稱重定量型回轉灌裝機的電氣控制
摘要 本文敘述了回轉式灌裝機電氣控制的組成，絕對零位和設備零位的概念，探討了稱重控制的方法，全面論述了通過控制器進行稱重控制的原理和解決辦法。
關鍵詞 灌裝機 回轉式 稱重傳感器 稱重控制器
Xian Hwasun Packaging Technology Research Institute
ZHANG You-liang 710014
Abstract: The article introduces the structure of rotator canned machine, and it include a reference of the concept of absolute zero and machine zero, a method of weighing, and that discuss the method of weighing controller with the weighing controllers. A perfect solution and control theory with the weighing controllers is given.
Key words: canned machine, rotator, weighing sensor, weighing controllers
回轉式灌裝機的灌裝定量有多種形式，常用的有注塞式、容積式、液位式、稱重式等多種方式。隨著控制技術的提高，稱重傳感器技術的成熟，稱重式定量灌裝是回轉式灌裝機的發展趨勢。稱重式定量灌裝很好的解決包裝計量不準確的難題，提高了包裝定量的精度。
1.主電機控制
1.1主電機控制的主要控制原理
主電機主要是通過變頻器控制，其控制原理框圖如圖1所示，從圖1可以看出，主電機有灌裝和清洗兩個運行速度，灌裝速度通過PLC中的模擬輸出模塊控制，清洗速度由變頻器參數設定，運行模式由PLC給出。
1.2主電機的主要控制要求
在變頻器中設置最高轉速，第2轉速（清洗速度）等變頻器的必要參數。在人機界面上設置主電機運行頁面，包括運行狀態（灌裝/清洗）、主機開、關，灌裝速度，產量計數。主電機的運行受開機按鈕、關機按鈕和人機界面設置按鈕的雙重控制。
1.3旋轉編碼器的選擇
選用增量型編碼器，分辨率為300，通過A、B項加Z項復位計數，對于24頭灌裝機，計數數據進行雙倍頻處理，計數25為一個灌裝回轉工位周期。
1.4設備零位和絕對零位
對于旋轉編碼器，每旋轉一周，給PLC發送300個脈沖，通過Z相發給PLC一個復位信號，使PLC中高速計數器從1計到300后復位，我們把300稱之為絕對計數零位。
對于每臺灌裝機，把1號灌裝閥在入瓶口，計數器復位開始計數稱之為設備計數零位。在實際控制中，由于編碼器安裝的位置是一個變數，因此，不同的設備，絕對計數零位不同。對于每一臺設備，需要進行設備零位的設置。
1.5設備零位的尋找和設定
點動設備，使1號閥對準入瓶口，將高速計數器C的數據傳入寄存器C1中，寄存器C2=300-C1，寄存器C3=C-C1（C>=C1）或C3=C2+C(C<C1)，C= C1時，C3=0為設備零位，C3隨著C的變化，從1到300周期性的變化，寄存器C3即為設備運行周期寄存器。建議將C3的數據顯示在人機界面上，設備運行、調試比較直觀。
2. 稱重控制器的定量控制方案
如圖2所示，是兩組利用稱重控制器稱重計量的控制原理圖。采用稱重控制器控制各個灌裝閥的灌裝，對于回轉運動的灌裝料缸、灌裝閥、稱重平臺等的接線簡化了難度。
圖中AB1為控制器A1的稱重傳感器，Y1為對應灌裝閥的快速開閥灌裝電磁閥，Y2為對應灌裝閥的漫速開閥灌裝電磁閥，IN1開始灌裝信號（脈沖），IN2為強制關灌裝閥信號（脈沖）。它們組成一個完
圖2 稱重灌裝原理圖
整的控制系統。通過RS485對控制器進行參數設置、配方選擇等。
2.1碳刷滑環的設計要求及接線方法
灌裝料缸、灌裝閥、稱重平臺等是回轉運動，灌裝稱重過程均在回轉運動中完成，根據圖2所示，控制器的控制信號線、電源線要通過碳刷滑環連接。
碳刷滑環的碳刷引線，如表1所示，碳刷引線共9根，其中B1、B2為控制器A1、A2等的供電電源，B3、B4為灌裝開閥汽缸提供DC24V電源，B5為控制器A1、A2等提供開閥信號，B6為控制器A1、A2等提供強制關閥信號，B7為備用，B8、B9是RS485的連線。
分段滑環解決簡化接線問題，由于灌裝機有24個灌裝頭，因此，輸入信號需要48個，利用分段滑環B5、B6等份為24段，結構示意圖如圖3所示，分別接在24個控制器的IN1和IN2上，進行灌裝開閥和強制關閥。
值得注意的是，滑環導體之間的間隔距離必須大于碳刷寬度，否則，無法將信號分開。通過表1和表2的接線，巧妙的解決和簡化了控制器的接線問題。
表1 碳刷接線表
圖3 分段滑環結構示意圖
2.2控制器的要求
稱重控制器必須具有很強的抗干擾、抗震動能力，提供一種常用的通訊協議。自動零位跟蹤、上電自動清零、取皮。對控制器的所有參數、配方參數和配方選擇，快/漫加料及快加料百分比設定等能通過上位機調整。輸入IN1定義為灌裝開閥開始脈沖信號（PNP），該信號的輸入，自動取皮稱量，開始快加料（Out1=1、 Out2=0），達到設定百分比后慢加料（Out2=1、Out1=0），達到定量后，關閥（Out2=0、Out1=0），如果在未達到設定量，IN2有信號，關閥（Out2=0、Out1=0）并報警，上傳到PLC。在人機界面上設定，通過PLC控制，從RS485總線發送信號，對任何灌裝閥進行開閥和關閥，手動定量灌裝功能，對任意一個灌裝閥進行稱重定量灌裝。
2.3稱重的控制
機器運行周期，前面講過，灌裝機每旋轉一周，編碼器計數600個，每個工位25個數，即為一個機器運行工位周期。
表2 B5、B6中的IN1、IN2的接線表
根據PLC的編程指令，高速計數器的值等于24個數據范圍，對中間寄存器輸值，這個中間計存器便產生周期性變化。如：10+K*25≤ C0≤15+K*25（K=0，23）成立，令M0=1，M0在程序運行中，隨著C0的變化周期性的規律變化。
灌裝的控制，檢測到一個瓶子進來，根據機器周期移位n位，n為檢測瓶子到灌裝初位的工位數。根據第n位的狀態，通過PLC的DO1進行輸出，控制無瓶不開閥。只要機器運行，通過DO2輸出強制關灌裝閥。
2.4稱重控制器的調試方法
控制器的參數設置，對于每一個控制器，均要進行參數設置，包括控制器地址、常用稱重量程、快開閥比例值等參數的設置，通信功能的調試。建立稱重測試實驗臺，利用灌裝閥、稱重托瓶機構建立測試稱重測試實驗臺，對每一個控制器進行測試，調試到滿意的效果后上機調試，降低上機調試難度，提高整機調試速度。
上機靜態調試，通過通訊總線，在機器停止情況下，對每一個灌裝閥進行定量灌裝調試，調試出快開閥、量程參數，記錄數據。上機動態調試，動態上機調試是稱重調試的最后一步，必須在前三步調試完成后進行。
2.5灌裝罐內殘留物料的回收
灌裝結束后，灌裝罐內有剩余的殘留物料，清洗之前進行回收，減少浪費和環境的污染。在灌裝稱重畫面，設置物料回收按鈕，選擇該按鈕后，回收槽汽缸動作，灌裝入口不再進瓶，液位控制關閉，進料閥關閉。PLC根據旋轉編碼器的運行位置，判斷灌裝閥的開閉狀態，通過總線傳送給控制器進行開和關灌裝閥。
3.PLC進行稱重定量的控制方案
如圖4所示，PLC為控制核心，稱重傳感器通過放大器將信號轉換成4-20mA的標準信號，經過PLC處理，控制灌裝閥的快灌裝和慢灌裝，達到稱重控制灌裝。本方案的主要缺點是PLC處理的數據量比較大，要求PLC運行速度、A/D轉換模塊精度采樣周期高，對于一臺表3 PLC控制方案的碳刷接線表
設備，需要雙PLC控制，軟件編程工作量大，優點是接線簡單。
碳刷滑環的設計要求及接線方法相對控制器方案比較簡單，如表3所示，碳刷滑環的碳刷引線共6根，其中B1、B2為PLC等的DC24V供電電源，B3為無瓶檢測信號，B4為備用，B5、B6是PLC與人機界
面的RS485通訊連線。
4.灌裝機液位控制（灌裝過程）
4.1灌裝機液位控制原理
在灌裝過程中，料缸液位的穩定，可以提高灌裝稱重定量的精度。液位探測器采用電容式直桿連續檢測和限位探頭。含有抗冷凝屏蔽管，對物料粘結補償能力，使探頭在粘結嚴重場合下亦能維持穩定，精確的開關點，無需對其進行清洗或重復標定等優點。
控制器采用模擬量輸入輸出模塊，其原理圖如圖5所示，物料進料控制采用氣動薄膜閥，通過氣電轉換器A2控制物料的進量。
4.2液位控制要求
在人機界面上建立液位探測器的參數設置畫面，設置液位探測器上下限位值，設置值、測量值。模擬量輸入輸出模塊的參數表，PID調節設置參數，電流輸出顯示，采樣次數，輸出頻率等的設置，根據該模塊的技術數據的要求進行編程。
5.結束語
稱重式定量灌裝是一個發展方向和趨勢，稱重控制是一個完整復雜的控制系統，對于各種回轉式灌裝機的稱重控制有不同的要求，不是一篇兩篇文章能夠解決的，在具體的實現中，需要解決好多實際出現的問題，本文只是對控制原理進行了論述，僅供參考。
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