SYSMAC NJ系列新一代PLC在16轴直线灌装机上的应用

1引言

直线饮料灌装机主要用于灌装各种各样的瓶装饮料，适合于大中型饮料生产厂家。直线饮料灌装机主要包括进瓶、抓瓶、灌装、拧盖、抓瓶、出瓶等几个步骤，在进瓶阶段，通过带有10个固定夹的皮带一次带入10个瓶，在第一个抓瓶阶段，10个抓手同时把10个瓶抓入输送链，在灌装阶段，2组10根罐装管分2次向10个瓶中罐液体，在拧盖阶段，一个伺服带动10个拧盖机构进行拧盖，在第二个抓瓶阶段，把装满的10个瓶从输送链中抓出，送上输出皮带，在出瓶阶段，输出皮带送出已罐瓶，直线饮料灌装机的系统框图如图1所示。

图1 直线饮料灌装机的系统框图

客户原先用传统的PLC开发过直线灌装机，各轴伺服通过运动控制模块进行控制。各轴的动作时序采用位置判断，然后分别以一定的速度和位置启动各个轴的方式来完成。在过去3年中卖出过5、6套设备，运行效果不好，发生异常停机的频率很高，而且没有暂停功能，每次停机都要全部重新寻原点，生产效率比较低。采用欧姆龙SYSMAC NJ系列新一代PLC进行改造之后，用电子凸轮功能来替代以往的普通运动指令，故障率低，并且很容易完成“暂停”功能。

2系统工作原理及控制需求

饮料灌装机主要包括三大部分：恒压储液罐、夹瓶及灌装头部分、变频调速传送带部分，系统控制功能结构如图2所示。主机的上部是恒压储液罐，里面有上限位和下限位液位传感器，液面低于下限位时恒压储液罐为空，饮料通过进液电磁阀流入恒压储液罐，液面达到上限位时进液电磁阀断电关闭，使液位保持稳定。

图2 系统控制功能结构图

恒压储液罐下面是夹瓶及装瓶头部分，共有20个灌装头。夹瓶装置由气压缸驱动下降，下降到位后，夹瓶装置由另一组气缸夹紧定位，下降及夹紧由行程开关控制位置。夹紧定位后，灌装头由第三组气缸驱动下降，到位后灌装头电磁阀打开，开始灌液，延时后电磁阀关闭，通过控制电磁阀的开启时间达到灌装容量控制。放瓶动作流程如图3所示。

图3 放瓶动作流程

传送带电动机由变频器控制，实现无级变速，达到系统经济运行的目的。电机启动1s后，进瓶气缸缩回、开始进瓶，3s后出瓶处气缸伸出挡住空料瓶。进瓶处设置光电开关检测进瓶个数，当达到相应数量后传送带电动机停止。灌装头下降到瓶口，由通过触摸屏输入的时间，使PLC控制灌装头的开启时间。灌装结束后，灌装头上升，夹瓶装置放松、上升。出瓶处气缸缩回，传送电动机又开始转动，1s后进瓶处气缸缩回，光电开关又开始检测进瓶个数。出瓶动作流程如图4所示。

图4 出瓶动作流程

在本项目中，需要研究的重点课题有以下几点：（1）电子凸轮代替时序控制；（2）暂停功能；（3）工位判断；（4）回零停止；（5）急停保护；（6）曲柄的线性处理；（7）凸轮表的变换。其中，暂停功能和曲柄的线性处理是客户以往旧设备未能实现的功能。

3系统解决方案

3.1方案配置（见表1）

表1 系统方案配置表

NJ-PA3001 1

NJ501-1400 1

R88D-KN10H-ECT-Z 3

R88M-K1K020T-BS2-Z 3

R88D-KN15H-ECT-Z 4

R88M-K1K520T-S2-Z 4

R88D-KN20H-ECT-Z 4

R88M-K2K020T-BS2-Z 4

R88D-KN30H-ECT-Z 2

R88M-K3K020T-S2-Z 2

R88D-KN50H-ECT-Z 1

R88M-K4K020T-S2-Z 1

R88D-KN50H-ECT-Z 2

R88M-K5K020T-BS2-Z 2

3.2系统功能实现

（1）电子凸轮代替时序控制

以“进瓶水平”（MC_BottleInHorizontal）为例，主轴为虚轴，从轴为实轴。时序图如图5所示。

图5 时序控制图

主轴以360为一个周期，进行循环速度控制。主轴、从轴都在零位。从轴开始的时候并不启动，而是在主轴位置到达285时开始启动，当主轴位置到达360时，从轴停止。在下一个周期，主轴到达120的时候，从轴开始返回（反转），主轴位置到达220的时候，从轴停止（回零位）。进瓶水平轴与主轴构成的电子凸轮表如图6所示。

图6 进瓶水平轴与主轴构成的电子凸轮表