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1、江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 繼 續(xù) 教 育 學(xué) 院 C o l l e g e O f C o n t i n u i n g E d u c a t i o n Of J i a n g s u U n i v e r s i t y 本 科 畢 業(yè) 論 文 基于PLC的旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師姓名：

2、 指導(dǎo)教師職稱(chēng)： 年 月 基于PLC的旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱(chēng)： 摘 要 食品機(jī)械是專(zhuān)為食品工業(yè)服務(wù)的，包裝機(jī)械大約有70%是為食品包裝服務(wù)的，特別是近年來(lái)飲料工業(yè)迅速發(fā)展，使得液體灌裝設(shè)備的需求大量增長(zhǎng)。美國(guó)、日本等國(guó)的包裝設(shè)備正在向高效率、高精度、高自動(dòng)化程度方向發(fā)展。我國(guó)的包裝機(jī)械起步較晚，主要是采用引進(jìn)一消化的發(fā)展模式

3、，雖能滿足生產(chǎn)需求，但技術(shù)含量不高，特別是對(duì)光、磁和計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用較少，從而使得我國(guó)包裝機(jī)械的包裝精度和運(yùn)行穩(wěn)定性同國(guó)外設(shè)備相比存在著較大差距。 本論文對(duì)集清洗、灌裝、加蓋三合一體的旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)一XG-24128進(jìn)行控制系統(tǒng)研究，使其對(duì)500ml PET瓶灌裝速度可達(dá)18000BPH以上，單個(gè)封蓋頭的工作效率可達(dá)2000-2200瓶/小時(shí)，灌裝容量誤差不大于3%。，在高速灌裝下能夠?qū)崿F(xiàn)高的灌裝精度和運(yùn)行穩(wěn)定性，自動(dòng)生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)瓶不灌裝和無(wú)瓶不加蓋。并對(duì)XG-24128型灌裝機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)-一個(gè)伺服泵同時(shí)控制兩個(gè)灌裝頭并實(shí)現(xiàn)連續(xù)灌裝的控制設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。 首先，對(duì)XG-24128型灌裝

4、機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。在研究XG-24128型灌裝機(jī)整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分析其灌裝的工藝流程，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的整體方案。 其次，明確控制系統(tǒng)的硬件配置。根據(jù)灌裝機(jī)的設(shè)備狀況和工藝要求，確定PLC的類(lèi)型及相關(guān)模塊，對(duì)I/O 口進(jìn)行定義，并對(duì)伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和其他電器元件進(jìn)行選型和布置。 接著，對(duì)XG-24128型灌裝機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)-一個(gè)伺服泵同時(shí)控制兩個(gè)灌裝頭并實(shí)現(xiàn)連續(xù)灌裝的控制設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。分析連續(xù)灌裝時(shí)灌裝頭位置的確定，對(duì)灌裝速度進(jìn)行初步分配，并對(duì)其換向機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。 最后，在硬件配置的基礎(chǔ)上，對(duì)XG-24128型灌裝機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。在對(duì)XG-24128型灌裝

5、機(jī)控制過(guò)程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上編制相應(yīng)的程序和系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)其灌裝流程。進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，使PLC和觸摸屏配合使用，充分發(fā)揮觸摸屏的優(yōu)勢(shì)使系統(tǒng)操作更方便快捷。 關(guān)鍵詞：灌裝機(jī)，PLC控制，伺服泵，運(yùn)動(dòng)控制，連續(xù)灌裝 IV Based on the PLC rotary filling machine control system design Abstract：The foodstuff machinery serves the whole food industry, and the about 70 percentof packing machinery serves the

6、 foodstuff packaging, especially, beverage industryrapidly develops recently so that there is an increased demand for liquid fillingequipment. There is a new tendency among the packaging equipment of America andJapan towards the direction of high efficiency, high accuracy, and high automation.Domest

7、ic packaging machinery developed late, and it principally used thedevelopment mode of import-absorb, although it can meet the demand for production,the technology content is low, especially, it hardly applies advanced technology suchas photo, magnetic and computer and so on. Therefore, there is a gr

8、eat gap betweenthe packaging accuracy and stability of the domestic packaging machinery and theoverseas equipment. The thesis emphasizes on researching on the control system of XG-24128 ― rotaryfilling machine which integrates washing, filling and spinning caps. The machineryfills the 500ml pet bo

9、ttle at a speed of 18000BPH, the efficiency of single tip sealinglid can reach 2000-2200 bottle/hour, and the blunder of filling capability isnt morethan 3%o, so that it can maintain high accuracy and stability at high speed, moreover,the automatic production can reach the goal ― no bottles no filli

10、ng, no stopper.Meantime, the thesis also research the key technology of XG-24128 that the fillingsection uses one servo pump to control two tips filling fluid in order to improve thefilling speed and continuous filling. Firstly, this article designs the program of control system. On the basis ofres

11、earching the whole structure of XG-24128, it analyses the process flow of thefilling and determines the whole program of the control system of filling machineaccording to the demand of design. Secondly, this article defines the hardware collocation of control system. Itdetermines the type and corre

12、lation module of PLC, defines the I/O in light of theprocess requirements and equipment status of filling machinery, and selects andarranges such electrical sections as servo and feeler search. Furthermore, the article researches the key technology of XG-24128 that thefilling section uses one servo

13、 pump to control two tips tilling fluid in order to improvethe filling speed and continuous filling, analyses how to locate the tips filling fluidduring the continuous filling, distributes the speed of filling, and researching thereverse mechanism. Finally, the paper designs software of control sys

14、tem of XG-24128 filling machineon basis of hardware collocation. On basis of analyzing control procedure it draws uprelevant programs and system software with a view to achieving the filling process.While designing software it tries to design HMI of the filling machine. Key words: Filling machine,

15、PLC control, Servo pump, Kinesis control, Continuousfillin 目 錄 中文摘要...................................................... II Abstract..................................................... III 第1章緒論..................................................... 1 1.1論文研究的背景和意義...........................

16、...............1 1.2灌裝技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀.....................................2 1.3灌裝機(jī)械概述.................................................3 1.3.1基本概念.................................................3 1.3.2灌裝機(jī)的分類(lèi)..............................................4 1.4 PLC簡(jiǎn)介.................................

17、..................6 1.4.1 PLC的特點(diǎn)...............................................6 1.4.2 PLC的應(yīng)用范圍............................................7 第2章XG-24128型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)........................10 2.1 XG-24128型灌裝機(jī)的工藝要求..................................10 2.2 XG-24128型灌裝機(jī)的整體結(jié)構(gòu).........................

18、.........10 2.3 XG-24128型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)............................13 2.3.1電氣控制系統(tǒng)的組成........................................13 2.3.2 XG-24128型灌裝機(jī)的工藝流程................................14 2.3.3 XG-24128型灌裝機(jī)的控制方案...............................15 第3章XG-24128型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).........................1

19、7 3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)............................................17 3.1.1 PLC選型...............................................18 3.1.2輸入/輸出點(diǎn)的確定IV.......................................22 3.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇...............................................26 3.2.1伺服電機(jī)控制設(shè)計(jì).....................................

20、.....26 3.2.2步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)..........................................30 3.2.3其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制設(shè)計(jì)......................................32 3.4硬件配置圖..................................................36 3.5本章小結(jié)....................................................38 第4章XG-24128型灌裝機(jī)灌裝關(guān)鍵技術(shù)研究.........................38

21、 4.1灌裝流程....................................................39 4.2復(fù)位........................................................41 4.3灌裝........................................................42 4.3.1初次吸液.................................................42 4.3.2灌裝頭位置的確定..............................

22、............43 4.3.3灌裝速度的確定............................................44 4.4換向........................................................49 4.4.1換向流程.................................................49 4.4.2換向參數(shù)設(shè)計(jì).............................................51 第5章XG-24128型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)........

23、................53 5.1灌裝機(jī)PLC控制程序設(shè)計(jì)........................................53 5.1.1 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想...................................53 5.1.2 PLC編程軟件GX Developer簡(jiǎn)介...............................56 5.1.3控制程序設(shè)計(jì).............................................58 5.2人機(jī)界面設(shè)計(jì)................................

24、.................64 第6章結(jié)朿語(yǔ)....................................................67 參考文獻(xiàn)........................................................68 67 第1章 緒論 1.1論文研究的背景和意義 隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)包裝品的需求越來(lái)越大，而且與傳統(tǒng)包裝工業(yè)相比，包裝技術(shù)向精確、節(jié)約、高效型方向發(fā)展，從而使得包裝機(jī)械不論在技術(shù)還是在制造水平上都需要新的突破[1]。 全球包裝機(jī)械無(wú)論是從技術(shù)、產(chǎn)品或市場(chǎng)占有情況等諸多方面比較，

25、美國(guó)和日本稱(chēng)得上是包裝強(qiáng)國(guó)，德國(guó)和意大利緊隨其后。美國(guó)是世界工業(yè)的領(lǐng)頭羊，因其包裝工業(yè)起步較早，發(fā)展至今已有完備的包裝工業(yè)體系。其包裝設(shè)備與其他產(chǎn)品一樣，以高、精、尖著稱(chēng)，而且由于計(jì)算機(jī)信息技術(shù)比其他國(guó)領(lǐng)先，且計(jì)算機(jī)在工業(yè)中的使用和普及比其他國(guó)家都早，所以計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于包裝機(jī)械中，較早地形成了機(jī)電一體化控制模式[2]。日本與美國(guó)相比，起步相對(duì)較晚，但60年代至90年代，日本包裝業(yè)大量引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上消化吸收，成果顯著，使其包裝工業(yè)的制造水平持續(xù)快速發(fā)展。日本小型和微型電子技術(shù)較為成熟，所以其包裝工業(yè)雖然起步較晚，但在消化他國(guó)的技術(shù)中，將其擅長(zhǎng)的微電子技術(shù)應(yīng)用其中，特別是后來(lái)的

26、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和模塊化技術(shù)等的應(yīng)用，為包裝工業(yè)的發(fā)展提供了更多的空間，至今仍影響著包裝機(jī)械的走向。 與美國(guó)和日本的包裝機(jī)械不同，德國(guó)的包裝機(jī)械在制造技術(shù)和包裝性能上有其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，特別是啤酒和含氣體飲料的灌裝設(shè)備解決了氣泡和遺漏等灌裝難題，實(shí)現(xiàn)了高速灌裝。德國(guó)包裝機(jī)械的另一特點(diǎn)是率先實(shí)現(xiàn)了包裝機(jī)械的成套性，中大型包裝設(shè)備可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝容器的預(yù)處理、稱(chēng)重、包裝、封口等多個(gè)工序[3]。意大利著重發(fā)展其食品包裝機(jī)械，在外形上對(duì)其他國(guó)家的包裝機(jī)械進(jìn)行一定程度的改良，而且更注重包裝生產(chǎn)的穩(wěn)定性。 美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家發(fā)展工業(yè)之時(shí)正是我國(guó)制造工業(yè)的低谷，包裝機(jī)械與其他工業(yè)產(chǎn)品一樣也是新中國(guó)成立

27、之后才開(kāi)始起步的。包裝工業(yè)的發(fā)展期主要是改革開(kāi)放之后，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)開(kāi)始迅速發(fā)展，人民的消費(fèi)水平也大大增強(qiáng)，從而使得生產(chǎn)設(shè)備特別是包裝機(jī)械的需求變得空前緊缺。此時(shí)為了提高我國(guó)包裝工業(yè)的技術(shù)水平，大量進(jìn)口國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)線，消化吸收并進(jìn)行改良，發(fā)展自己的包裝工業(yè)[3][4]。 食品機(jī)械是專(zhuān)為食品工業(yè)服務(wù)的，包裝機(jī)械大約有70%是為食品包裝服務(wù)的，特別是近年來(lái)飲料工業(yè)發(fā)展迅速，使得液體灌裝設(shè)備的需求大量增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的灌裝機(jī)或灌裝生產(chǎn)線對(duì)灌裝環(huán)境的要求較高，比如灌裝材料含氣體和不含氣體、常溫灌裝和高溫灌裝、塑料容器和玻璃容器抑或金屬容器等，都有其專(zhuān)用的灌裝生產(chǎn)線，且不能互用。在灌裝機(jī)方面，特別是液

28、體灌裝機(jī)產(chǎn)品上，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是美國(guó)和日本的灌裝設(shè)備精度高，灌裝自動(dòng)化程度高，且同一型號(hào)的灌裝機(jī)可以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格、不同灌裝介質(zhì)和不同灌裝容器的灌裝，大大拓寬了包裝機(jī)械的使用環(huán)境。除此之外，近年來(lái)美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的灌裝機(jī)在灌裝速度上也有很大提升，Krones公司生產(chǎn)的灌裝機(jī)灌裝頭的數(shù)量已可達(dá)178頭，灌裝機(jī)直徑大至5米，且可以實(shí)現(xiàn)灌裝機(jī)直徑增大轉(zhuǎn)速提升的情況下保證灌裝容器的穩(wěn)定性[2]。灌裝生產(chǎn)效率、灌裝質(zhì)量和生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提升很大程度上推動(dòng)了灌裝機(jī)械的發(fā)展。 我國(guó)灌裝設(shè)備的制造水平與這些國(guó)家相比還存在比較大的差距，國(guó)內(nèi)灌裝機(jī)生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小，且很多生產(chǎn)企業(yè)主要還是靠引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)和

29、生產(chǎn)線，或在此基礎(chǔ)上對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行仿造。國(guó)內(nèi)24工位的飲料灌裝機(jī)，對(duì)于500ml PET瓶灌裝速度為12000BPH，單個(gè)封蓋頭的工作效率為1500~1800瓶/小時(shí)，且灌裝的容量誤差較大，與國(guó)外產(chǎn)品有較大的差距。本課題研究目的和意義是對(duì)集清洗、灌裝、加蓋三合一體的旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)-XG-24128進(jìn)行控制系統(tǒng)研究，使其對(duì)500 ml PET瓶灌裝速度可達(dá)18000BPH以上，單個(gè)旋蓋頭的工作效率可達(dá)2000-2200瓶/小時(shí)。而且在高速灌裝下能夠保證高的灌裝精度和灌裝穩(wěn)定性，且自動(dòng)生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)瓶不灌裝和無(wú)瓶不加蓋的功能。 1.2灌裝技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究觀狀 目前，美國(guó)、德國(guó)和意大利等國(guó)的灌裝

30、設(shè)備設(shè)計(jì)制造水平相對(duì)較高，灌裝產(chǎn)品也呈現(xiàn)以下幾個(gè)方面的動(dòng)向[4]： 第一，灌裝速度提高。灌裝效率成為衡量灌裝機(jī)械發(fā)展的重要指標(biāo)，從而使得灌裝機(jī)械向規(guī)模化、高效率方向發(fā)展。許多大型企業(yè)著力于研究如何通過(guò)最大限度地增加灌裝頭的數(shù)量，或加快灌裝輪盤(pán)的轉(zhuǎn)速，或提高不同灌裝介質(zhì)的最大灌裝速度，或改善灌裝閥的結(jié)構(gòu)等方法來(lái)提高灌裝效率。 第二，灌裝機(jī)械的結(jié)構(gòu)革新。力在改變傳統(tǒng)灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)笨重復(fù)雜，中間傳動(dòng)元件多傳動(dòng)精度降低，操作專(zhuān)業(yè)性高且維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，最大程度地減少灌裝機(jī)的結(jié)構(gòu)零部件，降低制造成本，使得保證其生產(chǎn)的穩(wěn)定性的同時(shí)使操作簡(jiǎn)單易學(xué)。 第三，灌裝環(huán)境適應(yīng)性好。同一臺(tái)灌裝機(jī)可以對(duì)不同灌裝介質(zhì)進(jìn)

31、行灌裝，可對(duì)不同類(lèi)型、不同大小的灌裝容器進(jìn)行灌裝；當(dāng)灌裝環(huán)境改變時(shí)，重要零部件的更換和維修方便簡(jiǎn)單，零件的通用性增強(qiáng)。 第四，灌裝機(jī)的技術(shù)含量提升。電氣控制技術(shù)已成熟應(yīng)用于灌裝機(jī)械中，特別是PLC技術(shù)廣泛應(yīng)用，人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)操作交互，故障自我診斷，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行的高效智能。近年來(lái)光、磁技術(shù)的大量研究成果也越來(lái)越多地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，灌裝機(jī)械要實(shí)現(xiàn)高灌裝速度、高灌裝精度和高自動(dòng)生產(chǎn)化必將大量使用光、磁、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)。 我國(guó)灌裝機(jī)械的發(fā)展與美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家相比雖然還有很大差距，但是近年來(lái)由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，更多地包裝產(chǎn)品進(jìn)入人們的日常生活，從而需要更多的包裝機(jī)械對(duì)其進(jìn)行生產(chǎn)，所以包裝機(jī)

32、械發(fā)展空間越來(lái)越大。我國(guó)的灌裝設(shè)備和灌裝技術(shù)發(fā)展較晚，主要靠引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)環(huán)境對(duì)其進(jìn)行改良。同時(shí)，由于我國(guó)在光、電、磁及計(jì)算機(jī)應(yīng)用上的研究與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家存在不小的差距，這也使得我國(guó)灌裝機(jī)械在技術(shù)上的發(fā)展受到制約。 我國(guó)灌裝機(jī)械近年來(lái)向高自動(dòng)化程度及高集成性方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)上力求簡(jiǎn)單而不影響功能，一臺(tái)灌裝機(jī)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)進(jìn)瓶、清洗、灌裝、加蓋、出瓶、稱(chēng)量等功能；在控制系統(tǒng)上，從原來(lái)的繼電器控制逐漸向PLC控制轉(zhuǎn)換；同時(shí)為了操作更加方便，觸摸屏越來(lái)越多地被使用[5]。國(guó)內(nèi)一些企業(yè)和高校對(duì)灌裝機(jī)的研究主要集中在其控制系統(tǒng)和灌裝精度方面，例如對(duì)一藥品灌裝機(jī)采用全伺服PLC控制系統(tǒng)，且

33、設(shè)計(jì)有灌裝跟蹤系統(tǒng)及隨機(jī)稱(chēng)量系統(tǒng)，使得灌裝自動(dòng)化程度高，灌裝質(zhì)量好，且實(shí)現(xiàn)灌裝精度的隨時(shí)檢測(cè)。國(guó)內(nèi)灌裝機(jī)大多采用計(jì)量泵模式，這種灌裝模式最大的缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)灌裝泵的單獨(dú)控制。為了滿足高精度（灌裝容量誤差不大于3%。）、高灌裝速度（灌裝速度達(dá)到18000BPS以上）的要求，XG-24128型伺服泵高速清洗灌裝加蓋三合一機(jī)采用伺服電機(jī)與陶瓷柱塞泵相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，利用伺服電機(jī)響應(yīng)速度快，易控制，陶瓷柱塞泵精度高等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)灌裝機(jī)的高速和高精度的灌裝，且能實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)灌裝泵的單獨(dú)控制。同時(shí)為了節(jié)約成本，采用一個(gè)伺服泵同時(shí)控制兩個(gè)灌裝頭并實(shí)現(xiàn)連續(xù)灌裝的控制設(shè)計(jì)，提高灌裝速度。 1.3灌裝機(jī)械概述

34、1.3.1基本概念 灌裝機(jī)械的主要作用是將液體介質(zhì)充填到包裝容器中，灌裝機(jī)械一般可以實(shí)現(xiàn)灌裝、封口、稱(chēng)量等功能[6]。 液體灌裝中，對(duì)灌裝精度和穩(wěn)定性影響最大的是灌裝介質(zhì)的黏度，其次是是否含有氣體，是否會(huì)起泡及是否含微小固體物及其含量等。根據(jù)灌裝介質(zhì)的黏度，灌裝的液體介質(zhì)可分為流體（如牛奶、清涼飲料及酒類(lèi)等低度液體）、半液體（如調(diào)味醬、果醬等黏度大，灌裝需借外力的液體）、黏滯流體（如調(diào)味醬、果醬等黏度大，需借外力才能流動(dòng)的液體）。根據(jù)灌裝介質(zhì)中是否含氣體或是否會(huì)生成氣體可將灌裝介質(zhì)分為：硬飲料（含酒精成分的含氣飲料）、軟飲料（不含酒精成分的含氣飲料）、不含氣體液體（如白酒和醋等）。由于灌裝

35、產(chǎn)品的物理化學(xué)性質(zhì)，特別是黏度、含氣量不同，灌裝要求也有所不同，常用的液體灌裝方法有：常壓灌裝法、等壓灌裝法、真空灌裝法、壓力灌裝法、虹吸灌裝法。 1.3.2灌裝機(jī)的分類(lèi) 1、按灌裝方法分類(lèi)[6][7] 常壓灌裝機(jī)：顧名思義，是在常壓下將灌裝介質(zhì)灌裝到容器中所用的設(shè)備。常用于灌裝不含氣體的灌裝介質(zhì)，如醋、醬油、藥水類(lèi)等。 負(fù)壓灌裝機(jī)：灌裝前先對(duì)灌裝容器抽真空使其形成負(fù)壓，然后再將灌裝介質(zhì)充填其中。適宜于灌裝低黏度的液體，比如油類(lèi)、糖漿、含維生素的飲料、農(nóng)藥、化工試劑。但不適合于灌裝含芳香性的酒類(lèi)，因?yàn)闀?huì)增加酒香氣的損失。 等壓灌裝機(jī)：灌裝前先向灌裝容器中充氣，使得容器中的氣體壓力與

36、儲(chǔ)液缸內(nèi)相同，然后將灌裝介質(zhì)充填到灌裝容器中的設(shè)備。主要用于含氣體的灌裝介質(zhì)的灌裝設(shè)備，可減少氣體的損失。 壓力灌裝機(jī)：灌裝介質(zhì)黏度高難灌裝時(shí)，采用壓力灌裝機(jī)，借助于外力作用使其充填到灌裝容器中的設(shè)備，主要用于高黏度灌裝介質(zhì)的灌裝。 2、按包裝容器的主要運(yùn)動(dòng)形式分類(lèi) 旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)：灌裝機(jī)的各個(gè)組成部分均為轉(zhuǎn)盤(pán)式，按相同的線速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得灌裝容器在各個(gè)灌裝盤(pán)之間運(yùn)動(dòng)。用此類(lèi)灌裝機(jī)進(jìn)行灌裝時(shí)，灌裝容器從灌裝開(kāi)始工位開(kāi)始灌裝，同時(shí)跟隨灌裝盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸旋轉(zhuǎn)一周完成一個(gè)灌裝容器的灌裝，灌滿后的灌裝容旋轉(zhuǎn)至下一組件進(jìn)行下一工序的動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)的實(shí)物圖如圖1-1所示。 直線式灌裝機(jī)：灌裝

37、容器沿直線運(yùn)動(dòng)，并且灌裝時(shí)灌裝容器是靜止的，灌裝完成之后跟隨傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一起進(jìn)入下一個(gè)工序。直線型灌裝機(jī)實(shí)物圖如圖1-2所示，直線式灌裝機(jī)應(yīng)用較早，灌裝技術(shù)較為成熟，但直線式比旋轉(zhuǎn)式的空間利用率小，而且灌裝時(shí)是靜止的，其灌裝效率受到一定影響，一般用于藥品的灌裝，正逐漸被旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)替代。 圖1-1旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī) 圖1-2直線式灌裝機(jī) 3、按自動(dòng)化程度分手工灌裝機(jī)：灌裝過(guò)程全部采用人工操作控制，多為無(wú)氣類(lèi)液料的灌裝。但目前較少使用。半自動(dòng)化灌裝機(jī)：在液體灌裝中，上瓶、卸瓶均以手工操作，但灌裝過(guò)程為自動(dòng)。自動(dòng)化灌裝機(jī)：早期的自動(dòng)化灌裝機(jī)功能單一，一般只完成一個(gè)工序；近

38、年來(lái)自動(dòng)化灌裝機(jī)功能越來(lái)越多，可實(shí)現(xiàn)洗瓶、灌裝、封口等多個(gè)工序，適合用于大型的流水灌裝線上。 1.4 PLC簡(jiǎn)介 1.4.1 PLC的特點(diǎn) 可編程控制器（Programmable Logic Controller, PLC)是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)[8]。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制器、計(jì)數(shù)、定時(shí)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或自動(dòng)化設(shè)備以及生產(chǎn)過(guò)程。 繼電器是一種小信號(hào)的自動(dòng)控制電器，利用電流、電壓、速度、時(shí)間、溫度等物理量的預(yù)定值作為控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)接通和分?jǐn)嚯娐?。這種控制

39、模式常采用繼電器與接觸器結(jié)合使用的控制方式，由各類(lèi)有觸頭的電氣元件組成，通過(guò)觸頭的閉合或斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)控制、制動(dòng)和調(diào)速控制。這種控制方式的主要特點(diǎn)是價(jià)格低，線路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，安裝和調(diào)整都相對(duì)方便，是簡(jiǎn)單機(jī)械設(shè)備最基本的控制形式[9]。 近年來(lái)，PLC以其獨(dú)有的特點(diǎn)迅速發(fā)展起來(lái)，越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，與繼電器模式相比，PLC具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)在應(yīng)用方面，PLC采用了微處理機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于順序控制、運(yùn)動(dòng)控制、通信、數(shù)據(jù)管理等領(lǐng)域，并具有極強(qiáng)的柔性；而繼電器的應(yīng)用范圍有限，對(duì)小型問(wèn)題的解決往往連線復(fù)雜，使得控制柜龐大，可靠性降低，不具有柔性。 2) 在控制速度上，P

40、LC控制是由程序控制大量的內(nèi)部軟元件實(shí)現(xiàn)的，并不實(shí)際動(dòng)作，所以PLC控制中，只有程序的執(zhí)行時(shí)間，各軟元件的動(dòng)作并無(wú)延時(shí)，相對(duì)來(lái)說(shuō)響應(yīng)速度快，機(jī)械故障少。 3) 在可維護(hù)性上，繼電器控制模式是依靠電氣元件的機(jī)械觸頭動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的功能，控制中使用的所有電氣元件都要進(jìn)行接線，這就使得安裝變得相對(duì)較麻煩，而且出現(xiàn)故障時(shí)也不好找出故障根源，使系統(tǒng)維修和保養(yǎng)起來(lái)相對(duì)費(fèi)時(shí)；PLC控制中大量的繼電器功能都是由系統(tǒng)軟元件或內(nèi)部繼電器來(lái)完成的，因此相對(duì)繼電器模塊來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性有很大提高。另外，在施工和設(shè)計(jì)過(guò)程中，PLC控制也比繼電器控制更為方便省時(shí)。 灌裝機(jī)作為包裝機(jī)械的重要組成部分，最大的特點(diǎn)就是動(dòng)

41、作復(fù)雜、頻繁，且有較多的執(zhí)行元件[9]。在這種場(chǎng)合使用繼電器邏輯控制必然需要大量的中間繼電器，而這些中間繼電器在用PLC控制的情況下，就可以對(duì)其內(nèi)部的輔助繼電器進(jìn)行編程來(lái)取代。從物理介質(zhì)方面來(lái)講前者是要用具體的電氣元件來(lái)組合，而后者只是用到PLC的內(nèi)部寄存器，在PLC編程容量許可的范圍內(nèi)，可以不花費(fèi)額外的費(fèi)用來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制。一般的PLC都有上百點(diǎn)內(nèi)部輔助繼電器甚至更多，且還有多種專(zhuān)用的內(nèi)部繼電器，足可以應(yīng)付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是對(duì)PLC進(jìn)行編程。除此之外，PLC相對(duì)于其他的工業(yè)控制系統(tǒng)還具有更多的優(yōu)點(diǎn)[8]-[10]: 1) 易操作且共用性好 PLC技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的研究和

42、發(fā)展已日趨成熟，其產(chǎn)品也從原來(lái)的整機(jī)式向模塊式發(fā)展，并且產(chǎn)品品種多，種類(lèi)齊全。設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)者可根據(jù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及需求選用其PLC模塊組成控制系統(tǒng)，然后進(jìn)行輸入和輸出點(diǎn)的定義及接線即完成了所需系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。硬件配置確定以后，通過(guò)修改用戶程序可以快速改變控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 2) 功能多，環(huán)境適應(yīng)性好 簡(jiǎn)單可編程控制器可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和順控等功能，此外，還有各種功能模塊可供選擇，如可進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的A/D和D/A模塊、用于伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的定位模塊及PLC之間交換數(shù)據(jù)的通信模塊等，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不同類(lèi)型數(shù)據(jù)的控制，可以應(yīng)用于各類(lèi)復(fù)雜程度不等的控制對(duì)象，控制對(duì)象可以從一臺(tái)生

43、產(chǎn)機(jī)械到一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。用戶根據(jù)自己的需求確定硬件配置后就可以組成所需的控制系統(tǒng)。 3) 良好的穩(wěn)定性和防干擾能力 可編程控制器是“專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)”的產(chǎn)品，防干擾能力好。 4) 編程易學(xué)易懂 可編程控制器采用梯形圖形式進(jìn)行編程，易學(xué)易懂，對(duì)參與人員的專(zhuān)業(yè)水平要求不高，可操作性強(qiáng)，用戶能方便的讀取程序并對(duì)程序進(jìn)行編寫(xiě)和修改。 5) 設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便簡(jiǎn)單 模塊化設(shè)計(jì)，且中間繼電器少，大大減少了時(shí)間延遲及由于機(jī)械觸頭帶來(lái)的故障問(wèn)題，使用性能好，且設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)的工作量也大為減少。 6) 封裝性好、能耗不高 體積小，封裝性好，結(jié)構(gòu)更為緊湊、堅(jiān)固，重量輕，功耗相對(duì)于其他控制

44、系統(tǒng)而言大為降低，是電氣控制系統(tǒng)的首選產(chǎn)品。 1.4.2 PLC的應(yīng)用范圍 由于PLC適應(yīng)性廣，使用穩(wěn)定性好，防干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，己被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，特別是大中型企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大化和自動(dòng)化，使得近年來(lái)對(duì)PLC的需求量越來(lái)越大[10] 。 (1)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制 不同的控制系統(tǒng)雖然控制方式不同，但都能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制。用繼電器一接觸器模式實(shí)現(xiàn)邏輯控制時(shí)，需要使用大量的機(jī)械觸頭，從而使得連線多，系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間延遲性大，穩(wěn)定性變差，且維修成本大。用PLC取代繼電器，可以采用系統(tǒng)軟元件來(lái)實(shí)現(xiàn)其控制要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。特別是自動(dòng)生產(chǎn)線的控制，優(yōu)勢(shì)更加明顯，如數(shù)控機(jī)床的電

45、氣控制、包裝機(jī)械控制、運(yùn)輸帶控制等。 (2)運(yùn)動(dòng)控制 PLC有專(zhuān)門(mén)的運(yùn)動(dòng)控制模塊，如QD70系列，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多軸的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，控制精度高，響應(yīng)速度快。并且PLC有專(zhuān)門(mén)的運(yùn)動(dòng)控制中央處理器，可以實(shí)現(xiàn)最多對(duì)96軸的運(yùn)動(dòng)控制，配合以定位模塊，尤其適合于大型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 (3)閉環(huán)過(guò)程控制 閉環(huán)過(guò)程控制與邏輯控制相對(duì)，它主要是對(duì)模擬量進(jìn)行控制，這些模擬量都是連續(xù)變化的，如壓力、溫度等。PLC配備有模擬量輸入模塊和模數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量和模擬量之間的相互轉(zhuǎn)換。閉環(huán)過(guò)程控制現(xiàn)己廣泛應(yīng)用到中、大型PLC控制中，過(guò)程控制廣泛應(yīng)用于熱處理爐、壓力灌裝機(jī)械、塑料成型設(shè)備等。 (4)

46、數(shù)據(jù)處理 PLC具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，不僅可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算，還可以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如函數(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算等功能。此外，PLC如一般計(jì)算機(jī)一樣可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取? (5)通信聯(lián)網(wǎng) PLC通過(guò)USB接口、 RS232/RS485接口以及各種不同類(lèi)型的連接電纜，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)可編程控制器、可編程控制器與操作終端、可編程控制器與其他設(shè)備等之間互相通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和處理，并以此來(lái)構(gòu)成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，形成集中管理加分散控制的分布式控制系統(tǒng)。 第2章XG-24128型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2.1 XG-24128型灌裝機(jī)的工藝要求 課題研究的是伺服泵高速清洗灌裝旋蓋三合一

47、機(jī)，為24頭旋轉(zhuǎn)型液體灌裝機(jī)，主要灌裝介質(zhì)為食用油和普通飲料。該灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)上主要由風(fēng)道進(jìn)瓶組件、清洗組件、灌裝組件、旋蓋組件、出瓶組件五大部分組成，要求對(duì)于500ml的PET瓶可以實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定精確灌裝，且實(shí)現(xiàn)無(wú)瓶不灌裝、無(wú)瓶不加蓋及在線清洗等功能。 課題研究的24頭旋轉(zhuǎn)型伺服泵高速清洗灌裝旋蓋三合一機(jī)型號(hào)為XG-24128，下述中均以XG-24128代表此灌裝機(jī)，它的主要技術(shù)要求為： (1) 灌裝速度從12000瓶/h提高到18000瓶/h以上； (2) 灌裝對(duì)象為500ml的PET瓶，灌裝介質(zhì)為食用油和普通飲料； (3) 灌裝的容量誤差《3%。，不合格品數(shù)量《0.3%，包材利用率

48、》99.7%； (4) 保證灌裝時(shí)無(wú)滴漏、無(wú)泡沫產(chǎn)生； (5) 保證無(wú)瓶不灌裝，無(wú)瓶不加蓋； (6) 可以實(shí)現(xiàn)完整的CIP清洗（不拆卸設(shè)備、零部件、管道的情況下，通過(guò)使用清洗溶液對(duì)設(shè)備進(jìn)行清洗后能達(dá)到食品生產(chǎn)的衛(wèi)生級(jí)要求）； (7) 單個(gè)封蓋頭的工作效率達(dá)到2000-2200瓶/小時(shí)以上； (8) 灌裝機(jī)設(shè)計(jì)符合國(guó)標(biāo)GB16789-1997食品機(jī)械安全衛(wèi)生要求。 2.2 XG-24128型灌裝機(jī)的整體結(jié)構(gòu) 論文所研究的XG-24128型灌裝機(jī)三維示意圖（灌裝組件隱藏了防塵罩）如 圖2-1所示，結(jié)構(gòu)部分主要分為風(fēng)道進(jìn)瓶組件、清洗組件、灌裝組件、加蓋組件、 出瓶組件等部分組成，結(jié)

49、構(gòu)圖如閣2-2所示，各組件及其作用如下： 11圖2-1灌裝機(jī)三維示意圖 圖2-2灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)圖 1—機(jī)箱組件；2—風(fēng)道進(jìn)瓶組件；3—過(guò)渡盤(pán)Ⅰ ； 4一洗瓶組件； 5—過(guò)渡盤(pán)Ⅱ； 6—灌裝組件；7—過(guò)渡盤(pán)Ⅲ；8—供蓋組件；9 一加蓋組件；10—出瓶組件 1、機(jī)箱組件 機(jī)箱組件的主要作用是固定和支撐其他組件、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)，保證其具有正確的相對(duì)位置及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性，從而使整個(gè)灌裝系統(tǒng)正常工作[11]。 2、風(fēng)道進(jìn)瓶組件 XG-24128型灌裝機(jī)的灌裝對(duì)象為500ml PET瓶，由于空瓶質(zhì)量較輕，所以進(jìn)瓶動(dòng)力由風(fēng)力提供。風(fēng)道進(jìn)瓶組件的左右刮瓶板配合使用，卡在瓶口的螺

50、旋位置，使其在風(fēng)力作用下沿刮瓶板向下一組件移動(dòng)。風(fēng)道進(jìn)瓶組件的末端設(shè)計(jì)有一電磁體擋瓶機(jī)構(gòu)，在擋瓶機(jī)構(gòu)作用下，空瓶保持一定間距進(jìn)入過(guò)渡盤(pán)I ，以防止卡瓶。 3、過(guò)渡盤(pán)I 空瓶由風(fēng)道進(jìn)瓶組件進(jìn)入洗瓶組件的過(guò)渡盤(pán)。 4、洗瓶組件 主要對(duì)空瓶?jī)?nèi)外壁進(jìn)行清洗。空瓶從過(guò)渡盤(pán)I進(jìn)入洗瓶組件后沿空間曲線導(dǎo)軌先旋轉(zhuǎn)180度垂直倒置瓶口向下，清潔水由分水盤(pán)流經(jīng)管道，經(jīng)過(guò)噴頭高速?lài)姵鰶_洗瓶子內(nèi)壁后沿內(nèi)壁流出；同時(shí)，清洗區(qū)的外噴頭噴水清潔瓶子外壁。清洗過(guò)的瓶子沿曲線導(dǎo)軌再旋轉(zhuǎn)180度瓶口向上，清洗后的瓶子經(jīng)由過(guò)渡盤(pán)II進(jìn)入灌裝組件準(zhǔn)備灌裝。 5、過(guò)渡盤(pán)II 空瓶由清洗組件進(jìn)入灌裝組件的過(guò)渡盤(pán)。 6、灌裝

51、組件 灌裝組件由24個(gè)灌裝頭組成，空瓶進(jìn)入灌裝組件后運(yùn)動(dòng)到灌裝位置時(shí)開(kāi)始灌裝。灌裝采用跟蹤灌裝模式，灌裝頭與液面始終保持一定距離，既可提高灌裝速度，又可減少氣泡和飛濺。灌液的同時(shí)，瓶子跟隨灌裝組件一起轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到出瓶位置時(shí)，灌滿的瓶子經(jīng)由過(guò)渡盤(pán)III進(jìn)入加蓋組件。灌裝組件的24個(gè)灌裝頭山12套伺服泵控制，每套伺服泵控制沿180度直線分布的兩個(gè)灌裝頭，每套伺服泵都配備有一套由步進(jìn)電機(jī)控制的換向機(jī)構(gòu)，用于控制陶瓷泵在三個(gè)液口之間轉(zhuǎn)換。灌裝開(kāi)始工位處安裝有有無(wú)瓶檢測(cè)傳感器，當(dāng)傳感器檢測(cè)到相應(yīng)工位無(wú)瓶時(shí)，PLC發(fā)出指令控制對(duì)應(yīng)的伺服菜不動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)無(wú)瓶不灌裝。灌裝組件安裝有灌裝主電機(jī)，同時(shí)也是整個(gè)灌裝

52、機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)其他組件旋轉(zhuǎn)，使瓶子從進(jìn)瓶組件完成整個(gè)灌裝流程由出瓶組件出瓶。 7、過(guò)渡盤(pán)Ⅲ 瓶子由灌裝組件進(jìn)入旋蓋組件的過(guò)渡盤(pán)。 8、供蓋機(jī)構(gòu) 供蓋機(jī)構(gòu)的作用是向加蓋系統(tǒng)提供瓶蓋，并且保證在供蓋機(jī)構(gòu)的作用下，瓶蓋進(jìn)入旋蓋頭時(shí)開(kāi)口向下，以便于旋蓋。同時(shí)，供蓋機(jī)構(gòu)的末端設(shè)有電磁體擋蓋機(jī)構(gòu)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到相應(yīng)工位無(wú)瓶時(shí)，擋蓋機(jī)構(gòu)作用，使空瓶位相對(duì)應(yīng)的旋蓋頭無(wú)蓋，實(shí)現(xiàn)無(wú)瓶不加蓋。 9、加蓋組件 灌滿液體的瓶子經(jīng)由過(guò)渡盤(pán)III進(jìn)入加蓋組件，在旋蓋頭的作用下將瓶蓋旋緊，完成加蓋。旋蓋組件共有8個(gè)旋蓋頭，由8套伺服電機(jī)采用扭矩控制模式對(duì)扭矩進(jìn)行控制，以保證自動(dòng)上蓋率的同時(shí)，防

53、止擰不緊或擰裂等情況。 10、出瓶組件 灌滿并加蓋完成以后的瓶子在導(dǎo)瓶盤(pán)作用下進(jìn)入出瓶組件，由3個(gè)后輸送電機(jī)帶動(dòng)，在出瓶口出瓶，完成整個(gè)灌裝流程。 2.3 XG-24128型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 2.3.1電氣控制系統(tǒng)的組成 上一小節(jié)簡(jiǎn)單介紹了 XG-24128型灌裝機(jī)的結(jié)構(gòu)部分，主要由進(jìn)瓶-洗瓶-灌裝-加蓋-出瓶等組件組成，控制系統(tǒng)的作用就是對(duì)開(kāi)關(guān)、按鈕、傳感器等輸入信號(hào)進(jìn)行分析，從而做出響應(yīng)來(lái)控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作，使整個(gè)灌裝過(guò)程準(zhǔn)確而有序得進(jìn)行。圖2-3為常用的電氣控制系統(tǒng)的組成圖。 (1)輸入元件 輸入元件的主要作用是將操作者的命令或由傳感器、編碼器等

54、檢測(cè)到的其他外部信息輸入到控制中心。常用的輸入元件有主令電器（按鈕開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)等）、各類(lèi)傳感器（位置傳感器、壓力傳感器等）、編碼器（反映物體的相對(duì)或絕對(duì)運(yùn)動(dòng)距離）等。 (2)控制中心 控制中心的主要作用是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、運(yùn)算或判斷，將工作命令以輸出信號(hào)的形式傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常用的控制中心部件有可編程控制器(PLC)和繼電器。 (3)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是接收控制中心的輸出信號(hào)，執(zhí)行工作命令常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有：電動(dòng)機(jī)、電磁體、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。 2.3.2 XG-24128型灌裝機(jī)的工藝流程 工藝流程是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是控制系統(tǒng)依托機(jī)械部分要實(shí)現(xiàn)的目

55、標(biāo)，不同的工藝流程，其控制方案也不同。 圖2-4為XG-24128型灌裝機(jī)的工藝流程圖，由工藝流程圖可以看出，灌裝工藝由分為瓶子和瓶蓋兩條分支?？掌吭陲L(fēng)力作用下進(jìn)入風(fēng)道進(jìn)瓶組件后，經(jīng)由過(guò)渡盤(pán)I進(jìn)入到洗瓶組件，在洗瓶組件完成瓶子內(nèi)外壁的清潔后進(jìn)入灌裝組件進(jìn)行灌裝，灌裝完成后的瓶子在過(guò)渡盤(pán)III帶動(dòng)下進(jìn)入加蓋組件；與此同時(shí)，瓶蓋在供蓋機(jī)構(gòu)作用下進(jìn)入加蓋組件，對(duì)灌滿后的瓶子完成加蓋動(dòng)作后，在出瓶機(jī)構(gòu)的作用下出瓶，完成整個(gè)灌裝流程。此工藝流程也是旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)的典型工藝流程。 2.3.3 XG-24128型灌裝機(jī)的控制方案 根據(jù)XG-24128型灌裝機(jī)的工藝要求，對(duì)照其灌裝的工藝流程，依據(jù)一般

56、電氣系統(tǒng)的組成確定控制系統(tǒng)各部分如下： 輸入元件：按鈕開(kāi)關(guān)（控制復(fù)位、啟動(dòng)、停止、清洗、急停）、傳感器（有瓶灌裝檢測(cè)、有瓶放蓋檢測(cè)、缺蓋檢測(cè)、無(wú)蓋檢測(cè)、極限位置檢測(cè)、出瓶堵瓶檢測(cè)、灌裝完成檢測(cè)等）、變頻器、編碼器。 控制中心：XG-24128型灌裝機(jī)輸入/輸出信號(hào)多，且要求控制速度快而準(zhǔn)確，時(shí)間延遲盡可能小，控制對(duì)象既有開(kāi)關(guān)量也有模擬量，需對(duì)20臺(tái)伺服電機(jī)和12臺(tái)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，且所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)需協(xié)調(diào)一致，所以控制中心采用PLC控制系統(tǒng)，這也是工業(yè)控制中常用的控制形式。 執(zhí)行元件：伺服電機(jī)：共有20套伺服系統(tǒng)（伺服馬達(dá)+伺服驅(qū)動(dòng)器），其中12臺(tái)伺服電機(jī)與12套陶瓷泵相連，在P

57、LC系統(tǒng)的控制下帶動(dòng)陶瓷泵準(zhǔn)確完成吸液及灌液動(dòng)作；其余8臺(tái)伺服電機(jī)與8套旋蓋頭相接，為旋蓋頭完成旋蓋動(dòng)作提供動(dòng)力。 步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)（步進(jìn)馬達(dá)+步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器）共有12套，用于灌裝陶瓷泵的精確換向。 電動(dòng)機(jī)：共有13套，分別是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)主電機(jī)即灌裝主電機(jī)（1套）、出瓶輸送電機(jī)（1套）、上蓋風(fēng)機(jī)（1套）、后輸送電機(jī)（4套）、沖冼泵電機(jī)（1套）、理蓋器電機(jī)（1套）、上蓋振動(dòng)電機(jī)（1套）、散熱風(fēng)機(jī)（1套）、進(jìn)液泵電機(jī)（1套）、吹干機(jī)電機(jī)（1套）。 電磁體：止蓋電磁體、擋瓶電磁體。 指示燈：顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。 為了便于用戶操作，且能隨時(shí)觀察到系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，系統(tǒng)采用HMI (人機(jī)界面，Huma

58、n Machine Interface)控制灌裝機(jī)的機(jī)械動(dòng)作⑿，控制系統(tǒng)框圖如圖2-5所示。圖2-5控制系統(tǒng)框圖 第3章XG-24128型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的硬件配置視控制對(duì)象不同而總體來(lái)說(shuō)要考慮控制對(duì)象的工藝要求、設(shè)備狀況、工作環(huán)境、輸入輸出點(diǎn)的多少等條件[13]。 一般來(lái)說(shuō)，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，輸入元件的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，而控制中心和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及型號(hào)選取直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。本章針對(duì)控制對(duì)象-XG-24128型灌裝機(jī)的工藝要求及灌裝流程，重點(diǎn)介紹其控制中心及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上完成整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件配置及連接。 從第2章介紹XG-24128型灌裝

59、機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案可知，控制系統(tǒng)不僅要對(duì)電磁體、電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，還要對(duì)伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，使整個(gè)灌裝動(dòng)作精確、有序地完成，這就對(duì)其硬件配置提出了更高的要求。 3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的繼電器控制有很多弊端，將成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬技術(shù)與繼電器控制連接起來(lái)，使得影響繼電器控制的觸點(diǎn)虛擬化，作為控制器的內(nèi)部繼電器或軟元件來(lái)使用，并應(yīng)用于在工業(yè)生產(chǎn)中就形成了 PLC控制。所以從原理上來(lái)說(shuō)，PLC是“專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)”的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，它的結(jié)構(gòu)和組成也具有一般計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)：以中央處理單元為核心，在系統(tǒng)程序的管理下運(yùn)行。PLC的基本組成如圖3-1所示。 PLC同

60、一般計(jì)算機(jī)一樣，使用之前需要先下載系統(tǒng)程序。在設(shè)計(jì)階段，確定所用的PLC的類(lèi)型及相關(guān)模塊，對(duì)控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析后，編制控制對(duì)象所用的用戶程序，將這些程序及與控制對(duì)象相關(guān)的設(shè)置存儲(chǔ)在PLC的中央處理器中，中央處理器根據(jù)用戶程序?qū)@些信息進(jìn)行處理后，把執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作命令以輸出信號(hào)的形式從輸出接口傳送到接觸器、電磁體、伺服電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成工作命令。在運(yùn)行過(guò)程中，PLC CPU除了通過(guò)輸入接口和輸出接口進(jìn)行信號(hào)傳輸外，還可以通過(guò)擴(kuò)展接口接收來(lái)自擴(kuò)展単元的信號(hào)，此外，監(jiān)控器、其他PLC、外部存儲(chǔ)器等還可以通過(guò)外部設(shè)備接口與PLC CPU進(jìn)行信號(hào)傳輸。 3.1.1 PLC選型 根據(jù)

61、圖3-1所示PLC的基本組成，對(duì)照控制對(duì)象-XG-24128型灌裝機(jī)的設(shè)計(jì)要求：精確、可靠、柔性好、干擾小、協(xié)調(diào)性好等特點(diǎn)，并根據(jù)灌裝機(jī)控制對(duì)象的要求，選用如表3-1所示的三菱公司的PLC及相關(guān)模塊來(lái)組成XG-24128型灌裝機(jī)的控制系統(tǒng)。工業(yè)觸摸屏（HMI)選用三菱公司的GT1575-VTBA型觸摸屏（附件及連接電纜的型號(hào)在表中未列出）。 1、基板 基板是整個(gè)PLC系統(tǒng)的支撐體，它的主要作用是安裝選定的各個(gè)模塊[14]?；迳弦话阈枰惭b有電源模塊，基板將電源模塊產(chǎn)生的電壓提供給CPU、輸入模塊、輸出模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊等，同時(shí)承擔(dān)著在CPU、 I/O模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊之間進(jìn)行控制

62、數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔谩９嘌b機(jī)的PLC系統(tǒng)采用的是主基板一擴(kuò)展基板的形式，通過(guò)擴(kuò)展電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。選用的Q33B型主基板可安裝3個(gè)模塊，1級(jí)擴(kuò)展基板Q68B可安裝8個(gè)模塊，2級(jí)擴(kuò)展基板Q65B可安裝5個(gè)模塊。 2、電源模塊 電源模塊的作用是提供5V電壓，通過(guò)基板將電壓供給CPU及其他模塊。進(jìn)行電源模塊選擇時(shí)，電源模塊5V電壓的額定輸出電流必須大于安裝在基板上的所有模塊所消耗的電流和。表3-2為主基板上各模塊的DC 5V消耗電流與電源模塊的輸出電流表。 按上表所示方法對(duì)擴(kuò)展基板1和擴(kuò)展基板2進(jìn)行電源輸出電流的校核： 擴(kuò)展基板1上各模塊DC 5V消耗電流的合計(jì)值為(2.97A)<電源模塊Q6

63、1P的輸出電流（6A)，滿足要求； 擴(kuò)展基板2上各模塊DC 5V消耗電流的合計(jì)值為（0.955AX電源模塊Q61P的輸出電流（6A)滿足要求。 3、I/O模塊 I/O模塊是指輸入模塊和輸出模塊，輸入模塊和輸出模塊的規(guī)格及數(shù)量依控制系統(tǒng)所需的點(diǎn)數(shù)來(lái)確定，所需點(diǎn)數(shù)越多，則所需I/O模塊數(shù)也越多，但最大模塊數(shù)及最多點(diǎn)數(shù)由所選用的CPU來(lái)定。系統(tǒng)選用的Q06HCPU為高性能Q系列PLC CPU,它的單機(jī)最大I/O控制點(diǎn)數(shù)為40%點(diǎn)，可控制模塊數(shù)可達(dá)64塊，若系統(tǒng)所需的I/O控制點(diǎn)數(shù)更多，可選用擴(kuò)展I/O模塊來(lái)增加控制點(diǎn)數(shù)。灌裝機(jī)選用的I/O模塊為三菱Q系列CPU的I/O模塊，它具有以下特點(diǎn)：（1

64、)體積小，積木式I/O模塊[14]。（2)功能多：DC輸入模塊的輸入響應(yīng)時(shí)間可以在設(shè)定軟件中進(jìn)行設(shè)定，高速輸入模塊最快響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到0.1ms； DC晶體管輸出模塊具有短路保護(hù)功能，避免因短路等原因?qū)/O模塊造成損傷。（3)維護(hù)和保養(yǎng)相對(duì)容易，模塊裝卸方便，可以對(duì)每個(gè)輸出模塊進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置，而且可以在編程軟件上確定安裝模塊的構(gòu)成，也可以在編程軟件上對(duì)安裝模塊進(jìn)行設(shè)置，使得維護(hù)非常方便。（4)安全性好，可在線對(duì)模塊進(jìn)行更換，系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，不用停止整個(gè)控制系統(tǒng)就可以更換模塊并且兼容性能好。鑒于以上特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。 4、運(yùn)動(dòng)控制模塊 運(yùn)動(dòng)控制模塊是三菱PLC智能功能模塊中對(duì)運(yùn)

65、動(dòng)進(jìn)行控制時(shí)運(yùn)用比較多的一種，它主要是與步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)配合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的速度控制或是定位控制。按照控制軸數(shù)的多少，運(yùn)動(dòng)控制模塊有1軸、2軸、4軸、8軸，不僅可以實(shí)現(xiàn)直線控制、直線插補(bǔ)，還具備圓弧插補(bǔ)、螺旋插補(bǔ)、多種原點(diǎn)回歸方式等功能[15]。灌裝機(jī)控制系統(tǒng)選用的是可用于8軸控制的QD70P8定位模塊對(duì)灌裝伺服電機(jī)及換向步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行速度控制。關(guān)于QD70P8定位模塊的使用及特點(diǎn)在伺服電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)的控制中有詳細(xì)介紹。 5、觸摸屏 工業(yè)控制中，為了方便用戶操作及觀察，經(jīng)常需要用到人機(jī)界面。人機(jī)界面的主要作用是輸入工作命令、設(shè)置參數(shù)等進(jìn)而控制系統(tǒng)的動(dòng)作，而且用戶還可以從人機(jī)界面上讀取信息，

66、了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 XG-24128型灌裝機(jī)選用的人機(jī)界面是三菱電機(jī)的GT1575系列的觸摸屏，該系列的觸摸屏分辨率為640*480，顯示色為256色，可視角度廣，亮度高，帶有多種類(lèi)型的接口可連接控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)和計(jì)算機(jī)等，也可以與打印機(jī)、音頻設(shè)備相接，對(duì)信號(hào)進(jìn)行輸出。 三菱電機(jī)的GT1000系列的觸摸屏配合以設(shè)計(jì)好的運(yùn)行或監(jiān)控畫(huà)面可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)；對(duì)其接口進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置并與可編程控制器相連，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，不存在操作或命令延遲現(xiàn)象；畫(huà)面顯示功能更加豐富，可顯示單張畫(huà)面，也可顯示多張畫(huà)面或畫(huà)中畫(huà)等；搭載了 64位RISC CPU,高速處理器實(shí)現(xiàn)了高速運(yùn)算，使操作更為快捷；除了與三菱電機(jī)的其他產(chǎn)品連接通訊速度快之外，接口的通用性好，與其他品牌的相應(yīng)產(chǎn)品連接時(shí)信息和數(shù)據(jù)的交換速度也很快。 此外，三菱電機(jī)該系列的觸摸屏除了最基本的一對(duì)一功能外，也能一臺(tái)觸摸屏對(duì)多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行操作、監(jiān)控或多臺(tái)觸摸屏串聯(lián)起來(lái)同時(shí)與同一產(chǎn)品連接；一臺(tái)觸摸屏有4個(gè)通道，分別對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行設(shè)置后可連接不同的產(chǎn)品；該系統(tǒng)的觸摸屏容量增加到57MB，畫(huà)面設(shè)計(jì)時(shí)可以存儲(chǔ)更多的高清晰度圖片，可