回转式灌装机的灌装定量有多种形式, 常用的有注塞式、容积式、液位式、称重式等多种方式。随着控制技术的提高, 称重传感器技术的成熟, 称重式定量灌装是回转式灌装机的发展趋势。称重式定量灌装很好的解决包装计量不准确的难题, 提高了包装定量的精度。

1 主电机控制

1.1 主电机控制的主要控制原理

主电机主要是通过变频器控制, 其控制原理框图如图 1 所示, 从图 1 可以看出, 主电机有灌装和清洗两个运行速度, 灌装速度通过PLC 中的模拟输出模块控制, 清洗速度由变频器参数设定, 运行模式由 PLC 给出。

1.2 主电机的主要控制要求

在变频器中设置最高转速, 第 2 转速( 清洗速度) 等变频器的必要参数。在人机界面上设置主电机运行页面, 包括运行状态( 灌装 / 清洗)、主机开、关, 灌装速度, 产量计数。主电机的运行受开机按钮、关机按钮和人机界面设置按钮的双重控制。

1.3 旋转编码器的选择

选用增量型编码器, 分辨率为 300 , 通过A 、 B 项加 Z 项复位计数, 对于 24 头灌装机,计数数据进行双倍频处理, 计数 25 为一个灌装回转工位周期。

1.4 设备零位和绝对零位

对于旋转编码器, 每旋转一周, 给 PLC 发送 300 个脉冲, 通过 Z 相发给 PLC 一个复位信号,使 PLC 中高速计数器从 1 计到 300 后复位,我们把 300 称之为绝对计数零位。

对于每台灌装机, 把 1 号灌装阀对准入瓶口,计数器复位开始计数称之为设备计数零位。在实际控制中, 由于编码器安装的位置是一个变数, 因此,不同的设备, 绝对计数零位不同。对于每一台设备, 需要进行设备零位的设置。

1.5 设备零位的寻找和设定

点动设备, 使 1 号阀对准入瓶口,将高速计数器 C 的数据传入寄存器 C 1中,寄存器 C 2 =300- C 1 , 寄存器 C 3 =C- C 1 ( C≥C 1 ) 或 C 3 =C 2 +C ( C

2 称重控制器的定量控制方案

如图 2 所示, 是两组利用称重控制器称重计量的控制原理图。采用称重控制器控制各个灌装阀的灌装, 对于回转运动的灌装料缸、灌装阀、称重平台等的接线简化了难度。

图中 AB 1 为控制器 A 1 的称重传感器, Y 1 为对应灌装阀的快速开阀灌装电磁阀, Y 2 为对应灌装阀的慢速开阀灌装电磁阀, IN 1 开始灌装信号( 脉冲), IN 2 为强制关灌装阀信号( 脉冲)。它们组成一个完整的控制系统。通过 RS485 对控制器进行参数设置、配方选择等。

2.1 碳刷滑环的设计要求及接线方法

灌装料缸、灌装阀、称重平台等是回转运动,灌装称重过程均在回转运动中完成, 根据图 2 所示, 控制器的控制信号线、电源线要通过碳刷滑环连接。

碳刷滑环的碳刷引线, 如表 1 所示, 碳刷引线共 9根,其中 B 1 、 B 2 为控制器 A 1 、 A 2 等的供电电源, B 3 、 B 4 为灌装开阀汽缸提供 DC24V电源, B 5 为控制器 A 1 、 A 2 等提供开阀信号,B 6为控制器 A 1 、 A 2 等提供强制关阀信号, B 7 为备用,B 8 、 B 9 是 RS485 的连线。

分段滑环解决简化接线问题, 由于灌装机有 24 个灌装头, 因此, 输入信号需要 48个,利用分段滑环 B 5 、 B 6 等份为 24段,结构示意图如图 3 所示, 分别接在 24 个控制器的 IN 1 和 IN 2上,进行灌装开阀和强制关阀。

值得注意的是, 滑环导体之间的间隔距离必须大于碳刷宽度, 否则, 无法将信号分开。通过表 1 和表 2 的接线, 巧妙的解决和简化了控制器的接线问题。

2.2 控制器的要求

称重控制器必须具有很强的抗干扰、抗震动能力, 提供一种常用的通讯协议。自动零位跟踪、上电自动清零、取皮。对控制器的所有参数、配方参数和配方选择, 快 / 慢加料及快加料百分比设定等能通过上位机调整。输入 IN 1 定义为灌装开阀开始脉冲信号( PNP ), 该信号的输入, 自动取皮称量,开始快加料( Out 1 =1 、 Out 2 =0 ) , 达到设定百分比后慢加料( Out 2 =1 、 Out 1 =0 ), 达到定量后, 关阀( Out 2 =0 、 Out 1 =0 ), 如果在未达到设定量, IN 2 有信号, 关阀( Out 2 =0 、Out 1 =0 ) 并报警, 上传到 PLC 。在人机界面上设定,通过 PLC 控制, 从 RS485 总线发送信号,对任何灌装阀进行开阀和关阀, 手动定量灌装功能, 对任意一个灌装阀进行称重灌装。

2.3 称重的控制

机器运行周期, 前面讲过, 灌装机每旋转一周, 编码器计数 600 个,每个工位 25 个数,即为一个机器运行工位周期。

根据 PLC 的编程指令, 高速计数器的值等于 24 个数据范围, 对中间寄存器输值, 这个中间计存器便产生周期性变化。如: 10+K× 25≤C 0 ≤15+K× 25 ( K=0 , 23 ) 成立, 令 M 0 =1 , M 0 在程序运行中, 随着 C 0 的变化周期性的规律变化。

灌装的控制, 检测到一个瓶子进来,根据机器周期移位 n位,n 为检测瓶子到灌装初位的工位数。根据第 n 位的状态, 通过 PLC 的 DO 1进行输出, 控制无瓶不开阀。只要机器运行, 通过 DO 2 输出强制关灌装阀。

2.4 称重控制器的调试方法

控制器的参数设置, 对于每一个控制器, 均要进行参数设置, 包括控制器地址、常用称重量程、快开阀比例值等参数的设置, 通信功能的调试。建立称重测试实验台, 利用灌装阀、称重托瓶机构建立称重测试实验台, 对每一个控制器进行测试, 调试到满意的效果后上机调试, 降低上机调试难度, 提高整机调试速度。

上机静态调试, 通过通讯总线,在机器停止情况下, 对每一个灌装阀进行定量灌装调试,调试出快开阀、量程参数, 记录数据。上机动态调试, 动态上机调试是称重调试的最后一步,必须在前三步调试完成后进行。

2.5 灌装罐内残留物料的回收

灌装结束后, 灌装罐内有剩余的残留物料,清洗之前进行回收, 减少浪费和环境的污染。在灌装称重画面, 设置物料回收按钮,选择该按钮后, 回收槽汽缸动作,灌装入口不再进瓶,液位控制关闭, 进料阀关闭。 PLC 根据旋转编码器的运行位置, 判断灌装阀的开闭状态,通过总线传送给控制器进行开和关灌装阀。

3  PLC 进行称重定量的控制方案

如图 4 所示, PLC 为控制核心, 称重传感器通过放大器将信号转换成 4- 20mA 的标准信号,经过 PLC 处理, 控制灌装阀的快灌装和慢灌装, 达到称重控制灌装。本方案的主要缺点是 PLC 处理的数据量比较大, 要求 PLC 运行速度、 A/D 转换模块精度采样周期高,对于一台设备,需要双 PLC 控制, 软件编程工作量大, 优点是接线简单。

碳刷滑环的设计要求及接线方法相对控制器方案比较简单, 如表 3 所示, 碳刷滑环的碳刷引线共 6根,其中 B 1 、 B 2 为 PLC 等的 DC24V供电电源, B 3 为无瓶检测信号, B 4 为备用,B 5 、B 6 是 PLC 与人机界面的 RS485 通讯连线。

4 灌装机液位控制(灌装过程)

4.1 灌装机液位控制原理

在灌装过程中, 料缸液位的稳定,可以提高灌装称重定量的精度。液位探测器采用电容式直杆连续检测和限位探头。含有抗冷凝屏蔽管,对物料粘结补偿能力, 使探头在粘结严重场合下亦能维持稳定, 精确的开关点, 无需对其进行清洗或重复标定等优点。

控制器采用模拟量输入输出模块, 其原理如图 5 所示, 物料进料控制采用气动薄膜阀,通过气电转换器 A2 控制物料的进量。

4.2 液位控制要求

在人机界面上建立液位探测器的参数设置画面, 设置液位探测器上下限位值,设置值、测量值。模拟量输入输出模块的参数表, PID 调节设置参数, 电流输出显示,采样次数, 输出频率等的设置, 根据该模块的技术数据的要求进行编程。

5 结束语

称重式定量灌装是一个发展方向和趋势,称重控制是一个完整复杂的控制系统, 对于各种回转式灌装机的称重控制有不同的要求, 不是一篇两篇文章能够解决的, 在具体的实现中,需要解决很多实际出现的问题, 本文只是对控制原理进行了论述, 仅供参考。

参考文献:

[ 1 ] 张有良 . 全自动高速纸箱包装机的设计及电气控制[ J ] . 包装与食品机械, 2007 , ( 6 ) .

[ 2 ] 张有良 . 码垛机械手的设计及电气控制[ J ] . 包装与食品机械, 2007 , ( 5 ) .

 

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