李文宇，李海龍，周益林，王延軍

（北京強度環(huán)境研究所，北京 100076）

全自動液體灌裝機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李文宇，李海龍，周益林，王延軍

（北京強度環(huán)境研究所，北京 100076）

全自動液體灌裝機系統(tǒng)包括主機灌裝與成品碼垛兩大分系統(tǒng)。介紹了PLC、觸摸屏和稱重儀表聯(lián)網(wǎng)組成的計算機控制系統(tǒng)在全自動液體灌裝機中的應(yīng)用，對灌裝機控制系統(tǒng)的組成、PLC與稱重儀表的通訊、PLC高速計數(shù)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(wù)于食用油包裝、石油化工等液體灌裝行業(yè)，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(xiàn)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(tài)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(shè)定重量后自動關(guān)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(shè)定好的行數(shù)X排數(shù)X層數(shù)的形式，并將碼好的垛盤輸送到存放區(qū)。整個控制系統(tǒng)采用PLC、觸摸屏以及智能稱重儀表聯(lián)網(wǎng)組成，充分發(fā)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(yōu)點，而稱重儀表的使用使得達到重量時的控制反應(yīng)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(shù)也得以減少[1,2]。

1 灌裝機控制系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)構(gòu)成。在整個系統(tǒng)的控制上采用獨立控制的體系結(jié)構(gòu)，即用戶可以根據(jù)實際情況單獨使用其中一部分，若同時使用時系統(tǒng)提供了可靠的連鎖保護及協(xié)同工作能力。

1.1 灌裝主機控制系統(tǒng)

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(shè)定的灌裝值時，將大流量的閥門關(guān)閉，采用小流量進行最后的灌裝。灌裝主機控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、稱重儀表以及各種開關(guān)構(gòu)成。觸摸屏實現(xiàn)了友好的人機操作界面，提供了狀態(tài)監(jiān)控、重量顯示、參數(shù)設(shè)定、故障顯示等功能。PLC完成了輸送線的啟/停、閥門的開/關(guān)控制。稱重儀表將壓力傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將經(jīng)過濾波等處理后的結(jié)果通過串口傳送到PLC，且其本身具有兩個數(shù)字輸出點，可以直接對閥門進行控制，使得控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度大為提高，從而提高了整個系統(tǒng)的灌裝精度[3]。整個灌裝主機的控制系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 灌裝主機控制結(jié)構(gòu)圖

圖2 碼垛機控制結(jié)構(gòu)圖

1.2 碼垛機控制系統(tǒng)

碼垛機控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器及各種開關(guān)構(gòu)成。PLC通過高速計數(shù)器讀取編碼器的數(shù)值，控制運送小車達到指定的層和列。通過觸摸屏可以根據(jù)用戶的需要設(shè)定碼垛的層數(shù)、行數(shù)以及列數(shù)。在整個灌裝系統(tǒng)工作時，碼垛機可以提供給主機多種信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制[4]。碼垛機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 灌裝機控制軟件的實現(xiàn)

2.1 灌裝主機的控制程序

圖3 主機控制程序邏輯結(jié)構(gòu)圖

在灌裝主機的程序設(shè)計中，PLC與稱重儀表的數(shù)據(jù)交換是編程的難點。通過稱重儀表的控制面板可以設(shè)置通訊的波特率、數(shù)據(jù)長度、停止位、校驗位、ID號。稱重儀表的通訊協(xié)議已經(jīng)固化到儀表本身，通訊的數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換為ASCLL碼，在通訊的過程中可能會受到干擾而發(fā)生錯誤，因而在稱重儀表的協(xié)議中規(guī)定數(shù)據(jù)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(jié)為單位作異或運算，并將所得結(jié)果作為指令的一部分傳送出去，接收方接到數(shù)據(jù)后再對相應(yīng)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳送成功，如果不同則將本次得到的數(shù)據(jù)拋棄，并告知發(fā)送方重新發(fā)送[5,6]。當PLC收到稱重儀表的數(shù)據(jù)后進行轉(zhuǎn)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(shù)的修改時，PLC的程序中也須將所要傳送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ASCALL碼，并計算得到BCC校驗碼形成數(shù)據(jù)串一起傳送到稱重儀表[7]。

圖4 碼垛機控制程序邏輯結(jié)構(gòu)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(fā)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(shù)據(jù)進行處理。PLC程序除要完成數(shù)據(jù)的互相交換任務(wù)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(jié)構(gòu)圖。

2.2 碼垛機的控制程序

在碼跺機控制系統(tǒng)中采用旋轉(zhuǎn)編碼器來判斷輸送小車的目的行與層，這與傳統(tǒng)碼跺機采用行程開關(guān)來判斷行與層相比，既節(jié)約了成本又提高了控制的準確性。旋轉(zhuǎn)編碼器采用普通的計數(shù)器其準確的數(shù)值無法獲取，西門子PLC提供了高速計數(shù)器指令，高速計數(shù)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(shù)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(jù)碼跺機控制系統(tǒng)的實際需要，在控制程序的編制中使用了高速計數(shù)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(shù)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(zhuǎn)動，反之A相落后于B相，逆時針轉(zhuǎn)動，如果復位信號接通，計數(shù)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(xiàn)方式，首先打開中斷29（HSC4 當前值等于預置值時響應(yīng)），當小車運動的位置與設(shè)定的第一行坐標相等時則響應(yīng)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(huán)就可以準確控制小車到達指定的行，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)圖。

3 結(jié)論

本文介紹了全自動液體灌裝機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方案，對液體灌裝機兩大分系統(tǒng)灌裝主機與碼跺機的控制結(jié)構(gòu)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(xiàn)以及PLC高速計數(shù)器的應(yīng)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(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。