台达机电产品在液体灌装机上的应用

摘要: 本文讲述如何利用台达机电产品实现液体灌装机的自动化生产控制。文章先介绍设备结构、电气架构图及选型说明，然后详细阐述设备工作原理及程序说明。实际运行证明该系统性能稳定可靠，有较高应用价值，得到最终客户的认可。
关键词：设备结构、电气架构、变频器、PLC
1 引言
液体灌装机广泛应用于食品，饮料，化工，医药等行业，是目前应用非常广泛的包装机械之一。现代社会对于灌装设备的安全要求越来越高，要求灌装出的食品、饮料、药品或其他化工产品整齐、美观且具有良好的包装质量，相应的灌装机运行稳定性，维护的方便性，灌装的精度、速度是衡量灌装机控制系统好坏的重要性能指标。
传统的继电器控制设备不仅体积大，耗电多、效率低且故障率高，已无法满足现代生产快速反应、精确度高且连续稳定运行时间长的要求。可编程序控制器（简称PLC）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。具有通用性好，可靠性高，安装灵活，扩展方便，性价比高等一系列优点，基于PLC和变频器等机电产品的控制系统可以很好地满足当前现代生产的需求。
台达目前可为客户提供PLC控制器、人机界面、变频驱动器、伺服驱动器、数控系统等系列自动化产品，可以向客户提供完善可靠的机电一体化解决方案。本文介绍的系统实现灌装机的机械结构装置与PLC、变频调速、人机界面等现代自动控制技术手段的完整结合，形成机电一体化。
2工艺分析
以瓶装饮料为例，液体灌装机的工艺如下：用以装液体的瓶子通过拨瓶星轮由冲瓶机导出并传送至灌装机。进入灌装机的瓶子由瓶颈托板卡住瓶口保持，并通过升降机构在凸轮作用下实现上升与下降。灌装机采用重力灌装方式，瓶口上升顶开灌装阀开始灌装，当物料上升到堵住回气孔位置时结束灌装。灌装结束后瓶口下降离开灌装阀，瓶子通过过渡拨轮进入旋盖机。旋盖机上的止旋刀卡住瓶颈部位，保持瓶子直立并防止旋转。旋盖头在旋盖机上保持公转并自转，在凸轮作用下实现抓盖、套盖、旋盖、脱盖动作，完成整个封盖过程。落盖导轨上设有防止反盖通过及反盖取出机构，同时装有一组光电开关，当落盖导轨上无盖时会自动停止机器运转，可以有效的避免无盖瓶的出现。同时，落盖导轨上还设有旋盖机进瓶检测开关，与落盖导轨和拨盖盘连接处的锁盖气缸连锁控制瓶盖的排出，保证无瓶时停止喂盖，减少盖子的损耗。
基本流程为：冲瓶机导出瓶子--à灌装机-à上升-à重力灌装-à下降-à进入旋盖机封盖-à进入传输带。系统需设置检查点防止空送、漏盖、漏瓶或者上盖错误等。
3 设备结构介绍
此设备结构如下图，由电机驱动动高精度食品级的不锈钢齿轮泵，通过PLC控制变频器的速度来精确控制灌装量的多少，主要用于饮料等液体的灌装。

图1 设备全图

图2 齿轮泵结构
4、电气架构图及选型说明：
根据客户的设备小巧紧凑的特点，我们给客户配置了以下产品
1. PLC: DVP14SS11R2*1
2. 人机界面：TP04GAS2 或 DOPAS57BSTD
3. 变频器: VFD007EL21A
4. 其它电气配件

图3 电气架构图
选型说明：
台达EL变频器体积小巧，功能强大，并内置EMI滤波器，十分适合用在食品及药机行业，EL内置面板，且所有型号变频器都具有RS485接口，通讯协议为国际标准的MODBUS ASCII/RTU，通讯接口为RJ11/RJ45，通过485通讯，可以节约客户成本，减少客户外部的接线，还可以实时了解变频器的状态（如输出电流，频率，故障代码）。本文中变频器的频率通过台达14SS11R2 PLC通讯给定，通讯协议为38400，7，E，1，ASCII码；运行停止考虑到安全问题，通过外部端子控制。
选用14SS的原因，首先客户是被其“小身材”吸引，从上图还以看出，客户的设备由于常常是一条大生产线上的一个工作站，因此整体设计得十分紧凑，14SS在设备中占用的空间十分小；其次，14SS还标配两个通讯口，一个RS232和人机界面通讯，另一个RS485口和台达EL变频器通讯，相得益彰，既充分利用了各产品的功能，成本是也没有增加。如果选用其它厂牌PLC，要不加装通讯卡，要不加DA模块，才可控制变频器的速度，无论从成本上，还是安装的尺寸上，都不经济。而全套台达产品，可以给客户提供更灵活的功能组合，更佳的性价比。
5、设备工作原理及程序说明
灌装模式分为手动和自动两种模式。
手动模式下，按一下启动键，变频器以设定的高速频率运行，同时PLC开始计数，当计数值达到低速爬行的值后，通讯控制变频器以低速运行，直到计数值到达设定的容量后，变频器停止，灌装完成，等待下一次启动信号，此模式主要用于试生产。
自动模式，和手动过程一样，只是当一次灌装结束后，不需再按启动按钮，而是等待设定好的时间后，再自己启动，适合和生产线配合使用。
人机界面根据最终客户的要求可以配台达的TP04G文本，也可配台达的触摸屏产品。界面主要用于设置工作模式（手动/自动）和运行参数，主要是运行速度，爬行速度，速度切换点。界面的设计以方便人员操作为首要因素。以下以触摸屏介绍操作画面。
主画面：
直观显示当前的参数设置，并可随时调整，如工作模式，灌装量，速度，并且以柱状图显示液位当前的状态，对操作人员来说，醒目方便。主画面如图4所示：

图4 主画面
低速爬行点设置画面：
对于不同容量的瓶子，低速爬行点是不同的。设置画面如图5所示：

图5 爬行速度及速度切换点设置
特殊参数：
齿轮泵运行一段时间后，其密封性能会下降，导致灌装量有偏差，因此，在程序中，我们提供一个系数给客户微调，以消除此问题。特殊参数设置画面如图6所示。

图6 特殊参数设置画面
自学习功能：
为了方便客户换产品时，不知道当前容器的容量时，我们在程序中加入的学习功能。首先，客户先进入人机界面的学习画面，然后一直按住启动键，电机就一直以一定速度运行，同时文本或触摸屏上显示当前实时的灌装量，当瓶子快灌满时，松开启动按钮，再按人机界面上的保存按键，灌装量就保存了下来。这种功能尤其适合为异型容器。
自学习功能设置画面如图6所示。

图7 自学习功能设置画面
PLC程序：
由于客户要灌装的产品种类很多，如果换了产品要重新输入参数，对客户来说费时以费力，因此，我们在PLC程序中为客户做了20组配方。台达触摸屏本身也提供配方功能，而且功能十分强大，可以节约PLC的程序和空间。在此设备中，配方之所以做PLC中，是因为客户的界面有时会换文本，为了程序的统一，就全做在PLC中了。PLC做配方的功能实际是通过变址寻址功能实现的，并且做成了子程序。在此程序中，用了很多子程序，目的有2，一是可以使程序模块话，方便维护；二是，子程序只在需要时（如修改参数后）才被主程序调用，因此，可以使设备在正常工作中，PLC的扫描周期最短，可提高灌装的精度。
其标准梯形图程序如图8所示：

图8 标准梯形图程序画面
主菜单画面如图9所示：

图9 主菜单画面
6 结束语
通过使用全套产品，使该设备电气架构简单，功能丰富，性价比也很高。从去年开始，该机已批量采用台达产品，性能稳定可靠，得到最终客户的认可。并且由于设备厂的客户多在海外，得知台达提供全球联保的品质服务，这进一步加强了客户的信心与满意度。
【参考文献】
[1] 彭增良，PLC与变频器连接时应注意的问题[J]。电气时代，2004(8):90-9
[2] 郭宗仁等. 可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术. 人民邮电出版社，2002
[3] 台达全系列可编程序控制器 台达内部资料 2009
作者简介：张根军，从事工业自动化行业多年，具有丰富的行业应用经验。(end)