基于PLC的自动灌装系统设计

数控技术数字技术与应用161自动灌装系统简介自动灌装系统的应用范围比较广,主要应用在食品、日化、化工等领域。目前自动灌装自动化程度越来越高,大量使用电脑和机电一体化的控制方式,尤其是可编程控制器控制方式在自动灌装系统的应用较为广泛。国外的灌装系统发展比较成熟,以PLC控制系统为主流的自动化控制系统运行平稳、事故率较低。国内的灌装机发展比较晚,多数的灌装机性能比较落后,运行速度、稳定性、精度都比较低。2PLC控制在自动灌装系统的应用PLC对步进电机和伺服电机进行运动控制,主要应用于各种机床、自动化生产线和机器人等。PLC既可以进行单机控制,又可以进行多机联网控制,正在逐渐取代继电器电路控制,能够实现逻辑控制和顺序控制,在机床、自动生产线、电梯控制等领域应用广泛。灌装系统最大的特点就是系统动作复杂、连贯性要求高、具有较多的执行元件,不适合使用大量的中间继电器来进行系统的控制,PLC具有上百点的内部辅助继电器和大量的内部专用继电器,能够满足系统的控制要求。PLC控制的使用寿命和可靠性也比继电器控制方式要好很多。PLC应用在灌装系统上比使用其他的控制方式具有一些明显的优势,比如:PLC逻辑控制不需要进行硬件的修改。3自动灌装系统的整体设计首先根据系统的工艺流程和执行机构进行整体分析,灌装系统的机械机构主要由网带进瓶机构、导瓶机构、传送机构、灌装跟踪机构及灌装机构等构成,执行机构需要互相配合、相互协调,软件和硬件相结合才能够保证灌装系统的顺利进行。通过对执行机构的工作流程进行分析,设计和编译软件的实现过程。通过对各个过程进行连续动作过程的衔接控制和速度控制,其电气部分的控制系统主要包括输入控件、PLC可编程控制器和输出控件三部分。灌装系统的工艺流程如图1所示。传送带的速度控制需要考虑的因素很多,灌装瓶的水平和垂直跟踪,灌装停留的速度,灌装的一个周期主要包括5个工步:限位、垂直下降、同步灌装、垂直上升、回程；这5个工序配合传送带的速度控制和启动与制动的操作,就能够完成灌装机的自动控制。灌装传送作者简介:许晓,男,研究方向:机械工程与自动化,单位:国防科学技术大学。基于PLC的自动灌装系统设计许晓(国防科学技术大学湖南长沙410073)摘要:随着我国经济的快速发展,传统灌装机采用的继电器控制方式,自动化和集成化水平较低,已经不能满足生产自动化的快速发展。自动化生产线执行机构多、功能复杂,继电器控制方式不能够满足需要。PLC控制方式具有编程简单、抗干扰性强、工作可靠性高等优点,逐渐替代了继电器控制方式。本设计采用PLC控制方式,对自动灌装机的变频器和伺服电机进行编程控制,对硬件系统和软件系统进行系统设计,实现灌装系统的功能设计。关键词:自动灌装PLC设计中图分类号:TB486文献标识码:A文章编号:1007-9416(2014)03-0016-02导瓶灌装传送瓶加塞出瓶在线称量在线称量震荡理塞传送瓶图1灌装系统流程图图2自动灌装系统的总体设计方案图3自动灌装系统的I/O分配图4图5······下转第18页数控技术数字技术与应用18子连接。起弧时需通过隔离措施将高频高压的瞬时弧压信号隔离开,通过电感电容组成的LC滤波电路后,经测试隔离效果明显,再经过进一步的电容电感滤波,可将干扰降到非常低的水平。由于存在弧压正负接反导致系统损坏的现象,特使用整流桥堆解决这个问题。通过电阻进行分压得到在压频转换器处理范围内的信号。4主控制器设计4.1单片机对弧压信号的处理经分压板处理的弧压信号为频率信号,通过屏蔽双绞线电缆送到主控器进行处理。经过长距离的线缆传输后,弧压信号会夹杂着一些干扰信号,所以频率信号先通过电感和电容滤波后,再经过光耦进入单片机。弧压信号与单片机接口电路如图3所示。频率信号经光耦隔离送至单片机的P3.4,即外部计数器T0,T0对频率信号进行计数,定时器T1进行定时。由于弧电压转换的最大频率信号为500KHz,一般频率在300KHz左右,取定时时间T1=10ms,可以得到相当于12位分辨率的A/D转换器。利用V/F转换器和单片机组成VFC型A/D转换器,实现了模拟量到数字量的转换[3,4]。4.2直流电机驱动电路设计直流电机在起动、制动及调速等方面有着良好的性能。根据数控等离子坡口切割机工作的实际情况,选择直流电机作为割炬升降装置的工作电机。直流电机的额定电压为24V,额定功率为30W,转速150r/min。切割过程中割炬高度需要自动调整,割炬升降过程应平稳运行,不能产生大的振动。因此要求电机能实现正反转,并且转速可调、能够平稳加减速。另外,还应具有刹车功能,在紧急情况下能快速制动。为了实现上述功能,设计了驱动直流电机的H桥电路,并采用PWM方式控制直流电机的速度。PWM直流电机调速技术具有调速范围宽、精度高、响应迅速,结构简单和功率损耗低等优点。在满足精度要求的条件下,应尽可能降低控制的复杂度来提高产品的经济性。本文所用电机为小功率直流电机,选取H桥集成芯片BTM7710G作为电机驱动芯片。根据芯片的特点,选择了单极受限H桥驱动电路,如图4所示。其中,Q1、Q2、Q3、Q4为四个功率MOS管,Q1与Q4为一组,Q2与Q3为一组。首先从引脚IH1输入高电平,让开关管Q1一直处于导通状态,然后,从引脚IL2输入PWM脉冲信号,使Q4处于PWM控制状态,其余两桥臂处于截止状态。同理,我们可以让Q2导通,Q3处于PWM控制状态。STC单片机的PCA模块产生两路PWM控制信号,分别通过P1.3和P1.4输出,经过光耦隔离与驱动芯片的IL1和IL2相连接,单片机的P1.1和P1.4与IH1和IH2连接。直流减速电机驱动电路如图5所示。5实验结果(1)对分压板的性能进行测试,经50:1分压后的弧电压与输出频率之间的关系是频率与弧电压成正比例,误差在允许范围之内。(2)单片机产生的PWM信号通过高速线性光耦控制驱动芯片下桥臂开关管的通断,通过调整占空比来实现电机的平稳启动、停止以及速度的调节。电机启动时,设置PWM信号的频率为40.816KHz,通过改变占空比使电机能够平稳快速启动。经过联机实验,驱动电路性能良好,完全满足驱动要求。6结语本文针对数控等离子切割机的工作特点和现场实际情况设计了基于STC单片机的弧压高度控制器。其中,弧压信号采集采用V/F变换,VFC型A/D转换器具有结构简单、精度高、大大增强了信号传输过程中的抗干扰能力。减速电机驱动器设计运用PWM技术与H桥电路相结合,提高了控制可靠性。将控制器安装到数控等离子切割机上进行现场实验,结果表明:该控制器运行可靠、运行精度为±0.5V。参考文献[1]赵家政,陈宗恒,补家武.数控等离子切割机弧压式自动调高系统[J].仪表技术与传感器,2007,2:50-51.[2]蒋翔俊,张优云,邹爱成.模糊控制在数控火焰切割机自动调高系统中的应用[J].制造技术与机床,2008(6):87-89.[3]顾启民,周伟航.提高V/F转换测量综合性能的新方法[J].国外电子测量技术,2000,30(3):4-5.[4]党红社.用VFC和单片机组成高精度A/D转换器[J].电测与仪表,1995,11:29-31.[5]周文卫.直流PWM调速系统的研究[J].电气技术,2009(7):37-39.带系统总体设计方案见图2。4主要的I/O分配和系统控制单元自动灌装系统的I/O分配图,如图3所示。其中X0,X1,X2三个输入实现桶口位置检测,X3～X5实现整个系统的手动控制,X14,X15,X16实现灌装下降、灌装、关闭的顺序控制。Y0,Y1,Y2控制传送的启停机速度,Y3～Y11控制灌装过程。5灌装系统的调速系统设计根据灌装系统的自动化控制程序设计要求,进行灌装系统的传送带调速系统分析,实际系统调速的闭环控制程序,完成系统对于传送带速度的设计要求。设计的思路为在皮带高速稳步运行段,通过测每秒编码器发出的脉冲数来测得皮带的实际速度,把这个速度与设定的目标速度进行比较,设置相应的加减速,即可使得皮带稳速运行。5.1通过改变输出频率来控制速度通过改变变频器的输出频率来完成频率的输出要求,从而来控制速度。当X4处于闭合状态时,Y0输出一个300HZ的脉冲。当X4处于断开状态时,停止。5.2通过改变占空比来控制速度(如图4)通过改变频率的占空比可以对发出的脉冲进行调整,从而进行传送带的速度调整。为了方便的利用程序来控制变频器的输出频率,选用PLC的PWM输出功能来控制变频器的输出,这样一来,只需改变PLC输出的PWM波形的占空比,即可改变变频器的输出频率,最终到达对电机调速的目的。当X6闭合时,在指定的通道CH0中,Y0输出周期502.5ms、占空比为50%的波形,其中,K1为周期控制字,K500代表占空比,最后的K0是代表CH0通道(如图5)。6结语本文通过对自动灌装系统的调研,PLC应用于自动灌装系统具有明显的优势,通过对系统进行总体设计和不同功能单元的控制,重点对自动灌装系统的传送带调速系统进行了设计分析,完成了自动灌装系统的功能设计。参考文献[1]雷新利,赵忠.基于PLC和触摸屏的灌装系统设计[J].机械与电子,2007(09).[2]唐国兰.基于PLC的高速全自动包装机控制系统的应用研究[D].广东工业大学,2004.[3]李玉琳.灌装机控制系统及关键技术研究[D].武汉理工大学,2010.[4]马银戌,陈港殿.灌装机的PLC控制系统设计[J].食品科技,2009,34(8):83-84.······上接第16页