全自動液體灌裝機控制系統的設計與實現

李文宇，李海龍，周益林，王延軍

（北京強度環境研究所，北京 100076）

全自動液體灌裝機控制系統的設計與實現

李文宇，李海龍，周益林，王延軍

（北京強度環境研究所，北京 100076）

全自動液體灌裝機系統包括主機灌裝與成品碼垛兩大分系統。介紹了PLC、觸摸屏和稱重儀表聯網組成的計算機控制系統在全自動液體灌裝機中的應用，對灌裝機控制系統的組成、PLC與稱重儀表的通訊、PLC高速計數器的使用做了較為詳細的闡述。

液體灌裝；PLC；稱重儀表；通信

0 引言

本文所述的全自動液體灌裝機主要服務于食用油包裝、石油化工等液體灌裝行業，可以對食用油、油漆涂料、潤滑油、防凍液、蠟油等進行高速、高精度的灌裝，并將灌裝好的成品自動碼垛，實現了灌裝、碼垛的全自動化。

灌裝線采用氣壓—機械傳動方式，具有自動和手動兩種工作模式，在自動狀態下，灌裝主機可以自動進行大、小流量的灌裝切換以及達到設定重量后自動關閉閥門，然后通過輸送帶將灌裝完成的桶輸送到壓蓋工位自動進行壓蓋操作。碼垛機可以自動將成品油碼成用戶設定好的行數X排數X層數的形式，并將碼好的垛盤輸送到存放區。整個控制系統采用PLC、觸摸屏以及智能稱重儀表聯網組成，充分發揮了PLC和觸摸屏可靠性高、抗干擾能力強以及編程方便的優點，而稱重儀表的使用使得達到重量時的控制反應更為迅速，PLC與稱重儀表的通訊連接使得布線更為方便、控制輸入點數也得以減少[1,2]。

1 灌裝機控制系統的設計

全自動液體灌裝線主要由灌裝主機和碼垛機兩大分系統構成。在整個系統的控制上采用獨立控制的體系結構，即用戶可以根據實際情況單獨使用其中一部分，若同時使用時系統提供了可靠的連鎖保護及協同工作能力。

1.1 灌裝主機控制系統

灌裝過程采用兩級控制，即在開始階段將閥門全部打開，而在將要達到設定的灌裝值時，將大流量的閥門關閉，采用小流量進行最后的灌裝。灌裝主機控制系統主要由觸摸屏、PLC、稱重儀表以及各種開關構成。觸摸屏實現了友好的人機操作界面，提供了狀態監控、重量顯示、參數設定、故障顯示等功能。PLC完成了輸送線的啟/停、閥門的開/關控制。稱重儀表將壓力傳感器的模擬信號轉換為數字信號，并將經過濾波等處理后的結果通過串口傳送到PLC，且其本身具有兩個數字輸出點，可以直接對閥門進行控制，使得控制系統的響應速度大為提高，從而提高了整個系統的灌裝精度[3]。整個灌裝主機的控制系統流程圖如圖1所示。

圖1 灌裝主機控制結構圖

圖2 碼垛機控制結構圖

1.2 碼垛機控制系統

碼垛機控制系統主要由觸摸屏、PLC、旋轉編碼器及各種開關構成。PLC通過高速計數器讀取編碼器的數值，控制運送小車達到指定的層和列。通過觸摸屏可以根據用戶的需要設定碼垛的層數、行數以及列數。在整個灌裝系統工作時，碼垛機可以提供給主機多種信息，實現了系統的聯鎖控制[4]。碼垛機控制系統的結構圖如圖2所示。

2 灌裝機控制軟件的實現

2.1 灌裝主機的控制程序

圖3 主機控制程序邏輯結構圖

在灌裝主機的程序設計中，PLC與稱重儀表的數據交換是編程的難點。通過稱重儀表的控制面板可以設置通訊的波特率、數據長度、停止位、校驗位、ID號。稱重儀表的通訊協議已經固化到儀表本身，通訊的數據需要轉換為ASCLL碼，在通訊的過程中可能會受到干擾而發生錯誤，因而在稱重儀表的協議中規定數據傳輸采用BCC碼進行檢驗，BCC校驗碼的方法就是將要傳送的字符串的ASCLL碼以字節為單位作異或運算，并將所得結果作為指令的一部分傳送出去，接收方接到數據后再對相應的數據進行同樣的運算，并跟接收到的BCC碼進行比較，如果一致說明本次數據傳送成功，如果不同則將本次得到的數據拋棄，并告知發送方重新發送[5,6]。當PLC收到稱重儀表的數據后進行轉化得到壓力傳感器的實際重量值，并在觸摸屏上進行顯示。當用戶進行灌裝參數的修改時，PLC的程序中也須將所要傳送的數據轉換為ASCALL碼，并計算得到BCC校驗碼形成數據串一起傳送到稱重儀表[7]。

圖4 碼垛機控制程序邏輯結構圖

在PLC的程序編制中，由于灌裝重量需要進行實時更新，采用了定時中斷每隔100ms向稱重儀表發送一次命令，請求儀表將其采樣值傳送到PLC，同時打開了端口接收中斷將稱重儀表返回的數據進行處理。PLC程序除要完成數據的互相交換任務外，還需對大量電機、電磁閥進行控制。圖3是主機控制程序的邏輯結構圖。

2.2 碼垛機的控制程序

在碼跺機控制系統中采用旋轉編碼器來判斷輸送小車的目的行與層，這與傳統碼跺機采用行程開關來判斷行與層相比，既節約了成本又提高了控制的準確性。旋轉編碼器采用普通的計數器其準確的數值無法獲取，西門子PLC提供了高速計數器指令，高速計數器累計CPU掃描速率不能控制的高速事件，可以配置最多12種不同的操作模式。西門子PLC提供的6路高速計數器對其所支持的時鐘、方向控制、復位和啟動都有專用的輸入點。根據碼跺機控制系統的實際需要，在控制程序的編制中使用了高速計數器2、4，采用的是模式10，模式10為A/B相帶復位的正交計數器模式，PLC接收來自編碼器的兩相脈沖信號，當A相超前于B相，順時針轉動，反之A相落后于B相，逆時針轉動，如果復位信號接通，計數器即清零[5,8]。

HSC2用來獲取輸送小車的層坐標，HSC4用來獲取輸送小車的行坐標。以小車行坐標的控制為例說明程序的實現方式，首先打開中斷29（HSC4 當前值等于預置值時響應），當小車運動的位置與設定的第一行坐標相等時則響應中斷29，在中斷程序中將下一行的坐標裝載到HSC4的預置值中，以此循環就可以準確控制小車到達指定的行，實現小車的自動控制。在碼跺機的控制程序中，除需準確控制小車到達目的行、目的層，還需對跺盤倉跺盤的輸送，何時抓桶、放桶等動作進行控制[5,9]。圖4是碼跺機控制程序的邏輯結構圖。

3 結論

本文介紹了全自動液體灌裝機控制系統的設計與實現方案，對液體灌裝機兩大分系統灌裝主機與碼跺機的控制結構進行了較為詳細的闡述，對PLC與稱重儀表通過串口進行通訊的實現以及PLC高速計數器的應用做了比較全面的介紹。對于液體灌裝機來說，對其性能的考核主要包括灌裝速度、精度以及長期運行的可靠性，我們所研制的全自動液體灌裝機在這幾個方面都得到了市場的認可，取得了較為滿意的性能指標。

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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

TB485.3

：A

1009-0134(2017)01-0119-03

2016-09-01

李文宇（1981 -），男，山西人，高級工程師，碩士，研究方向為機電一體化生產線的電氣控制系統設計與實現。