孫娜

摘 要：飲料灌裝機(jī)控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-200系列的PLC做控制器，文中詳細(xì)介紹了飲料灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的總體構(gòu)成，仔細(xì)分析了系統(tǒng)的輸入輸出量，配置I/O口，傳送帶系統(tǒng)采用伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，進(jìn)行了飲料灌裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)，HMI上位機(jī)遠(yuǎn)程操控。

關(guān)鍵詞： S7-200；灌裝機(jī)； I/O

中圖分類(lèi)號(hào)：TN081 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

當(dāng)今社會(huì)伴隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們生活消費(fèi)水平的日益提高，對(duì)各種飲品的需求量也越來(lái)越大。近幾年德國(guó)工業(yè)4.0以及中國(guó)制造2025目標(biāo)的提出，高產(chǎn)量、高效率、高品質(zhì)、智能化已成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的宗旨，工業(yè)逐步走向自動(dòng)化、智能化。傳統(tǒng)的飲料灌裝機(jī)器采用繼電器、接觸器控制裝置，而PLC（可編程序控制器）是以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，近年來(lái)在工業(yè)自動(dòng)控制、機(jī)電一體化、改造傳統(tǒng)設(shè)備等方面得到普遍應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)一種基于西門(mén)子S7-200的飲料灌裝機(jī)，傳統(tǒng)的灌裝方法存在一些缺點(diǎn)，例如：灌裝精度和穩(wěn)定性難以保證、更換灌裝規(guī)格困難等。本系統(tǒng)采用的飲料分裝計(jì)量是通過(guò)時(shí)間和單位時(shí)間流量來(lái)確定的，計(jì)量精度由S7-200控制確定。PLC控制具有編程簡(jiǎn)單、工作可靠、使用方便、系統(tǒng)容易升級(jí)等特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1.飲料灌裝機(jī)系統(tǒng)的控制要求

灌裝機(jī)依據(jù)灌裝對(duì)象的不同，灌裝原理及灌裝模式也是千差萬(wàn)別，不同的灌裝對(duì)象有著不同的灌裝原理，按灌裝壓力分為：真空液體灌裝機(jī)、常壓液體灌裝機(jī)、壓力液體灌裝機(jī)，本文重點(diǎn)介紹壓力灌裝機(jī)。本系統(tǒng)主要研究灌裝及壓蓋貼標(biāo)簽的過(guò)程，其余例如洗罐、廢罐回收、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程不作為本文研究重點(diǎn)。系統(tǒng)工作過(guò)程要求如下（圖1）。

（1）傳感器S1感應(yīng)到有罐放入傳送帶后，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)M1，傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）當(dāng)傳感器S2感知到信號(hào)時(shí)，罐運(yùn)到位，傳送帶停止。

（3）啟動(dòng)裝罐機(jī)械手1，到瓶口處，下壓注入飲料，定時(shí)注入完畢后，收回機(jī)械手1，繼續(xù)啟動(dòng)傳送帶。

（4）當(dāng)傳感器S3感知到信號(hào)時(shí)，停止，啟動(dòng)壓蓋機(jī)械手2，完成壓蓋操作，收回機(jī)械手2，繼續(xù)啟動(dòng)傳送帶。

（5）當(dāng)傳感器S4感知到信號(hào)時(shí)，停止，啟動(dòng)貼標(biāo)簽機(jī)械手3，完成貼標(biāo)簽，收回機(jī)械手3，繼續(xù)啟動(dòng)傳送帶將成罐運(yùn)走。

2.飲料灌裝機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)框圖（如圖2所示）

根據(jù)自動(dòng)灌裝系統(tǒng)的控制過(guò)程及工藝要求，硬件配置由西門(mén)子S7-200作為主控制器，配置輸入傳感器系統(tǒng)、輸出接觸器系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、機(jī)械手系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。由于生產(chǎn)加工工藝要求設(shè)備精度必須足夠高，有偏差或者定位不準(zhǔn)都會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)很大的損失，所以在器件選型方面，選擇控制精度高、反應(yīng)速度快的CPU226，作為該灌裝站的主機(jī)。電機(jī)選用伺服電機(jī)，伺服電機(jī)是在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。電機(jī)定位能夠清楚累計(jì)誤差，可使控制速度、位置精度非常準(zhǔn)確，具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線(xiàn)性度高等特點(diǎn)。遠(yuǎn)程操控觸摸屏選擇昆侖通態(tài)的HMI，參數(shù)隨時(shí)可調(diào)節(jié)，操作靈活方便。

2.2 I/O分配

輸入端分別為罐傳感器S1，到位傳感器S2，壓蓋傳感S3，標(biāo)簽傳感S4，啟動(dòng)S5，停止S6，依次用I0.0-I0.5。輸出電機(jī)M1，注料、壓蓋、貼簽依次采用Q0.0-Q0.3。

3.飲料灌裝機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)系統(tǒng)的要求，結(jié)合系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，利用STEP7應(yīng)用軟件進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主程序完成以下功能：

系統(tǒng)初始化、分為手動(dòng)與自動(dòng)流程，自動(dòng)狀態(tài)下當(dāng)S1為1時(shí)，啟動(dòng)傳送帶，到S2為1停止傳送帶，調(diào)用注料機(jī)械手1，定時(shí)時(shí)間到，移開(kāi)機(jī)械手1，啟動(dòng)傳送帶，至傳感器S3為1時(shí)再停止，壓蓋，延時(shí)再啟動(dòng)傳送帶至傳感器S4為1停止，貼標(biāo)簽，整個(gè)主流程完畢運(yùn)走成罐。

系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

4.系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度保證

在該灌裝系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，很多伺服電機(jī)和設(shè)備執(zhí)行器都可以滿(mǎn)足精度要求，但是完整控制系統(tǒng)的選型、設(shè)計(jì)和集成對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制的可重復(fù)性和精度十分關(guān)鍵。根據(jù)負(fù)載查詢(xún)技術(shù)參數(shù)，選擇力矩、速度、精度合適的伺服電機(jī)，合理選型可以消除一部分誤差。伺服電機(jī)利用閉環(huán)控制改進(jìn)了定位精度。閉環(huán)位置控制、更高的力矩和更高的速度，使得伺服電機(jī)在高精度應(yīng)用場(chǎng)合具有更大的優(yōu)勢(shì)。在設(shè)計(jì)中更加注重伺服電機(jī)、編碼器反饋以及伺服驅(qū)動(dòng)器，必須設(shè)計(jì)成按照一個(gè)整體協(xié)同工作，使之與電機(jī)和負(fù)載匹配。

結(jié)語(yǔ)

論文在進(jìn)行了大量的調(diào)研和查閱國(guó)內(nèi)、外文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，確定了西門(mén)子S7-200做控制器，介紹了飲料灌裝系統(tǒng)的工作原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件流程以及這種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)精度保證的一點(diǎn)點(diǎn)建議，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確灌裝，為現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝提高生產(chǎn)效率提出了建議。

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