聚氨酯密封胶是一种高强度室温湿气固化的粘合剂，它具有弹性好、粘接性好等优点，广泛应用于汽车玻璃粘接、车身密封、船舶、机械、电子、军工、建筑等众多的领域。 该密封胶在常温及生产过程中呈高粘度的软膏状，流动性差，粘度大，按工艺要求灌装到包装大桶中难度很大。 多年来业内采用的传统灌装方式大部分工作靠手工完成，灌装效率低，劳动强度大，灌装精度差，难以实现自动化生产。

基于 PLC 及智能称重仪表， 应用 PLC 与智能仪表的串行通信技术，采用电液比例控制，解决了密封胶灌装过程的控制难点， 采用大桶下降式灌装方式，实现了灌装过程自动化。

1 密封胶灌装系统

目前，业内采用的传统灌装方式是一种灌装桶固定、大桶内灌装压盘及灌装橡胶软管随着桶内胶量增加而上升的灌装方式。 这种灌装方式具有橡胶软管需频繁更换、灌装劳动强度大、每桶的灌装量误差大于1kg 、灌装一致性差等缺点。

为此，研制了灌装管和压盘固定不动、灌装桶随桶内胶量增加而自上向下移动的大桶下降式自动灌装机。

胶泵（ MAAG 泵）出胶管为倒 U形不锈钢钢管，固定于灌装机的大桶上方。 制胶机出胶口与胶泵之间紧密连接，如同一体。 放置大桶的底盘与两侧的液压系统导杆连接，随两侧液压缸内导杆的上、下移动同步移动，通过电液比例调节阀控制液压导杆的移动速度 ［ 1 ］ 。

整个灌装过程在 PLC 控制下，按照复杂的控制算法，由电液比例控制系统完成。

灌装时将空桶放在处于换桶位（最低位置）的托盘上，换桶位光电开关检测到大桶的存在，如果此时按下“启动”按钮，进油电磁阀打开，同时油泵运转，在油压作用下活塞杆上升，空桶随托盘同步上升。 空桶上升至其桶底与压盘距离 10mm 时，上位光电开关动作，关闭上升电磁阀及油泵，空桶停止上升。 然后打开胶泵，密封胶自倒 U 型管缓慢挤入大桶内，根据控制策略，在 PLC 及比例阀的计算、控制下，大桶缓慢下降，至胶满位置时，胶满位光电开关得到信号，关胶泵，下降一定距离后，进行刮胶，刮胶完毕后全速降至最低位置，最后换桶，一个灌装循环完成 ［ 2 ］ 。

2 控制难点与控制策略

2.1 控制难点

由于在整个灌装过程中，胶泵的出胶量是不均匀的，因此，灌装时大桶的下降速度不是匀速运动。 当出胶速度快时，大桶的下降速度就要适当加快，否则，过多的进胶量就会自压盖与大桶内壁间的排气缝隙溢出，造成大桶灌装量难以控制，使灌装过程失败；而当胶泵出胶速度减慢时， 大桶下降速度亦要适当调慢，否则，空气就会自压盖与大桶内壁间的排气缝隙进入大桶，使桶内胶中混有空气，造成产品质量不合格，甚至成为废品；同时，在下降过程中，托盘的载重随着桶内胶量的增加越来越重。 因此，灌装时，大桶下降速度要在比例阀的控制下，随胶泵出胶速度的变化进行及时调节，这是该灌装系统的控制难点。

2.2 控制策略

密封胶制胶机为美国 某 公司生产的 HPB-550 型高性能混合搅拌设备 ［ 3 ］ ，制胶机（含胶泵）的四角分别安装在 某公司（美国）的 4 个 7300 型称重传感器上，制胶机及所生产的密封胶总重量由某公司的 Model 355I.S. 型智能称重仪表精确测量，出胶量可由称重仪表精确测出。 最初，试图采用在自动灌装机大桶托盘下安装称重传感器的办法测出灌装重量，但由于灌装下降过程存在冲击、 振动等多种干扰因素，实际测得的数值波动很大，无论如何处理都难以精确求得灌装过程的灌装量。 为此，采用了通过智能称重仪表与 PLC 高速通信的办法，获得了大桶灌装量 Q 的准确值。

为了对灌装下降过程进行有效控制，并取得一定的灌装精度，必须使大桶下降速度与胶泵的出胶速度相匹配。

在灌装过程中， 设在某时间间隔 Δt 内胶泵出胶量为 ΔQ ，大桶下降的高度为 Δh ，大桶的底面积为 S ，密封胶密度为 ρ ，在灌装下降过程中，应保持：

左侧Δh/Δt为在 Δt 时间内大桶下降的平均速度，右侧中的ΔQ/Δt为胶泵在 Δt 时间内的平均出胶速度。 当Δt→0 时，有：

上式左边的微分项dh/dt为某一时刻大桶下降的瞬时速度， 右边的微分项dQ/dt为同一时刻胶泵的瞬时出胶速度。

欲在灌装过程中既不使空气进入大桶又不致于使密封胶自桶内四周缝隙溢出，大桶下降速度与胶泵出胶速度应满足上式。

在控制程序中，只要取 Δt 足够小，就可以保证每桶的灌装精度。

由于灌装过程下降速度很慢（每分钟 2cm 左右），根据灌装调试经验， 取 Δt=1s ， 就可以既保证灌装成功，又能使灌装精度达到要求。 Δt 也是 PLC 对比例阀进行调节的时间间隔。

成功的灌装过程实际上是一个大桶下降速度跟随胶泵出胶量变化的随动过程。

在灌装下降过程中，以胶泵出胶量 Q 为控制系统的输入，采用 PID 调节原理 ［ 4 ］ ，调节比例阀流量以控制大桶下降速度 V ，实现闭环控制。

 

图中， h 由直线位移传感器测得， Q 由制胶机的称重仪表测得，并通过称重仪表与 PLC 的高速串行通信传送给 PLC 。 大桶的灌装量为 ρSh ，实时控制保证 h 的精度，就可以保证灌装量的精度。

3 控制系统硬件[5-6]

根据工作原理与控制策略， 以 PLC 为控制核心，组建控制系统。

 

根据系统规模， 本着控制系统结构紧凑的原则，选用带两路模拟量输入、 一路模拟量输出、 2 个 RS-485 接口的西门子 S7-200 系列 PLC （ CPU224XP ）即可满足系统要求。 一路模拟量输入信号为直线位移传感器信号，是一个由直线位移传感器测得的与灌装深度h 成正比的电压信号。 一路模拟量输出信号为比例控制阀输入信号，是一个与比例阀流量成正比的电压信号。 由于选用的电液比例控制阀为带压力补偿的流量控制阀，因此可以在负载变化的工况下，获得稳定的调节流量。

 

 

自动灌装过程电控系统的工作原理： 将空桶放在换桶位（最低位）时，如果桶位正常，则换桶位光电开关CK 导通，此时按下工作开始按钮 SB4 ，油泵马达起动，空桶上升，如果桶位不正常，则按下 SB4 也无动作，避免了桶位不正上升时卡桶事故的发生； 当上升至最高位时，高位光电开关 HK 导通，关闭油泵，停止上升，PLC 进行灌装前的参数初始化计算；适当延时后，胶泵打开，密封胶进入空桶底部，此时 PLC 采集到灌装深度信号，通过串口通信不断获得胶泵出胶量，按照控制策略，随着胶量的增加，大桶缓慢下降，完成整个灌装过程。

4 PLC 与智能称重仪表串行通信的实现

4.1  PLC 通信协议及参数设定 ［ 7 ］

西门子 CPU224XP 模块集成了 2 个串行通信的RS-485 标准接口，将其中一个用于程序开发、调试，另一个用于同称重仪表通信。

4.1.1 字符数据格式

S7-200 采用异步串行通信方式，传送字符数据格式有两种： 10 位字符和 11 位字符。 此处采用 11 位字符数据， 1 个起始位、 8 个数据位、 1 个偶校验位、 一个停止位。 传输速率为 9600bps 。

4.1.2 通信协议

S7-200 支持多种通信协议，协议定义了主站和从站两类通信设备。 主、从站间的通信协议有 PPI 、 MPI 、Profibus3 个标准协议和一个自由口协议。 根据智能称重仪表的通信情况，本控制系统采用自由口协议。 当选择自由口模式且主机处于 RUN 方式下， 用户可通过发送 ／ 接收中断、发送 ／ 接收指令编写的程序来控制串行通信口的运作。当主机处于 STOP 方式时，自由口通信被终止，通信口切换到正常的 PPI 协议操作。 通信协议在通信程序中由 SMB30( 通信口 0) 或SMB130（通信口 1 ）设置为允许自由口通信模式。

4.1.3 参数设置

CPU224XP 自由口通信模式的通信参数由串口 1初始化子程序设置。 设置内容包括通信协议、波特率、字符数据格式等内容。

4.2 智能称重仪表通信协议及参数设定 ［ 8 ］

Model 355I.S. 型称重仪表仅有 2 个 RS-232 通信口 COM1 、 COM2，无RS-485 接口。 使用 COM2 口作为与 PLC 的通信口，通过一个有源 RS-232/485 转换器，实现 PLC 与称重仪表的串行通信。

4.2.1 通信协议

Model 355I.S. 型称重仪表可预置 13 种标准传输格式或根据需要定制传输格式，灌装过程仅需要某一时刻制胶机的总重量，为减少与 PLC 之间通信帧的长度，采用定制传输格式。 该仪表通信时的字符、数字字母全部采用 ASCII 码形式，用到的控制字符很多，使用时可从仪表手册查得。

为了简化 PLC 的通信程序，将 Model 355I.S. 设置为远程主指示器模式。 Model 355I.S. 将按定制传输格式连续地向 PLC 发送数据， 而 PLC 以中断方式定时接收数据。采用最简单的传输格式，如“ □□□□1345.7□kg□Net ”，共 17 个 ASCII 码，其中有 6 个空格、 5 个数字、 1 个小数点、 5 个字母。 重量数据定义为带一位小数的 5 位数，单位为 kg 。

4.2.2 参数设置

为实现 Model 355I.S. 与 PLC 自由口的通信，通过仪表键盘对 Model 355I.S. 相关参数进行设置。

 

其它参数使用默认值，与 PLC 保持一致。 完成设置后， Model 355I.S. 就具备了与 PLC 通信的基本条件。

4.3 PLC 通信程序的设计

自由口接收数据既可以采用自由口接收指令，也可以使用接收字符中断控制来接收数据。 根据系统情况，采用中断方式。 端口每接收一个字符会产生一个中断，端口 1 产生中断事件 25 。 在执行连接到接收字符中断事件上的中断程序前， 接收到的字符存储在SMB2 中，奇偶校验状态存在 SMB3.0 中，通过中断访问SMB2 和 SMB3 来接收数据。

PLC 通信程序由串口 1 初始化子程序及自由口接收中断程序组成。 串口初始化子程序主要完成串口1 数据格式、 自由口协议及波特率等参数的设置等功能，通信中断程序主要功能是将来自 Model 355I.S. 的数据帧循环存放到缓存区中。 该缓存区由 85 个字节组成，可以循环存放 5 帧数据。 自由口缓存区由定时取数据中断程序提取有效的重量数据，并存放到另一个数据区，由数据处理子程序进行处理。

5 控制系统软件[9]

控制主程序完成自空桶位置检测到大桶灌装完毕的整个自动灌装过程。

 

6 结语

根据密封胶生产及灌装工序的特殊性， 对控制硬件、软件进行了大量的调试工作。 该自动灌装系统实现了预期的功能，每桶灌装误差控制在 200g 以下，且每桶的灌装量不再受生产工人操作水平影响，大大提高了大桶灌装量的一致性，解决了密封胶灌装过程的控制难点，克服传统灌装方式的缺点，实现了灌装过程自动化，降低了操作工人劳动强度，提高了生产效率，改善了劳动环境。 使用一年多证明，该控制系统运行稳定、可靠。

 

参考文献

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[3] CHARLES ROSS & SON COMPANY. HPB-550 HEAVY DUTY HORIZONTAL PADDLE BLENDER[M]. HAUPPAUGE USA,2010: 22-28

[4] 何衍庆，俞金寿，蒋慰孙 . 工业生产过程控制 [M]. 北京 :化学工业出版社 ,2005:103-106

[5] 张俊平 . S7-224 型 PLC 在片碱包装控制系统中的应用 [J]. 自动化应用 ,2010,(6):56-58

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[8] GSE Scale Systems. LOAD CELL DISPLAY GSE Mod-el 350/355 I.S. Technical Reference Manual [M]. Novi USA,2010: 18-19,39-54,84-89

[9] 廖常初 . PLC 的程序结构 [J]. 自动化应用 ,2011,(2):42-43

 

 

 

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