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       摘要：本文介紹了SYSMAC NJ系列新一代PLC在16軸直線灌裝機(jī)上的應(yīng)用，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及試生產(chǎn)，系統(tǒng)滿足了客戶的要求，運(yùn)行效果良好。
       關(guān)鍵詞：灌裝機(jī) PLC 電子凸輪
       1引言

       直線飲料灌裝機(jī)主要用于灌裝各種各樣的瓶裝飲料，適合于大中型飲料生產(chǎn)廠家。直線飲料灌裝機(jī)主要包括進(jìn)瓶、抓瓶、灌裝、擰蓋、抓瓶、出瓶等幾個(gè)步驟，在進(jìn)瓶階段，通過(guò)帶有10個(gè)固定夾的皮帶一次帶入10個(gè)瓶，在第一個(gè)抓瓶階段，10個(gè)抓手同時(shí)把10個(gè)瓶抓入輸送鏈，在灌裝階段，2組10根罐裝管分2次向10個(gè)瓶中罐液體，在擰蓋階段，一個(gè)伺服帶動(dòng)10個(gè)擰蓋機(jī)構(gòu)進(jìn)行擰蓋，在第二個(gè)抓瓶階段，把裝滿的10個(gè)瓶從輸送鏈中抓出，送上輸出皮帶，在出瓶階段，輸出皮帶送出已罐瓶，

       客戶原先用傳統(tǒng)的PLC開(kāi)發(fā)過(guò)直線灌裝機(jī)，各軸伺服通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制模塊進(jìn)行控制。各軸的動(dòng)作時(shí)序采用位置判斷，然后分別以一定的速度和位置啟動(dòng)各個(gè)軸的方式來(lái)完成。在過(guò)去3年中賣出過(guò)5、6套設(shè)備，運(yùn)行效果不好，發(fā)生異常停機(jī)的頻率很高，而且沒(méi)有暫停功能，每次停機(jī)都要全部重新尋原點(diǎn)，生產(chǎn)效率比較低。采用歐姆龍SYSMAC NJ系列新一代PLC進(jìn)行改造之后，用電子凸輪功能來(lái)替代以往的普通運(yùn)動(dòng)指令，故障率低，并且很容易完成“暫停”功能。

       2系統(tǒng)工作原理及控制需求 
       飲料灌裝機(jī)主要包括三大部分：恒壓儲(chǔ)液罐、夾瓶及灌裝頭部分、變頻調(diào)速傳送帶部分。主機(jī)的上部是恒壓儲(chǔ)液罐，里面有上限位和下限位液位傳感器，液面低于下限位時(shí)恒壓儲(chǔ)液罐為空，飲料通過(guò)進(jìn)液電磁閥流入恒壓儲(chǔ)液罐，液面達(dá)到上限位時(shí)進(jìn)液電磁閥斷電關(guān)閉，使液位保持穩(wěn)定。

 

       恒壓儲(chǔ)液罐下面是夾瓶及裝瓶頭部分，共有20個(gè)灌裝頭。夾瓶裝置由氣壓缸驅(qū)動(dòng)下降，下降到位后，夾瓶裝置由另一組氣缸夾緊定位，下降及夾緊由行程開(kāi)關(guān)控制位置。夾緊定位后，灌裝頭由第三組氣缸驅(qū)動(dòng)下降，到位后灌裝頭電磁閥打開(kāi)，開(kāi)始灌液，延時(shí)后電磁閥關(guān)閉，通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)啟時(shí)間達(dá)到灌裝容量控制。

  傳送帶電動(dòng)機(jī)由變頻器控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，達(dá)到系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。電機(jī)啟動(dòng)1s后，進(jìn)瓶氣缸縮回、開(kāi)始進(jìn)瓶，3s后出瓶處氣缸伸出擋住空料瓶。進(jìn)瓶處設(shè)置光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)進(jìn)瓶個(gè)數(shù)，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)數(shù)量后傳送帶電動(dòng)機(jī)停止。灌裝頭下降到瓶口，由通過(guò)觸摸屏輸入的時(shí)間，使PLC控制灌裝頭的開(kāi)啟時(shí)間。灌裝結(jié)束后，灌裝頭上升，夾瓶裝置放松、上升。出瓶處氣缸縮回，傳送電動(dòng)機(jī)又開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，1s后進(jìn)瓶處氣缸縮回，光電開(kāi)關(guān)又開(kāi)始檢測(cè)進(jìn)瓶個(gè)數(shù)。

       在本項(xiàng)目中，需要研究的重點(diǎn)課題有以下幾點(diǎn)：（1）電子凸輪代替時(shí)序控制；（2）暫停功能；（3）工位判斷；（4）回零停止；（5）急停保護(hù)；（6）曲柄的線性處理；（7）凸輪表的變換。其中，暫停功能和曲柄的線性處理是客戶以往舊設(shè)備未能實(shí)現(xiàn)的功能。 

       3系統(tǒng)解決方案

       3.1方案配置（見(jiàn)表1）

表1 系統(tǒng)方案配置表

 

3.2系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

 

（1）電子凸輪代替時(shí)序控制

  以“進(jìn)瓶水平”（MC_BottleInHorizontal）為例，主軸為虛軸，從軸為實(shí)軸。

  主軸以360為一個(gè)周期，進(jìn)行循環(huán)速度控制。主軸、從軸都在零位。從軸開(kāi)始的時(shí)候并不啟動(dòng)，而是在主軸位置到達(dá)285時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)，當(dāng)主軸位置到達(dá)360時(shí)，從軸停止。在下一個(gè)周期，主軸到達(dá)120的時(shí)候，從軸開(kāi)始返回（反轉(zhuǎn)），主軸位置到達(dá)220的時(shí)候，從軸停止（回零位）。進(jìn)瓶水平軸與主軸構(gòu)成的電子凸輪表。

 

  從圖6可以看到，主軸為0的時(shí)候，從軸也是0，而根據(jù)時(shí)序圖的要求，從軸的“0”應(yīng)該在主軸的“285”。顯然這樣的動(dòng)作是不正確的。這樣編制凸輪表的原因在于，NJ的電子凸輪表的起始點(diǎn)必須為兩個(gè)“0”，即主軸、從軸都從0開(kāi)始，

  解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是對(duì)編制好的凸輪表進(jìn)行“偏移”，偏移的程序。

通過(guò)MasterOffset將主軸向后偏移280，這時(shí)的動(dòng)作時(shí)序和凸輪形狀就與工藝要求相符了，但要注意的是，這時(shí)的從軸起始位置不為0，會(huì)造成起始速度“無(wú)窮大”，從而引發(fā)伺服報(bào)警。將MasterScaling設(shè)置為280，就可以將從軸的起始點(diǎn)推遲到“主軸280”的位置，當(dāng)主軸啟動(dòng)時(shí)，從軸并不啟動(dòng)，而是等到主軸到達(dá)280位置時(shí)再啟動(dòng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)客戶的工藝要求了。

（2）暫停功能

這套系統(tǒng)相比以前用CS、CJ來(lái)做的系統(tǒng)而言，一個(gè)很重要的亮點(diǎn)就是可以很容易的實(shí)現(xiàn)“暫停功能”。

 

虛軸的啟動(dòng)采用速度控制指令，以360為周期循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

 

 

當(dāng)需要暫停設(shè)備時(shí)，只需執(zhí)行MC_Stop指令即可。當(dāng)再次啟動(dòng)時(shí)，只需再次執(zhí)行MC_Velocity指令，設(shè)備會(huì)從當(dāng)前停止的位置繼續(xù)運(yùn)行。暫停的好處是，當(dāng)操作人員需要暫時(shí)停止設(shè)備，做簡(jiǎn)單處理，后面又需要快速恢復(fù)生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)，不需要重新尋原點(diǎn)。對(duì)生產(chǎn)效率的提高幫助很大。

（3）工位判斷

  每排模板上應(yīng)該夾住10個(gè)瓶子進(jìn)行灌裝、加蓋、整蓋、擰蓋、判斷缺蓋等工序，但由于各種客觀情況（風(fēng)道等問(wèn)題），并不能保證每次都夾滿10個(gè)瓶子。當(dāng)少于10個(gè)瓶子的時(shí)候，整排都不能進(jìn)行任何操作，否則設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重故障（比如無(wú)瓶加蓋會(huì)卡住模板）。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是，采用位移指令進(jìn)行工位判斷。

 

（4）回零停止

  當(dāng)按下停止按鈕后，各軸的最終停止位置必須是自己的“原點(diǎn)”，這樣，在下一次啟動(dòng)時(shí)，就不需要重新全體尋原點(diǎn)了（全體回零時(shí)間較長(zhǎng)）。另外一方面，如果各軸都在原點(diǎn)的話，絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)“撞車”的現(xiàn)象，否則如果其中一根軸不在原點(diǎn)就停止動(dòng)作，其它的軸在回零過(guò)程中很容易撞上它。回零停止的方法采用Cam_Out指令。

當(dāng)需要停止主拖動(dòng)軸時(shí)，必須要等待主拖動(dòng)當(dāng)前動(dòng)作完成后。根據(jù)虛軸的位置判斷，當(dāng)虛軸處于90到140之間時(shí)，主拖動(dòng)處于停止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)執(zhí)行MC_CamOut指令，就可以將這個(gè)從軸順利脫出凸輪表。

在啟動(dòng)和停止過(guò)程中，必須特別注意一個(gè)問(wèn)題，那就是回零停止和啟動(dòng)過(guò)程一樣，必須要按照嚴(yán)格的順序來(lái)執(zhí)行。例如，停止時(shí)，“出瓶”早于“主拖動(dòng)”，“主拖動(dòng)”早于“進(jìn)瓶”，而進(jìn)瓶時(shí)剛好相反。這樣才能保證在下次啟動(dòng)時(shí)，出瓶工位的瓶子剛好被抓出，而進(jìn)瓶工位則是空的，剛好可以開(kāi)始放瓶。如果不按照順序啟動(dòng)，則會(huì)使進(jìn)瓶工位“有瓶”狀態(tài)下打開(kāi)模板，導(dǎo)致瓶子掉落；或者出瓶工位“有瓶”，但不抓瓶，導(dǎo)致瓶子轉(zhuǎn)到機(jī)器底下。這些都是不允許的。

（5）急停保護(hù)

對(duì)于“撞車”的保護(hù)，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的一部分。如果所有軸都能夠嚴(yán)格按照自己凸輪曲線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并且沒(méi)有掛進(jìn)凸輪的軸也能夠正常動(dòng)作的話，“撞車”原則上是不會(huì)發(fā)生的。但由于伺服故障、氣缸故障等諸多因素的產(chǎn)生，會(huì)使得“撞車”發(fā)生的概率增加。

  “撞車”的情況可以分為兩大類，一類是“凸輪動(dòng)作”內(nèi)部碰撞，另一類是凸輪動(dòng)作與非凸輪動(dòng)作之間的碰撞。例如：進(jìn)瓶抓瓶機(jī)構(gòu)與進(jìn)瓶皮帶之間，由于進(jìn)瓶抓瓶的原點(diǎn)位于進(jìn)瓶皮帶上方，下移放瓶時(shí)需要水平和垂直兩根軸同時(shí)動(dòng)作，才能繞過(guò)皮帶。如果此時(shí)進(jìn)瓶水平軸由于種種原因沒(méi)有動(dòng)作，只有垂直軸在動(dòng)作，氣爪將直接砸在皮帶上，造成設(shè)備嚴(yán)重的損壞。這屬于凸輪動(dòng)作內(nèi)部撞車。再例如：當(dāng)擰蓋機(jī)構(gòu)進(jìn)行擰蓋時(shí)，擰蓋爪抓在瓶子上，如果此時(shí)拖板提前開(kāi)始動(dòng)作，則會(huì)將瓶子拉壞，甚至將模板掀翻。這屬于凸輪軸與非凸輪軸之間的碰撞。為避免這些問(wèn)題的產(chǎn)生，編寫(xiě)了一系列程序。

 

的空間保護(hù)程序兩段程序是對(duì)進(jìn)、出瓶模板的空間保護(hù)，當(dāng)模板被氣缸頂起時(shí)，模板絕對(duì)不能拖動(dòng)，否則會(huì)被掀翻。這里依舊采取通過(guò)對(duì)主軸位置的判斷，來(lái)判斷從軸。當(dāng)主軸位置處于320和360之間時(shí)，模板被氣缸頂起，同時(shí)由模板開(kāi)合軸將模板分開(kāi)。如果此時(shí)氣缸突然下降，模板將來(lái)不及合攏，而被掀翻。此時(shí)可通過(guò)MC_ImmediateStop指令完成急停操作。

（6）曲柄的線性處理

整套設(shè)備采用了多個(gè)曲柄機(jī)構(gòu)，比如灌裝、擰蓋升降等等。根據(jù)曲柄機(jī)構(gòu)的特性，當(dāng)伺服勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄機(jī)構(gòu)的垂直速度并不是勻速的，并且垂直位置也不是線性變化的。而灌裝機(jī)構(gòu)需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的速度（主要是防止液體飛濺），和一個(gè)線性的標(biāo)定（可以通過(guò)對(duì)伺服位置的設(shè)定，直接標(biāo)定灌裝量）。解決速度基本恒定的方式如下：

IF 30>=MC_Fill1.Act.Pos OR (180>=MC_Fill1.Act.Pos AND MC_Fill1.Act.Pos>150) THEN

         Fill1_Velocity_Out:=LREAL#1*灌裝1速度HMI;

ELSIF (60>=MC_Fill1.Act.Pos AND MC_Fill1.Act.Pos>30) OR (150>=MC_Fill1.Act.Pos AND MC_Fill1.Act.Pos>120) THEN

         Fill1_Velocity_Out:=LREAL#0.8*灌裝1速度HMI;

ELSIF (80>=MC_Fill1.Act.Pos AND MC_Fill1.Act.Pos>60) OR (120>=MC_Fill1.Act.Pos AND MC_Fill1.Act.Pos>100) THEN

         Fill1_Velocity_Out:=LREAL#0.5*灌裝1速度HMI;

ELSIF 100>=MC_Fill1.Act.Pos AND MC_Fill1.Act.Pos>80 THEN

         Fill1_Velocity_Out:=LREAL#0.3*灌裝1速度HMI;

END_IF;

用以上公式，可以在灌裝伺服到達(dá)各個(gè)位置時(shí)，給予不同的速度，通過(guò)對(duì)角速度賦予“多段速”來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直速度的基本恒定。再通過(guò)每10ms寫(xiě)入一次速度的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的變換。解決位置可標(biāo)定的方法如下：

糾偏角度轉(zhuǎn)弧度:=DegToRad(REAL#15);

Fill1_Feed_rad:=ACOS(臨時(shí)數(shù)字1);

Fill1_Feed:=RadToDeg(Fill1_Feed_rad)-REAL#15;

臨時(shí)數(shù)字:=REAL#3.14*REAL#16*REAL#7.5;

臨時(shí)數(shù)字1:=COS(糾偏角度轉(zhuǎn)弧度)-HMI氣缸1進(jìn)給量/臨時(shí)數(shù)字;

通過(guò)平面解析幾何和三角函數(shù)運(yùn)算，求得伺服角位置和曲柄垂直位置之間的線性關(guān)系。

最終實(shí)現(xiàn)，觸摸屏上面可以直接設(shè)定以“毫升”為單位的灌裝量值。

（7）凸輪表的變換

凸輪表編制好以后，每根軸都會(huì)按照自己的凸輪表數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)運(yùn)動(dòng)。但是，如果更換了產(chǎn)品（主要是瓶子大小有變化），個(gè)別軸的動(dòng)作就要發(fā)生變化。例如：把220mm高的瓶子換成了300mm，那么出瓶放瓶時(shí)，氣爪距離傳送帶的高度就要增加，這就要求凸輪表可以通過(guò)程序進(jìn)行變換，程序如下：

FOR IndexOutUp := UINT#10#0 TO UINT#10#360 DO

IF IndexOutUp<=UINT#10#70 THEN

    Cam_BottleOutUp[IndexOutUp].Distance:= Cam_BottleOutUp00[IndexOutUp].Distance*2*BottleOutUpFeed1;

 ELSIF IndexOutUp>UINT#10#70  and IndexOutUp<=UINT#10#85 THEN

      Cam_BottleOutUp[IndexOutUp].Distance:= (Cam_BottleOutUp00[IndexOutUp].Distance-0.5)*2*(BottleOutUpFeed2 - BottleOutUpFeed1)+BottleOutUpFeed1;

 ELSE

           Cam_BottleOutUp[IndexOutUp].Distance:= Cam_BottleOutUp00[IndexOutUp].Distance * BottleOutUpFeed2;

END_IF;

END_FOR;

  在上述程序中，Cam_BottleOutUp00[IndexOutUp].Distance是出瓶頂升凸輪表的點(diǎn)，IndexOutUp是FOR循環(huán)語(yǔ)句的循環(huán)變量，通過(guò)FOR循環(huán)語(yǔ)句，將凸輪表內(nèi)的若干個(gè)點(diǎn)依次更改，再通過(guò)如下指令進(jìn)行保存，這樣，這根從軸就會(huì)按照新的凸輪表來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)了。