀进行控制。图3是主机控制程序的逻辑结构图。

2.2 码垛机的控制程序

在码跺机控制系统中采用旋转编码器来判断输送小车的目的行与层，这与传统码跺机采用行程开关来判断行与层相比，既节约了成本又提高了控制的准确性。旋转编码器采用普通的计数器其准确的数值无法获取，西门子PLC提供了高速计数器指令，高速计数器累计CPU扫描速率不能控制的高速事件，可以配置最多12种不同的操作模式。西门子PLC提供的6路高速计数器对其所支持的时钟、方向控制、复位和启动都有专用的输入点。根据码跺机控制系统的实际需要，在控制程序的编制中使用了高速计数器2、4，采用的是模式10，模式10为A/B相带复位的正交计数器模式，PLC接收来自编码器的两相脉冲信号，当A相超前于B相，顺时针转动，反之A相落后于B相，逆时针转动，如果复位信号接通，计数器即清零[5,8]。

HSC2用来获取输送小车的层坐标，HSC4用来获取输送小车的行坐标。以小车行坐标的控制为例说明程序的实现方式，首先打开中断29（HSC4 当前值等于预置值时响应），当小车运动的位置与设定的第一行坐标相等时则响应中断29，在中断程序中将下一行的坐标装载到HSC4的预置值中，以此循环就可以准确控制小车到达指定的行，实现小车的自动控制。在码跺机的控制程序中，除需准确控制小车到达目的行、目的层，还需对跺盘仓跺盘的输送，何时抓桶、放桶等动作进行控制[5,9]。图4是码跺机控制程序的逻辑结构图。

3 结论

本文介绍了全自动液体灌装机控制系统的设计与实现方案，对液体灌装机两大分系统灌装主机与码跺机的控制结构进行了较为详细的阐述，对PLC与称重仪表通过串口进行通讯的实现以及PLC高速计数器的应用做了比较全面的介绍。对于液体灌装机来说，对其性能的考核主要包括灌装速度、精度以及长期运行的可靠性，我们所研制的全自动液体灌装机在这几个方面都得到了市场的认可，取得了较为满意的性能指标。

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The design and realization of computer control system in machine for irrigating liquid

LI Wen-yu, LI Hai-long, ZHOU Yi-lin, WANG Yan-jun

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