基于新一代控制器PAC的跟隨式灌裝機總線運控系統的設計

李德英，袁 練

（湖南信息學院 電子科學與工程學院，長沙410151）

浙江禾川科技股份有限公司（HCFA）專注于工業自動化產品的研發、制造、銷售及應用集成，是我國工業自動化高端裝備及機器人核心部件的主要供應商。禾川主要產品涵蓋了工業自動化整個系列，包括伺服系統、控制器（PLC）、視覺系統、編碼器、變頻器、觸摸屏等，機型近500 個型號，并已通過CE、RoHS 產品認證。Q1 PAC 是禾川推向市場的新一代總線控制器，如圖1所示，Q1 PAC&X3EB 伺服系統以優質可靠的性能和極高的性價比聞名工控市場。

圖1 禾川Q1 PACFig.1 HCFA Q1 PAC

禾川Q1 PAC 是集成了邏輯控制、運動控制、可視化系統等多種通訊于一體的多功能中型控制器，全方位支持IEC61131-3 標準設計與PLCopen運動控制規范以及擁有豐富的功能庫。Q1 豐富的通訊接口與多種協議支持使其擁有強大的場景適用性與靈活便捷的通訊交互，同時圖形化的數據采集使得系統整體監控更加直觀和高能精準可視。Q1 所支持EtherCAT 可帶64 軸（可通過更改循環周期拓展），EtherCAT 通訊是當今世界上最快最經濟的工業通訊[1]。

禾川X3E 系列驅動器是具有高可靠穩定性和內置豐富功能的通用型伺服驅動器，其主要體現到自動控制系統性能的3 個指標——快：控制環路計算周期最快40 μs，速度環帶寬大于1.2 kHz，定位時間≤5 ms @Tacc50 ms；準：定位理論精度范圍±1 Turn/131072，速度控制精度±1 rpm，轉矩控制分辨率0.1%* 額定轉矩；穩：在線負載參數（慣量比）辨識，在線自整定增益；在線自適應陷波濾波器消除共振，最多支持4 組共振抑制。

1 隨動式智能灌裝機機體介紹

灌裝機是將液體或膠體灌入容器的機器，隨動式智能灌裝機采取的控制方案是禾川Q1 PAC+X3EB 總線伺服，其電氣拓撲如圖2所示。機體主要由來料分瓶、線寬及灌高調整、平移灌裝、液嘴升降、推活塞、輸送線、液儲罐組成。分瓶部分根據控制分瓶軸和理料輸送線的速度差把來瓶分出所需要的間距；線寬及灌高調整部分根據瓶徑及瓶高的不同，自動調整線體寬及機架高度；平移灌裝部分主要作用帶著罐頭機構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調整液嘴高度，以改善灌裝效果；推活塞部分主要作用是負責從液體存儲罐抽出罐液，根據多段速控制把液體通過管道打進灌裝頭；理料輸送線主要是完成料瓶的輸送作用，承擔起控制主軸角色；液體存儲罐根據液位傳感器來控制罐液的存儲。現場設備如圖3所示。

圖2 隨動式灌裝機電氣拓撲Fig.2 Follow up the electrical topology of filling machine

圖3 隨動式智能灌裝機Fig.3 Follow up intelligent filling machine

2 隨動式智能灌裝機的基本工藝流程

隨動智能灌裝機的關鍵工藝是跟隨，即灌裝頭嚴格與輸送帶保持實時同步，實現灌裝頭與輸送帶嚴格同步的方法是通過控制器電子凸輪功能實現。即當進瓶傳感器檢測到瓶子時，系統即刻通過伺服探針鎖存當前輸送帶位置，當輸送帶當前位置-鎖存位置=灌裝頭到進瓶傳感器距離時即瓶子到達灌裝頭位同步條件滿足，以輸送帶作為主軸通過電子凸輪帶動從軸灌裝頭做同步運動，當灌裝頭軸從加速區到達同步區后活塞開始推料液體從灌裝頭流入容器，當活塞推料行程到，灌裝頭軸脫離與輸送帶的同步停止運動，然后活塞與灌裝頭返回啟動位，等待下一個工作信號的到來。

3 隨動式智能灌裝機關鍵工藝分析

對于隨動式高速灌裝機來說，它的核心功能與創新主要體現在灌裝頭與輸送帶的同步精確跟隨與灌裝頭的智能選瓶，實現這些功能的方法是通過電子凸輪、伺服探針鎖存以及關于檢瓶信號的數據處理方法。

3.1 檢瓶位置的探針鎖存功能

探針抓取入瓶信號采用伺服探針功能實現，采用伺服探針的原因是PLC 與伺服通信有掃描周期，如用PLC 輸入點作為檢瓶信號會產生位置延遲，用伺服探針則是外部檢瓶信號直接反饋到伺服，反饋的位置數據更實時與精準[2]。禾川X3E 伺服驅動器指定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瓶傳感器接至X3EB 總線伺服的DI8、DI9 引腳。再把伺服面板的也就是將P04.08 設置為39，P04.09 設置為40，并通過Codesys 設置探針功能（60B8h）和探針狀態字（60B9h）。具體實現方法如圖4所示。

圖4 伺服電機探針鎖存功能實現Fig.4 Servo motor probe latch

3.2 輸送帶與灌裝頭跟隨同步實現

電子凸輪是按設定凸輪位置曲線進行的連續運動控制，從而實現軸與軸之間的同步運動，在各種要求主從同步的場景中得到了廣泛應用。跟隨式灌裝機的核心工藝之一是灌裝頭與被灌裝瓶在同步運動中完成工序，是運動控制技術飛速發展的產物[3]。它的實現方法是當灌裝瓶到達灌裝頭下時，觸發電子凸輪功能塊，灌裝頭根據凸輪曲線規劃跟隨輸送帶做同步運動，電子凸輪曲線規劃程序如下所示，實現程序塊如圖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 灌裝智能選瓶的實現

進瓶光電傳感器持續檢測進給瓶，每檢測到一個進瓶信號伺服探針就鎖存一個輸送帶當前位置數據，當輸送帶實時位置減伺服鎖存位置等于傳感器至灌裝頭距時，開始進入同步灌裝狀態。此工藝是源源不斷的瓶子進給產生多個鎖存位置數據，直至達到工作條件才會從前往后清除，故本步采用數組遞推算法實現，如下程序所示。

4 隨動式灌裝機效率影響因素分析

灌裝機的生產效率通常定義為每分鐘灌裝完成的產品數，直觀來說就是經過輸送帶瓶子的數量。從人的直接感觀效應來說，通常第一認知是輸送帶運動速度越高，產量越高，但從機器整體運行分析隨動式灌裝機是活塞定位、灌裝頭與輸送帶同步平移運動的統一協同。機器的工作步序是輸送帶做連續運動，灌裝頭根據檢瓶信號做跟隨同步運動，同時灌裝頭進入同步區后活塞進行推料定位，推料結束即灌裝完成后灌裝頭停止運動，系統回歸啟動工作位。

整個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灌裝進行中，活塞推料完成灌裝嘴脫瓶停止跟隨，因此活塞的運動時間決定著灌裝頭的同步時間。活塞的推料時間與灌裝頭的運動時間是一致的，灌裝容量不變，如將輸送帶的速度調高，那么（灌裝頭行程+）=灌裝頭時間*（灌裝頭速度+），灌裝頭走的行程長了返回時間必然增加且對運動區間有硬性要求，因此改變單一的輸送帶的速度對整體灌裝效率并無意義，由上分析，提高機器工作效率的最佳方法是提高活塞推料速度，推料時間減少，灌裝頭運動時間減少，機器整體效率提高。而圍繞著機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，推料速度越快意味著在單位時間內經過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，試想一個灌裝頭每秒出液1 kg，可想而知此時液體的壓力。高速的液體碰到灌裝瓶會產生濺液，因此為了保持生產的穩定性就要抑制濺液。抑制濺液的本質是減低液流的壓力，即一般通過調節活塞運動速度實現，故濺液是影響機器整體效率的首要因素。在保證機器不濺液穩定運行前提下，應盡可能提高活塞運動速度減少灌裝時間提高機器整體效率。其次才是根據灌裝頭行程調節相適應的輸送帶速度。

5 灌裝機控制系統介紹

整個灌裝機系統主要分為2 個模式，分別是待機模式（手動）、運行模式（自動）[4]。在待機模式下操作員可以設定好相關參數，并把相關參數保存至系統配方，以便生產實時調用。運行模式則是生產準備好，操作員按下啟動機器進入生產狀態，當機器出現故障時，機器會自動急停并反饋故障進入手動模式，操作人員根據HMI 提示排除故障，人機操作界面如圖6所示。

圖6 隨動式灌裝機人機操作界面Fig.6 Man machine interface of follow up filling machine

6 結語

消費需求的變化正在使得生廠商和服務商改變傳統模式，市場逐漸走向消費者為導向的創新型道路，柔性快速的供應鏈正在成為企業的關鍵競爭力[5]。多樣化生產場景形成了多樣化的生產需求，滿足個性化定制需求是新制造的核心競爭力，浙江禾川科技股份有限公司能夠為客戶提供全方位的自動化核心零部件與整體解決方案，滿足廣大設備廠商對定制化解決方案的需求[6]。禾川總線方案能精確判斷、智能選瓶、精確灌裝，高速高精度實現同步跟隨、灌液體積實時可調、多段速控制罐液、異常不灌液、瓶子不同規格灌液、多級配方選擇與保存、減少重復操作，操作清晰、簡單易用、功能全面，并能實時根據生產需要進行功能優化。