西门子代理商-模块代理商-大量库存

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1 引言
目前， 我国绝大部分矿井提升机（过70% ）采用传统的交流提升机电控系统（tkd-a为代表）。tkd控制系统是由继电器逻辑电路、大型空气接触器、测速发电机等组成的有触点控制系统。经过多年的发展，tkd-a系列提升机电控系统虽然已经形成了自己的特点，然而其不足之处也显而易见，它的电气线路过于复杂化，系统中间继电器、电气接点、电气联线多，造成提升机因电气故障停车事故不断发生。采用 plc技术的新型电控系统都已较成功的应用于矿井提升实践，并了较好的运行经验，克服了传统电控系统的缺陷，代表着交流矿井提升机电控技术发展的趋势。
2 总体设计方案
基于plc技术的矿井交流提升机电控系统控制电路组成结构如图1所示， 要由以下5部分组成：高压主电路（包括高压换向器、电动机、启动柜、动力制动电源）、主控plc电路、提升行程检测与显示电路、提升速度、提升信号电路，其中高压主电路部分仍采用传统的继电器控制电路。

3 硬件设计
3.1 提升机主回路部分设计
主回路用于供给提升电动机电源，实现失压、过流保护，控制电机的转向和调节转速。主回路由高压开关柜、高压换向器的常开触头、动力制动接触器的常开主触头、动力制动电源装置、提升电动机、电机转子电阻、加速接触器的常开主触头（1jc～8jc）和装在司机操作台上的指示电流表和电压表等组成。系统原理图如图2所示。

1、引言

啤酒生产过程分为麦芽制造、麦芽汁制造、前发酵、后发酵、过滤、包装等几道工序。啤酒灌装、压盖机部分属于包装工序。啤酒经膜过滤后由管路送入回转酒缸，再经酒阀进入瓶子中，压盖后获得瓶装啤酒。啤酒灌装、压盖机的工作效率和自动化程度的高低直接影响啤酒的日产量。
为了满足我国啤酒行业日益扩大生产规模的需求和啤酒现代化灌装机械高速灌装的要求，国内各啤酒生产厂家都在积寻求或改造本单位的啤酒灌装生产设备，使其成为具有良好的使用性能，的技术水平及高生产效率、运行稳妥、维护的啤酒现代化灌装机。

2、啤酒灌装、压盖机工作原理和控制部分构成

液体灌装机按灌装原理可分为常压灌装机、压力灌装机和真空灌装机。啤酒灌装、压盖机采用压力灌装方法，是在大气压力下进行灌装，贮液缸内的压力瓶中的压力，啤酒液体靠压差流入瓶内。

目前国内外实现灌装工艺路线基本上是:利用回转酒缸产生的旋动，使安放在酒缸槽位上的空瓶通过机械机构将固定在酒缸上部的欲抽真空阀打开，对已封好的瓶子进行抽真空处理，拨转外操作阀杆，打开气阀，对瓶内充填CO2气体，抽真空凸轮继续打开真空阀，将瓶内空气与CO2混合气体抽出，气阀再次打开，对瓶内充填CO2气体，灌装阀内的液阀在瓶内压力接近背压气体压力时打开，酒液顺瓶壁注入瓶内，通过气动或电动控制灌装阀实现啤酒的灌装。

当今的啤酒灌装、压盖机的控制系统主要由光电开关位置检测部分、走瓶带、酒缸转速的变频调速部分、主控由可编程控制器、触摸屏等组成。灌装、压盖机的机械结构装置与PLC可编程控制、变频无级调速、人机界面等现代自动控制技术手段完整的结合，形成机电一体化。

3、控制部分改造方案

国内很多啤酒厂家现使用的灌装、压盖机的控制系统的自动化程度参差不齐;所有手动按钮和工艺开关都设置在一个操作箱的面板上，PLC控制器大都为日本 OMRON公司或三菱公司的早期产品，设备连锁控制、保护设置少，加之啤酒灌装的现场环境恶劣，潮湿度大，使开关等接触触点锈蚀严重，系统的信号检测部分故障率较高，造成设备控制系统运行的性低，设备正常运行等现象。

以实际改造的丹东鸭绿江啤酒有限公司的灌装、压盖机的控制系统为例，介绍改造方法，阐明改造这类设备的控制思想和思路;根据现场的实际工艺条件，重新编写了PLC的运行程序。针对啤酒灌装、压盖机控制系统的实际状况，并根据现场的实际工艺条件，重新设计了设备的PLC控制系统。这种改造方法和思路同样可以应用与其他液体介质灌装设备的改造。

3.1系统硬件配置

使用日本三菱公司的FX2N128MRPLC替换原系统使用的2台OMRON公司的C60PPLC，原系统的PLC由于是老型号产品，和计算机联机需要配置特殊的通讯转换器，系统需要增加外部I/O输入点时，扩展模块备件较难寻。FX2N128MRPLC是集成128点I/O的箱体式控制器，具有运算速度快，指令丰富、性能价格比高、联机编程简单、扩展方便等优点，是三菱FX系列中功能的小型控制器。

（1）采用三菱公司的900系列的970GOT人机触摸屏替换原系统使用的面板按钮并监控显示设备的运行工作参数。970GOTHMI为高亮度的 16色显，通过汇流连接和FX2N128MRPLC的CPU直接连接，实现快速回应。具有许多维护功能，如列表式编辑功能、梯形图监控（故障查找）功能、系统监控功能等用来查找故障和维护PLC系统。
（2）灌装、压盖机的变频器在改造中没有换，现场检测信号的手段仍然采用开关式检测，因检测开关长期工作在湿度很大的场合，因此选择电容式的接近开关，根据PLCI/O端子的接线方式，选择PNP型的接近开关。

3.2系统程序设计

PLC控制器的程序设计和是围绕着酒缸的旋转速度控制和酒缸上60个瓶位相关位置的检测移位、破瓶、空瓶瓶位相关位置的检测移位和相关灌装阀等的控制。其中的瓶位移位检测程序中，采用了三菱PLC位左移指令，驱动执行条件输入每一次由OFF-ON变化时，执行N2位移动，N2为移动的位数。
（1）瓶位移位子程序
413LDX055;机器计数脉冲测量检测输入点
414PLSM49;主电机转速测量输入点取上升沿微分后的位M49
416PLFM301;主电机转速测量输入点取下降沿微分后的位M301
418LDIM590;进瓶个数检测
419ANIX005;连锁保护点
420ANIX006;紧急停车保护
421OUTM50;进瓶瓶位是否有瓶检测
422LDM49;主电机转速测量输入点
423SFTLM50M500K60K1
瓶位移位检测

采用PLC位左移指令，这条指令是整个子控制程序的之一，主电机和瓶位检测开关同步检测移动的酒瓶，主电机每转一周，正好对应酒缸转过一个瓶位，PLC内部单元内对应这60个瓶位的单元为M500～M559，单元个数用个字母K设置为K60，每次变化一位用二个字母K设置为K1，M50 反应了瓶位的空、缺位置，并将检测到的这个位置以电机转速的频率移位下去，在内部相应的单元内置“1”或“0”，控制相应的阀门和搅拌瓶盖的电机的开与停。系统在连续检测90个空瓶位后，停止搅拌瓶盖的电机的运行，检测瓶位的个数可以根据用户的要求任意设定。
432LDX052

出瓶位

回转酒缸通过压力往瓶内背压装酒的过程中，空瓶在背压后，可能由于瓶子本身裂纹等原因导致突然爆瓶，这就需要出爆瓶瓶子的位置，在这个瓶位的位置进行打开吹扫电磁阀，喷出压缩空气，将瓶位上的碎瓶片吹离位置，在连续吹扫几个瓶位后，在打开喷射电磁阀，喷射出高压水注，在对破瓶位置周围瓶位连续喷射几个瓶位。
（2）实现爆瓶检测、控制的步进控制
482LDX055;机器计数脉冲测量检测输入点
483PLSM49;主电机转速测量输入点取上升沿微分后的位M49
485PLFM309;主电机转速测量输入点取下降沿微分后的位M309
486LDIM70;破瓶位置检测
487ANIM071;连续破瓶位置检测
488ANIX052;进瓶位置
489SFTLM52M600K20K1

破瓶检测和瓶位检测开关同步检测移动的破瓶，主电机每转一周，正好对应酒缸转过一个瓶位，PLC内部单元内对应这20个破瓶位的单元为 M600～M619，单元个数用个字母K设置为K20，每次变化一位用二个字母K设置为K1，M52反应了破瓶的位置，并将检测到的这个位置以电机转速的频率移位下去，在内部相应的单元内置“1”或“0”，控制相应的喷射和吹扫电磁阀开与停。连续喷射和吹扫电磁阀的开听、停时间可以根据工艺要求任意设定。
系统自动化运行的就是控制进出瓶盖的同步跟踪，既准确电机转速开关、破瓶开关和进瓶检测开关三个条件。

（3）970GOT人机触摸屏操作终端机的软件采用三菱公司的GTWORKS软件包，其中GTDesigner是一个用与整个GOT9000系列的绘图套装软件。该软件包操作简单，事先可在个人计算机上组态并调试，完毕后下载至人机操作终端机。同时，因为人机界面又具有触摸屏的作用，将常用的开关设在显示屏上，方便操作。还可并以增加一些功能，如设置报警信息等。

4、改造后控制系统功能

系统正常运行时，机器为自动控制，根据进出瓶带上瓶的满缺，按设定速度或慢速运行，进瓶档瓶，无瓶不下盖，爆瓶自动冲洗，灌装位置自动背压，下盖输盖系统的自动开停和保护等动作的协调联锁。原来所有按钮的操作改造后都在触摸屏上进行。

5、控制系统检测状态的监控功能

进瓶检测开关和破瓶检测开关通过检测每个压瓶部分上面的小铁片的位置，产生光电脉冲输出，再有PLC采集，由于每个压瓶部分上面的小铁片的位置是活动的，在机器运行一段时间后，压瓶部分上面的小铁片和检测开关的位置发生位移，造成检测开关误判断，如没瓶判断为有瓶，爆瓶漏检、误检等造成输出失误，使 PLC产生误动作，造成如背压、爆瓶吹、洗、瓶盖搅拌系统控制失灵等故障现象。

在改造前的日常生产过程中，碰到这种现象时，操作工只能将各个功能开关或按扭打到手动控制档位，使机器设备工作在无监控状态下，机器失去自动控制功能。造成了很大的生产原料如气、水、酒的浪费。只能在生产的间歇，才能由维修钳工和电工根据检测开关上的小发光二管的亮和灭通过调整位移距离只有 5～8mm的检测开关的安装位置，来修正检测开关和小铁片的间隙。这种检测手段非常落后，调整后的效果反应致后，不能及时反应调整结果。

针对这种检测状况，结合改造后的灌装、压盖机控制系统的配置，新增了这部分检测功能，并集成在人机触摸屏中，完成瓶位检测。

在人机触摸屏的界面分页显示屏上，可以分别时时动态显示60个瓶位的状态和爆瓶时的瓶位状态，有瓶、无瓶、爆瓶、背压开关等检测开关、搅拌电机等电磁阀的开关状态都以不同颜色来显示，非常直观。

在需要修正检测开关和小铁片的位置时，可以在正常生产的条件下，不停机，由维修人员只要根据显示屏上的瓶位状态，就可以在线调整，并马上看到调整后的效果。在日常维修中，也可以用它作为状态监控设备，观察输出设备的运转状况。
增加这套系统功能的是为保证灌状压盖机的自动化控制系统正常运行而专门设计的。

6、结束语

改造后的控制系统大大地简化了复杂的机械结构，经现场运行情况和控制效果检验，系统的自动化程度达到了设计要求，大大减少了操作人员的劳动强度，使啤酒灌状的日产量比过去提高30%以上，故障率大大减低。体现了现代设备的自动控制技术。是在消化、吸收当今工业控制的技术的基础上加以、研制而成的目前国内技术的灌装控制系统

编码器、接近开关等组成)；(4)旋转基座主要支撑以上3部分；(5)气控机械手的张合由气压控制(充气时机械手抓紧，放气时机械手松开)。
其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作；步进电机控制开始向下运动，同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动；伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，然后充气，机械手夹住货物。
步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；步进电机再次驱动纵轴下降，到达位置后，气阀放气，机械手松开货物；系统回位准备下一次动作。
二 控制器件选型
为达到控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下：
1. 步进电机及其驱动器
机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的是北京四通电机技术有限公司的42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9°/1.8°，电流1.。M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用10～40V直流供电，H桥双恒相电流驱动，大3A的8种输出电流可选，大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在10～40VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器大输出电流值为3A/相(峰值)，通过驱动器面板上六位拨码开关的5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的1、2、3三位可组合出不同的状态。

2. 伺服电机及其驱动器
机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMAZA1G，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式(脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线）；有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500Hz ；定位调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、RS-232C 通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA3A1A，适用于小惯量电动机。
3. 直流电机
可回旋360°的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用24～48V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。
4. 旋转编码器
在可回旋360°的转盘机构上，安装有OMRON公司生产的E6A2增量型旋转编码器，
5. PLC的选型
根据系统的设计要求，选用OMRON公司生产的CPM2A小型机。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPM2A的CPU单元又是一个立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRON PC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。
三 软件编程
1. 软件流程图
流程图是PLC程序设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表，终完成程序的设计。所以写出流程图非常关键也是程序设计要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求

四 结束语
四轴联动简易机械手的各个动作和状态都由PLC控制，不仅能满足机械手的手动、半自动 、自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求，可通过接口元器件与计算机组成PLC工业局域网，实现网络通信与网络控制。使四轴联动简易机械手能方便地嵌入到工业生产流水线中。