基于PLC的果汁灌装机控制系统设计

杜新珂，徐洪亮

1. 平顶山技师学院（平顶山 467000）；2. 开封技师学院（开封 475000）

液体智能灌装设备是现代饮品生产企业自动化生产急需的重要装备，随着我国经济快速发展和生活水平得到迅速提高，人们对于果汁的需求量也循序提高[1-2]。由于果汁生产量的快速提升，果汁加工生产企业亟需对果汁灌装生产线进行改进，进而提高企业的生产效率。此外果汁消费者对于灌装果汁提出更新的要求，如食品安全、包装美观性等，因此研制更加智能化、自动化、更高效的机械控制方法是灌装机亟需解决的问题。

传统的灌装方法通常一些工艺环节需要人工介入，如人工摇动灌装枪头到灌装瓶进行灌装，这种灌装方式不仅劳动强度大，且耽误时间，甚至可能出现偏差导致液体流入瓶壁外侧，对瓶体造成污染。因此为解决类似这种人工参与的流程，需要引入自动控制技术。可编程控制器（PLC）是利用运算指令、比较指令、计时指令等一系列指令，将一些信号进行转化输出，进而实现机械设备运行控制。PLC具有简单易操作、易编程、抗干扰能力强等优点。PLC能够针对设备特点进行程序调整，且具有较强的可扩展能力，因此PLC也逐渐取代传统的继电器控制方法[3-5]。

为提高灌装机的可靠性、提高其自动化成，选择PLC作为灌装机控制系统的核心，辅助以触摸屏进行系统参数的快速设定以及数据的随时监控。通过PLC编程和触摸屏编程实现灌装机的自动化控制。

1 灌装机结构

常用果汁灌装机有直线传送灌装机和旋转型传输灌装机。试验研究直线传送方式的灌装机，灌装机结构如图1所示。

图1 视觉检测系统三维结构

1) 空瓶传送。空瓶经过清洗消毒后，通过传送带输送到灌装机，空瓶输入口与流水线整体相连接。

2) 分瓶机。空瓶经过清洗后由洗瓶机输出传送到传送带上，而空瓶通常没有间隙，但在瓶体进入灌装机之前通常需要对空瓶进行自动检测，将残次的瓶体挑出，因此为保证瓶体的检测，需要将分瓶机输送过来的瓶体隔开一定距离，主要通过链条上的拨叉将瓶体进行等距离隔开。

3) 空瓶传送带。灌装机流水线上的传送带为普通传送带，通过传送带的摩擦带动空瓶向前传送，在传送过程中需要对瓶底进行检测，因此需要采用特制的传送带将瓶体夹紧进行传送。

4) 破损瓶体剔除。瓶体被发现损坏后，控制器将控制剔除机构动作，将破损的瓶体进行剔除。

2 硬件设计

果汁灌装控制系统主要有两大部分组成，一个是传送检测系统，另一个是灌装系统。该系统可以单独控制其中的一部分，且2个部分同时工作可以进行联锁联动控制，既提高系统安全性，又提高系统自动化程度[6-9]。控制系统硬件结构如图2所示。果汁灌装控制系统主要由人机触摸屏、PLC及智能称重系统、各种开关传感器等组成。触摸屏主要实现人机交互，通过触摸屏实现灌装系统的状态监控、灌装果汁重量显示、运行参数设定及系统故障和故障要因查询。PLC主要完成瓶体输送带的控制、电磁阀门的开关控制以及外部开关传感器信号的采集，通过模拟量采集模块实现压力信号的采集，并经过平均值滤波方法进行信号处理并将结果通过串口传送到PLC。

根据PLC控制原理，果汁灌装机PLC主要采用模块组合方式：1）CPU单元，采用松下FP-XC60R作为控制系统的CPU，CPU主要负责完成逻辑控制程序的执行以及数据的处理；2）扩展模块E30R，该模块为数字量输入输出扩展，主要是负责采集灌装系统的外围数字量及输出控制，为后续灌装系统功能扩展做准备；3）模拟量采集AD8，模拟量采集模块主要负责灌装系统压力等数据的采集；4）通讯模块，通讯模块主要按成数据的传送；5）脉冲输出模块，该模块主要负责控制瓶体及瓶盖的运动控制，通过发送脉冲对伺服电机和伺服电机进行精确的位置控制。

图2 控制系统硬件结构

3 软件设计

果汁灌装机控制系统软件主要是为将灌装工艺流程进行模块化编程，将整体的工艺流程简化为相对独立的小模块，各模块各相互独立运行，又能将不同模块相互连接，相互调用共同完成整个控制流程。果汁灌装机工艺流程复杂，通过模块化编程，能够使系统的数据初始化处理、故障报警、伺服电机位置控制、各执行机构逻辑控制等工艺流程实现单独编程、调试，模块程序随用随调，简化控制过程，提高程序的可读性及可修改性。基于PLC的果汁灌装机控制系统软件主要包括PLC编程及触摸屏界面编程。PLC软件模块软件流程：1）数据初始化，通过数据初始化实现系统数据的初始值设置；2）安全回路确认，安全回路确认主要完成各状态的检测，检查系统一些关键传感器传送的信息，通过这些信息判断机器是否具备开机条件，如果不具备开机条件则会报具体的故障，当具备开机条件时则发出开机运行指令；3）运行循环，如果满足开机套件则机器进入正式运转循环模式；4）故障处理，当机器运转过程中出现故障后，则机器停机并报故障。PLC控制程序流程如图3所示。

图3 PLC软件流程

果汁灌装机控制系统软件采用松下公司的FPWinGR软件，该软件能够兼容各种办公软件，能够与计算机及触摸屏实现通信调试功能多样化，同时可以在线直接修改PLC程序。另外，在该系统程序设计中，完成伺服电机的运动控制，伺服电机控制程序如图4所示。

4 结语

饮料类食品的需求随着生活水平的不断提高而与日俱增，同时也促进饮料灌装机械设备发展。为提高饮料灌装机的自动化程度、提高设备控制系统的可靠性，设计一种基于PLC的果汁灌装机控制系统。该设计介绍了灌装机的基本结构，并设计了灌装机控制系统硬件。硬件主要包括PLC和触摸屏，通过PLC和触摸屏实现灌装机的逻辑控制、数据监控、参数设置等。在硬件结构基础上结合灌装工艺流程设计控制系统软件。该控制系统能够完全实现灌装的自动化，可以大幅提升饮料食品生产企业生产效率。