基於PLC和DSP的全自動液體灌裝秤儀表機的設計

介紹基於 PLC 和 DSP 的全自動液體灌裝秤儀表機的設計，該設備采用電機伺服控製技術、步進控製技術、PLC 技術、DSP 技術、人機界麵等技術實現了對不同規格容器的全自動灌裝，並精確控製灌裝質量;

與工業發達國家相比，我國灌裝機整體水平比較落後。與國外產品相比仍存在很大的技術差距，主要體現在: (1) 自動化水平和控製水平較低; (2) 產品規格不全，成套性差; (3) 單機性能不穩定。為此，設計了一種基於 PLC 和 DSP 技術的全自動液體灌裝秤儀表機。文中詳細介紹了該機控製係統的原理。

1 灌裝機工作原理

一般液體灌裝生產線由灌裝機、旋蓋機、封口機、噴碼機組成，整個生產線由傳送帶貫穿始終，負責容器的運送。灌裝機是這條生產線的主要設備，其性能對於整個生產線的功能及效率起到決定性的作用。為了提高灌裝機的性能，設計了由基於 DSP 的伺服 控 製 係 統、步 進 控 製 係 統、可 編 程 控 製 器(PLC)、人機界麵、傳送帶變頻調速係統、增壓氣動部分及光電傳感器等組成的機、氣、電一體化自動控製係統。

該機采用可編程邏輯控製器 (PLC) S7- 300 和DSP 作為其控製主體。在硬件連接上，PLC 作為控製係統中的下位機，與各種底層設備直接聯係。PLC 與上位機通訊、獲取產品資料和生產參數，以及依據生產線中各種傳感器，控製灌裝頭的動作邏輯，控製灌裝傳送帶的速度，驅動步進電機控製灌裝頭的調整，實現二維精確定位及灌裝進口擋板的精確定位; DSP依據 PLC 給出的灌裝容積，完成伺服驅動及灌裝容量的補償，驅動增壓液壓缸動作，實現灌裝容量的調整，同時通過補償算法計算出的補償容積信息，加入到灌裝容量的調整中。在可編程邏輯控製器的軟件方麵，按照生產線的工作流程，利用其專門的程序編製軟件，使用梯形圖形式編製了生產線控製程序，並寫入可編程邏輯控製器內部，實現了生產線總體的控製邏輯和生產功能; 在 DSP 的軟件方麵，編製了容量計算及伺服係統控製程序; 網絡控製部分包括一台計算機 (上位機) 和下位機 (PLC)，其中計算機作為控製係統的上層，實現全廠多台灌裝機的控製和管理，專門麵向管理人員，主要用於灌裝容器的改變以及生成、打印和管理生產線的各種報表，顯示生產線的運行狀態，一旦出現故障，向管理員及時報告，必要時管理人員可通過該服務器遠程強行停止和啟動生產線的運行。

2 係統硬件設計

從整體布局方麵設計全自動灌裝機的幾大組成部分，灌裝機灌裝頭數為 6 頭，下麵介紹其主要組成部分。

2. 1 氣動係統

如圖 2 所示，該灌裝機采用氣缸控製來進行液體灌裝，通過控製閥 2 控製氣缸 10 推動儲油缸 12 上下移動，再通過單向閥 13 和單向閥 14 實現灌裝和將油抽入到儲油缸 12 內。通過換向閥 3 控製氣缸 11 使油嘴上下移動，確保灌瓶和灌好後脫開。灌完瓶後，再通過控製閥 4 控製氣缸 15 實現裝塞子。換向閥 5 控製氣缸 8 將欄杆推入來定位小瓶。換向閥 6 控製氣缸9 將欄杆推出使得小瓶沿輸送帶前行。兩個調速閥 7分別控製灌裝和裝塞子的速度。所有閥的動作均由PLC 開關量輸出。

2. 2 PLC 控製係統

PLC 對現場進行數據采集和控製。PLC 處於現場控製層，實現對現場各類信號進行采集和控製，其主要功能有: 與上位機係統通訊，采集並傳遞該灌裝機的信息; 在線連續采集液位、變頻器頻率等模擬量輸入信號; 實時采集泵、電磁閥、光電開關、接近開關、電動執行機構等開關量狀態信號，並根據運行要求輸出信號控製各種閥通斷; 再與 DSP 通訊，使 DSP控製伺服電機實現對罐裝容量的精確控製; 最終實現對係統的自動控製。

2. 3 數據采集及伺服控製係統

為了精確控製灌裝容積，該設計中采用位置伺服控製係統來精確控製活塞缸的行程，也就達到精確控製灌裝容積的目的。

灌裝液體的溫度、黏度變化導致的體積變化引起質量波動，它們之間是一種非線性的關係，DSP 采集液體黏度、溫度、壓力，通過一定的補償算法，實現活塞缸的行程補償，DSP 接收 PLC 發出的位置指令信號，把 PLC 給定位置與補償位置相疊加，作為位置的總給定，位置信號經位置環的複合前饋控製器調節後，形成速度指令信號，速度指令信號與速度反饋信號比較後的偏差信號經速度環比例積分控製器調節後產生電流指令信號，在電流環中經矢量變換後，由SPWM 輸出轉矩電流，控製交流伺服電機的運行。位置控製精度由旋轉編碼器每轉產生的脈衝數控製。

2. 4 步進控製係統

原有的灌裝機由於灌裝頭不可調節，灌裝單一，灌裝頭隻能對一個品種的瓶子進行灌裝，更換瓶子時調整困難，無法對不同高度瓶子實現快速調整，為此，設計了一種二坐標機械結構可實現灌裝頭水平位置及高度的調整，x 軸方向僅采用一個步進電機並可實現 6 個灌裝頭位置的等距同步調整。y 軸由一台同步電機提供動力，實現整個裝置可上下移動。

2. 5 網絡管理係統

PLC 通過現場總線 PROFIBUS- DP 和上位工控機實現通信。上位機監控人機交互界麵是向管理員提供生產線的工作狀態、監視和控製生產線的運行窗口，同時也為用戶提供了向生產線發布命令、設定工業參數的途徑，它由登陸部分、圖像顯示界麵部分和曆史記錄部分組成。

2. 6 觸摸屏係統

該設計中，在灌裝機上還安裝了觸摸屏與 PLC通訊，用於參數設置和運行狀態的現場顯示。采用ADP7. 0 (HITECH 公司提供的畫麵編輯軟件) 設計整個係統畫麵。主畫麵是觸摸屏的默認畫麵，由各功能按鍵進入各對應的子畫麵，進行係統的監控; 手動畫麵上設置若幹功能按鍵，分別對係統的每個動作進行手動操作; 同時還設置打開其它畫麵的功能按鍵，子畫麵也同樣; 自動畫麵上的啟動按鈕用於係統自動啟動，急停按鈕用於發生緊急情況時停止係統運行，複位按鈕用於故障解除之後係統複位和警報解除，並且設置若幹個指示燈用來顯示係統的運行狀態; 故障顯示畫麵顯示各類故障報警信號，當係統發生故障時立即彈出故障顯示畫麵，最新的故障排在最上麵，並按發生時間的早晚從上到下依次排列，滿屏時可由上下鍵控製信息的滾動顯示。

3 控製係統軟件設計

該控製係統的軟件設計主要是 PLC 和 DSP 程序設計

4 結論

該設計的創新點是運用了 PLC + DSP 的控製技術。采用 PLC 實現灌裝功能; DSP 實現灌裝容量的精確。本裝置具有操作方便、係統穩定、工作效率高、網絡功能強等優點，成功實現了液態灌裝機的自動化。

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