1 引言
直線飲料灌裝機主要用于灌裝各種各樣的瓶裝飲料，適合于大中型飲料生產廠家。直線飲料灌裝機主要包括進瓶、抓瓶、灌裝、擰蓋、抓瓶、出瓶等幾個步驟，在進瓶階段，通過帶有10個固定夾的皮帶一次帶入10個瓶，在第一個抓瓶階段，10個抓手同時把10個瓶抓入輸送鏈，在灌裝階段，2組10根罐裝管分2次向10個瓶中罐液體，在擰蓋階段，一個伺服帶動10個擰蓋機構進行擰蓋，在第二個抓瓶階段，把裝滿的10個瓶從輸送鏈中抓出，送上輸出皮帶，在出瓶階段，輸出皮帶送出已罐瓶，直線飲料灌裝機的系統框圖如圖1所示。

圖1 直線飲料灌裝機的系統框圖

客戶原先用傳統的PLC開發過直線灌裝機，各軸伺服通過運動控制模塊進行控制。各軸的動作時序采用位置判斷，然后分別以一定的速度和位置啟動各個軸的方式來完成。在過去3年中賣出過5、6套設備，運行效果不好，發生異常停機的頻率很高，而且沒有暫停功能，每次停機都要全部重新尋原點，生產效率比較低。采用歐姆龍SYSMACNJ系列新一代PLC進行改造之后，用電子凸輪功能來替代以往的普通運動指令，故障率低，并且很容易完成“暫停”功能。

2系統工作原理及控制需求

飲料灌裝機主要包括三大部分：恒壓儲液罐、夾瓶及灌裝頭部分、變頻調速傳送帶部分，系統控制功能結構如圖2所示。主機的上部是恒壓儲液罐，里面有上限位和下限位液位傳感器，液面低于下限位時恒壓儲液罐為空，飲料通過進液電磁閥流入恒壓儲液罐，液面達到上限位時進液電磁閥斷電關閉，使液位保持穩定。

圖2 系統控制功能結構圖

恒壓儲液罐下面是夾瓶及裝瓶頭部分，共有20個灌裝頭。夾瓶裝置由氣壓缸驅動下降，下降到位后，夾瓶裝置由另一組氣缸夾緊定位，下降及夾緊由行程開關控制位置。夾緊定位后，灌裝頭由第三組氣缸驅動下降，到位后灌裝頭電磁閥打開，開始灌液，延時后電磁閥關閉，通過控制電磁閥的開啟時間達到灌裝容量控制。放瓶動作流程如圖3所示。

圖3 放瓶動作流程

傳送帶電動機由變頻器控制，實現無級變速，達到系統經濟運行的目的。電機啟動1s后，進瓶氣缸縮回、開始進瓶，3s后出瓶處氣缸伸出擋住空料瓶。進瓶處設置光電開關檢測進瓶個數，當達到相應數量后傳送帶電動機停止。灌裝頭下降到瓶口，由通過觸摸屏輸入的時間，使PLC控制灌裝頭的開啟時間。灌裝結束后，灌裝頭上升，夾瓶裝置放松、上升。出瓶處氣缸縮回，傳送電動機又開始轉動，1s后進瓶處氣缸縮回，光電開關又開始檢測進瓶個數。出瓶動作流程如圖4所示。

圖4 出瓶動作流程

在本項目中，需要研究的重點課題有以下幾點：（1）電子凸輪代替時序控制；（2）暫停功能；（3）工位判斷；（4）回零停止；（5）急停保護；（6）曲柄的線性處理；（7）凸輪表的變換。其中，暫停功能和曲柄的線性處理是客戶以往舊設備未能實現的功能。

3系統解決方案

3.1方案配置（見表1）

表1 系統方案配置表

3.2系統功能實現

（1）電子凸輪代替時序控制

以“進瓶水平”（MC_BottleInHorizontal）為例，主軸為虛軸，從軸為實軸。時序圖如圖5所示。

圖5 時序控制圖

主軸以360為一個周期，進行循環速度控制。主軸、從軸都在零位。從軸開始的時候并不啟動，而是在主軸位置到達285時開始啟動，當主軸位置到達360時，從軸停止。在下一個周期，主軸到達120的時候，從軸開始返回（反轉），主軸位置到達220的時候，從軸停止（回零位）。進瓶水平軸與主軸構成的電子凸輪表如圖6所示。

圖6 進瓶水平軸與主軸構成的電子凸輪表

從圖6可以看到，主軸為0的時候，從軸也是0，而根據時序圖的要求，從軸的“0”應該在主軸的“285”。顯然這樣的動作是不正確的。這樣編制凸輪表的原因在于，NJ的電子凸輪表的起始點必須為兩個“0”，即主軸、從軸都從0開始，如圖7所示。

圖7 NJ電子凸輪表

解決這個問題的辦法是對編制好的凸輪表進行“偏移”，偏移的程序如圖8所示。 

圖8 偏移程序

通過MasterOffset將主軸向后偏移280，這時的動作時序和凸輪形狀就與工藝要求相符了，但要注意的是，這時的從軸起始位置不為0，會造成起始速度“無窮大”，從而引發伺服報警。將MasterScaling設置為280，就可以將從軸的起始點推遲到“主軸280”的位置，當主軸啟動時，從軸并不啟動，而是等到主軸到達280位置時再啟動，這樣就可以實現客戶的工藝要求了。

（2）暫停功能

這套系統相比以前用CS、CJ來做的系統而言，一個很重要的亮點就是可以很容易的實現“暫停功能”，具體程序如圖9所示。

圖9 暫停功能程序1

虛軸的啟動采用速度控制指令，以360為周期循環運動，見圖10。

圖10 暫停功能程序2

當需要暫停設備時，只需執行MC_Stop指令即可。當再次啟動時，只需再次執行MC_Velocity指令，設備會從當前停止的位置繼續運行。暫停的好處是，當操作人員需要暫時停止設備，做簡單處理，后面又需要快速恢復生產狀態時，不需要重新尋原點。對生產效率的提高幫助很大。

（3）工位判斷

每排模板上應該夾住10個瓶子進行灌裝、加蓋、整蓋、擰蓋、判斷缺蓋等工序，但由于各種客觀情況（風道等問題），并不能保證每次都夾滿10個瓶子。當少于10個瓶子的時候，整排都不能進行任何操作，否則設備會產生嚴重故障（比如無瓶加蓋會卡住模板）。解決這個問題的辦法是，采用位移指令進行工位判斷，具體程序如圖11所示。

（4）回零停止

當按下停止按鈕后，各軸的最終停止位置必須是自己的“原點”，這樣，在下一次啟動時，就不需要重新全體尋原點了（全體回零時間較長）。另外一方面，如果各軸都在原點的話，絕對不會出現“撞車”的現象，否則如果其中一根軸不在原點就停止動作，其它的軸在回零過程中很容易撞上它。回零停止的方法采用Cam_Out指令，程序如圖12所示。

圖12 回零停止程序

如圖12程序所示，當需要停止主拖動軸時，必須要等待主拖動當前動作完成后。根據虛軸的位置判斷，當虛軸處于90到140之間時，主拖動處于停止狀態，這時執行MC_CamOut指令，就可以將這個從軸順利脫出凸輪表。

在啟動和停止過程中，必須特別注意一個問題，那就是回零停止和啟動過程一樣，必須要按照嚴格的順序來執行。例如，停止時，“出瓶”早于“主拖動”，“主拖動”早于“進瓶”，而進瓶時剛好相反。這樣才能保證在下次啟動時，出瓶工位的瓶子剛好被抓出，而進瓶工位則是空的，剛好可以開始放瓶。如果不按照順序啟動，則會使進瓶工位“有瓶”狀態下打開模板，導致瓶子掉落；或者出瓶工位“有瓶”，但不抓瓶，導致瓶子轉到機器底下。這些都是不允許的。

（5）急停保護

對于“撞車”的保護，是整個系統設計中非常重要的一部分。如果所有軸都能夠嚴格按照自己凸輪曲線進行運動，并且沒有掛進凸輪的軸也能夠正常動作的話，“撞車”原則上是不會發生的。但由于伺服故障、氣缸故障等諸多因素的產生，會使得“撞車”發生的概率增加。

“撞車”的情況可以分為兩大類，一類是“凸輪動作”內部碰撞，另一類是凸輪動作與非凸輪動作之間的碰撞。例如：進瓶抓瓶機構與進瓶皮帶之間，由于進瓶抓瓶的原點位于進瓶皮帶上方，下移放瓶時需要水平和垂直兩根軸同時動作，才能繞過皮帶。如果此時進瓶水平軸由于種種原因沒有動作，只有垂直軸在動作，氣爪將直接砸在皮帶上，造成設備嚴重的損壞。這屬于凸輪動作內部撞車。再例如：當擰蓋機構進行擰蓋時，擰蓋爪抓在瓶子上，如果此時拖板提前開始動作，則會將瓶子拉壞，甚至將模板掀翻。這屬于凸輪軸與非凸輪軸之間的碰撞。為避免這些問題的產生，編寫了一系列程序，部分程序如圖13所示。

圖13 進、出瓶模板的空間保護程序

圖13所示兩段程序是對進、出瓶模板的空間保護，當模板被氣缸頂起時，模板絕對不能拖動，否則會被掀翻。這里依舊采取通過對主軸位置的判斷，來判斷從軸。當主軸位置處于320和360之間時，模板被氣缸頂起，同時由模板開合軸將模板分開。如果此時氣缸突然下降，模板將來不及合攏，而被掀翻。此時可通過MC_ImmediateStop指令完成急停操作。

（6）曲柄的線性處理

整套設備采用了多個曲柄機構，比如灌裝、擰蓋升降等等。根據曲柄機構的特性，當伺服勻速旋轉時，曲柄機構的垂直速度并不是勻速的，并且垂直位置也不是線性變化的。而灌裝機構需要一個相對穩定的速度（主要是防止液體飛濺），和一個線性的標定（可以通過對伺服位置的設定，直接標定灌裝量）。解決速度基本恒定的方式如下：

IF 30>=MC_Fill1.Act.Pos OR (180>=MC_Fill1.Act.Pos AND MC_Fill1.Act.Pos>150) THEN

    Fill1_Velocity_Out:=LREAL#1*灌裝1速度HMI;

ELSIF (60>=MC_Fill1.Act.Pos AND MC_Fill1.Act.Pos>30) OR (150>=MC_Fill1.Act.Pos AND MC_Fill1.Act.Pos>120) THEN

         Fill1_Velocity_Out:=LREAL#0.8*灌裝1速度HMI;

ELSIF (80>=MC_Fill1.Act.Pos AND MC_Fill1.Act.Pos>60) OR (120>=MC_Fill1.Act.Pos AND MC_Fill1.Act.Pos>100) THEN

         Fill1_Velocity_Out:=LREAL#0.5*灌裝1速度HMI;

ELSIF 100>=MC_Fill1.Act.Pos AND MC_Fill1.Act.Pos>80 THEN

         Fill1_Velocity_Out:=LREAL#0.3*灌裝1速度HMI;

END_IF;

用以上公式，可以在灌裝伺服到達各個位置時，給予不同的速度，通過對角速度賦予“多段速”來實現垂直速度的基本恒定。再通過每10ms寫入一次速度的方式，來實現速度的變換。解決位置可標定的方法如下：

糾偏角度轉弧度:=DegToRad(REAL#15);

Fill1_Feed_rad:=ACOS(臨時數字1);

Fill1_Feed:=RadToDeg(Fill1_Feed_rad)-REAL#15;

臨時數字:=REAL#3.14*REAL#16*REAL#7.5;

臨時數字1:=COS(糾偏角度轉弧度)-HMI氣缸1進給量/臨時數字;

通過平面解析幾何和三角函數運算，求得伺服角位置和曲柄垂直位置之間的線性關系。

最終實現，觸摸屏上面可以直接設定以“毫升”為單位的灌裝量值。

（7）凸輪表的變換

凸輪表編制好以后，每根軸都會按照自己的凸輪表數據進行重復運動。但是，如果更換了產品（主要是瓶子大小有變化），個別軸的動作就要發生變化。例如：把220mm高的瓶子換成了300mm，那么出瓶放瓶時，氣爪距離傳送帶的高度就要增加，這就要求凸輪表可以通過程序進行變換，程序如下：

FOR IndexOutUp := UINT#10#0 TO UINT#10#360 DO

IF IndexOutUp<=UINT#10#70 THEN

    Cam_BottleOutUp[IndexOutUp].Distance:= Cam_BottleOutUp00[IndexOutUp].Distance*2*BottleOutUpFeed1;

 ELSIF IndexOutUp>UINT#10#70  and IndexOutUp<=UINT#10#85 THEN

      Cam_BottleOutUp[IndexOutUp].Distance:= (Cam_BottleOutUp00[IndexOutUp].Distance-0.5)*2*(BottleOutUpFeed2 - BottleOutUpFeed1)+BottleOutUpFeed1;

 ELSE

           Cam_BottleOutUp[IndexOutUp].Distance:= Cam_BottleOutUp00[IndexOutUp].Distance * BottleOutUpFeed2;

END_IF;

END_FOR;

在上述程序中，Cam_BottleOutUp00[IndexOutUp].Distance是出瓶頂升凸輪表的點，IndexOutUp是FOR循環語句的循環變量，通過FOR循環語句，將凸輪表內的若干個點依次更改，再通過如下指令進行保存，這樣，這根從軸就會按照新的凸輪表來進行運動了。

4結束語

通過系統現場調試及客戶的試生產，所有控制要求的解決方案都得以驗證，滿足客戶的改造需求，并且效果良好。