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(guò)現場調試及試生産，系統滿足了客戶的要求，運行效果良好(hǎo)。
1引言
直線飲料灌裝機主要用于灌裝各種(zhǒng)各樣(yàng)的瓶裝飲料，适合于大中型飲料生産廠家。直線飲料灌裝機主要包括進(jìn)瓶、抓瓶、灌裝、擰蓋、抓瓶、出瓶等幾個步驟，在進(jìn)瓶階段，通過(guò)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(xiàng)10個瓶中罐液體，在擰蓋階段，一個伺服帶動10個擰蓋機構進(jìn)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框圖如圖1所示。
圖1 直線飲料灌裝機的系統框圖
客戶原先用傳統的PLC開(kāi)發(fā)過(guò)直線灌裝機，各軸伺服通過(guò)運動控制模塊進(jìn)行控制。各軸的動作時序采用位置判斷，然後(hòu)分别以一定的速度和位置啓動各個軸的方式來完成(chéng)。在過(guò)去3年中賣出過(guò)5、6套設備，運行效果不好(hǎo)，發(fā)生異常停機的頻率很高，而且沒(méi)有暫停功能(néng)，每次停機都(dōu)要全部重新尋原點，生産效率比較低。采用歐姆龍SYSMAC NJ系列新一代PLC進(jìn)行改造之後(hòu)，用電子凸輪功能(néng)來替代以往的普通運動指令，故障率低，并且很容易完成(chéng)“暫停”功能(néng)。
2系統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、變頻調速傳送帶部分，系統控制功能(néng)結構如圖2所示。主機的上部是恒壓儲液罐，裡(lǐ)面(miàn)有上限位和下限位液位傳感器，液面(miàn)低于下限位時恒壓儲液罐爲空，飲料通過(guò)進(jìn)液電磁閥流入恒壓儲液罐，液面(miàn)達到上限位時進(jìn)液電磁閥斷電關閉，使液位保持穩定。
圖2 系統控制功能(néng)結構圖
恒壓儲液罐下面(miàn)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動下降，下降到位後(hòu)，夾瓶裝置由另一組氣缸夾緊定位，下降及夾緊由行程開(kāi)關控制位置。夾緊定位後(hòu)，灌裝頭由第三組氣缸驅動下降，到位後(hòu)灌裝頭電磁閥打開(kāi)，開(kāi)始灌液，延時後(hòu)電磁閥關閉，通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)啓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，實現無級變速，達到系統經(jīng)濟運行的目的。電機啓動1s後(hòu)，進(jìn)瓶氣缸縮回、開(kāi)始進(jìn)瓶，3s後(hòu)出瓶處氣缸伸出擋住空料瓶。進(jìn)瓶處設置光電開(kāi)關檢測進(jìn)瓶個數，當達到相應數量後(hòu)傳送帶電動機停止。灌裝頭下降到瓶口，由通過(guò)觸摸屏輸入的時間，使PLC控制灌裝頭的開(kāi)啓時間。灌裝結束後(hòu)，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(kāi)始轉動，1s後(hòu)進(jìn)瓶處氣缸縮回，光電開(kāi)關又開(kāi)始檢測進(jìn)瓶個數。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(néng)；（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(néng)和曲柄的線性處理是客戶以往舊設備未能(néng)實現的功能(néng)。
3系統解決方案
3.1方案配置（見表1）
表1 系統方案配置表
3.2系統功能(néng)實現
（1）電子凸輪代替時序控制
以“進(jìn)瓶水平”（MC_BottleInHorizontal）爲例，主軸爲虛軸，從軸爲實軸。時序圖如圖5所示。
圖5 時序控制圖
主軸以360爲一個周期，進(jìn)行循環速度控制。主軸、從軸都(dōu)在零位。從軸開(kāi)始的時候并不啓動，而是在主軸位置到達285時開(kāi)始啓動，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(kāi)始返回（反轉），主軸位置到達220的時候，從軸停止（回零位）。進(jìn)瓶水平軸與主軸構成(chéng)電子凸輪表如圖6所示。
圖6 進(jìn)瓶水平軸與主軸構成(chéng)的電子凸輪表
從圖6可以看到，主軸爲0的時候，從軸也是0，而根據時序圖的要求，從軸的“0”應該在主軸的“285”。顯然這(zhè)樣(yàng)的動作是不正确的。這(zhè)樣(yàng)編制凸輪表的原因在于，NJ的電子凸輪表的起(qǐ)始點必須爲兩(liǎng)個“0”，即主軸、從軸都(dōu)從0開(kāi)始，如圖7所示。
圖7 NJ電子凸輪表
解決這(zhè)個問題的辦法是對(duì)編制好(hǎo)的凸輪表進(jìn)行“偏移”，偏移的程序如圖8所示。
圖8 偏移程序
通過(guò)MasterOffset將(jiāng)主軸向(xiàng)後(hòu)偏移280，這(zhè)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(zhè)時的從軸起(qǐ)始位置不爲0，會造成(chéng)起(qǐ)始速度“無窮大”，從而引發(fā)伺服報警。將(jiāng)MasterScaling設置爲280，就可以將(jiāng)從軸的起(qǐ)始點推遲到“主軸280”的位置，當主軸啓動時，從軸并不啓動，而是等到主軸到達280位置時再啓動，這(zhè)樣(yàng)就可以實現客戶的工藝要求了。
（2）暫停功能(néng)
這(zhè)套系統相比以前用CS、CJ來做的系統而言，一個很重要的亮點就是可以很容易的實現“暫停功能(néng)”，具體程序如圖9所示。
圖9 暫停功能(néng)程序1
虛軸的啓動采用速度控制指令，以360爲周期循環運動，見圖10。
圖10 暫停功能(néng)程序2
當需要暫停設備時，隻需執行MC_Stop指令即可。當再次啓動時，隻需再次執行MC_Velocity指令，設備會從當前停止的位置繼續運行。暫停的好(hǎo)處是，當操作人員需要暫時停止設備，做簡單處理，後(hòu)面(miàn)又需要快速恢複生産狀态時，不需要重新尋原點。對(duì)生産效率的提高幫助很大。
3）工位判斷
每排模闆上應該夾住10個瓶子進(jìn)行灌裝、加蓋、整蓋、擰蓋、判斷缺蓋等工序，但由于各種(zhǒng)客觀情況（風道(dào)等問題），并不能(néng)保證每次都(dōu)夾滿10個瓶子。當少于10個瓶子的時候，整排都(dōu)不能(néng)進(jìn)行任何操作，否則設備會産生嚴重故障（比如無瓶加蓋會卡住模闆）。解決這(zhè)個問題的辦法是，采用位移指令進(jìn)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
當按下停止按鈕後(hòu)，各軸的最終停止位置必須是自己的“原點”，這(zhè)樣(yàng)，在下一次啓動時，就不需要重新全體尋原點了（全體回零時間較長(cháng)）。另外一方面(miàn)，如果各軸都(dōu)在原點的話，絕對(duì)不會出現“撞車”的現象，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(guò)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(chéng)後(hòu)。根據虛軸的位置判斷，當虛軸處于90到140之間時，主拖動處于停止狀态，這(zhè)時執行MC_CamOut指令，就可以將(jiāng)這(zhè)個從軸順利脫出凸輪表。
在啓動和停止過(guò)程中，必須特别注意一個問題，那就是回零停止和啓動過(guò)程一樣(yàng)，必須要按照嚴格的順序來執行。例如，停止時，“出瓶”早于“主拖動”，“主拖動”早于“進(jìn)瓶”，而進(jìn)瓶時剛好(hǎo)相反。這(zhè)樣(yàng)才能(néng)保證在下次啓動時，出瓶工位的瓶子剛好(hǎo)被(bèi)抓出，而進(jìn)瓶工位則是空的，剛好(hǎo)可以開(kāi)始放瓶。如果不按照順序啓動，則會使進(jìn)瓶工位“有瓶”狀态下打開(kāi)模闆，導緻瓶子掉落；或者出瓶工位“有瓶”，但不抓瓶，導緻瓶子轉到機器底下。這(zhè)些都(dōu)是不允許的。
（5）急停保護
對(duì)于“撞車”的保護，是整個系統設計中非常重要的一部分。如果所有軸都(dōu)能(néng)夠嚴格按照自己凸輪曲線進(jìn)行運動，并且沒(méi)有挂進(jìn)凸輪的軸也能(néng)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産生，會使得“撞車”發(fā)生的概率增加。
“撞車”的情況可以分爲兩(liǎng)大類，一類是“凸輪動作”内部碰撞，另一類是凸輪動作與非凸輪動作之間的碰撞。例如：進(jìn)瓶抓瓶機構與進(jìn)瓶皮帶之間，由于進(jìn)瓶抓瓶的原點位于進(jìn)瓶皮帶上方，下移放瓶時需要水平和垂直兩(liǎng)根軸同時動作，才能(néng)繞過(guò)皮帶。如果此時進(jìn)瓶水平軸由于種(zhǒng)種(zhǒng)原因沒(méi)有動作，隻有垂直軸在動作，氣爪將(jiāng)直接砸在皮帶上，造成(chéng)設備嚴重的損壞。這(zhè)屬于凸輪動作内部撞車。再例如：當擰蓋機構進(jìn)行擰蓋時，擰蓋爪抓在瓶子上，如果此時拖闆提前開(kāi)始動作，則會將(jiāng)瓶子拉壞，甚至將(jiāng)模闆掀翻。這(zhè)屬于凸輪軸與非凸輪軸之間的碰撞。爲避免這(zhè)些問題的産生，編寫了一系列程序，部分程序如圖13所示。
圖13 進(jìn)、出瓶模闆的空間保護程序
圖13所示兩(liǎng)段程序是對(duì)進(jìn)、出瓶模闆的空間保護，當模闆被(bèi)氣缸頂起(qǐ)時，模闆絕對(duì)不能(néng)拖動，否則會被(bèi)掀翻。這(zhè)裡(lǐ)依舊采取通過(guò)對(duì)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，模闆被(bèi)氣缸頂起(qǐ)，同時由模闆開(kāi)合軸將(jiāng)模闆分開(kāi)。如果此時氣缸突然下降，模闆將(jiāng)來不及合攏，而被(bèi)掀翻。此時可通過(guò)MC_ImmediateStop指令完成(chéng)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，比如灌裝、擰蓋升降等等。根據曲柄機構的特性，當伺服勻速旋轉時，曲柄機構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。而灌裝機構需要一個相對(duì)穩定的速度（主要是防止液體飛濺），和一個線性的标定（可以通過(guò)對(duì)伺服位置的設定，直接标定灌裝量）。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HMIELSIF 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(guò)對(duì)角速度賦予“多段速”來實現垂直速度的基本恒定。再通過(guò)每10ms寫入一次速度的方式，來實現速度的變換。解決位置可标定的方法如下：
糾偏角度轉弧度:=DegToRad(REAL#15);
Fill1_Feed_rad:=ACOS(臨時數字1);
Fill1_Feed:=RadToDeg(Fill1_Feed_rad)-REAL#15;
臨時數字:=REAL#3.14*REAL#16*REAL#7.5;
臨時數字1:=COS(糾偏角度轉弧度)-HMI氣缸1進(jìn)給量/臨時數字;
通過(guò)平面(miàn)解析幾何和三角函數運算，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，觸摸屏上面(miàn)可以直接設定以“毫升”爲單位的灌裝量值。
（7）凸輪表的變換
凸輪表編制好(hǎo)以後(hòu)，每根軸都(dōu)會按照自己的凸輪表數據進(jìn)行重複運動。但是，如果更換了産品（主要是瓶子大小有變化），個别軸的動作就要發(fā)生變化。例如：把220mm高的瓶子換成(chéng)了300mm，那麼(me)出瓶放瓶時，氣爪距離傳送帶的高度就要增加，這(zhè)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，IndexOutUp是FOR循環語句的循環變量，通過(guò)FOR循環語句，將(jiāng)凸輪表内的若幹個點依次更改，再通過(guò)如下指令進(jìn)行保存，這(zhè)樣(yàng)，這(zhè)根從軸就會按照新的凸輪表來進(jìn)行運動了。
4結束語
通過(guò)系統現場調試及客戶的試生産，所有控制要求的解決方案都(dōu)得以驗證，滿足客戶的改造需求，并且效果良好(hǎo)。
