李德英，袁 練

（湖南信息學(xué)院 電子科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410151）

浙江禾川科技股份有限公司（HCFA）專注于工業(yè)自動化產(chǎn)品的研發(fā)、制造、銷售及應(yīng)用集成，是我國工業(yè)自動化高端裝備及機器人核心部件的主要供應(yīng)商。禾川主要產(chǎn)品涵蓋了工業(yè)自動化整個系列，包括伺服系統(tǒng)、控制器（PLC）、視覺系統(tǒng)、編碼器、變頻器、觸摸屏等，機型近500 個型號，并已通過CE、RoHS 產(chǎn)品認證。Q1 PAC 是禾川推向市場的新一代總線控制器，如圖1所示，Q1 PAC&X3EB 伺服系統(tǒng)以優(yōu)質(zhì)可靠的性能和極高的性價比聞名工控市場。

圖1 禾川Q1 PACFig.1 HCFA Q1 PAC

禾川Q1 PAC 是集成了邏輯控制、運動控制、可視化系統(tǒng)等多種通訊于一體的多功能中型控制器，全方位支持IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計與PLCopen運動控制規(guī)范以及擁有豐富的功能庫。Q1 豐富的通訊接口與多種協(xié)議支持使其擁有強大的場景適用性與靈活便捷的通訊交互，同時圖形化的數(shù)據(jù)采集使得系統(tǒng)整體監(jiān)控更加直觀和高能精準(zhǔn)可視。Q1 所支持EtherCAT 可帶64 軸（可通過更改循環(huán)周期拓展），EtherCAT 通訊是當(dāng)今世界上最快最經(jīng)濟的工業(yè)通訊[1]。

禾川X3E 系列驅(qū)動器是具有高可靠穩(wěn)定性和內(nèi)置豐富功能的通用型伺服驅(qū)動器，其主要體現(xiàn)到自動控制系統(tǒng)性能的3 個指標(biāo)——快：控制環(huán)路計算周期最快40 μs，速度環(huán)帶寬大于1.2 kHz，定位時間≤5 ms @Tacc50 ms；準(zhǔn)：定位理論精度范圍±1 Turn/131072，速度控制精度±1 rpm，轉(zhuǎn)矩控制分辨率0.1%* 額定轉(zhuǎn)矩；穩(wěn)：在線負載參數(shù)（慣量比）辨識，在線自整定增益；在線自適應(yīng)陷波濾波器消除共振，最多支持4 組共振抑制。

1 隨動式智能灌裝機機體介紹

灌裝機是將液體或膠體灌入容器的機器，隨動式智能灌裝機采取的控制方案是禾川Q1 PAC+X3EB 總線伺服，其電氣拓撲如圖2所示。機體主要由來料分瓶、線寬及灌高調(diào)整、平移灌裝、液嘴升降、推活塞、輸送線、液儲罐組成。分瓶部分根據(jù)控制分瓶軸和理料輸送線的速度差把來瓶分出所需要的間距；線寬及灌高調(diào)整部分根據(jù)瓶徑及瓶高的不同，自動調(diào)整線體寬及機架高度；平移灌裝部分主要作用帶著罐頭機構(gòu)同步平移跟隨瓶子灌裝液體；液嘴升降是指配合液面高度自動調(diào)整液嘴高度，以改善灌裝效果；推活塞部分主要作用是負責(zé)從液體存儲罐抽出罐液，根據(jù)多段速控制把液體通過管道打進灌裝頭；理料輸送線主要是完成料瓶的輸送作用，承擔(dān)起控制主軸角色；液體存儲罐根據(jù)液位傳感器來控制罐液的存儲?，F(xiàn)場設(shè)備如圖3所示。

圖2 隨動式灌裝機電氣拓撲Fig.2 Follow up the electrical topology of filling machine

圖3 隨動式智能灌裝機Fig.3 Follow up intelligent filling machine

2 隨動式智能灌裝機的基本工藝流程

隨動智能灌裝機的關(guān)鍵工藝是跟隨，即灌裝頭嚴格與輸送帶保持實時同步，實現(xiàn)灌裝頭與輸送帶嚴格同步的方法是通過控制器電子凸輪功能實現(xiàn)。即當(dāng)進瓶傳感器檢測到瓶子時，系統(tǒng)即刻通過伺服探針鎖存當(dāng)前輸送帶位置，當(dāng)輸送帶當(dāng)前位置-鎖存位置=灌裝頭到進瓶傳感器距離時即瓶子到達灌裝頭位同步條件滿足，以輸送帶作為主軸通過電子凸輪帶動從軸灌裝頭做同步運動，當(dāng)灌裝頭軸從加速區(qū)到達同步區(qū)后活塞開始推料液體從灌裝頭流入容器，當(dāng)活塞推料行程到，灌裝頭軸脫離與輸送帶的同步停止運動，然后活塞與灌裝頭返回啟動位，等待下一個工作信號的到來。

3 隨動式智能灌裝機關(guān)鍵工藝分析

對于隨動式高速灌裝機來說，它的核心功能與創(chuàng)新主要體現(xiàn)在灌裝頭與輸送帶的同步精確跟隨與灌裝頭的智能選瓶，實現(xiàn)這些功能的方法是通過電子凸輪、伺服探針鎖存以及關(guān)于檢瓶信號的數(shù)據(jù)處理方法。

3.1 檢瓶位置的探針鎖存功能

探針抓取入瓶信號采用伺服探針功能實現(xiàn)，采用伺服探針的原因是PLC 與伺服通信有掃描周期，如用PLC 輸入點作為檢瓶信號會產(chǎn)生位置延遲，用伺服探針則是外部檢瓶信號直接反饋到伺服，反饋的位置數(shù)據(jù)更實時與精準(zhǔn)[2]。禾川X3E 伺服驅(qū)動器指定DI8（P04.08）、DI9（P04.09）作為探針1 和探針2 的輸入DI，啟用伺服的方法是將進瓶傳感器接至X3EB 總線伺服的DI8、DI9 引腳。再把伺服面板的也就是將P04.08 設(shè)置為39，P04.09 設(shè)置為40，并通過Codesys 設(shè)置探針功能（60B8h）和探針狀態(tài)字（60B9h）。具體實現(xiàn)方法如圖4所示。

圖4 伺服電機探針鎖存功能實現(xiàn)Fig.4 Servo motor probe latch

3.2 輸送帶與灌裝頭跟隨同步實現(xiàn)

電子凸輪是按設(shè)定凸輪位置曲線進行的連續(xù)運動控制，從而實現(xiàn)軸與軸之間的同步運動，在各種要求主從同步的場景中得到了廣泛應(yīng)用。跟隨式灌裝機的核心工藝之一是灌裝頭與被灌裝瓶在同步運動中完成工序，是運動控制技術(shù)飛速發(fā)展的產(chǎn)物[3]。它的實現(xiàn)方法是當(dāng)灌裝瓶到達灌裝頭下時，觸發(fā)電子凸輪功能塊，灌裝頭根據(jù)凸輪曲線規(guī)劃跟隨輸送帶做同步運動，電子凸輪曲線規(guī)劃程序如下所示，實現(xiàn)程序塊如圖5所示。

圖5 主從軸高速同步電子凸輪功能Fig.5 Master slave high speed synchronous electronic cam

3.3 灌裝智能選瓶的實現(xiàn)

進瓶光電傳感器持續(xù)檢測進給瓶，每檢測到一個進瓶信號伺服探針就鎖存一個輸送帶當(dāng)前位置數(shù)據(jù)，當(dāng)輸送帶實時位置減伺服鎖存位置等于傳感器至灌裝頭距時，開始進入同步灌裝狀態(tài)。此工藝是源源不斷的瓶子進給產(chǎn)生多個鎖存位置數(shù)據(jù)，直至達到工作條件才會從前往后清除，故本步采用數(shù)組遞推算法實現(xiàn)，如下程序所示。

4 隨動式灌裝機效率影響因素分析

灌裝機的生產(chǎn)效率通常定義為每分鐘灌裝完成的產(chǎn)品數(shù)，直觀來說就是經(jīng)過輸送帶瓶子的數(shù)量。從人的直接感觀效應(yīng)來說，通常第一認知是輸送帶運動速度越高，產(chǎn)量越高，但從機器整體運行分析隨動式灌裝機是活塞定位、灌裝頭與輸送帶同步平移運動的統(tǒng)一協(xié)同。機器的工作步序是輸送帶做連續(xù)運動，灌裝頭根據(jù)檢瓶信號做跟隨同步運動，同時灌裝頭進入同步區(qū)后活塞進行推料定位，推料結(jié)束即灌裝完成后灌裝頭停止運動，系統(tǒng)回歸啟動工作位。

整個流程中最核心的工序是灌裝頭同步后“活塞推料”，活塞推料灌裝嘴出液系統(tǒng)灌裝進行中，活塞推料完成灌裝嘴脫瓶停止跟隨，因此活塞的運動時間決定著灌裝頭的同步時間。活塞的推料時間與灌裝頭的運動時間是一致的，灌裝容量不變，如將輸送帶的速度調(diào)高，那么（灌裝頭行程+）=灌裝頭時間*（灌裝頭速度+），灌裝頭走的行程長了返回時間必然增加且對運動區(qū)間有硬性要求，因此改變單一的輸送帶的速度對整體灌裝效率并無意義，由上分析，提高機器工作效率的最佳方法是提高活塞推料速度，推料時間減少，灌裝頭運動時間減少，機器整體效率提高。而圍繞著機器效率的核心活塞推料速度所必然伴隨的是液體的壓力效應(yīng)，推料速度越快意味著在單位時間內(nèi)經(jīng)過同一橫截面的液體越多，即液體流量越大，液體的壓力越大，液體越具有沖擊力，試想一個灌裝頭每秒出液1 kg，可想而知此時液體的壓力。高速的液體碰到灌裝瓶會產(chǎn)生濺液，因此為了保持生產(chǎn)的穩(wěn)定性就要抑制濺液。抑制濺液的本質(zhì)是減低液流的壓力，即一般通過調(diào)節(jié)活塞運動速度實現(xiàn)，故濺液是影響機器整體效率的首要因素。在保證機器不濺液穩(wěn)定運行前提下，應(yīng)盡可能提高活塞運動速度減少灌裝時間提高機器整體效率。其次才是根據(jù)灌裝頭行程調(diào)節(jié)相適應(yīng)的輸送帶速度。

5 灌裝機控制系統(tǒng)介紹

整個灌裝機系統(tǒng)主要分為2 個模式，分別是待機模式（手動）、運行模式（自動）[4]。在待機模式下操作員可以設(shè)定好相關(guān)參數(shù)，并把相關(guān)參數(shù)保存至系統(tǒng)配方，以便生產(chǎn)實時調(diào)用。運行模式則是生產(chǎn)準(zhǔn)備好，操作員按下啟動機器進入生產(chǎn)狀態(tài)，當(dāng)機器出現(xiàn)故障時，機器會自動急停并反饋故障進入手動模式，操作人員根據(jù)HMI 提示排除故障，人機操作界面如圖6所示。

圖6 隨動式灌裝機人機操作界面Fig.6 Man machine interface of follow up filling machine

6 結(jié)語

消費需求的變化正在使得生廠商和服務(wù)商改變傳統(tǒng)模式，市場逐漸走向消費者為導(dǎo)向的創(chuàng)新型道路，柔性快速的供應(yīng)鏈正在成為企業(yè)的關(guān)鍵競爭力[5]。多樣化生產(chǎn)場景形成了多樣化的生產(chǎn)需求，滿足個性化定制需求是新制造的核心競爭力，浙江禾川科技股份有限公司能夠為客戶提供全方位的自動化核心零部件與整體解決方案，滿足廣大設(shè)備廠商對定制化解決方案的需求[6]。禾川總線方案能精確判斷、智能選瓶、精確灌裝，高速高精度實現(xiàn)同步跟隨、灌液體積實時可調(diào)、多段速控制罐液、異常不灌液、瓶子不同規(guī)格灌液、多級配方選擇與保存、減少重復(fù)操作，操作清晰、簡單易用、功能全面，并能實時根據(jù)生產(chǎn)需要進行功能優(yōu)化。