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| 樹(shù)脂自動(dòng)配料系統(tǒng)改造設(shè)計(jì) | 2020-01-07 |
| 1.1概述 在自動(dòng)配料系統(tǒng)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，我國(guó)起點(diǎn)不高，發(fā)展時(shí)間相對(duì)較晚。從20世紀(jì)初到20世紀(jì)50年代中期，手工灌裝占主導(dǎo)地位。20世紀(jì)70年代初，一批國(guó)外自動(dòng)配料系統(tǒng)灌裝生產(chǎn)線被引入上官嶺北部的發(fā)達(dá)城市。隨后，我國(guó)許多制造商通過(guò)手工繪圖和其他方法復(fù)制了一些自動(dòng)配料系統(tǒng)灌裝生產(chǎn)線，初步改進(jìn)了我們自主開(kāi)發(fā)的添加劑桶。目前，在自動(dòng)配料系統(tǒng)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)品牌中，北京亨托、廣州凱希、香港建基已成為自動(dòng)配料系統(tǒng)制造領(lǐng)域的品牌。國(guó)外的自動(dòng)配料系統(tǒng)制造商包括美國(guó)基弗公司、霍里克斯公司、意大利OCME公司等。(7)。中國(guó)樹(shù)脂自動(dòng)配料系統(tǒng)液體灌裝機(jī)生產(chǎn)添加劑桶仍處于中低端水平，主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)仍處于落后狀態(tài)。因此，改進(jìn)控制技術(shù)勢(shì)在必行。各種各樣的自動(dòng)灌裝機(jī)，如稱重儀表和集散控制系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，這使得我們采用的技術(shù)進(jìn)行深入發(fā)展。隨著樹(shù)脂、助劑、溶液等行業(yè)的發(fā)展壯大，對(duì)自動(dòng)配料系統(tǒng)的需求將逐漸增加。機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存是中國(guó)灌裝機(jī)企業(yè)面臨的共同局面。然而，面對(duì)日益激烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)內(nèi)配料系統(tǒng)制造商也在積極開(kāi)發(fā)和不斷探索技術(shù)。自動(dòng)化和智能技術(shù)尤其需要學(xué)習(xí)并應(yīng)用于自動(dòng)配料系統(tǒng)新技術(shù)的研發(fā)。 1.2稱重儀表的基本結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 配料系統(tǒng)稱重儀表。稱重儀表主要由處理器模塊、輸入輸出模塊、編程器等組成。一些特殊功能模塊用于完成某些特殊任務(wù)。內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)和指令。“因此，我們可以將配料系統(tǒng)稱重儀表視為一個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)外的各種開(kāi)關(guān)值和模擬值可用作稱重模塊輸入。它們存儲(chǔ)在內(nèi)部寄存器中，并在稱重模塊內(nèi)部進(jìn)行各種操作和處理后實(shí)現(xiàn)輸出。它們是稱重模塊的輸出變量。輸出變量相應(yīng)地控制的液體灌裝機(jī)“UO”。 目前，國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單配料系統(tǒng)自動(dòng)流動(dòng)的液體灌裝機(jī)一般采用稱重儀表實(shí)現(xiàn)，成本低，可操作性強(qiáng)。這只能從包裝行業(yè)各種小型配料系統(tǒng)的液體灌裝機(jī)上看到。許多包裝機(jī)、碼垛機(jī)和拆包機(jī)都采用稱重儀表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。 1.3重建計(jì)劃 本文的改造方案是從自動(dòng)灌裝機(jī)和液體灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面對(duì)配料系統(tǒng)進(jìn)行改造和升級(jí)。在自動(dòng)灌裝機(jī)方面，進(jìn)口液體灌裝機(jī)以S7-200PLC為核心的自動(dòng)灌裝機(jī)。改造后，S7-300PLC作為主要的自動(dòng)灌裝機(jī)。同時(shí)，采用模塊化控制對(duì)進(jìn)口樹(shù)脂定量灌裝機(jī)的自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線進(jìn)行改造，增加了單桶灌裝方式和不同產(chǎn)品規(guī)格的灌裝方式。通過(guò)軟硬件配置，實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂定量灌裝機(jī)灌裝線系統(tǒng)的控制成本。液體灌裝機(jī)的結(jié)構(gòu)增加了伺服定位的優(yōu)化、氣動(dòng)控制模塊的優(yōu)化和灌裝頭的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了1L包裝桶的全自動(dòng)灌裝、包裝和碼垛。由于需要實(shí)現(xiàn)精確灌裝，配料系統(tǒng)具有更多的輸入輸出點(diǎn)和更多的相關(guān)液體灌裝機(jī)，需要實(shí)現(xiàn)的控制相對(duì)復(fù)雜。由于西門(mén)子S7-300稱重儀表在模塊化控制方面技術(shù)成熟，高速計(jì)數(shù)和PID算法等功能強(qiáng)大，該項(xiàng)目易于實(shí)施，所以S7-300稱重儀表是主控制器的。2自動(dòng)配料系統(tǒng)的主要類型和灌裝方法 2.1自動(dòng)配料系統(tǒng)的主要類型 配料系統(tǒng)有兩種主要的分類標(biāo)準(zhǔn):一種是基于稱重形式，另一種是基于包裝的運(yùn)動(dòng)形式。根據(jù)配料系統(tǒng)中灌裝的稱重方式，有減量稱重灌裝機(jī)和容積灌裝機(jī)。稱重灌裝機(jī)的平均速度比容積式灌裝機(jī)慢，在大批量生產(chǎn)過(guò)程中優(yōu)勢(shì)不明顯。然而，在不同的工作條件下，稱重灌裝機(jī) 然而，容積配料系統(tǒng)受工作溫度的影響很大。由于溫度不同，填充液體材料的密度會(huì)有一定程度的變化，這將導(dǎo)致測(cè)量誤差，影響產(chǎn)品質(zhì)量。也有根據(jù)填充包裝如何移動(dòng)的分類，根據(jù)包裝的移動(dòng)形式可分為兩種主要類型:旋轉(zhuǎn)型和直線型。 2.2基本填充方法介紹 對(duì)于配料系統(tǒng)的基本灌裝方法，不同類別、不同性能的產(chǎn)品需要不同的灌裝方法。灌裝機(jī)的灌裝方法主要包括:1)常壓法；2)等壓法；3)真空法；4)重力真空型；5)壓力法。 2.3自動(dòng)配料系統(tǒng)和灌裝方式的選擇 進(jìn)口配料系統(tǒng)的主自動(dòng)灌裝機(jī)采用S7-200稱重儀表。配電柜布局相對(duì)復(fù)雜，沒(méi)有形成模塊化控制處理。進(jìn)口灌裝機(jī)只有6個(gè)灌裝頭。自動(dòng)配料系統(tǒng)采用稱重方式灌裝，生產(chǎn)能力為每小時(shí)1500桶，生產(chǎn)速度相對(duì)落后。 由于樹(shù)脂是工業(yè)用的，所以自動(dòng)配料系統(tǒng)的灌裝方法的選擇是從工藝性能和要求方面考慮的。作為樹(shù)脂，其粘度、重力等工藝性能均屬于普通液體類型。對(duì)于工業(yè)酒精和樹(shù)脂等一般化學(xué)液體材料，可采用常壓法。雖然旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)在某些方面比直線灌裝機(jī)的優(yōu)勢(shì)更大，但旋轉(zhuǎn)自動(dòng)配料系統(tǒng)的體積更大，液體灌裝機(jī)稱重系統(tǒng)的技術(shù)含量更高，液體灌裝機(jī)的制造成本更高，同時(shí)速度低于直線灌裝機(jī)，因此改造后的配料系統(tǒng)的灌裝線仍采用直線灌裝機(jī)的形式。在灌裝方式上，原液體配料系統(tǒng)采用稱重方式，灌裝速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)代生產(chǎn)節(jié)奏。決定采用容積灌裝法提高灌裝速度，實(shí)現(xiàn)批量化、訂單化生產(chǎn)。 3樹(shù)脂灌裝機(jī)自動(dòng)灌裝機(jī)改造設(shè)計(jì)方案 3.1自動(dòng)灌裝機(jī)及樹(shù)脂灌裝機(jī)工藝 配料系統(tǒng)要求具有上傳生產(chǎn)數(shù)據(jù)(工業(yè)產(chǎn)能、生產(chǎn)批號(hào)等)的功能。)到PC機(jī)，同時(shí)可以檢查瞬時(shí)生產(chǎn)率、灌裝量等。自動(dòng)配料系統(tǒng)的液體灌裝機(jī)啟動(dòng)自動(dòng)灌裝后，灌裝輸送機(jī)開(kāi)始運(yùn)行。主自動(dòng)灌裝機(jī)采用稱重儀表作為主控制元件，光電和接近開(kāi)關(guān)等檢測(cè)稱重模塊作為外部輸入信號(hào)，伺服電機(jī)和動(dòng)作缸作為輸出元件。同時(shí)，配料系統(tǒng)的生產(chǎn)線具有在線實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品和輸入產(chǎn)品信息的功能。計(jì)算機(jī)通過(guò)串行通信與稱重儀表相連，可實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，輸入和保存生產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)。灌裝機(jī)中，灌裝包裝桶依次完成:桶裝、桶進(jìn)料、進(jìn)料、灌裝、桶出料、封蓋、封箱、堆垛等9個(gè)步驟。正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)閉合、氣壓條件、液位條件等外部信號(hào)滿足且正常時(shí)，按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后，灌裝機(jī)應(yīng)處于自動(dòng)運(yùn)行模式，灌裝線上的各個(gè)工位應(yīng)根據(jù)稱重儀表編程的程序進(jìn)行循環(huán)掃描。 .2液相色譜選擇和電氣設(shè)計(jì) 根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)方案，選擇西門(mén)子S7-300的配套產(chǎn)品，包括電源模塊、處理器模塊、輸入模塊、輸出模塊、FM354定位模塊等。在本設(shè)計(jì)中，選擇PS307電源模塊，選擇處理器315-2DP。由于需要實(shí)現(xiàn)近70個(gè)外部輸入檢測(cè)動(dòng)作和近50個(gè)外部輸出動(dòng)作，多個(gè)直接輸入/輸出。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用人工智能/自動(dòng)操作模塊，包括2個(gè)SM321數(shù)字輸入模塊、1個(gè)SM322數(shù)字輸出模塊、1個(gè)SM323數(shù)字輸入/輸出模塊、1個(gè)SM331模擬輸入模塊和1個(gè)SM332模擬輸出模塊，用于輸入和輸出命令操作。當(dāng)灌裝機(jī)的外部稱重模塊有輸入信號(hào)時(shí)，輸入模塊將立即向模塊發(fā)送指令。在被處理器處理后，有必要輸出模塊相應(yīng)點(diǎn)的動(dòng)作。 3.2.1自動(dòng)配料系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)自動(dòng)配料系統(tǒng)的主電路時(shí)，應(yīng)充分考慮電機(jī)負(fù)載、交流至DC的開(kāi)關(guān)電源位置以及配電柜規(guī)格，以滿足生產(chǎn)要求?？刂乒竦闹麟娫撮_(kāi)關(guān)應(yīng)安裝在控制柜面板上，以便使用時(shí)不需要打開(kāi)控制柜門(mén)。柜子里留有一定的空間，便于調(diào)節(jié)?？刂乒衽溆凶詣?dòng)照明，內(nèi)部有散熱風(fēng)扇和備用插座。分別為稱重儀表的輸入和輸出預(yù)留至少5個(gè)空點(diǎn)，并預(yù)留其他液體灌裝機(jī)不占用的計(jì)算機(jī)連接接口，逐步設(shè)置管理控制權(quán)限。稱重模塊應(yīng)安裝牢固且方便。稱重模塊配有外部金屬保護(hù)，以防損壞。 自動(dòng)配料系統(tǒng)的電機(jī)包括兩個(gè)三相異步電機(jī)、一個(gè)桶進(jìn)給電機(jī)和一個(gè)伺服電機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)的。上桶輸送電機(jī)沒(méi)有變速功能。灌裝輸送電機(jī)由變頻器控制，可實(shí)現(xiàn)變速。變頻器為松下VFO系列變頻器，輸出功率為0.75千瓦，額定輸出電流為2.03安培. 3.2.2配料系統(tǒng)自動(dòng)灌裝機(jī)的輸入輸出模塊 在兩個(gè)SM321數(shù)字量輸入模塊上，有空桶最小堆積輸入信號(hào)、工位檢測(cè)光電、反桶檢測(cè)光電、卡口板前后位置輸入信號(hào)、桶進(jìn)給電機(jī)前、后、停止信號(hào)、桶進(jìn)給電機(jī)前后限位開(kāi)關(guān)、伺服上限、下限信號(hào)、排油壓力信號(hào)等。 3.2.3伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 伺服電機(jī)通過(guò)齒形帶帶動(dòng)兩個(gè)垂直滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)滾珠絲杠帶動(dòng)主梁向上移動(dòng)，主梁上的12個(gè)活塞桿推動(dòng)油缸活塞向上移動(dòng)。當(dāng)主梁上升到初始位置時(shí)，即當(dāng)稱重模塊14被觸發(fā)時(shí)，伺服電機(jī)停止運(yùn)行。該位置是氣缸開(kāi)始測(cè)量的起始位置(伺服零位)。伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，主梁上的活塞桿帶動(dòng)12個(gè)活塞向下移動(dòng)，灌裝桶中的油通過(guò)換向閥進(jìn)入油缸。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)(即油缸活塞向下移動(dòng)的距離)通過(guò)計(jì)算對(duì)應(yīng)于設(shè)定的填充量。當(dāng)達(dá)到設(shè)定加注量時(shí)，伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，大小換向油缸拉動(dòng)連桿，將12個(gè)油缸的換向閥轉(zhuǎn)動(dòng)到油缸與加注頭連通的位置(排油位置)，等待加注。 電子秤配料系統(tǒng)的FM354定位模塊是簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位或復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式，通過(guò)控制伺服電機(jī)對(duì)響應(yīng)、精度和速度要求，為高速稱重灌裝機(jī)的定位提供了高效的解決方案(5)。FM354處理軸的實(shí)際定位，并通過(guò)模擬驅(qū)動(dòng)接口(-10V~ 10V)控制驅(qū)動(dòng)器。編碼器(SSI或增量)報(bào)告當(dāng)前軸位置，F(xiàn)M354使用該位置來(lái)校正輸出電壓。其定位功能包括:手動(dòng)調(diào)節(jié)、增量模式、計(jì)量吸入器、運(yùn)行計(jì)量吸入器和自動(dòng)/單級(jí)控制。 樹(shù)脂灌裝機(jī)自動(dòng)灌裝機(jī)的軟件設(shè)計(jì) 4.1自動(dòng)灌裝機(jī)及程序設(shè)計(jì) 原程序設(shè)計(jì)只能實(shí)現(xiàn)部分填充功能，手動(dòng)和自動(dòng)操作集中在一套主程序中，不能實(shí)現(xiàn)模塊化處理。電子秤自動(dòng)配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用CPU315-2DP作為主控制器，工作電壓為220伏/380伏，輸出頻率為50-60赫茲。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主程序全部由處理器控制，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位，或?qū)憫?yīng)、精度和速度要求的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式，為高速稱重灌裝機(jī)(5)的定位提供了有效的解決方案。FM354處理軸的實(shí)際定位，并通過(guò)模擬驅(qū)動(dòng)接口(-10V~ 10V)控制驅(qū)動(dòng)器。編碼器(SSI或增量)報(bào)告當(dāng)前軸位置，F(xiàn)M354使用該位置來(lái)校正輸出電壓。其定位功能包括:手動(dòng)調(diào)節(jié)、增量模式、計(jì)量吸入器、運(yùn)行計(jì)量吸入器和自動(dòng)/單級(jí)控制。原程序設(shè)計(jì)只能實(shí)現(xiàn)部分填充功能，手動(dòng)和自動(dòng)操作集中在一套主程序中，不能實(shí)現(xiàn)模塊化處理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用CPU315-2DP作為主控制器，工作電壓為220伏/380伏，輸出頻率為50-60赫茲。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主程序全部由該處理器控制。配料系統(tǒng)自動(dòng)灌裝機(jī)的稱重儀表程序設(shè)計(jì)中，主程序全部放入0B1組織塊，其余使用多個(gè)功能塊和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)塊，用于子程序設(shè)計(jì)和一些數(shù)據(jù)輸入輸出指令操作，實(shí)現(xiàn)灌裝過(guò)程的自動(dòng)化。 4.2配料系統(tǒng)程序的軟件設(shè)計(jì) 配料系統(tǒng)是自動(dòng)稱重系統(tǒng)的縮寫(xiě)，即配料系統(tǒng)，也稱為稱重配料系統(tǒng)。稱重配料系統(tǒng)是系統(tǒng)與用戶之間互動(dòng)和信息交流的媒介，它實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部信息形式與人類可接受的形式之間的轉(zhuǎn)換[6]。原防爆電子秤灌裝機(jī)的屏幕是傳統(tǒng)的電阻屏幕，使用時(shí)容易誤操作，也是黑白圖像。從上面的界面可以發(fā)現(xiàn)，原來(lái)的觸摸屏使用起來(lái)不方便，甚至?xí)r間也不能同步。黑白界面也大大降低了生產(chǎn)線的技術(shù)感，給人不舒服的感覺(jué)。同時(shí)，原有的自動(dòng)界面和手動(dòng)界面不適合用戶操作。由于灌裝機(jī)的更新?lián)Q代將使觸摸屏更加人性化和現(xiàn)代化，觸摸屏還選用西門(mén)子配料系統(tǒng)操作屏MP277，方便以后的維護(hù)、更換和調(diào)試。就硬件使用而言，MP277運(yùn)行可靠，其質(zhì)量已得到世界各地工業(yè)控制領(lǐng)域的認(rèn)可，滿足生產(chǎn)要求。MP277的編程軟件為WinCCflexibleSP3，已成功應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域(7)。MP277開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是應(yīng)用程序的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，其中界面設(shè)計(jì)可以5配料系統(tǒng)灌裝生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 5.1配料系統(tǒng)灌裝生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 配料系統(tǒng)灌裝生產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試是在公司液體灌裝機(jī)管理人員在場(chǎng)的情況下進(jìn)行的。所有系統(tǒng)控制柜安裝接線完成后，首先通電，開(kāi)啟現(xiàn)場(chǎng)氣源，按照充啟動(dòng)過(guò)程，從后到前逐一進(jìn)行電路的通斷測(cè)試。然后對(duì)自動(dòng)灌裝機(jī)的所有輸入和輸出點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)操作測(cè)試。及時(shí)調(diào)整位置不當(dāng)?shù)妮斎胼敵鲂盘?hào)，然后測(cè)試各站的外部稱重模塊和稱重儀表模塊。在觀察了所有試驗(yàn)后，進(jìn)行了灌裝線的在線調(diào)試，并觀察和測(cè)試了樹(shù)脂灌裝過(guò)程的運(yùn)行情況。 結(jié)論 從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，配料系統(tǒng)綜合了我國(guó)配料系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題。針對(duì)原有灌裝機(jī)和生產(chǎn)液灌裝機(jī)生產(chǎn)率低、自動(dòng)化程度低、缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控的缺陷，采用較為完善的控制方法，提出了一種基于S7-300PLC的樹(shù)脂灌裝機(jī)自動(dòng)灌裝機(jī)。詳細(xì)描述了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，并根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要進(jìn)行了相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)。利用西門(mén)子組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了樹(shù)脂灌裝機(jī)自動(dòng)灌裝機(jī)的監(jiān)控界面。西門(mén)子系列稱重儀表稱重灌裝機(jī)通過(guò)軟件編譯大大提高了灌裝機(jī)的效率，平均生產(chǎn)速度超過(guò)6000桶/小時(shí)，而原來(lái)的灌裝速度為1500桶/小時(shí)。同時(shí)，操作使用方便，提高了生產(chǎn)線的自動(dòng)添加劑桶，提高了公司的生產(chǎn)能力，創(chuàng)造了工業(yè)價(jià)值。 | |
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