摘要: 本文講述如何利用臺達機電產品實現液體灌裝機的自動化生產控制。文章先介紹設備結構、電氣架構圖及選型說明，然后詳細闡述設備工作原理及程序說明。實際運行證明該系統性能穩定可靠，有較高應用價值，得到最終客戶的認可。
關鍵詞：設備結構、電氣架構、變頻器、PLC
1 引言
液體灌裝機廣泛應用于食品，飲料，化工，醫藥等行業，是目前應用非常廣泛的包裝機械之一。現代社會對于灌裝設備的安全要求越來越高，要求灌裝出的食品、飲料、藥品或其他化工產品整齊、美觀且具有良好的包裝質量，相應的灌裝機運行穩定性，維護的方便性，灌裝的精度、速度是衡量灌裝機控制系統好壞的重要性能指標。
傳統的繼電器控制設備不僅體積大，耗電多、效率低且故障率高，已無法滿足現代生產快速反應、精確度高且連續穩定運行時間長的要求。可編程序控制器（簡稱PLC）是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。具有通用性好，可靠性高，安裝靈活，擴展方便，性價比高等一系列優點，基于PLC和變頻器等機電產品的控制系統可以很好地滿足當前現代生產的需求。
臺達目前可為客戶提供PLC控制器、人機界面、變頻驅動器、伺服驅動器、數控系統等系列自動化產品，可以向客戶提供完善可靠的機電一體化解決方案。本文介紹的系統實現灌裝機的機械結構裝置與PLC、變頻調速、人機界面等現代自動控制技術手段的完整結合，形成機電一體化。
2工藝分析
以瓶裝飲料為例，液體灌裝機的工藝如下：用以裝液體的瓶子通過撥瓶星輪由沖瓶機導出并傳送至灌裝機。進入灌裝機的瓶子由瓶頸托板卡住瓶口保持，并通過升降機構在凸輪作用下實現上升與下降。灌裝機采用重力灌裝方式，瓶口上升頂開灌裝閥開始灌裝，當物料上升到堵住回氣孔位置時結束灌裝。灌裝結束后瓶口下降離開灌裝閥，瓶子通過過渡撥輪進入旋蓋機。旋蓋機上的止旋刀卡住瓶頸部位，保持瓶子直立并防止旋轉。旋蓋頭在旋蓋機上保持公轉并自轉，在凸輪作用下實現抓蓋、套蓋、旋蓋、脫蓋動作，完成整個封蓋過程。落蓋導軌上設有防止反蓋通過及反蓋取出機構，同時裝有一組光電開關，當落蓋導軌上無蓋時會自動停止機器運轉，可以有效的避免無蓋瓶的出現。同時，落蓋導軌上還設有旋蓋機進瓶
檢測開關，與落蓋導軌和撥蓋盤連接處的鎖蓋氣缸連鎖控制瓶蓋的排出，保證無瓶時停止喂蓋，減少蓋子的損耗。
基本流程為：沖瓶機導出瓶子--à灌裝機-à上升-à重力灌裝-à下降-à進入旋蓋機封蓋-à進入傳輸帶。系統需設置檢查點防止空送、漏蓋、漏瓶或者上蓋錯誤等。
3 設備結構介紹
此設備結構如下圖，由電機驅動動高精度食品級的不銹鋼齒輪泵，通過PLC控制變頻器的速度來精確控制灌裝量的多少，主要用于飲料等液體的灌裝。
圖1 設備全圖
圖2 齒輪泵結構
4、電氣架構圖及選型說明：
根據客戶的設備小巧緊湊的特點，我們給客戶配置了以下產品
1. PLC: DVP14SS11R2*1
2. 人機界面：TP04GAS2 或 DOPAS57BSTD
3. 變頻器: VFD007EL21A
4. 其它電氣配件
圖3 電氣架構圖
選型說明：
臺達EL變頻器體積小巧，功能強大，并內置EMI
濾波器，十分適合用在食品及藥機行業，EL內置面板，且所有型號變頻器都具有RS485接口，通訊協議為國際標準的MODBUS ASCII/RTU，通訊接口為RJ11/RJ45，通過485通訊，可以節約客戶成本，減少客戶外部的接線，還可以實時了解變頻器的狀態（如輸出電流，頻率，故障代碼）。本文中變頻器的頻率通過臺達14SS11R2 PLC通訊給定，通訊協議為38400，7，E，1，ASCII碼；運行停止考慮到安全問題，通過外部端子控制。
選用14SS的原因，首先客戶是被其“小身材”吸引，從上圖還以看出，客戶的設備由于常常是一條大生產線上的一個工作站，因此整體設計得十分緊湊，14SS在設備中占用的空間十分小；其次，14SS還標配兩個通訊口，一個RS232和人機界面通訊，另一個RS485口和臺達EL變頻器通訊，相得益彰，既充分利用了各產品的功能，成本是也沒有增加。如果選用其它廠牌PLC，要不加裝通訊卡，要不加DA模塊，才可控制變頻器的速度，無論從成本上，還是安裝的尺寸上，都不經濟。而全套臺達產品，可以給客戶提供更靈活的功能組合，更佳的性價比。
5、設備工作原理及程序說明
灌裝模式分為手動和自動兩種模式。
手動模式下，按一下啟動鍵，變頻器以設定的高速頻率運行，同時PLC開始計數，當計數值達到低速爬行的值后，通訊控制變頻器以低速運行，直到計數值到達設定的容量后，變頻器停止，灌裝完成，等待下一次啟動信號，此模式主要用于試生產。
自動模式，和手動過程一樣，只是當一次灌裝結束后，不需再按啟動按鈕，而是等待設定好的時間后，再自己啟動，適合和生產線配合使用。
人機界面根據最終客戶的要求可以配臺達的TP04G文本，也可配臺達的
觸摸屏產品。界面主要用于設置工作模式（手動/自動）和運行參數，主要是運行速度，爬行速度，速度切換點。界面的設計以方便人員操作為首要因素。以下以觸摸屏介紹操作畫面。
主畫面：
直觀顯示當前的參數設置，并可隨時調整，如工作模式，灌裝量，速度，并且以柱狀圖顯示液位當前的狀態，對操作人員來說，醒目方便。主畫面如圖4所示：
圖4 主畫面
低速爬行點設置畫面：
對于不同容量的瓶子，低速爬行點是不同的。設置畫面如圖5所示：
圖5 爬行速度及速度切換點設置
特殊參數：
齒輪泵運行一段時間后，其密封性能會下降，導致灌裝量有偏差，因此，在程序中，我們提供一個系數給客戶微調，以消除此問題。特殊參數設置畫面如圖6所示。
圖6 特殊參數設置畫面
自學習功能：
為了方便客戶換產品時，不知道當前容器的容量時，我們在程序中加入的學習功能。首先，客戶先進入人機界面的學習畫面，然后一直按住啟動鍵，電機就一直以一定速度運行，同時文本或觸摸屏上顯示當前實時的灌裝量，當瓶子快灌滿時，松開啟動按鈕，再按人機界面上的保存按鍵，灌裝量就保存了下來。這種功能尤其適合為異型容器。
自學習功能設置畫面如圖6所示。
圖7 自學習功能設置畫面
PLC程序：
由于客戶要灌裝的產品種類很多，如果換了產品要重新輸入參數，對客戶來說費時以費力，因此，我們在PLC程序中為客戶做了20組配方。臺達觸摸屏本身也提供配方功能，而且功能十分強大，可以節約PLC的程序和空間。在此設備中，配方之所以做PLC中，是因為客戶的界面有時會換文本，為了程序的統一，就全做在PLC中了。PLC做配方的功能實際是通過變址尋址功能實現的，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塊話，方便維護；二是，子程序只在需要時（如修改參數后）才被主程序調用，因此，可以使設備在正常工作中，PLC的掃描周期最短，可提高灌裝的精度。
其標準梯形圖程序如圖8所示：
圖8 標準梯形圖程序畫面
主菜單畫面如圖9所示：
圖9 主菜單畫面
6 結束語
通過使用全套產品，使該設備電氣架構簡單，功能豐富，性價比也很高。從去年開始，該機已批量采用臺達產品，性能穩定可靠，得到最終客戶的認可。并且由于設備廠的客戶多在海外，得知臺達提供全球聯保的品質服務，這進一步加強了客戶的信心與滿意度。
