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基于PLC的自动液体灌装系统
Nabil Shaukat（IEEE学术会员，IIEE-IEEE学生分支财务主管）；Naheed Wahab（IEEE学生会员）；Bakhat Rawan；助理教授Ashab Mirza，IEEE高级会员；IIEE-PCSIR工业电子工程研究所
摘要：
自动控制仪器在现代工业中起着非常重大的作用。但是巴基斯坦不仅在工业上忽略了这一领域，在工程教育事业上也是如此。所以现在巴基斯坦大多数仪器，控制单元甚至机械都从国外进口。然而，这些自动控制仪器工厂通过工业部门和工程教育机构的合作可以在巴基斯坦本土发展。
本文提出了一种基于PLC的低成本全自动液体灌装系统的设计和开发，该系统可以替代旧的手动操作。本土工厂可以通过该系统来减少加工时的错误，这可以提高经济效益、增加工厂产量。
一、介绍
灌装机是制药，糖浆，冷饮和果汁等行业的心脏，这类行业生产的速度和准确性主要就是取决于灌装机的好坏。本文介绍的项目是机械，电气，电子和软件工程的综合。
其中机械结构为电子和软件控制提供了平台。为了使机器获得理想性能，每个机械零件都应由电子设备精确控制，并使用软件命令相互同步。为提高控制效率，我们采用熟知的PLC(S-7300IFM)编程，并且我们采用容积式填充代替重力式填充，因为容积式填充具有更加快速，准确，并且可多种液体填充等多项优点。最后，我们将所有程序与计算机进行串行接口，以此来完成产品的数据管理。数据库管理是使用常用的软件语言MS Visual Basic 6.0。
二、问题解决
自动液体灌装机械投入使用的话，本土企业可以解决诸多问题，例如：
1、自动灌装机械通常是国外进口，需要缴纳大量的税款和关税当地企业不会去购买这样昂贵的机器。但是如果这些类型的机器可以在巴基斯坦当地工厂研发，当地企业就不用了为了高额关税而放弃这类产品。
2、一部分企业目前使用的是半自动灌装机，也就是没有传送带将瓶子从一个地方传送到另一个地方。他们靠人工来搬运瓶子。相比较之下，如果我们使用输送机的话，既减少了大量的人工费用，又加快了生产速度。
3、灌装机中将瓶子放在小喷嘴下面的机械控制机构是转盘式机构，该机构特点就是特别昂贵。所以我们正考虑将其替换为更便宜、更可靠的步进电机位置控制系统，而且该系统也比常规机械系统更灵敏。
4、通过使用先进的数据管理系统，生产记录很容易被保留下来，就这点来说，该系统比人工记录更加的经济。
5、如果机器上没有瓶子的话，则可以通过瓶子传感器来停止向瓶子中液体的注入。
6、通过使用误差控制传感器，如果系统运行错误，机器就会停止运行。通过使用液位传感器，如果主容器中没有生产液，机器也会停止运行。
三、灌装工艺选择
灌装工艺通常有两种方式：（1）重力填充过程 （2）容积填充过程。下面给出两种填充方式的说明。
3.1、重力式填充：
世上所有东西都有重力，这点我们要承认。这种力可以用来解决很多问题，其中就包括填充过程。在这种方式的填充过程中，液体因为重力从容器中流出并灌装到瓶子中。液体的流出时间由预定时间打开的阀门来控制。
这种方法的优点是，与体积填充过程相比，它需要的硬件更少。 但是有以下缺点：
（1）填充不准确；
（2）填充缓慢；
（3）无法填充高粘度液体。
3.2、容积式填充：
该类型的填充过程大致可以描述为当注射器的活塞向下移动时，一定量的液体会被注射器吸入；同样，当活塞在向上运动又会将一定量的液体排出。注射器的上下移动是靠马达来实现。不过该填充方式相比较于重力式填充花费更高。
选择容积式填充的原因：
我们选择容积式填充的有两个主要原因。
1、容积式填充速度更快
机器中的活塞附件使整个过程更快、耗时更少。系统的速度取决于活塞的旋转速度，电动机的转速越快，系统的生产速度就越大。我们的系统生产效率达到了每小时为600到1500瓶，这对于工厂生产来说是非常可观的。
2、更加精确
容积灌装量更为精确。这种类型的机器有固定容积的活塞，该活塞还可以根据瓶子的大小进行校准。整个系统的精度为95％，并且随着将来机器的制造水平发展，有望进一步提高到100％。
四、流程图
五、系统介绍
填充过程都在三个主要部分的运作下完成：机械部分；电子部分；软件部分。
5.1、机械部分
机械部分由三个主要单元组成：灌装单元；转台；传送带。
5.1.1 灌装单元
灌装单元外形是一个矩形盒，所有都零件组装在里面以获得所需的功能。为了使灌装机在电动机启动时免受冲击，机体的重量不应该太小。由于这种合理的加重，灌装机启动时会非常流畅。
5.1.2 内置单元
我们将深入介绍填充单元的每个部分。
（1）注射装置：注射器从容器中吸取所需的液体，然后借助管道和喷嘴将其注入到瓶子中。
（2）凸轮和轴:凸轮可以将交流电动机的圆周运动转换为线性运动，这样活塞就可以上下移动。
（3）液体调节器:液体调节器可以满足填40ml至120ml的液体灌装。
5.1.3 基本工作原理
基本理论就是“如果我们可以控制活塞的上下运动，我们就可以控制液体的灌装”
实施原则：
为了在我们的机器上实际实现这一原理，我们将活塞杆的末端连接到可移动的铁块，该铁块在螺栓上的凸轮内移动，如图3所示。通过逆时针旋转螺栓，我们可以调整到最小剂量，通过顺时针旋转螺栓，我们可以调整最大剂量。
数学计算说明:
8圈360度螺栓设定为使注射10ml液体；同理如果要注射60 ml需要旋转48圈。
·链齿轮机构
止回阀用于防止注射器要填充完成时液体从喷嘴滴落。
5.1.4 转台
转台是该系统另一个重要的组成部分，它的作用如下。
1、转台从传送带上转移瓶子到喷嘴口下方。由于有了这个转台，瓶子可以精确地移动到灌装位置。
2、转台工作结束后，瓶子将在喷嘴正下方停下。
3、转台再次将装满的瓶子从喷嘴正下方移开并将其运送到传送带上。
在我们的系统中，转台是电子控制的。借助于控制电路，步进电机每次旋转90度。
5.1.5 传送带
当我们的灌装机与自动输送机结合使用时，可以大大提高灌装过程的速度。传送带在该系统中有以下作用：
1.将瓶子运送到转盘进行灌装；
2.装满后将瓶子从转盘上移开。
传送带由两个滚筒，两个导板和一个直流电动机组成。其中一个滚筒是由直流电动机带动旋转。皮带随着滚筒的移动而移动。两个导向器用于保护瓶子不会掉落。
5.2电子部分
电子部分由以下几个子系统构成：（1）电机（2）驱动器传感器
5.2.1电机和驱动器
在灌装过程中有采用三种不同的电动机：交流电动机，直流电动机，步进电动机。交流电机接采用220伏交流电供电，而直流电动机和步进电动机由驱动器电路驱动，接下来讨论这些电动机及驱动器。
步进电机和驱动器
每当需要可控运动时，步进电机都是不错的选择。比如说需要控制旋转角度，速度，位置和同步性的应用中，步进电机就非常有优势。步进电机在许多应用中都占有一席之地。比如说：打印机，绘图仪，高端办公设备，硬盘驱动器，医疗设备，传真机，汽车。我们将其用于灌装机中是因为它具有以下优点：
1、电机的旋转角度与输入脉冲成正比。（我们想将瓶子精确地放置 在喷嘴下方）
2、电机在静止状态下具有全转矩（如果绕组已通电）
3、精确的定位和运动的可重复性。因为好的步进电机的精度为步进的3–5％，并且该误差在两步之间不会累积。
4、对启动/停止/反转的响应出色。
5、非常可靠。因为电动机中没有接触电刷，所以电动机的寿命取决于轴承的寿命。
6、电机对数字输入脉冲的响应是开环控制，这使得电机更简单、控制成本更低。
7、通过直接耦合到轴上的负载，有可能达到极低速的同步旋转。
8、由于转速与输入脉冲的频率成正比，那么步进电机能实现的速度变化范围也就很大。
步进电机应用到灌装机的劣势
1、如果控制不当，可能会产生共振。
2、不容易以极高的速度操作
驱动电路
我们使用UCN 5804流行的步进电机驱动器IC，灌装过程中使用的驱动器电路图如下所示。
电机和驱动器
直流电动机用于移动传送带。它之所以是最优选择，是因为它既能实现速度变化控制成本又比较低，同时它还具有良好的重量/强度比。
驱动电路
我们需要驱动电路来控制传送带的速度。为控制直流电动机的速度，控制器应在输出端产生可变电压，该电压会根据所需速度上升和下降。如果需要提高电动机的速度，则控制器的输出将增加。并且如果需要降低直流电动机的速度，则控制器输出的电压将自动减小。为了将此具有比列关系的电压传送到直流电动机，我们使用了驱动电路，该驱动电路将此电压比传到电动机。
5.2.2传感器
灌装系统中使用了四种传感器，它们使系统更高效、可靠，接下来我们将依次讨论这些传感器。
·注射器液位传感器
该传感器用于监测注射器中的液体量。换句话说，它可以感应到注射器中的液位，但我们只关心注射器是否存在液体。当注射器排空时，瓶子应先放在喷嘴下面，之后注射器将从容器中吸取液体并将注瓶子装满。
该传感器有以下几点作用：
1、它能感应注射器中的液位。
2、它向PLC发出信号，指示现在应该将瓶子放在喷嘴下面。
3、为步进电机提供参考基准的相关信息。
·瓶子位置传感器
该传感器用于检测瓶子是否存在或是否在喷嘴下方。如果瓶子位于喷嘴下方，则传感器将向plc提供24v输出；如果瓶子不是位于喷嘴下方，则传感器将不提供输出。传感器的输出为高时，喷嘴将开始灌装瓶子；如果传感器的输出为低，则系统将停止灌装直到检测到瓶子。当瓶子移动到喷嘴下方时，系统将再次开始工作并灌装瓶子。
传感器图：
如上图所示，当不存在瓶子时，由于地面连接到常闭触点，限位开关将不会被激活，并且输出为零伏。当瓶子的出现时，它将触动限位开关，传感器的输出将升高。
·液位传感器
液位传感器确定水箱中的液体量。
优点：
通常水箱中没有液体时，灌装过程仍将持续保持在运行状态，电能持续损耗，维护成本将增加，系统的生命周期将变小。
所以使用该传感器的主要优点有以下几点
1、提高效率；
2、降低维护成本；
3、增加项目的生命周期；
4、效果令人满意；
5、减少电费消耗
灌装过程中使用的传感器是简单的可变电阻类型的传感器。杆与变阻器的可移动部分连接，并且在该杆的端部存在浮子。所以液位上升时，杆也随着液体的位置上升，电阻也就发生了变化。
·无瓶无工作传感器
当瓶中的液体很珍贵，需要消除浪费的情况时，就需要安装该类传感器。
无瓶状态下：
当传送带上没有瓶子，转盘机构处于工作状态，而灌装机构未处于工作状态时，转盘连续旋转，因为当有新的瓶子在传送到皮带上时，转盘会旋转并准确地把瓶子送到喷嘴下方。
5．3 软件部分
软件部分由两部分组成：
·PLC软件
·数据库管理
5.3.1 PLC软件
PLC介绍
现在，工业自动化对其繁荣至关重要，因为它可以将生产成本降低很多倍，并且提高生产率。为此，在60到70年代引入了WLC（即有线逻辑控制 器）。这是工业自动化
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