基于PLC在饮料灌装机控制系统中的应用设计方法

0 引言

饮料灌装机用于灌装各种各样的瓶装饮料, 适合大中型饮料生产厂家。早期的灌装机械大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方式。这些方式存在一些缺点, 例如: 罐装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。本系统采用的饮料分装计量是通过时间和单位时间流量来确定的, 计量精度由可编程序控制器( PLC) 控制确定, 通过人机界面———触摸屏监测运行状态, 可在线修改运行参数。PLC控制具有编程简单、工作可靠、使用方便等特点, 在工业自动化控制领域应用广泛。触摸屏是显示器和触摸开关一体型的可编程终端( PT) , 是新一代先进的人机界面产品。专为PLC应用而设计的触摸屏集主机，入和输出设备于一体, 适合在恶劣的工业环境中使用。

1 工作原理

饮料灌装机主要包括三大部分: 恒压储液罐、夹瓶及灌装头部分、变频调速传送带部分。主机的上部是恒压储液罐, 里面有上限位和下限位液位传感器,它们被淹没时是1状态。液面低于下限位时恒压储液罐为空。饮料通过进液电磁阀流入恒压储液罐, 液面到达上限位时进液电磁阀断电关闭, 使液位保持稳定。灌装设备生产工艺流程见图1。

图1 工艺流程图

恒压储液罐下面是夹瓶及灌装头部分, 共有24个灌装头。夹瓶装置由气压缸1驱动下降, 下降到位后, 夹瓶装置由气压缸2夹紧定位, 下降及夹紧由行程开关控制位置。定位夹紧后, 灌装头由气压缸3驱动下降, 到位后灌装头电磁阀打开, 开始灌液, 延时后电磁阀关闭, 通过控制电磁阀的开启时间达到灌装容量控制。

传送带电动机由变频器控制, 实现无级变速, 达到系统经济运行的目的。电机启动1 s后, 进瓶气缸缩回、开始进瓶, 3 s后出瓶处气缸4 伸出挡住空料瓶。进瓶处设置光电开关检测进瓶个数, 当检测到24个时, 出瓶处气缸5 伸出不再进瓶, 传送带电动机停止。这时, 灌装头下降到瓶口, 由通过触摸屏输入的时间使PLC控制灌装头的开启时间。灌装结束后, 灌装头上升, 夹瓶装置放松、上升。出瓶处气缸缩回, 传送带电动机又开始转动, 1 s后进瓶处气缸5缩回, 光电开关又开始检测进瓶个数。

2 硬件系统设计

2.1 系统框架

该系统既有开关量控制又有模拟量变频调速控制。设备既可以自动连续运行, 各运动点又可人工点动操作, 这样对应于各种操作的输入点、需要显示的动作状态信息输出点有很多。这些I/O信号如果采用电器按钮、指示灯显示的方式, 会大大增加硬件模块及电气连线, 相应故障率也会加大。我们采用PLC与触摸屏相结合的方案。触摸屏的画面是用专用的组态软件设计完成后, 再通过计算机的RS - 232C串行通讯口下载到触摸屏。PLC与触摸屏之间通过串行接口通讯, 连线简洁。系统框架如图2所示。

图2 硬件系统框图

2.2 I/O控制的设计

灌装设备共设计有数字量输入点13 个, 其中:气缸运动传感器10个, 液位传感器2个, 光电开关1个。数字量输出点35 个, 其中: 灌装头电磁阀控制24个, 气缸运动电磁阀控制10个, 储液罐电磁阀控制1个。

变频调速系统需要1个模拟量输入点和一个模拟量输出点。测速电机测量电机的转速, 电压值信号接入模拟输入点, 经过与给定值比较、PID运算, 运算结果从模拟量输出点输出, 作为变频器的控制信号,实现变频调速。

主控单元采用了SIEMENS公司的S7 - 200 系列的PLC 产品CPU224, 外加两个数字量扩展模块EM223和一个模拟量扩展模块EM235。触摸屏采用台湾产PWS3260型。

3 软件实现

3.1 软件总体功能

图3 是触摸屏软件控制程序框图。控制程序是用菜单形式编制的。自动功能包括: 运行、暂停、结束、复位等。手动功能包括: 所有运动部件的进、退、起、停等。利用ADP3组态软件中的交替性按钮功能编程。在按钮按下、抬起时分别对PLC相应的中间继电器置位, 使PLC实现对某运动部件的进退控制。初值设定: 按用户的需求, 任意设定转速、计数值等参数, 并对参数的上限进行监视, 一旦越界, 即给出提示。运行监视: 监视系统的各个器件状态, 如变频器、电机等的异常状态, 及时断电保护, 并给出报警提示。

图3 程序框图

3.2 PLC编程

采用西门子公司STEP7 - Micro /W IN32 软件, 在上位机上使用较为直观的梯形图或语句表按控制流程和控制算法进行编程, 程序编译成功后, 通过连接上位机和PLC的PC /PPI电缆将程序下载至PLC中。

4 结论

采用PLC - 触摸屏结合的电气控制方案并与机械、气动、传感器技术组合为一体, 使该灌装设备操作简单、性能可靠, 设备的可维护性和灵活性得到显著提高。