基于PLC的果汁灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

杜新珂，徐洪亮

1. 平頂山技師學(xué)院（平頂山 467000）；2. 開封技師學(xué)院（開封 475000）

液體智能灌裝設(shè)備是現(xiàn)代飲品生產(chǎn)企業(yè)自動化生產(chǎn)急需的重要裝備，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和生活水平得到迅速提高，人們對于果汁的需求量也循序提高[1-2]。由于果汁生產(chǎn)量的快速提升，果汁加工生產(chǎn)企業(yè)亟需對果汁灌裝生產(chǎn)線進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。此外果汁消費(fèi)者對于灌裝果汁提出更新的要求，如食品安全、包裝美觀性等，因此研制更加智能化、自動化、更高效的機(jī)械控制方法是灌裝機(jī)亟需解決的問題。

傳統(tǒng)的灌裝方法通常一些工藝環(huán)節(jié)需要人工介入，如人工搖動灌裝槍頭到灌裝瓶進(jìn)行灌裝，這種灌裝方式不僅勞動強(qiáng)度大，且耽誤時間，甚至可能出現(xiàn)偏差導(dǎo)致液體流入瓶壁外側(cè)，對瓶體造成污染。因此為解決類似這種人工參與的流程，需要引入自動控制技術(shù)。可編程控制器（PLC）是利用運(yùn)算指令、比較指令、計時指令等一系列指令，將一些信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化輸出，進(jìn)而實現(xiàn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行控制。PLC具有簡單易操作、易編程、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。PLC能夠針對設(shè)備特點進(jìn)行程序調(diào)整，且具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展能力，因此PLC也逐漸取代傳統(tǒng)的繼電器控制方法[3-5]。

為提高灌裝機(jī)的可靠性、提高其自動化成，選擇PLC作為灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的核心，輔助以觸摸屏進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的快速設(shè)定以及數(shù)據(jù)的隨時監(jiān)控。通過PLC編程和觸摸屏編程實現(xiàn)灌裝機(jī)的自動化控制。

1 灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)

常用果汁灌裝機(jī)有直線傳送灌裝機(jī)和旋轉(zhuǎn)型傳輸灌裝機(jī)。試驗研究直線傳送方式的灌裝機(jī)，灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 視覺檢測系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)

1) 空瓶傳送。空瓶經(jīng)過清洗消毒后，通過傳送帶輸送到灌裝機(jī)，空瓶輸入口與流水線整體相連接。

2) 分瓶機(jī)。空瓶經(jīng)過清洗后由洗瓶機(jī)輸出傳送到傳送帶上，而空瓶通常沒有間隙，但在瓶體進(jìn)入灌裝機(jī)之前通常需要對空瓶進(jìn)行自動檢測，將殘次的瓶體挑出，因此為保證瓶體的檢測，需要將分瓶機(jī)輸送過來的瓶體隔開一定距離，主要通過鏈條上的撥叉將瓶體進(jìn)行等距離隔開。

3) 空瓶傳送帶。灌裝機(jī)流水線上的傳送帶為普通傳送帶，通過傳送帶的摩擦帶動空瓶向前傳送，在傳送過程中需要對瓶底進(jìn)行檢測，因此需要采用特制的傳送帶將瓶體夾緊進(jìn)行傳送。

4) 破損瓶體剔除。瓶體被發(fā)現(xiàn)損壞后，控制器將控制剔除機(jī)構(gòu)動作，將破損的瓶體進(jìn)行剔除。

2 硬件設(shè)計

果汁灌裝控制系統(tǒng)主要有兩大部分組成，一個是傳送檢測系統(tǒng)，另一個是灌裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以單獨(dú)控制其中的一部分，且2個部分同時工作可以進(jìn)行聯(lián)鎖聯(lián)動控制，既提高系統(tǒng)安全性，又提高系統(tǒng)自動化程度[6-9]。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。果汁灌裝控制系統(tǒng)主要由人機(jī)觸摸屏、PLC及智能稱重系統(tǒng)、各種開關(guān)傳感器等組成。觸摸屏主要實現(xiàn)人機(jī)交互，通過觸摸屏實現(xiàn)灌裝系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、灌裝果汁重量顯示、運(yùn)行參數(shù)設(shè)定及系統(tǒng)故障和故障要因查詢。PLC主要完成瓶體輸送帶的控制、電磁閥門的開關(guān)控制以及外部開關(guān)傳感器信號的采集，通過模擬量采集模塊實現(xiàn)壓力信號的采集，并經(jīng)過平均值濾波方法進(jìn)行信號處理并將結(jié)果通過串口傳送到PLC。

根據(jù)PLC控制原理，果汁灌裝機(jī)PLC主要采用模塊組合方式：1）CPU單元，采用松下FP-XC60R作為控制系統(tǒng)的CPU，CPU主要負(fù)責(zé)完成邏輯控制程序的執(zhí)行以及數(shù)據(jù)的處理；2）擴(kuò)展模塊E30R，該模塊為數(shù)字量輸入輸出擴(kuò)展，主要是負(fù)責(zé)采集灌裝系統(tǒng)的外圍數(shù)字量及輸出控制，為后續(xù)灌裝系統(tǒng)功能擴(kuò)展做準(zhǔn)備；3）模擬量采集AD8，模擬量采集模塊主要負(fù)責(zé)灌裝系統(tǒng)壓力等數(shù)據(jù)的采集；4）通訊模塊，通訊模塊主要按成數(shù)據(jù)的傳送；5）脈沖輸出模塊，該模塊主要負(fù)責(zé)控制瓶體及瓶蓋的運(yùn)動控制，通過發(fā)送脈沖對伺服電機(jī)和伺服電機(jī)進(jìn)行精確的位置控制。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 軟件設(shè)計

果汁灌裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件主要是為將灌裝工藝流程進(jìn)行模塊化編程，將整體的工藝流程簡化為相對獨(dú)立的小模塊，各模塊各相互獨(dú)立運(yùn)行，又能將不同模塊相互連接，相互調(diào)用共同完成整個控制流程。果汁灌裝機(jī)工藝流程復(fù)雜，通過模塊化編程，能夠使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)初始化處理、故障報警、伺服電機(jī)位置控制、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)邏輯控制等工藝流程實現(xiàn)單獨(dú)編程、調(diào)試，模塊程序隨用隨調(diào)，簡化控制過程，提高程序的可讀性及可修改性。基于PLC的果汁灌裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件主要包括PLC編程及觸摸屏界面編程。PLC軟件模塊軟件流程：1）數(shù)據(jù)初始化，通過數(shù)據(jù)初始化實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的初始值設(shè)置；2）安全回路確認(rèn)，安全回路確認(rèn)主要完成各狀態(tài)的檢測，檢查系統(tǒng)一些關(guān)鍵傳感器傳送的信息，通過這些信息判斷機(jī)器是否具備開機(jī)條件，如果不具備開機(jī)條件則會報具體的故障，當(dāng)具備開機(jī)條件時則發(fā)出開機(jī)運(yùn)行指令；3）運(yùn)行循環(huán)，如果滿足開機(jī)套件則機(jī)器進(jìn)入正式運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)模式；4）故障處理，當(dāng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)故障后，則機(jī)器停機(jī)并報故障。PLC控制程序流程如圖3所示。

圖3 PLC軟件流程

果汁灌裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件采用松下公司的FPWinGR軟件，該軟件能夠兼容各種辦公軟件，能夠與計算機(jī)及觸摸屏實現(xiàn)通信調(diào)試功能多樣化，同時可以在線直接修改PLC程序。另外，在該系統(tǒng)程序設(shè)計中，完成伺服電機(jī)的運(yùn)動控制，伺服電機(jī)控制程序如圖4所示。

4 結(jié)語

飲料類食品的需求隨著生活水平的不斷提高而與日俱增，同時也促進(jìn)飲料灌裝機(jī)械設(shè)備發(fā)展。為提高飲料灌裝機(jī)的自動化程度、提高設(shè)備控制系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計一種基于PLC的果汁灌裝機(jī)控制系統(tǒng)。該設(shè)計介紹了灌裝機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了灌裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件。硬件主要包括PLC和觸摸屏，通過PLC和觸摸屏實現(xiàn)灌裝機(jī)的邏輯控制、數(shù)據(jù)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置等。在硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上結(jié)合灌裝工藝流程設(shè)計控制系統(tǒng)軟件。該控制系統(tǒng)能夠完全實現(xiàn)灌裝的自動化，可以大幅提升飲料食品生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)效率。