基于PLC和DSP的全自动液体灌装机的设计.pdf

2 0 1 2年 4月 第 4 0卷 第 8期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS Ap r ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 8 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 8 ． 0 0 1 基于 P L C和 D S P的全 自动液体灌装机的设计 柳成，崔杨 北华大学电气信 息工程学院，吉林 吉林 1 3 2 0 2 1 摘要介绍基于 P L C和 D S P的全 自动液体灌装机的设计，该设备采用电机伺服控制技术、步进控制技术、P L C技术、 D S P技术、人机界面等技术实现了对不同规格容器的全自动灌装，并精确控制灌装质量；同时通过网络通讯实现对灌装生 产过程的监控和生产信息管理。该机具有操作方便、系统稳定、工作效率高等优点 ，成功实现了液态灌装机的自动化。 关键词灌装机；P L C ；D S P ；伺服控制器 中图分类号T P 2 7 8 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 8 0 0 1 3 De s i g n o f Aut o ma t i c Li q ui d Fi l l i ng M a c hi ne Ba s e d o n PLC a n d DS P LI U Ch e ng．CUI Ya n g S c h o o l o f E l e c t ri c I n f o r ma t i o n E n g i n e e ri n g ，B e i h u a U n i v e r s i t y ，J i l i n J i l i n 1 3 2 0 2 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e d e s i g n o f a u t o m a t i c l i q u i d fi l l i n g m a c h i n e b a s e d o n P L C P r o g r a m m a b l e L o g i c C o n t r o l l e r a n d D S P D i g i t a l S i g n a l P r o c e s s o r w a s i n t r o d u c e d ．T h e f u l l a u t o m a t i c fi l l i n g f o r d i f f e r e n t s p e c i fi c a t i o n c o n t a i n e r s w a s a c h i e v e d b y t h e d e v i c e u s i n g mo t o r s e re c o n t r o l t e c h n o l o g y，s t e p mo t o r c o n t r o l t e c h n o l o gy ，P L C，DS P a n d h u ma n c o mp u t e r i n t e r f a c e t e c h n o l o gy a n d e t c ．，a n d t h e w e i g h t o f fi l l i n g c o n t r o l l e d p r e c i s e l y ．An d t h e mo n i t o r i n g o f f i l l i n g p r o c e s s a n d ma n a g e me n t o f p r o d u c t i o n i n f o r ma t i o n b y n e t w o r k c o mmu n i c a t i o n s w e r e a c h i e v e d s i mu l t a n e o u s l y ． I t h a s a d v a n t a g e s o f e a s y o p e r a t i o n，s t a b l e s y s t e m a n d wo r k i n g e f fi c i e n t an d e t c ．，a n d a u t o ma t i o n o f l i q u i d fi l l i n g ma c h i n e i s c o me t r u e s u c c e s s f u l l y ． Ke ywor dsFi l l i n g ma c hi n e；PLC；DSP；Se r v o c o nt r o l l e r 与工业发达国家相比，我国灌装机整体水平比较 落后。与国外产品相比仍存在很大的技术差距 ，主要 体现在 1 自动化水平 和控制水平较低 ； 2 产 品规格不全 ，成 套性差 ； 3 单 机性 能不稳 定 。为 此，设计了一种基于 P L C和 D S P技术的全 自动液体 灌装机。文中详细介绍了该机控制系统的原理。 1 灌装机工作原理 一 般液体灌装生产线由灌装机 、旋 盖机、封 口 机、喷码机组成，整个生产线由传送带贯穿始终 ，负 责容器的运送。灌装机是这条生产线的主要设备 ，其 性能对于整个 生产 线 的功能 及 效率起 到 决定 性 的作 用。为了提高灌装机的性能，设计 了由基于 D S P的 伺服 控 制 系 统 、步 进 控 制 系 统 、可 编 程 控 制 器 P L C 、人机界面、传送带变频调速系统、增压气动 部分及光电传感器等组成的机、气、电一体化 自动控 制系统 。 该机采用 可 编 程 逻辑 控 制 器 P L C 7 - 3 0 0和 D S P作为其控制主体。在硬件连接上，P L C作为控制 系统 中的下位机 ，与各种底层 设备直接联系。P L C与 上位机通讯、获取产品资料和生产参数，以及依据生 产线中各种传感器 ，控制灌装头的动作逻辑，控制灌 装传送带的速度 ，驱动步进电机控制灌装头的调整， 实现二维精确定位及灌装进口挡板的精确定位；D S P 依据 P L C给出的灌装容积，完成伺服驱动及灌装容 量的补偿 ，驱动增压液压缸动作 ，实现灌装容量的调 整，同时通过补偿算法计算出的补偿容积信息，加入 到灌装容量 的调整 中。在可编程逻辑控制器的软件 方面 ，按照生产线的工作流程 ，利用其专门的程序 编制软件 ，使用梯形 图形式 编制 了生产线控制 程 序，并写入可编程逻辑控制器 内部 ，实现了生产线 总体的控制逻辑和生产功能 ；在 D S P的软件方面 ， 编制 了容量 计算及 伺 服系统 控 制程 序 ；网络控 制部 分包括一 台计算机 上位 机和下位机 P L C ， 其 中计 算机作 为控制 系统 的上 层 ，实 现 全厂 多 台灌 装机 的控制 和管理 ，专 门面 向管 理人 员 ，主要 用 于 灌装容器 的改变 以及 生成 、打 印和管 理 生产线 的各 种报 表 ，显示生 产线 的运 行 状 态 ，一 旦 出 现故 障 ， 向管理员及时报告，必要时管理人员可通过该服务 器远程强行停止和启动生产线 的运行。整个系统的 原理框 图如 图 1 所 示 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 2 2 基金项目科技部科技型中小企业技术创新基金项 目 1 1 C 2 6 2 1 2 2 0 0 6 2 0 作者简 介柳成 1 9 7 7 一 ，男 ，硕士研究生 ，研究领域为交流伺服 ，大功率电解 电源 。E m a i l l i u c 2 5 9 s o h u ． C O B。 2 机床与液压 第 4 0卷 触摸屏人 l I计算机后台 机界面 I 1管理系统 灌装 向 调整i垄堂皇 塑 灌 装 头 向 调 整匡 亚 匝嘞 7 - 3 0 0 卖 量 1 丛Q 曼 墨 步进电机驱动器 步进 电机驱 动器 步进 电机驱动 器 二 二 羹垂旦 亟 光电检测及各种保护 整l鋈 篆 彗 割 传 送带变频 控制 鬯竺 压力、温度、黏度检测 图 1 系统原理框图 2系统硬件设计 从整体布局方面设计灌装机的几大组成部分，灌 装机灌装头数为 6头 ，下面介绍其主要组成部分。 2 ． 1 气动 系统 如图2 所示，该灌装机采用气缸控制来进行液体 灌装 ，通过控制阀2控制气缸 1 0推动储油缸 1 2上下 移动 ，再通过单向阀 1 3和单向阀 1 4实现灌装和将油 抽入 到储油缸 l 2内。通过换 向阀 3控制气缸 1 1使油 嘴上下移动 ，确保灌瓶和灌好后脱开。灌完瓶后，再 通过控 制 阀 4控 制气缸 1 5实 现装塞子 。换 向阀 5控 制气缸 8将栏杆推人来定位小瓶。换向阀6控制气缸 9将栏杆推出使得小瓶沿输送带前行。两个调速阀7 分别控制灌装和装塞子的速度。所有阀的动作均由 1 一 气压 表 2 一 储 油缸控制 气缸 控制 阀 卜 油嘴升 降控制气 缸控制 阀 4 一 塞子 气缸控 制 阀 5 一栏 杆入 口气缸控 制 阀 6 一 栏杆 出 口气缸控 制 阀 7 一 调速 阀 8 一栏杆 入 口气 缸 9 _ _ 栏 杆 出口气缸l o _ _ 储 油缸控制 气缸 l l 一 油 嘴升 降控制气 缸1 2 一 储油缸l 3 一 进油单 向阀1 4 一 出油单 向阀 l 5 一 塞子气 缸 图 2 气动系统原理图 2 ． 2 P L C控 制 系统 P L C对现场进行数据采集和控制。P L C处 于现场 控制层 ，实现对现场各类信号进行采集 和控制 ，其主 要功能有 与上位机系统通讯 ，采集并传递该灌装机 的信息 ；在线连续采集液位 、变频器频率等模拟量输 入信号；实时采集泵、电磁 阀、光电开关、接近开 关、电动执行机构等开关量状态信号，并根据运行要 求输出信号控制各种阀通断；再与D S P通讯 ，使 D S P 控制伺 服电机实现对罐装容量的精确控制 ；最终实现 对系统 的 自动控制 。 2 ． 3 数据采集及伺服控制 系统 为了精确控制灌装容积，该设计中采用位置伺服 控制系统来精确控制活塞缸的行程，也就达到精确控 制灌装容积的 目的。 灌 装液体 的温度 、黏度变化导致 的体积变化 引起 质量波动 ，它们之 间是一种非线性的关 系 ，D S P采集 液体黏度、温度、压力，通过一定的补偿算法，实现 活塞缸的行程补偿，D S P接收 P L C发出的位置指令 信号，把 P L C给定位置与补偿位置相叠加，作为位 置的总给定，位置信号经位置环的复合前馈控制器调 节后，形成速度指令信号，速度指令信号与速度反馈 信号 比较后的偏差信 号经速度环 比例积分控制器调节 后产生 电流指令信号 ，在 电流环 中经矢量变换后 ，由 S P WM输 出转矩 电流 ，控制交流伺服 电机 的运 行。位 置控制精度由旋转编码器每转产生的脉冲数控制。其 原理如 图 3 所 示。 22 0 VAf 图 3 活塞缸交流伺服 系统原理 图 2 ． 4步进 控制 系统 原有的灌装机由于灌装头不可调节 ，灌装单一 ， 灌装头只能对一个品种的瓶子进行灌装 ，更换瓶 子时 调整 困难 ，无 法对 不 同高度 瓶 子实 现快 速调 整 ，为 此 ，设计 了一种二坐标机械结构可实现灌装头水平位 置及高度 的调整 ， 轴方 向仅采 用一个 步进 电机 并可 实现 6个灌装头位置的等距同步调整。Y轴由一台同 步 电机提供动力 ，实现整个 装置可上下移动 ，步进 电 第 8 期 柳成 等基于 P L C和 D S P的全 自动液体灌装机的设计 3 机硬件 电路如图 4所示 。 机 机 图 4 步进 电机控制 系统 接线 图 2 ． 5 网络 管理 系统 P L C通过现 场 总线 P R O F I B U S D P和上 位工 控 机 实现通信。上位机监控人机交互界面是向管理员提供 生产线的工作状态、监视和控制生产线的运行窗口， 同时也为用户提供了向生产线发布命令、设定工业参 数的途径 ，它由登陆部分、图像显示界面部分和历史 记 录部分组成 。 2 ． 6触摸屏 系统 该设计 中，在灌装机上还安装 了触摸屏与 P L C 通讯 ，用于参数设置和运行状态 的现场显示。采用 A D P 7 ． 0 H I T E C H公 司提供 的画面编辑软件 设计 整个系统画面。主画面是触摸屏的默认画面，由各功 能按键进入各对应的子画面，进行系统的监控 ；手动 画面上设置若干功能按键 ，分别对系统的每个动作进 行手动操作；同时还设置打开其它画面的功能按键， 子画面也同样 ；自动画面上的启动按钮用于系统 自动 启动，急停按钮用于发生紧急情况时停止系统运行 ， 复位按钮用于故障解除之后系统复位和警报解除，并 且设置若干个 指示灯用来显 示系统 的运行状 态 ；故 障 显示画面显示各类故障报警信号，当系统发生故障时 立即弹出故障显示画面，最新的故障排在最上面 ，并 按发生时间的早晚从上到下依次排列，满屏时可由上 下键控制信息的滚动显示。 3 控制系统软件设计 该控制系统的软件设计主要是 P L C和 D S P程序 设计，s 7 3 0 0系统软件结构 的流程 图如图 5所示 ， D S P系统软件结构 的流程 图如 图 6所示。 4结论 该设计的创新点是运用 了 P L CD S P的控制技 术。采用 P L C实现灌装功能；D S P实现灌装容量的 精确 。本装置具 有 操 作方 便 、系统 稳 定 、工 作 效率 高 、网络功能强等优点，成功实现了液态灌装机的自 动化。 统 正 器 改变 一 N 报警 墓 N 1 r一 至 妄 孳 篷 替 制 N f_ r 一 垂 掌 替 制 N 1 ． 1 数据 检测 图5 P L C主程序流程图 D S P 初 始 化 二二二工二二 与P L C 通讯初始 压力、温度、黏度采集 l补偿位 置计 算 I 二二工二二 l P L C 给定活塞位置 二二工 l 位置叠加 l 一 ． 主 ． I 位置给定 l 位 置 环控 制 二二[ 速 度 环控 制 二二[ 电流环控制 活塞缸行程控制 图6 D S P主程序流程图 参考文献 【 1 】周志敏 ， 周纪海 ， 纪爱华． I G B T和 I P M及其应用电路 [ M] ． 北京 中国电力出版社， 2 0 0 6 ． 【 2 】施丽婷， 黄筱调 ， 杨勇． 数控交流伺服系统三环整定及其 应用[ J ] ． 南京工业大学学报， 2 0 0 6 ， 2 8 4 3 6 4 0 ． 【 3 】王晓明， 王玲． 电动机的 D S P控制 T I 公司 D S P应用 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 4 ． 【 4 】 党存禄， 牛洪瑜， 孙铁铭． 基于F P G A和D S P的双 C P U交流 位置伺服系统[ J ] ． 电力电子技术， 2 O 0 7 ， 4 1 8 9 9 1 0 1 ． 熹