基于PLC和DSP的全自动液体灌装秤仪表机的设计

介绍基于 PLC 和 DSP 的全自动液体灌装秤仪表机的设计，该设备采用电机伺服控制技术、步进控制技术、PLC 技术、DSP 技术、人机界面等技术实现了对不同规格容器的全自动灌装，并精确控制灌装质量;

与工业发达国家相比，我国灌装机整体水平比较落后。与国外产品相比仍存在很大的技术差距，主要体现在: (1) 自动化水平和控制水平较低; (2) 产品规格不全，成套性差; (3) 单机性能不稳定。为此，设计了一种基于 PLC 和 DSP 技术的全自动液体灌装秤仪表机。文中详细介绍了该机控制系统的原理。

1 灌装机工作原理

一般液体灌装生产线由灌装机、旋盖机、封口机、喷码机组成，整个生产线由传送带贯穿始终，负责容器的运送。灌装机是这条生产线的主要设备，其性能对于整个生产线的功能及效率起到决定性的作用。为了提高灌装机的性能，设计了由基于 DSP 的伺服 控 制 系 统、步 进 控 制 系 统、可 编 程 控 制 器(PLC)、人机界面、传送带变频调速系统、增压气动部分及光电传感器等组成的机、气、电一体化自动控制系统。

该机采用可编程逻辑控制器 (PLC) S7- 300 和DSP 作为其控制主体。在硬件连接上，PLC 作为控制系统中的下位机，与各种底层设备直接联系。PLC 与上位机通讯、获取产品资料和生产参数，以及依据生产线中各种传感器，控制灌装头的动作逻辑，控制灌装传送带的速度，驱动步进电机控制灌装头的调整，实现二维精确定位及灌装进口挡板的精确定位; DSP依据 PLC 给出的灌装容积，完成伺服驱动及灌装容量的补偿，驱动增压液压缸动作，实现灌装容量的调整，同时通过补偿算法计算出的补偿容积信息，加入到灌装容量的调整中。在可编程逻辑控制器的软件方面，按照生产线的工作流程，利用其专门的程序编制软件，使用梯形图形式编制了生产线控制程序，并写入可编程逻辑控制器内部，实现了生产线总体的控制逻辑和生产功能; 在 DSP 的软件方面，编制了容量计算及伺服系统控制程序; 网络控制部分包括一台计算机 (上位机) 和下位机 (PLC)，其中计算机作为控制系统的上层，实现全厂多台灌装机的控制和管理，专门面向管理人员，主要用于灌装容器的改变以及生成、打印和管理生产线的各种报表，显示生产线的运行状态，一旦出现故障，向管理员及时报告，必要时管理人员可通过该服务器远程强行停止和启动生产线的运行。

2 系统硬件设计

从整体布局方面设计全自动灌装机的几大组成部分，灌装机灌装头数为 6 头，下面介绍其主要组成部分。

2. 1 气动系统

如图 2 所示，该灌装机采用气缸控制来进行液体灌装，通过控制阀 2 控制气缸 10 推动储油缸 12 上下移动，再通过单向阀 13 和单向阀 14 实现灌装和将油抽入到储油缸 12 内。通过换向阀 3 控制气缸 11 使油嘴上下移动，确保灌瓶和灌好后脱开。灌完瓶后，再通过控制阀 4 控制气缸 15 实现装塞子。换向阀 5 控制气缸 8 将栏杆推入来定位小瓶。换向阀 6 控制气缸9 将栏杆推出使得小瓶沿输送带前行。两个调速阀 7分别控制灌装和装塞子的速度。所有阀的动作均由PLC 开关量输出。

2. 2 PLC 控制系统

PLC 对现场进行数据采集和控制。PLC 处于现场控制层，实现对现场各类信号进行采集和控制，其主要功能有: 与上位机系统通讯，采集并传递该灌装机的信息; 在线连续采集液位、变频器频率等模拟量输入信号; 实时采集泵、电磁阀、光电开关、接近开关、电动执行机构等开关量状态信号，并根据运行要求输出信号控制各种阀通断; 再与 DSP 通讯，使 DSP控制伺服电机实现对罐装容量的精确控制; 最终实现对系统的自动控制。

2. 3 数据采集及伺服控制系统

为了精确控制灌装容积，该设计中采用位置伺服控制系统来精确控制活塞缸的行程，也就达到精确控制灌装容积的目的。

灌装液体的温度、黏度变化导致的体积变化引起质量波动，它们之间是一种非线性的关系，DSP 采集液体黏度、温度、压力，通过一定的补偿算法，实现活塞缸的行程补偿，DSP 接收 PLC 发出的位置指令信号，把 PLC 给定位置与补偿位置相叠加，作为位置的总给定，位置信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号，速度指令信号与速度反馈信号比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换后，由SPWM 输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。位置控制精度由旋转编码器每转产生的脉冲数控制。

2. 4 步进控制系统

原有的灌装机由于灌装头不可调节，灌装单一，灌装头只能对一个品种的瓶子进行灌装，更换瓶子时调整困难，无法对不同高度瓶子实现快速调整，为此，设计了一种二坐标机械结构可实现灌装头水平位置及高度的调整，x 轴方向仅采用一个步进电机并可实现 6 个灌装头位置的等距同步调整。y 轴由一台同步电机提供动力，实现整个装置可上下移动。

2. 5 网络管理系统

PLC 通过现场总线 PROFIBUS- DP 和上位工控机实现通信。上位机监控人机交互界面是向管理员提供生产线的工作状态、监视和控制生产线的运行窗口，同时也为用户提供了向生产线发布命令、设定工业参数的途径，它由登陆部分、图像显示界面部分和历史记录部分组成。

2. 6 触摸屏系统

该设计中，在灌装机上还安装了触摸屏与 PLC通讯，用于参数设置和运行状态的现场显示。采用ADP7. 0 (HITECH 公司提供的画面编辑软件) 设计整个系统画面。主画面是触摸屏的默认画面，由各功能按键进入各对应的子画面，进行系统的监控; 手动画面上设置若干功能按键，分别对系统的每个动作进行手动操作; 同时还设置打开其它画面的功能按键，子画面也同样; 自动画面上的启动按钮用于系统自动启动，急停按钮用于发生紧急情况时停止系统运行，复位按钮用于故障解除之后系统复位和警报解除，并且设置若干个指示灯用来显示系统的运行状态; 故障显示画面显示各类故障报警信号，当系统发生故障时立即弹出故障显示画面，最新的故障排在最上面，并按发生时间的早晚从上到下依次排列，满屏时可由上下键控制信息的滚动显示。

3 控制系统软件设计

该控制系统的软件设计主要是 PLC 和 DSP 程序设计

4 结论

该设计的创新点是运用了 PLC + DSP 的控制技术。采用 PLC 实现灌装功能; DSP 实现灌装容量的精确。本装置具有操作方便、系统稳定、工作效率高、网络功能强等优点，成功实现了液态灌装机的自动化。

参考文献:

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