0 引言
液體定量灌裝技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工、飲料、石油和醫(yī)療等生產(chǎn)領(lǐng)域中[1], 在液體灌裝機(jī)設(shè)備中, 灌裝定量是整個(gè)機(jī)器設(shè)備的關(guān)鍵問題。目前市面上的液體灌裝機(jī)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(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對液體的定量灌裝[3], 該方法具有以下3個(gè)缺點(diǎn)[4]:第一實(shí)時(shí)性不高, PLC通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集稱重傳感器數(shù)據(jù)來進(jìn)行控制, 使得整個(gè)控制過程時(shí)間長, 實(shí)時(shí)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(jià)格高, 導(dǎo)致機(jī)器的成本增加。利用PLC中的高速計(jì)數(shù)器HSC0在第12種工作模式中對控制伺服電機(jī)的脈沖輸出口Q0.0進(jìn)行高速計(jì)數(shù), 實(shí)現(xiàn)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(jī)的位置控制
液體灌裝機(jī)通過伺服電機(jī)的位置控制來實(shí)現(xiàn)灌裝的功能, 為了使得伺服電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn), 利用高速脈沖列 (PTO) 來控制伺服電機(jī)。PTO是按照給定的脈沖個(gè)數(shù)和周期輸出一串 (占空比為50%) 脈沖[6], PTO主要通過包絡(luò)來實(shí)現(xiàn)位置控制, 包絡(luò)是一個(gè)預(yù)先定義的以位置為橫坐標(biāo)、以速度為縱坐標(biāo)的曲線[7], 包絡(luò)的運(yùn)動(dòng)圖形如圖1所示。一個(gè)包絡(luò)由多段組成, 包含一個(gè)達(dá)到目標(biāo)速度的加速過程和以目標(biāo)速度勻速運(yùn)動(dòng)的過程, 最后包含由目標(biāo)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(jī)進(jìn)行位置控制[8]。
圖1 包絡(luò)的運(yùn)動(dòng)圖形 下載原圖
1.2 定量灌裝
西門子CPU226支持6個(gè)高速計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器HSC0計(jì)數(shù)Q0.0輸出的脈沖數(shù), Q0.0輸出的脈沖是對伺服電機(jī)進(jìn)行位置控制的, 所以通過高速計(jì)數(shù)器HSC0對灌裝量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控, 進(jìn)而達(dá)到灌裝定量的功能。
1.3 容量計(jì)算
定量缸是標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)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(shù)
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(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖個(gè)數(shù), 就可以知道灌裝的容量。換句話來說, Q0.0的脈沖數(shù)實(shí)際上對應(yīng)的就是灌裝容量即Q0.0的脈沖數(shù)經(jīng)過上面的公式運(yùn)算, 運(yùn)算結(jié)果就是灌裝容量。通過高速計(jì)數(shù)器HSCO計(jì)數(shù)Q0.0的脈沖輸出個(gè)數(shù), 實(shí)現(xiàn)了對灌裝容量的實(shí)時(shí)監(jiān)控, 最終實(shí)現(xiàn)了灌裝定量的功能。
2 實(shí)現(xiàn)過程
定量缸組件如圖2所示。伺服電機(jī)通過同步帶帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng), 絲杠帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng), 連桿機(jī)構(gòu)中具有8個(gè)活塞, 通過帶動(dòng)活塞的上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)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(diǎn)傳感器3-下極限傳感器4-進(jìn)料閥門5-進(jìn)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(gè)三通閥門, 閥門打開時(shí), 定量缸與料槽連通 (進(jìn)料口打開) , 出料口關(guān)閉。三通閥門關(guān)閉時(shí), 定量缸與料槽不連通 (進(jìn)料口關(guān)閉) , 出料口打開。灌裝開始時(shí), 進(jìn)料口打開, 連桿機(jī)構(gòu)往下運(yùn)動(dòng), 帶動(dòng)活塞在定量缸里往下運(yùn)動(dòng), 使得定量缸里的原料返回料槽, 當(dāng)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到定量缸原定傳感器位置的時(shí)候, 連桿機(jī)構(gòu)開始往上運(yùn)動(dòng), 帶動(dòng)活塞在定量缸里往上運(yùn)動(dòng), 使得原料進(jìn)入定量缸內(nèi), 到達(dá)位置后, 進(jìn)料口關(guān)閉, 出料口打開, 連桿機(jī)構(gòu)往下運(yùn)動(dòng), 帶動(dòng)活塞在定量缸里往下運(yùn)動(dòng), 活塞壓縮原料, 使得原料從出料口流出, 同時(shí), 啟動(dòng)PLC的高速計(jì)數(shù)器HSC0, 運(yùn)行在第12種工作模式, 開始對Q0.0輸出的高速脈沖計(jì)數(shù), 當(dāng)達(dá)到設(shè)定好的目標(biāo)脈沖個(gè)數(shù)即灌裝容量時(shí), 出料口關(guān)閉, 進(jìn)料口打開, 從而實(shí)現(xiàn)了灌裝定量的功能。
3 軟件設(shè)計(jì)流程
高速計(jì)數(shù)器HSC0在第12模式下, 對Q0.0高速輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)之前, 要先對HSC0進(jìn)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(diào)用執(zhí)行初始化操作子程序, 由于采用了這樣的子程序調(diào)用, 后續(xù)不會(huì)再調(diào)用這個(gè)子程序, 從而減少掃描時(shí)間; (2) 初始化子程序中, 對希望的控制操作對SMB37置數(shù); (3) 執(zhí)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(yù)設(shè)值; (6) 執(zhí)行HSC指令, 使CPU226對HSC0編程; (7) 退出子程序。
圖3 HSC0高速計(jì)數(shù)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(zhí)行到灌裝定量時(shí), 首先啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器HSCO, 開始對Q0.0輸出的高速脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù), 關(guān)閉進(jìn)料口, 開啟出料口。啟動(dòng)Q0.0脈沖輸出, 判斷高速計(jì)數(shù)器HSCO的計(jì)數(shù)與預(yù)設(shè)值是否相等, 相等時(shí), 關(guān)閉出料口, 開啟進(jìn)出料口, 關(guān)閉高速計(jì)數(shù)器HSCO, 完成灌裝定量功能。
圖4 灌裝定量流程 下載原圖
4 結(jié)論
本文介紹的灌裝定量方法已應(yīng)用到直列式全自動(dòng)液體灌裝機(jī)中, 該直列式液體灌裝機(jī)具有8個(gè)定量缸, 每次灌裝過程能完成8瓶液體灌裝, 灌裝生產(chǎn)速度快, 灌裝精度非常高。實(shí)際測量數(shù)據(jù)表明, 利用該液體灌裝機(jī)灌裝2L的果漿液體時(shí), 精度誤差能達(dá)到千分之一以內(nèi), 灌裝精度提高, 效果顯著。相對傳統(tǒng)的稱重式液體灌裝機(jī)[10], 該直列式液體灌裝機(jī)無需使用稱重傳感器來實(shí)現(xiàn)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(jī)已在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)行了半年以上, 客戶反映, 該液體灌裝機(jī), 灌裝精度高、灌裝速度快、穩(wěn)定性好。該灌裝定量方法的實(shí)現(xiàn), 提高了液體灌裝機(jī)的灌裝精度、速度, 從而提高了生產(chǎn)效益。