基于PLC的自动灌装机的伺服电机的设计

1.引言

当前国内灌装主要存在的问题是灌装效率低，灌装机的自动化和集成化程度低，这大大降低了工业生产的效率。针对以上的问题，使用在工业领域内使用广泛的PLC作为主控制器，实现灌装系统的自动进瓶，按照瓶口的大小自动定位，按照瓶子的容积自动灌装，自动出瓶等一系列功能，大大提高了工业灌装效率。[1]

本设计中主要实现的内容包括PLC对步进电机的控制，PLC对变频器的控制，PLC对伺服电机的控制，以及人机界面。针对不同的控制要求采用不同的电机，最大限度的降低了系统的成本。重点介绍了伺服电机的设计。在硬件设计完成的基础上，进行了软件的设计，实现了工业上的全自动灌装。[2]

2.全自动灌装控制系统的机械结构

系统的机械结构如图1所示。

3.灌装机工作的工艺流程

灌装机工作的工艺流程是设计的主要依据，也是系统设计所要实现的最终的目标，因此在设计之前一定要先了解系统的工业流程。对于不同的系统，其工艺流程也是不一样的。

灌装机的灌装工艺如图2所示，当人机界面将灌装瓶的参数输入到系统中后，夹板步进电机自动设定夹板的宽度，传送带工作，开始进瓶。在传送带的开端，有计数传感器，对进瓶的个数计数。当进瓶数到6瓶后，处在传送带两端的夹锁自动跟踪瓶子所处的位置，夹锁关闭，将瓶子固定。然后信号反馈到主控制器，主控制器通过步进电机调整灌装针的位置，当达到理想的位置后，灌装开始。当瓶子灌装完成后，控制瓶子的夹锁被打开，传送带开始运作，将6个瓶子送出，进而进行下一个灌装周期。[3]

4.伺服电机硬件选型与设置

4.1 伺服驱动器

伺服电机必须有伺服驱动器才能旋转，而伺服驱动器的工作目的，主要是根据伺服控制器送出的指令（P，V，T）工作。同步电机并非完全同步于旋转磁场，驱动器必须进行修正工作，使电机工作稳定不失步。所以驱动电机正确跟随控制指令工作是伺服驱动器主要完成的工作任务[4]。

在此系统中，由于定位模块FM354输出的是-10～+10V的模拟信号，因此采用伺服电机驱动器采用V Command（位置伺服的控制方式），其系统方框图3所示。

由图3可见，位置伺服驱动器内部包括：位置控制单元，速度控制单元和驱动单元。其中位置控制单元在此系统中即定位模块FM354。编码器将位置伺服电机走过的位置信号送到FM354，闭环调整灌装罐中气动轴的位置。

4.2 西门子智能定位模块FM354介绍

FM354是通过伺服电机，在高速机械设备中实现各种定位任务（位置闭环）的智能模块。使用于简单的点到点定位，或者响应、精度、和速度有极高要求的复杂运动模式。是高速机械设备定位任务的理想解决方案。控制伺服电机的FM354定位模块可用于定位如：进给轴、调整轴、设定轴和传送带式轴（直线轴、旋转轴）。

FM354处理轴的时基定位，用模拟驱动接口（-10V～+10V）控制驱动器。编码器（SSI或增量）报告目前轴的位置，FM354利用此信息来修正输出电压。

定位功能包括：手动调整（用点动键来移动伺服轴），增量方式（沿预定义的路径伺服控制轴），MDI（手动数据输入），运行中的MDI（在任意希望的，可指定的位置，随时进行伺服定位），自动/单端控制（用于复杂路径的伺服定位，连续/周期进给，向前/向后）。系统中采用的是增量方式。

通过模块FM354集成的数字量输入，还有一些特殊功能可供选用：长度测量，通过FM354的快速输入启动，停止定位运动，找寻参考点，运动中设定实际值等。

4.3 气压轴定位模块的工作原理

通常一个定位命令要求轴上零件移动到另一位置时，定位模块FM354先计算一个理论的实际速度图。然后以这个时间速度图控制驱动轴，使之最后达到规定的位置，典型的时间速度图示一个梯形（见图4），也就是说，轴定位模块先以用户设定的加速度a匀加速运动，如果是在JOG运行模式下，则达到设定的JOG运行速度后开始匀速运动，一定时间之后，再以用户设定的加速度a匀减速运动，直到速度变为0。速度到0时，轴移动的距离正好是命令的设定值。

5.传感器模块

在传送带的低端安装了一个称量传感器，用于检测和控制整个系统。可以说是整个系统的眼睛，用于控制和监视整个系统。

5.1 称量传感器简介

称量传感器是将质量信号转换为电信号的检测工具。在系统装采用量程为50g，满偏电压为12V的称量传感器。称量传感器输出的电压通过与电压比较器设定的门值电压相比较，从而输出有效的检测信号。空瓶检测门值电压设定为10g，转化为相应的电压信号为2.4V。即当检测到称量传感器输出的电压大于空瓶门值电压时，输出有效的信号，当称量传感器的输出信号小于空瓶门值电压时，就认定没有瓶子经过。

5.2 称量传感器与电压比较器连接电路图

如图5所示，通过调整R1和R2的值可以调整不同的参考电压。

6.控制精度的确定

根据输入瓶子的体积参数V，已经每个罐的直径为D1，如图6所示，则灌装每批瓶子所需要步进电机移动的距离：。

在系统中连接伺服电机的滚珠丝杆的螺距为2mm。即编码器每转动一周，移动的直线距离为2mm。FM354各个参数的设置如表1。

其中位置环增益的设定值需要在现场进行多次调试才能获得理想的参数。

7.伺服电机模块初步调试

在CPU“STOP”模式下，可以在没有程序的情形下调试：在参数“Parameterize FM354”工具的“Overview”界面下，FM354已经完成了参数化，可以直接通过菜单命令TEST>Startup，或者通过快捷按钮方式“Startup”。调试界面如图7所示。

选择“controller enable”，"driver enable"，"jogging"工作模式，给“Over-ride”为100%，选择Leel 1 active为20mm/min。鼠标点中R_-或者R_+，再点击计算机的空格键（Spacer Key），就可以看到伺服电机按照选择的方向旋转。

8.总结

在灌装容量精确定位的问题上，步进电机的定位已经不能够满足要求，因此采用伺服电机来进行精确的定位。西门子智能控制模块FM354有高度集成的控制参数，如果参数设置合理再加上PLC程序控制能实现精确的定位。参数的合理设置还需要现场的多次调试才能达到最为理想的效果。

参考文献

[1]熊焕云.虚拟现实技术在灌装生产线设计中的应用[D].武汉：广东工业大学，2003.

[2]李玉琳.灌装机控制系统以及关键问题研究[D].武汉理工大学，2010.

[3]玻璃瓶灌装密封一体机全赐福自动化控制系统解决方案[J].伺服控制，2008（08）：59-61.

[4]李忠杰，宁守信.步进电机应用技术[M].北京机械工业出版社，2008.