0 引言
液體定量灌裝技術廣泛應用于化工、飲料、石油和醫療等生產領域中[1], 在液體灌裝機設備中, 灌裝定量是整個機器設備的關鍵問題。目前市面上的液體灌裝機的灌裝定量方法主要是采用稱重定量方法[2], 通過采集稱重傳感器的數據來實現對液體的定量灌裝[3], 該方法具有以下3個缺點[4]:第一實時性不高, PLC通過模數轉換器采集稱重傳感器數據來進行控制, 使得整個控制過程時間長, 實時性不高, 最終使得控制精度不高。第二傳感器的安裝[5], 布線困難。第三高精度、高性能的稱重傳感器的價格高, 導致機器的成本增加。利用PLC中的高速計數器HSC0在第12種工作模式中對控制伺服電機的脈沖輸出口Q0.0進行高速計數, 實現灌裝定量的方法能很好地解決以上的問題。
1 方法原理
1.1 伺服電機的位置控制
液體灌裝機通過伺服電機的位置控制來實現灌裝的功能, 為了使得伺服電機運行平穩, 利用高速脈沖列 (PTO) 來控制伺服電機。PTO是按照給定的脈沖個數和周期輸出一串 (占空比為50%) 脈沖[6], PTO主要通過包絡來實現位置控制, 包絡是一個預先定義的以位置為橫坐標、以速度為縱坐標的曲線[7], 包絡的運動圖形如圖1所示。一個包絡由多段組成, 包含一個達到目標速度的加速過程和以目標速度勻速運動的過程, 最后包含由目標速度到停止的減速過程。西門子CPU226控制器的Q0.0與Q0.1輸出口具有高速脈沖輸出功能, 利用Q0.0輸出高速脈沖列來對伺服電機進行位置控制[8]。
圖1 包絡的運動圖形 下載原圖
1.2 定量灌裝
西門子CPU226支持6個高速計數器HSC0到HSC5, 具有12種工作模式[9], 只有HSC0與HSC3支持模式12, 高速計數器HSC0計數Q0.0輸出的脈沖數, Q0.0輸出的脈沖是對伺服電機進行位置控制的, 所以通過高速計數器HSC0對灌裝量進行實時監控, 進而達到灌裝定量的功能。
1.3 容量計算
定量缸是標準的圓柱形狀, 所以灌裝容量體積
式中R——定量缸的半徑/cm
H——活塞運動的距離/cm
式中f2——位置指令
i——減速比
P——螺距/cm
式中f2——位置指令
f1——脈沖數
N/M——電子齒輪比
電子齒輪比, 減速比, 螺距與定量缸的半徑都是已知的, 通過以上公式知道, 只要知道PLC通過Q0.0發送給伺服驅動器的脈沖個數, 就可以知道灌裝的容量。換句話來說, Q0.0的脈沖數實際上對應的就是灌裝容量即Q0.0的脈沖數經過上面的公式運算, 運算結果就是灌裝容量。通過高速計數器HSCO計數Q0.0的脈沖輸出個數, 實現了對灌裝容量的實時監控, 最終實現了灌裝定量的功能。
2 實現過程
定量缸組件如圖2所示。伺服電機通過同步帶帶動絲杠運動, 絲杠帶動連桿機構運動, 連桿機構中具有8個活塞, 通過帶動活塞的上下運動實現灌裝的功能。
圖2 定量缸組件 下載原圖
1-上極限傳感器2-原點傳感器3-下極限傳感器4-進料閥門5-進料閥門控制傳感器6-出料閥門控制傳感器7-出料閥門
定量缸的下面具有一個三通閥門, 閥門打開時, 定量缸與料槽連通 (進料口打開) , 出料口關閉。三通閥門關閉時, 定量缸與料槽不連通 (進料口關閉) , 出料口打開。灌裝開始時, 進料口打開, 連桿機構往下運動, 帶動活塞在定量缸里往下運動, 使得定量缸里的原料返回料槽, 當連桿機構運動到定量缸原定傳感器位置的時候, 連桿機構開始往上運動, 帶動活塞在定量缸里往上運動, 使得原料進入定量缸內, 到達位置后, 進料口關閉, 出料口打開, 連桿機構往下運動, 帶動活塞在定量缸里往下運動, 活塞壓縮原料, 使得原料從出料口流出, 同時, 啟動PLC的高速計數器HSC0, 運行在第12種工作模式, 開始對Q0.0輸出的高速脈沖計數, 當達到設定好的目標脈沖個數即灌裝容量時, 出料口關閉, 進料口打開, 從而實現了灌裝定量的功能。
3 軟件設計流程
高速計數器HSC0在第12模式下, 對Q0.0高速輸出脈沖進行計數之前, 要先對HSC0進行初始化, 流程如圖3所示, 初始化的步驟如下:
(1) 用初始掃描存儲器位 (SM0.1=1) 調用執行初始化操作子程序, 由于采用了這樣的子程序調用, 后續不會再調用這個子程序, 從而減少掃描時間; (2) 初始化子程序中, 對希望的控制操作對SMB37置數; (3) 執行HDEF指令, HSC輸入置0, MODE輸入置12; (4) 向SMD38寫入初始值; (5) 向SMD42寫入預設值; (6) 執行HSC指令, 使CPU226對HSC0編程; (7) 退出子程序。
圖3 HSC0高速計數器初始化流程 下載原圖
灌裝定量軟件流程如圖4所示, 程序執行到灌裝定量時, 首先啟動高速計數器HSCO, 開始對Q0.0輸出的高速脈沖進行計數, 關閉進料口, 開啟出料口。啟動Q0.0脈沖輸出, 判斷高速計數器HSCO的計數與預設值是否相等, 相等時, 關閉出料口, 開啟進出料口, 關閉高速計數器HSCO, 完成灌裝定量功能。
圖4 灌裝定量流程 下載原圖
4 結論
本文介紹的灌裝定量方法已應用到直列式全自動液體灌裝機中, 該直列式液體灌裝機具有8個定量缸, 每次灌裝過程能完成8瓶液體灌裝, 灌裝生產速度快, 灌裝精度非常高。實際測量數據表明, 利用該液體灌裝機灌裝2L的果漿液體時, 精度誤差能達到千分之一以內, 灌裝精度提高, 效果顯著。相對傳統的稱重式液體灌裝機[10], 該直列式液體灌裝機無需使用稱重傳感器來實現灌裝定量, 降低了成本、不具有安裝困難和布線的困難。該液體灌裝機已在實際生產中運行了半年以上, 客戶反映, 該液體灌裝機, 灌裝精度高、灌裝速度快、穩定性好。該灌裝定量方法的實現, 提高了液體灌裝機的灌裝精度、速度, 從而提高了生產效益。