本文介紹了SYSMAC NJ系列新一代PLC在16軸直線灌裝機上的應用，通過現(xiàn)場調(diào)試及試生產(chǎn)，系統(tǒng)滿足了客戶的要求，運行效果良好。
1引言
直 線飲料灌裝機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。直線飲料灌裝機主要包括進瓶、抓瓶、灌裝、擰蓋、抓瓶、出瓶等幾個步驟，在進瓶 階段，通過帶有10個固定夾的皮帶一次帶入10個瓶，在第一個抓瓶階段，10個抓手同時把10個瓶抓入輸送鏈，在灌裝階段，2組10根罐裝管分2次向 10個瓶中罐液體，在擰蓋階段，一個伺服帶動10個擰蓋機構(gòu)進行擰蓋，在第二個抓瓶階段，把裝滿的10個瓶從輸送鏈中抓出，送上輸出皮帶，在出瓶階段，輸 出皮帶送出已罐瓶，直線飲料灌裝機的系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 直線飲料灌裝機的系統(tǒng)框圖
客 戶原先用傳統(tǒng)的PLC開發(fā)過直線灌裝機，各軸伺服通過運動控制模塊進行控制。各軸的動作時序采用位置判斷，然后分別以一定的速度和位置啟動各個軸的方式來 完成。在過去3年中賣出過5、6套設備，運行效果不好，發(fā)生異常停機的頻率很高，而且沒有暫停功能，每次停機都要全部重新尋原點，生產(chǎn)效率比較低。采用歐 姆龍SYSMAC NJ系列新一代PLC進行改造之后，用電子凸輪功能來替代以往的普通運動指令，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 料灌裝機主要包括三大部分：恒壓儲液罐、夾瓶及灌裝頭部分、變頻調(diào)速傳送帶部分，系統(tǒng)控制功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。主機的上部是恒壓儲液罐，里面有上限位和下 限位液位傳感器，液面低于下限位時恒壓儲液罐為空，飲料通過進液電磁閥流入恒壓儲液罐，液面達到上限位時進液電磁閥斷電關閉，使液位保持穩(wěn)定。
圖2 系統(tǒng)控制功能結(jié)構(gòu)圖
恒 壓儲液罐下面是夾瓶及裝瓶頭部分，共有20個灌裝頭。夾瓶裝置由氣壓缸驅(qū)動下降，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關控制位 置。夾緊定位后，灌裝頭由第三組氣缸驅(qū)動下降，到位后灌裝頭電磁閥打開，開始灌液，延時后電磁閥關閉，通過控制電磁閥的開啟時間達到灌裝容量控制。放瓶動 作流程如圖3所示。
圖3 放瓶動作流程
傳 送帶電動機由變頻器控制，實現(xiàn)無級變速，達到系統(tǒng)經(jīng)濟運行的目的。電機啟動1s后，進瓶氣缸縮回、開始進瓶，3s后出瓶處氣缸伸出擋住空料瓶。進瓶處設置 光電開關檢測進瓶個數(shù)，當達到相應數(shù)量后傳送帶電動機停止。灌裝頭下降到瓶口，由通過觸摸屏輸入的時間，使PLC控制灌裝頭的開啟時間。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，傳送電動機又開始轉(zhuǎn)動，1s后進瓶處氣缸縮回，光電開關又開始檢測進瓶個數(shù)。出瓶動作流程如圖4所示。
圖4 出瓶動作流程
在本項目中，需要研究的重點課題有以下幾點：(1)電子凸輪代替時序控制;(2)暫停功能;(3)工位判斷;(4)回零停止;(5)急停保護;(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備未能實現(xiàn)的功能。
3系統(tǒng)解決方案
3.1方案配置(見表1)
表1 系統(tǒng)方案配置表
3.2系統(tǒng)功能實現(xiàn)
(1)電子凸輪代替時序控制
以“進瓶水平”(MC_BottleInHorizontal)為例，主軸為虛軸，從軸為實軸。時序圖如圖5所示。
圖5 時序控制圖
主 軸以360為一個周期，進行循環(huán)速度控制。主軸、從軸都在零位。從軸開始的時候并不啟動，而是在主軸位置到達285時開始啟動，當主軸位置到達360 時，從軸停止。在下一個周期，主軸到達120的時候，從軸開始返回(反轉(zhuǎn))，主軸位置到達220的時候，從軸停止(回零位)。進瓶水平軸與主軸構(gòu)成的電子 凸輪表如圖6所示。
圖6 進瓶水平軸與主軸構(gòu)成的電子凸輪表
從圖6可以看到，主軸為0的時候，從軸也是0，而根據(jù)時序圖的要求，從軸的“0”應該在主軸的“285”。顯然這樣的動作是不正確的。這樣編制凸輪表的原因在于，NJ的電子凸輪表的起始點必須為兩個“0”，即主軸、從軸都從0開始，如圖7所示。
圖7 NJ電子凸輪表
解決這個問題的辦法是對編制好的凸輪表進行“偏移”，偏移的程序如圖8所示。
圖8 偏移程序
通 過MasterOffset將主軸向后偏移280，這時的動作時序和凸輪形狀就與工藝要求相符了，但要注意的是，這時的從軸起始位置不為0，會造成起始速 度“無窮大”，從而引發(fā)伺服報警。將MasterScaling設置為280，就可以將從軸的起始點推遲到“主軸280”的位置，當主軸啟動時，從軸并不 啟動，而是等到主軸到達280位置時再啟動，這樣就可以實現(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來做的系統(tǒng)而言，一個很重要的亮點就是可以很容易的實現(xiàn)“暫停功能”，具體程序如圖9所示。
圖9 暫停功能程序1
虛軸的啟動采用速度控制指令，以360為周期循環(huán)運動，見圖10。
圖10 暫停功能程序2
當 需要暫停設備時，只需執(zhí)行MC_Stop指令即可。當再次啟動時，只需再次執(zhí)行MC_Velocity指令，設備會從當前停止的位置繼續(xù)運行。暫停的好處 是，當操作人員需要暫時停止設備，做簡單處理，后面又需要快速恢復生產(chǎn)狀態(tài)時，不需要重新尋原點。對生產(chǎn)效率的提高幫助很大。
(3)工位判斷
每 排模板上應該夾住10個瓶子進行灌裝、加蓋、整蓋、擰蓋、判斷缺蓋等工序，但由于各種客觀情況(風道等問題)，并不能保證每次都夾滿10個瓶子。當少于 10個瓶子的時候，整排都不能進行任何操作，否則設備會產(chǎn)生嚴重故障(比如無瓶加蓋會卡住模板)。解決這個問題的辦法是，采用位移指令進行工位判斷，具體 程序如圖11所示。
圖11 工位判斷程序
(4)回零停止
當 按下停止按鈕后，各軸的最終停止位置必須是自己的“原點”，這樣，在下一次啟動時，就不需要重新全體尋原點了(全體回零時間較長)。另外一方面，如果各軸 都在原點的話，絕對不會出現(xiàn)“撞車”的現(xiàn)象，否則如果其中一根軸不在原點就停止動作，其它的軸在回零過程中很容易撞上它。回零停止的方法采用 Cam_Out指令，程序如圖12所示。
圖12 回零停止程序
如圖12程序所示，當需要停止主拖動軸時，必須要等待主拖動當前動作完成后。根據(jù)虛軸的位置判斷，當虛軸處于90到140之間時，主拖動處于停止狀態(tài)，這時執(zhí)行MC_CamOut指令，就可以將這個從軸順利脫出凸輪表。
在 啟動和停止過程中，必須特別注意一個問題，那就是回零停止和啟動過程一樣，必須要按照嚴格的順序來執(zhí)行。例如，停止時，“出瓶”早于“主拖動”，“主拖 動”早于“進瓶”，而進瓶時剛好相反。這樣才能保證在下次啟動時，出瓶工位的瓶子剛好被抓出，而進瓶工位則是空的，剛好可以開始放瓶。如果不按照順序啟 動，則會使進瓶工位“有瓶”狀態(tài)下打開模板，導致瓶子掉落;或者出瓶工位“有瓶”，但不抓瓶，導致瓶子轉(zhuǎn)到機器底下。這些都是不允許的。
(5)急停保護
對于“撞車”的保護，是整個系統(tǒng)設計中非常重要的一部分。如果所有軸都能夠嚴格按照自己凸輪曲線進行運動，并且沒有掛進凸輪的軸也能夠正常動作的話，“撞車”原則上是不會發(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“凸輪動作”內(nèi)部碰撞，另一類是凸輪動作與非凸輪動作之間的碰撞。例如：進瓶抓瓶機構(gòu)與進瓶皮帶之間，由于進瓶抓瓶的原 點位于進瓶皮帶上方，下移放瓶時需要水平和垂直兩根軸同時動作，才能繞過皮帶。如果此時進瓶水平軸由于種種原因沒有動作，只有垂直軸在動作，氣爪將直接砸 在皮帶上，造成設備嚴重的損壞。這屬于凸輪動作內(nèi)部撞車。再例如：當擰蓋機構(gòu)進行擰蓋時，擰蓋爪抓在瓶子上，如果此時拖板提前開始動作，則會將瓶子拉壞， 甚至將模板掀翻。這屬于凸輪軸與非凸輪軸之間的碰撞。為避免這些問題的產(chǎn)生，編寫了一系列程序，部分程序如圖13所示。
圖13 進、出瓶模板的空間保護程序
圖 13所示兩段程序是對進、出瓶模板的空間保護，當模板被氣缸頂起時，模板絕對不能拖動，否則會被掀翻。這里依舊采取通過對主軸位置的判斷，來判斷從軸。當 主軸位置處于320和360之間時，模板被氣缸頂起，同時由模板開合軸將模板分開。如果此時氣缸突然下降，模板將來不及合攏，而被掀翻。此時可通過 MC_ImmediateStop指令完成急停操作。
(6)曲柄的線性處理
整套設備采用了多個曲柄機構(gòu)，比如灌裝、擰蓋升降 等等。根據(jù)曲柄機構(gòu)的特性，當伺服勻速旋轉(zhuǎn)時，曲柄機構(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。而灌裝機構(gòu)需要一個相對穩(wěn)定的速度(主要 是防止液體飛濺)，和一個線性的標定(可以通過對伺服位置的設定，直接標定灌裝量)。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各個位置時，給予不同的速度，通過對角速度賦予“多段速”來實現(xiàn)垂直速度的基本恒定。再通過每10ms寫入一次速度的方式，來實現(xiàn)速度的變換。解決位置可標定的方法如下：
糾偏角度轉(zhuǎn)弧度:=DegToRad(REAL#15);
Fill1_Feed_rad:=ACOS(臨時數(shù)字1);
Fill1_Feed:=RadToDeg(Fill1_Feed_rad)-REAL#15;
臨時數(shù)字:=REAL#3.14*REAL#16*REAL#7.5;
臨時數(shù)字1:=COS(糾偏角度轉(zhuǎn)弧度)-HMI氣缸1進給量/臨時數(shù)字;
通過平面解析幾何和三角函數(shù)運算，求得伺服角位置和曲柄垂直位置之間的線性關系。
最終實現(xiàn)，觸摸屏上面可以直接設定以“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，每根軸都會按照自己的凸輪表數(shù)據(jù)進行重復運動。但是，如果更換了產(chǎn)品(主要是瓶子大小有變化)，個別軸的動作就要發(fā)生變化。例如：把 220mm高的瓶子換成了300mm，那么出瓶放瓶時，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程序進行變換，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，IndexOutUp是FOR循環(huán)語 句的循環(huán)變量，通過FOR循環(huán)語句，將凸輪表內(nèi)的若干個點依次更改，再通過如下指令進行保存，這樣，這根從軸就會按照新的凸輪表來進行運動了。
4結(jié)束語
通過系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試及客戶的試生產(chǎn)，所有控制要求的解決方案都得以驗證，滿足客戶的改造需求，并且效果良好。
