Lenze 9400伺服PLC在瓶灌装机上的应用

1 引言

在现代社会中，瓶灌装生产线广泛应用于食品、医药、日化等行业，灌装生产线水平的高低直接关系着产品的质量和生产的效率。随着经济的发展和科学技术的突飞猛进，特别是自动化、智能化技术的广泛应用，瓶 灌装机行业受益匪浅。目前，瓶灌装机市场需求庞大，国内外生产厂商众多，竞争极为激烈。面对竞争激烈的市场，如何降低成本，提高生产线技术水平成为众多企业的迫切需求。

为降低成本、提高技术水平，电子凸轮取代机械凸轮的使用成为一种趋势。电子凸轮的使用极大地降低了生产成本。一般来说，一种电子凸轮对应一种瓶灌装产品，对于需要灌装多种规格瓶子的生产线，需要在伺服驱动器中预置对应数目的电子凸轮曲线，但对于计划外的瓶子灌装则无能为力。Lenze公司推出了9400伺服PLC，采用在线电子凸轮曲线计算的方式解决了这个问题，本文以灌装半固体物质的瓶灌装机为例，提出了电子凸轮CAM在线计算的解决方案。

2 设备主体结构

设备主体部分主要由运输链、大盘、托盘和灌装喷嘴等机械部件组成。运输链：灌装时，将灌装瓶送至灌装处；灌装完毕后，再将已完成灌装的瓶子运走；大盘：大盘转一圈完成一个工位瓶子的灌装，即一个瓶子灌装完毕后，大盘转一圈，将此瓶从灌装位置移出，同时将下一个瓶子移至灌装喷嘴所处的灌装位置，准备进行下一个瓶子的灌装；托盘：托举瓶子，由伺服电机驱动控制，可以进行精确的CAM位置升降运动；灌装喷嘴：形状为一细长圆柱喷嘴。每一工位瓶子进行灌装时，通过设备控制喷嘴一定的液体流量。

灌装的主要时序如下：设备灌装时，首先通过运输链将瓶子运送至灌装处，自动装至托盘；灌装喷嘴位置保持不动，由伺服电机控制托盘上升使瓶底接近喷嘴位置；灌装时，液体在固定压力下从喷嘴流出，灌装喷嘴位置固定，伺服电机控制托盘瓶子根据CAM曲线位置自动下降，使喷嘴与液面始终保持固定位置；灌装完毕后，大盘转动一圈，使灌装完毕的瓶子移向传输链，并由传输链送走，同时将下一个空瓶子移至喷嘴所在位置，进行下一个瓶子的灌装。

此外，也有其他灌装设备采取托盘瓶子位置固定，通过控制喷嘴的上升、下降位置、速度来控制瓶子灌装。虽然机械结构有所不同，但原理大同小异，均使用伺服电机控制位置，以保持灌装时喷嘴和瓶内液面的位置不变。

3 主要难点

为提高产品的多样性和竞争力，大部分客户设计或选用不同形状的瓶子用于产品包装，作为其提高市场吸引力，进而提高产品竞争力的一个重要举措，但这也增大了瓶子灌装的难度。

由于灌装所用材料大部分为液态或半固态的物质，且有不同的颜色，为保证整体产品的质量，灌装时，须保持喷嘴与瓶内液面的位置恒定。若灌装时，喷嘴与瓶内液面位置快速脱离或者接触上，容易导致灌装物质在瓶内喷溅或者瓶内产品的内部会有气泡，这样就会影响产品外观及质量。因此如何建立方程或者曲线，通过驱动器控制实现灌装CAM曲线，保证灌装质量，是灌装需要考虑的重要问题。

此外，一般来说，一种形状的瓶子对应一种灌装CAM曲线。在实际应用中，客户经常会使用不同形状的瓶子，按常规考虑，则需要在驱动器中预存不同的CAM曲线，但这意味着只能灌装在驱动器中预存形状的瓶子，一旦遇到其它形状的瓶子，除非修改曲线，否则影响灌装质量。但在终端客户那里，这会极为麻烦。因此如何建立一种方程，使之适应绝大多数形状的瓶子，也是一个主要的难点。

4 解决方案

Lenze 9400伺服PLC提供了解决问题的主要载体，9400伺服PLC除具备伺服器的功能外，还兼具PLC的功能，可以进行自由编程。这样，只要建立了合适的方程，就可以通过9400伺服PLC以CAM方式实现，以解决灌装中存在的问题。

4.1. 产品介绍

9400伺服PLC是Lenze公司推出的一款伺服控制器，也是Lenze最高精度系列产品之一，能为系统处理和过程控制提供革命性技术方法。主要特点如下：

1) 较高的运算速度及控制精度

控制器采用32位处理器，极大地提高了运算及控制精度。

2) 兼容PLC编程功能

9400伺服PLC具备PLC编程功能，可灵活实现客户不同的需求。同时，PLC运行扫描时间极为迅速，快达1ms。

3) 通讯兼容性

通过选择不同的通讯模块，9400伺服PLC可以快捷地与第三方PLC或者其他伺服驱动器通讯，如Profibus-DP、ProfiNet、EtherCAT等模块。

4) 可集成的安全技术

可选的可插拔安全模块可满足IEC 61508SIL3安全标准的要求。模块化的解决方法，对于满足将来可能进一步增加的安全要求也提供了可靠的保证。

4.2. 系统配置

系统配置如图1所示。9400伺服PLC驱动器驱动同步伺服电机控制托盘的上下运动，电子凸轮CAM曲线由9400伺服PLC在线计算，并存储在9400伺服PLC中。大盘上安装一个SSI绝对值编码器，编码器信号接入9400伺服PLC X8接口中，作为CAM曲线的主轴信号，大盘转一个工位，编码器则旋转一周。