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附錄1：外文翻譯
PLC在啤酒灌裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用
張?zhí)煜?董鋒 袁浩
天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院天津市過程檢測與控制重點實驗室，
天津300072
電子郵件：fdong@tju.edu.cn
摘要
為了使啤酒灌裝生產(chǎn)線的操作自動化，高效化，需要優(yōu)化各個分段的控制。安裝瓶子是啤酒灌裝生產(chǎn)線的第一個子部分。其控制功能的實現(xiàn)對整個生產(chǎn)線的順利運行起著重要的作用。針對裝配過程中自動控制問題，采用PLC（可編程控制器）技術(shù)實現(xiàn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制程序的設(shè)計。在控制系統(tǒng)的項目中，根據(jù)運行狀態(tài)設(shè)計了作為關(guān)鍵部件的電機和電磁閥的功能。根據(jù)不同的操作，及時調(diào)整提高系統(tǒng)效率。同時，在監(jiān)控運行狀態(tài)和程序設(shè)計的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)故障進行診斷，并進行適當(dāng)?shù)目刂铺幚恚瑢崿F(xiàn)了配置過程的自動化，高效穩(wěn)定運行。
關(guān)鍵詞：啤酒灌裝，安排工藝，控制系統(tǒng)，PLC
1 引言
PLC是一個工業(yè)控制設(shè)備，其核心是微處理器。它結(jié)合了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)和計算機技術(shù)，具有控制功能強，可靠性和穩(wěn)定性高，抗干擾能力強，易編程，維護量少等優(yōu)點。近年來，PLC在工業(yè)自動化控制，機電一體化和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。PLC在啤酒生產(chǎn)線上的應(yīng)用可以顯著提高自動化水平，提高生產(chǎn)效率[4]。
根據(jù)啤酒生產(chǎn)的特點和要求，啤酒生產(chǎn)過程可分為兩部分，一部分是啤酒釀造生產(chǎn)線的過程控制，包括糖化，發(fā)酵，過濾，稀釋和儲存。另一個是啤酒灌裝生產(chǎn)線的運動控制。啤酒灌裝生產(chǎn)線系統(tǒng)一般包括安裝瓶子，清潔瓶子，灌裝，壓蓋，貼標簽，檢測異物和包裝。每個部分的技術(shù)要求可以根據(jù)相應(yīng)的控制功能獨立實現(xiàn)。作為整個瓶子灌裝生產(chǎn)線的第一個子部分，布置瓶子部分對于保證整條生產(chǎn)線順利運行起著重要作用。通過跟隨由伺服電機控制的傾斜傳送帶1將啤酒瓶在料斗中的隨機裝載逐個分開，當(dāng)瓶子到達傳送帶1的頂端時，它垂直落在主傳送帶2上，然后跟隨傳送帶2到達傳送帶的端部。最后，機械臂抓住瓶子并將其翻轉(zhuǎn)過來，然后將其裝入下一小節(jié)（清潔瓶子部分）。在這個過程中，會遇到很多問題，例如堆放的瓶子的隨機性可能影響傳遞速度；為了保證啤酒瓶位于傳送帶1的中部，防止瓶子掉落，需要檢測并控制位于傳送帶1側(cè)面的瓶子;落瓶速度和時間的控制問題；在下降過程中保證瓶子保持向上；機械臂的運動如何與下一小節(jié)配合；主輸送機和落瓶之間的速度匹配等等。
為解決安裝瓶的工藝問題，采用PLC技術(shù)實現(xiàn)自動控制。它消除了繁重的體力勞動，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，大大提高了自動化水平，確保了安全穩(wěn)定，并具有較強的操作性。
2 控制系統(tǒng)的需求和結(jié)構(gòu)
為了構(gòu)建整個生產(chǎn)線集中控制和監(jiān)控的統(tǒng)一平臺，需要設(shè)計整條生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)。在這個結(jié)構(gòu)中，每個子部分不僅獨立地完成本部門的控制要求，而且還與整個生產(chǎn)線的其他部分進行溝通和協(xié)調(diào)。
整個啤酒生產(chǎn)過程包括啤酒釀造生產(chǎn)線的過程控制和啤酒灌裝生產(chǎn)線的運動控制。這兩部分中的任何一部分都由一些不同的小節(jié)組成。每部分通過CC-Link現(xiàn)場總線連接，實現(xiàn)控制層和設(shè)備層之間的通信。主站通過以太網(wǎng)技術(shù)與計算機通信[5]?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。啤酒釀造系統(tǒng)具有與啤酒灌裝系統(tǒng)并行的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。計算機可以通過以太網(wǎng)訪問，監(jiān)控和控制兩條生產(chǎn)線的操作。
以實現(xiàn)啤酒灌裝生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)為例，分析介紹了灌裝瓶的控制過程，因為其他子部分的控制功能的實現(xiàn)是相似的。圖2中顯示了排列瓶子部分的設(shè)備。
圖1控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
首先，瓶子由傳送帶1傳送。在傳送過程中，步進電機旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動凸輪以移動瓶子，以確保瓶子停留在傳送帶1的中間并防止他們從側(cè)面滑倒。為了處理傳送帶1中瓶子太多或長時間沒有瓶子的情況，伺服電機4控制和調(diào)節(jié)傳送帶1的速度。
1-8：光電傳感器; 9,10：電感式傳感器; 11,12：步進電機;
13：電磁閥1; 14：電磁閥2
圖2排列瓶子裝置
當(dāng)瓶子到達傳送帶1的頂端時，它會落到傳送帶2上。在落下之前，根據(jù)瓶子的方向，換句話說，瓶子的底部方向和瓶子的頂部方向，電磁閥1打開或關(guān)閉，以控制氣泵，使瓶子向上，向下捅瓶，保證瓶子向上傾倒。并且根據(jù)位于傾斜傳送帶1旁邊的同一水平面上的兩個光學(xué)傳感器1和2的時間差已經(jīng)檢測并記錄了瓶子方向。在下落期間，電磁閥2控制噴射裝置，它安裝在下落軌道的中間，向上吹，以減慢瓶子的速度并防止瓶子破裂。
當(dāng)傳送帶2開始時瓶子已經(jīng)落下，并且另一瓶由傳送帶2的端部處的機械臂等待進入下一個子部分時，驅(qū)動傳送帶2的AC感應(yīng)電機的速度，調(diào)整到較低，以便在第二瓶進入之前有足夠的時間讓第一瓶進入下一個過程。如果不是以前的狀況，并且瓶子正在下降，則將交流感應(yīng)電機的速度調(diào)整到中等。這是因為如果速度很高，當(dāng)瓶子落到皮帶2上時，瓶子會倒下。如果交流感應(yīng)電機以中速運行1.5s，而沒有檢測到落瓶，則表示瓶子有落瓶信息被認為是錯誤的。發(fā)生這種情況可能是由于諸如人為因素等干擾使光電傳感器5發(fā)出信號，這些信號錯誤地認為瓶子正在掉落。如果發(fā)生這種情況，或者瓶子已經(jīng)掉落在皮帶2上，或者沒有出現(xiàn)在以前的情況，則將交流感應(yīng)電機的速度調(diào)整到較高以加速工藝過程。
當(dāng)瓶子到達皮帶2的末端時，它會卡在那里。 然后機械臂抓住瓶子并翻轉(zhuǎn)，這是由三個伺服電機驅(qū)動的三個自由度。如果下一小節(jié)準備抓住即將到來的瓶子，機械臂將把瓶子放在下一小節(jié)的噴嘴上，然后返回起始位置準備處理下一個瓶子。 下一小節(jié)為捕捉即將到來的瓶子準備的信息來自作為主站的排列瓶子部分和通過CC-Link現(xiàn)場總線[6]的本地站清潔瓶子部分之間的通信。
3 控制系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)控制系統(tǒng)的操作要求，主要控制對象為伺服電機，交流感應(yīng)電機，步進電機和電磁閥。用于配置瓶子的傳感器包括光電傳感器和電感式傳感器。為解決這些設(shè)備的控制問題，主要依據(jù)各設(shè)備的控制功能來實現(xiàn)，應(yīng)用PLC技術(shù)進行設(shè)計和實現(xiàn)。 配置瓶的控制器是PLC，包括CPU，定位模塊，輸入/輸出模塊，CC-Link通訊和控制模塊，CC-Link輸入/輸出模塊。 此外，控制系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器，步進電機驅(qū)動器，變頻器等。在系統(tǒng)硬件連接期間，一些輸入輸出設(shè)備連接到PLC輸入/輸出模塊，PLC直接與它們通信。一些輸入和輸出設(shè)備連接到CC-Link輸入/輸出模塊，然后按照某種通信協(xié)議，CC-Link輸入或輸出信號[7]，以實現(xiàn)與PLC的通信。
3.1 變量分配
據(jù)技術(shù)要求，系統(tǒng)的設(shè)計需要分配PLC的輸入/輸出地址，內(nèi)部繼電器，數(shù)據(jù)寄存器和定時器，也就是軟件組件的分配。 表1和表2列出了軟件組件的分布情況。
表1 輸入/輸出地址
軟組件
功能
X140
光電傳感器1確定瓶子
方向并啟動步進電機1
X141
光電傳感器2確定瓶子
方向并啟動步進電機1
X144
光電傳感器3啟動步進電機1
X146
光電傳感器4控制電磁閥
2和戳瓶
X147
光電傳感器5控制電磁閥
2和吹瓶
X20
光電傳感器6確定
傳送帶2的開始
X21
光電傳感器7確定下方
傳送帶2的末端
X26
光電傳感器8確定在上面
傳送帶2的末端
X143
電感式傳感器1步進電機1原點
X145
電感式傳感器2步進電機2原點
Y40
逆變器啟用
Y46
逆變器 前鋒。
Y47
逆變器相反
Y48
逆變器高速
Y49
逆變器中等速度
Y4A
逆變器低速
Y4B
逆變器停止
Y161
電磁閥1打開瓶子
Y160
電磁閥2吹瓶
Y163
步進電機驅(qū)動器1正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)
Y164
步進電機驅(qū)動器1.啟用
Y166
步進電機驅(qū)動器2正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)
Y167
步進電機驅(qū)動器2啟用
表2 內(nèi)部繼電器，數(shù)據(jù)寄存器和定時器
軟組件
功能
M0
瓶子卡在輸送機的開始處
皮帶2
M30
瓶子在輸送帶2的端部低處
M1
瓶子被戳破時，戰(zhàn)斗接近彼此
M20
啟用步進電機1
M21
啟用步進電機2
M31
傳送帶末端有一個瓶子
皮帶2，低速旗幟
M32
瓶子已經(jīng)倒下，傳送帶2低速度標志
D10
戰(zhàn)斗輸入信息
D20
戰(zhàn)斗輸出信息
D100
隊列中的瓶子數(shù)量
T0
延遲判斷瓶子是否卡住
傳送帶2的開始
T20
延遲判斷瓶子是否處于低位傳送帶2的末端
T1
判斷是否戰(zhàn)斗的時間下限
在皮帶1高速時彼此靠近
T2
判斷戰(zhàn)斗時間的上限
在皮帶1高速時彼此靠近
T6
判斷是否戰(zhàn)斗的時間下限
在皮帶1高速時彼此靠近
T9
在這個過程中使用的延遲計時器吹瓶
T7
判斷戰(zhàn)斗時間的上限
在皮帶1高速時彼此靠近
T22
吹瓶延遲
3.2 控制系統(tǒng)功能設(shè)計
控制系統(tǒng)的設(shè)計主要是根據(jù)工藝要求，編制程序流程圖，設(shè)置和編寫程序，包括編寫軟件程序和設(shè)置/將PLC參數(shù)和伺服電機控制參數(shù)寫入PLC CPU，設(shè)置變頻器參數(shù)和伺服電機驅(qū)動器參數(shù)。
整個控制過程分為傳送帶1的控制，兩個吹風(fēng)裝置的控制，傳送帶2的控制，機械臂的位置控制以及系統(tǒng)報警和緊急停止。接下來，從這些方面介紹控制方案和程序流程的設(shè)計。 圖3是傾斜傳送帶1和步進電機的現(xiàn)場實物照片。
傾斜的輸送帶1控制輸送瓶子：如果M300 = 0，也就是說，系統(tǒng)已經(jīng)初始化并且沒有停頓地運行。在這種情況下，傳送帶1的速度控制如下。如果瓶子在被戳穿時彼此相鄰，則傳送帶1的速度被調(diào)整到較低。如果不是在這種情況下，當(dāng)傳送帶1上的瓶子的數(shù)量大于4時，傳送帶1的速度被調(diào)整到較低；當(dāng)傳送帶1上的瓶子的數(shù)
圖3 傾斜傳送帶1和步進電機的現(xiàn)場照片
量小于或等于4時，傳送帶1的速度被調(diào)整到較高。定位模塊由PLC控制，控制伺服驅(qū)動器調(diào)整并控制伺服電機4的速度[8]。傳送帶1的速度調(diào)節(jié)流程圖如圖4所示。
步進電機旋轉(zhuǎn)控制調(diào)整瓶位置：步進電機1根據(jù)X140和X141的輸入信號進行控制。步進電機2根據(jù)X143的輸入信號進行控制。步進電機的旋轉(zhuǎn)控制使瓶子停留在傳送帶1的中間，而不會偏向兩側(cè)。PLC控制步進電機驅(qū)動器的方向信號和啟動信號。定位模塊為步進電機驅(qū)動器提供脈沖信號。然后步進電機驅(qū)動器控制并調(diào)整步進電機。 步進電機旋轉(zhuǎn)控制的流程圖如圖5所示。
電磁閥1控制瓶子：根據(jù)來自安裝在傾斜傳送帶1旁邊同一水平面上的光學(xué)傳感器1和2的信號，傳送瓶子的數(shù)量，以及記錄由檢測到的時間差確定的瓶子的方向。在程序中，如果X140 = 1且X141 = 0，D10 = 0。否則，如果X140 = 0且X141 = 1，則D10 = 1。通過FIFW指令，包括傳送帶1上的瓶子的方向和數(shù)量的消息被記錄在團隊中。當(dāng)瓶子到達傳送帶1的頂端時，通過FIFR指令，先前記錄的信息被讀入D20。如果D20 = 0，則需要打開電磁閥1以控制棒狀物戳刺瓶子的頂部以確保瓶子向上脫落；如果D20 = 1，則表示根據(jù)機械設(shè)計，瓶子將不會被戳破而向上脫落。在這種情況下，電磁閥1需要關(guān)閉。同時，瓶子的數(shù)量不足一個。
電磁閥2對吹瓶的控制：當(dāng)X147的信號等于1，表示瓶子正在下落時，需要打開電磁閥2打開噴射裝置，以減慢噴射裝置的速度落瓶并防止瓶子破裂。 如果X20發(fā)出信號，表示瓶子已經(jīng)落到傳送帶2上，控制系統(tǒng)應(yīng)停止吹氣。否則，由于傳送帶2的驅(qū)動，瓶子會翻滾。為防止來自X20的信號可能出現(xiàn)故障并提高系統(tǒng)可靠性[9]，當(dāng)電磁閥2打開時，開始0.8s的延遲，這足以使瓶子完成
圖4輸送帶1的速度調(diào)節(jié)流程圖
圖5步進電機旋轉(zhuǎn)控制流程圖
降落過程。如果時間到了，而X20仍然沒有信號，系統(tǒng)將通過軟件控制停止吹風(fēng)。圖6是用于滴落過程的兩個吹塑裝置的現(xiàn)場實物照片，包括電磁閥1和電磁閥2。
傳送帶2將瓶子運送到下一小節(jié)的控制：當(dāng)M300 = 0時，也就是說，系統(tǒng)已經(jīng)初始化并且沒有停頓地運行。在這種情況下，執(zhí)行交流感應(yīng)電機的三步調(diào)速。 變頻器的頻率由PLC控制，調(diào)節(jié)交流感應(yīng)電機的速度，以驅(qū)動和控制傳送帶2[10]。 當(dāng)光電傳感器7和8同時檢測到瓶子時，表明在傳送帶2的末端有一個瓶子，AC感應(yīng)電機調(diào)整到低速。 否則，表示在傳送帶2的末端沒有瓶子。在這種情況下，當(dāng)光學(xué)傳感器5檢測到信號時，表示瓶子是通過直立管道落下，交流感應(yīng)電機調(diào)整到中速。在電磁閥2不打
圖6滴注過程中吹瓶的裝置
開的情況下運行1.5s后，這意味著在傳送帶2上沒有瓶子或瓶子落下，AC感應(yīng)電機被調(diào)整到高速。傳送帶2的速度流程圖如圖7所示。
圖7傳送帶2的速度流程圖
控制機械臂將瓶子運送到清潔瓶子部分：機械臂由三個伺服電機驅(qū)動，它們分別控制機械臂在上下左右方向的運動，旋轉(zhuǎn)方向。一旦系統(tǒng)開始運行，
圖8機械臂的現(xiàn)場照片
機械臂已經(jīng)初始化，以保持在由軟件程序控制的起始位置。當(dāng)瓶子到達皮帶2的末端時，它會卡在那里。然后機械臂從瓶子的起始位置移動到右上方，并打開由電磁閥控制的氣體夾爪。之后，它向下移動到瓶子頂部并關(guān)閉氣爪，以抓住瓶子。然后它移動到下一小節(jié)噴嘴正上方，并將瓶子翻過來。當(dāng)下一小節(jié)準備抓住即將到來的瓶子時，機械臂將瓶子放在噴嘴上，然后返回起始位置準備下一瓶。如果下一小節(jié)沒有準備抓住即將到來的瓶子，機械臂將在上面等待。圖8是機械臂和傳送帶2末端的現(xiàn)場實物照片。在這張照片中，機械臂已將瓶子放在噴嘴上并返回到起始位置。
4 故障診斷與處理
作為啤酒灌裝生產(chǎn)線的第一部分，如果在運行過??程中發(fā)生故障，安排瓶子部分需要暫停操作，以防止瓶子在傳送帶2上的積聚或其他危險像瓶子破裂。有兩種情況會導(dǎo)致系統(tǒng)暫停。如果發(fā)生任何一種情況，系統(tǒng)將發(fā)出警報并暫停。條件1：瓶子保持靜止在傳送帶2的開始處（光電傳感器6保持有一個信號，表示有瓶子粘在那里；或者傳送帶2由于某些原因不運轉(zhuǎn)）。條件2：有些瓶子在傳送帶2上翻滾，導(dǎo)致后續(xù)過程無法繼續(xù)。在運行期間，如果安裝在傳送帶2的開始處的光電傳感器6保持3s的信號，則意味著瓶子粘在那里并且M0設(shè)置為1。在傳送帶2的末端，如果當(dāng)光學(xué)傳感器8安裝在光學(xué)傳感器7上時沒有信號時，光學(xué)傳感器7具有信號，這意味著瓶子在那里翻滾并且M30被設(shè)置為1。如果M0或M30被設(shè)置為1，則系統(tǒng)掛起并且警報等待人為干預(yù)和處理。當(dāng)系統(tǒng)暫停時，PLC維護所有寄存器的內(nèi)部內(nèi)容。并且懸架僅限于停止電機運轉(zhuǎn)。當(dāng)它不符合暫停的觸發(fā)條件時，系統(tǒng)將繼續(xù)運行。故障診斷和處理的框圖如圖9所示。
通過整個系統(tǒng)的控制功能和PLC的軟件編程設(shè)計，安裝瓶子段實現(xiàn)了自動化操作，提高了生產(chǎn)效率。設(shè)計過程中可能發(fā)生的故障和所需的保護措施，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。
圖9故障診斷和處理流程圖
5 實驗結(jié)果
調(diào)試成功后，系統(tǒng)完成控制功能，運行平穩(wěn)高效。運行結(jié)果可以在配置屏幕中進行監(jiān)控。圖10捕獲系統(tǒng)運行的瞬時狀態(tài)。而且，操作數(shù)據(jù)在操作過程中已經(jīng)記錄下來。圖11是系統(tǒng)Access數(shù)據(jù)庫的一部分的屏幕截圖。軸1,2,3是機械臂的三個伺服電機。表格中的數(shù)據(jù)顯示了機械臂在各自方向的整個范圍內(nèi)的移動位置。軸4是驅(qū)動傾斜的伺服電機傳送帶1。.表中的數(shù)據(jù)以轉(zhuǎn)/秒的速度顯示伺服電機4的速度。從表中可以看出，機械臂的傳送過程在短時間內(nèi)完成，伺服電機4以4轉(zhuǎn)/秒的速度運行。
圖10系統(tǒng)運行的瞬時狀態(tài)
圖11系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)的一部分
6 結(jié)論
通過安裝瓶子系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了工藝要求。執(zhí)行伺服電機的速度控制和位置控制以及交流感應(yīng)電機的速度控制。 考慮和設(shè)計故障處理和保護系統(tǒng)操作。該自動化的水平大大提高了裝瓶的速度，有利于整個灌裝生產(chǎn)線的順利運行。
附錄2：外文原文