基于PLC在飲料灌裝機控制系統中的應用設計方法

0 引言

飲料灌裝機用于灌裝各種各樣的瓶裝飲料, 適合大中型飲料生產廠家。早期的灌裝機械大多數采用容積泵式、蠕動泵式作為計量方式。這些方式存在一些缺點, 例如: 罐裝精度和穩定性難以保證、更換灌裝規格困難等。本系統采用的飲料分裝計量是通過時間和單位時間流量來確定的, 計量精度由可編程序控制器( PLC) 控制確定, 通過人機界面———觸摸屏監測運行狀態, 可在線修改運行參數。PLC控制具有編程簡單、工作可靠、使用方便等特點, 在工業自動化控制領域應用廣泛。觸摸屏是顯示器和觸摸開關一體型的可編程終端( PT) , 是新一代先進的人機界面產品。專為PLC應用而設計的觸摸屏集主機，入和輸出設備于一體, 適合在惡劣的工業環境中使用。

1 工作原理

飲料灌裝機主要包括三大部分: 恒壓儲液罐、夾瓶及灌裝頭部分、變頻調速傳送帶部分。主機的上部是恒壓儲液罐, 里面有上限位和下限位液位傳感器,它們被淹沒時是1狀態。液面低于下限位時恒壓儲液罐為空。飲料通過進液電磁閥流入恒壓儲液罐, 液面到達上限位時進液電磁閥斷電關閉, 使液位保持穩定。灌裝設備生產工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

恒壓儲液罐下面是夾瓶及灌裝頭部分, 共有24個灌裝頭。夾瓶裝置由氣壓缸1驅動下降, 下降到位后, 夾瓶裝置由氣壓缸2夾緊定位, 下降及夾緊由行程開關控制位置。定位夾緊后, 灌裝頭由氣壓缸3驅動下降, 到位后灌裝頭電磁閥打開, 開始灌液, 延時后電磁閥關閉, 通過控制電磁閥的開啟時間達到灌裝容量控制。

傳送帶電動機由變頻器控制, 實現無級變速, 達到系統經濟運行的目的。電機啟動1 s后, 進瓶氣缸縮回、開始進瓶, 3 s后出瓶處氣缸4 伸出擋住空料瓶。進瓶處設置光電開關檢測進瓶個數, 當檢測到24個時, 出瓶處氣缸5 伸出不再進瓶, 傳送帶電動機停止。這時, 灌裝頭下降到瓶口, 由通過觸摸屏輸入的時間使PLC控制灌裝頭的開啟時間。灌裝結束后, 灌裝頭上升, 夾瓶裝置放松、上升。出瓶處氣缸縮回, 傳送帶電動機又開始轉動, 1 s后進瓶處氣缸5縮回, 光電開關又開始檢測進瓶個數。

2 硬件系統設計

2.1 系統框架

該系統既有開關量控制又有模擬量變頻調速控制。設備既可以自動連續運行, 各運動點又可人工點動操作, 這樣對應于各種操作的輸入點、需要顯示的動作狀態信息輸出點有很多。這些I/O信號如果采用電器按鈕、指示燈顯示的方式, 會大大增加硬件模塊及電氣連線, 相應故障率也會加大。我們采用PLC與觸摸屏相結合的方案。觸摸屏的畫面是用專用的組態軟件設計完成后, 再通過計算機的RS - 232C串行通訊口下載到觸摸屏。PLC與觸摸屏之間通過串行接口通訊, 連線簡潔。系統框架如圖2所示。

圖2 硬件系統框圖

2.2 I/O控制的設計

灌裝設備共設計有數字量輸入點13 個, 其中:氣缸運動傳感器10個, 液位傳感器2個, 光電開關1個。數字量輸出點35 個, 其中: 灌裝頭電磁閥控制24個, 氣缸運動電磁閥控制10個, 儲液罐電磁閥控制1個。

變頻調速系統需要1個模擬量輸入點和一個模擬量輸出點。測速電機測量電機的轉速, 電壓值信號接入模擬輸入點, 經過與給定值比較、PID運算, 運算結果從模擬量輸出點輸出, 作為變頻器的控制信號,實現變頻調速。

主控單元采用了SIEMENS公司的S7 - 200 系列的PLC 產品CPU224, 外加兩個數字量擴展模塊EM223和一個模擬量擴展模塊EM235。觸摸屏采用臺灣產PWS3260型。

3 軟件實現

3.1 軟件總體功能

圖3 是觸摸屏軟件控制程序框圖。控制程序是用菜單形式編制的。自動功能包括: 運行、暫停、結束、復位等。手動功能包括: 所有運動部件的進、退、起、停等。利用ADP3組態軟件中的交替性按鈕功能編程。在按鈕按下、抬起時分別對PLC相應的中間繼電器置位, 使PLC實現對某運動部件的進退控制。初值設定: 按用戶的需求, 任意設定轉速、計數值等參數, 并對參數的上限進行監視, 一旦越界, 即給出提示。運行監視: 監視系統的各個器件狀態, 如變頻器、電機等的異常狀態, 及時斷電保護, 并給出報警提示。

圖3 程序框圖

3.2 PLC編程

采用西門子公司STEP7 - Micro /W IN32 軟件, 在上位機上使用較為直觀的梯形圖或語句表按控制流程和控制算法進行編程, 程序編譯成功后, 通過連接上位機和PLC的PC /PPI電纜將程序下載至PLC中。

4 結論

采用PLC - 觸摸屏結合的電氣控制方案并與機械、氣動、傳感器技術組合為一體, 使該灌裝設備操作簡單、性能可靠, 設備的可維護性和靈活性得到顯著提高。