全自動智能罐裝系統的設計

陳奕建，黃河琉，黃源瑞，李奇梼，謝世穎，楊保海

（廣西民族師范學院 數理與電子信息工程學院，廣西崇左，532200）

0 前言

食品包裝工藝是企業生產過程中不可缺少的一個環節,其中對于液體的灌裝就占領了非常大的一塊市場。它在飲料廠、化工廠、奶茶商店中所占據的地位和競爭力的增強,也極大地促使了灌裝工藝和機械化的進步;灌裝是現代化液體包裝工藝的主要組成部分,隨著科學技術的不斷進步,它的應用技術水平近年來得到了不斷的提高。

1 灌裝系統的設計

飲料灌裝系統由4個單元組成，分別是投放單元、灌裝單元、輸送單元、封裝單元。本文對飲料灌裝系統的硬件、軟件和人機界面進行設計。

硬件設計包括系統外部機械結構的設計和傳感器、控制器、電磁閥的設計，將機械、自動化控制原理系統硬件設計等技術進行有機結合，構成實用可靠的灌裝系統。軟件設計包括程序的設計和調試，通過對PLC進行編程，實現流程化灌裝的生產方式。判斷一臺設備的好壞取決于設備的可靠性和安全性，通過設計觸摸屏界面對設備的各部位進行監控，這樣有利于設備的維修和保養，觸摸屏窗口具有精準高效的技術統計和可靠的報警功能，能夠精準地將生產情況告知操作員，使操作員能夠靈活高效地使用設備。

全自動罐裝系統的機械結構示意圖如圖1所示。1表示裝塑料杯的杯桶，2表示儲料罐，3出料嘴的可調單向閥，4表示管道，5表示塑料杯，6表示轉盤的杯槽，7表示用于取杯的真空吸盤，8表示雙桿伸縮氣缸，9表示物料轉盤的展開形狀，10表示攪拌器，11為收膜卷筒，12為出膜卷筒，13為封口膜，14為機械手抓用于搬運產品，15為直線導軌，16為XY軸的變速箱，17/18為步進電機。19為RV減速步進電機。

圖1 系統結構示意圖

2 飲料灌裝系統硬件設計

如圖2所示為硬件框架圖，PLC的主要接線圖如圖3所示。

圖2 硬件框架圖

圖3 PLC的主要接線圖

■ 2.1 塑料杯投放單元

投杯單元主要由杯桶、分杯器、伸縮氣缸、真空吸盤和真空發生器組成。分杯器包括筒頭、分杯爪和調節機構，筒頭連接于杯筒遠離封底的一端，筒頭設置有出杯口，出杯口與容納腔連通，分杯爪的第一端與筒頭活動連接，分杯爪的第二端向出杯口的中心軸線延伸，調節機構與分杯爪和筒頭活動連接，調節機構用于調節分杯爪的第二端與出杯口的中心軸線的距離。杯桶的分杯爪所形成的出杯孔的口徑可以通過分杯器的調節機構進行調整，從而適用于不同口徑尺寸的紙杯。通過將真空吸盤安裝在單軸伸縮氣缸上，單軸氣缸安裝在投杯器底端，氣缸伸縮運動使杯子由真空吸盤吸入工位開始生產。

■ 2.2 輸送單元

輸送單元主要由步進電機驅動器、步進電機、減速箱、物料轉盤組成；高效地利用步進電機的優點大大提升了灌裝系統的精準性。步進電機班安裝減速裝置的情況下，PLC發送出一個脈沖信號給步進電機，步進電機將旋轉一個步距角，精度要求越高，步距腳就越小，運轉越平穩，將負載的最小分辨率（當量)換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速)。電機的步距角應等于或小于此角度，電機通過減速器后的轉矩通過聯軸器傳給物料轉盤，使得電動機能夠驅動更大的負載。

■ 2.3 灌裝單元

灌裝單元的主要部件有：6個儲料罐、6個出料閥、管道組成。出料閥由一個薄型氣缸推動自動復位閥門開關，調節氣缸上的節流閥可以控制出料的速度。當塑料杯送至灌裝單元正下方的時候漫反射傳感器檢測輸出信號使轉盤步進電機停止，灌裝單元出料嘴根據閥門開啟的時間控制輸出量，料裝完后進入到封裝單元。

■ 2.4 封裝單元

封裝單元主要部件有：工件臺、發熱盤、氣缸等；設備啟動的同時就對發熱盤進預熱，以串級PID控制方法實現溫度控制，在加熱流程上串接上一個PID溫度控制器形成閉環系統，在溫度控制器上設置需要的溫度，由溫度控制器輸出去發熱盤；發熱盤與雙軸伸縮氣缸連接；封裝單元的反射式光電傳感器檢測到要封裝的產品后，轉盤步進電機停止，此時杯膜通過卷筒上的直流電機和封口膜配套使用的電子感應器精準地將膜中心對準杯子，氣缸推動發熱盤伸出至最大行程，保壓1.5s，然后氣缸緩緩升起，卷筒電動機轉動進行收膜。

■ 2.5 分揀單元

分揀單元主要由重量傳感器、氣缸、產品倉庫、機械手等，其中機械手等，其中機械手由四個維度組成，可實現機械手的上升下降、左旋右旋、伸出縮回、夾緊放松控制，使得搬運產品的范圍更寬。

機械手運作前，機械手必須處于初始狀態，如果不在，機械手通過PLC程序控制回到初始狀態。

底盤在機械手中的作用是用來承載重物和帶動手臂運動的機構。它由一臺步進電機和加減速箱組成。正常工作時，步進電機驅動底盤旋轉，通過PLC發出的脈沖數和方向控制，精準控制底盤旋轉的角度。

手臂就是一種可以連接并承載手爪移動的主要機器。它由 PLC 經步進電機控制器通過自動控制電動機的工作狀態來控制絲桿和螺母在其上的運動,同時還可以采用限位開關對這些移動進行限位,保證了運動精準性和高效率地運行。通過使用稱重控制器和稱量傳感器設置一個重量區間,只要產品的重量不超出其在重量區間的范圍,就可以判斷為合格產品,機械手夾存放到指定的倉庫,不合格的產品通過機械手夾存放到廢物區。通過使用稱重控制器和重量傳感器設定重量的區間，只要重量不超過重量區間范圍，就判斷為合格產品，機械手夾取到指定倉庫，不合格產品通過機械手夾取到廢品區。

3 飲料灌裝系統軟件設計

該系統能夠通過手機觸摸屏自動顯示設備的工作狀態,人機交互界面主要有三種:登錄界面、生產任務配置管理界面、裝置運行情況監視管理界面、報警管理界面、調試管理界面、流程展示。

主要功能：提供系統啟動/停止、生產任務設置、訂單生成、飲料配方管理、故障狀態、顯示不合格產品數數量。

■ 3.1 登錄頁面主要功能

為了防止其他人員誤操作而導致事故發生，人機界面的首頁設置了用戶管理權限功能，通過調用“!LogOn()”函數可以彈出用戶登錄界面，注銷當前用戶調用“!LogOあ”函數注銷當前用戶；為了使系統更加人性化，還使用了“!ChangPassword()”函數用來修改密碼，調用“!Editusers”函數彈出管理用戶對話框；此設備設置了兩個工種，操作員和管理員，操作員只能進行生產操作，管理員擁有操作設備的所有權限。通過在設備操作模塊按鈕中設置了操作權限，以實現對權限的管理。在登錄模塊中加入了腳本程序，登錄后可以對用戶賬號信息進行修改。

■ 3.2 生產任務設置界主要功能

生產任務設置界面如圖4所示，在此頁面設計了一個管理信息系統，以操作員為主導，通過在飲料菜單界面選擇要生產的參數后生成一個訂單，飲料菜單界面設計有飲料配方設置模塊、生成訂單按鈕、清除數據按鈕組成，根據產品名稱設置排產量、出料口、生產優先級后點生產訂單按鈕就會彈出提示框已經成功創建訂單，訂單編號由年+月+日+今日0時起生成訂單順序組成，每個訂單占用三菱PLC的14個斷電保持寄存器，三菱FX-3UPLC斷電保持寄存器有7800個（D200-D799），分別用于存儲器訂單的訂單編號、排產量、出料口、生產狀態， PLC編程時使用位元件左右移指令（SFTR和SFTL）管理訂單的生產順序，訂單會按照優先級1-3的順序生產；取消訂單按鈕控制了PLC的傳送指令（MOV），對訂單使用的寄存器數值清零，訂單內容清零的同時，觸摸屏上的訂單也隨之消失。在此界面設計了控制設備按鈕，急停按鈕控制了PLC的特殊輔助寄存器M8034(禁止全部輸出)，實現設備緊急停止的效果。

圖4 生產任務設置界面

■ 3.3 設備監控界面的主要功能

在生產中，設備數據監控是必不可少的，在監控界面中監視了6個儲料罐的液位，每個儲料罐底部由一個重量傳感器支撐，使用重量傳感器去皮后得到液體的重量，重量控制器使用RS-485通訊接口和觸摸屏通訊，這樣就可以實現液位的監控；杯桶杯子剩余數量也做了監視，杯桶的頂端安裝有一個漫反射型傳感器，考慮到杯子是成組投放的，可以利用PLC計數器功能，杯子與杯子相連的重合區檢測杯子的數量；通過編輯腳本程序，當前已生產數/需生產總數，使兩個變量相除得出生產進度。

■ 3.4 報警界面的主要功能

如圖5為報警界面，在報警界面中可以通過表格看到報警事件，當氣壓、電壓、溫度、重量、通訊狀態、急停按鈕被按下等都會觸發報警，并且記錄到表格上，觸摸屏態時需要在實時數據庫里添加報警組對象，報警瀏覽機構關聯組對象后可以在一個表格顯示多個單元的報警內容，同時會觸發PLC的設備保護程序，這樣保障了工作人員的安全和設備的安全。

圖5 環境檢測及斷電檢測流程圖

圖5 報警界面

4 結束語

本文用飲料的例子設計了全自動灌裝系統，此系統即可以對飲料進行灌裝，稍作改造可以作為農藥、洗衣液等進行生產，人機界面上的信息管理系統可以很好的管理客戶發來的訂單，為使用此設備的企業或組織運行者提供更好的管理和決策功能。設備很大程度的依賴觸摸屏控制，提高設備的生產功能和速度。