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可編程控制器在四連桿裝箱包裝機中的應用
上傳作者:08:36:23 system

可編程控制器在四連桿裝箱包裝機中的應用 
作者:蔡振宇   
摘要:論文介紹了應用 PLC 技術對改造四連桿包裝機控制系統進行改造的設計方法和實現
過程。通過實際改造示例表明,采用PLC控制,提高了四連桿包裝機控制的可靠性,提高了
企業的經濟效益。 
關鍵詞:  PLC、 電磁閥、繼電器裝置、變頻器。 
Beer diatom the soil filter the machine liquid to press the device 
Programmable Controller the control the system design 
Author:  Cai Zhengyu   
(Tongbo measurement & control Co.Ltd.,Dandong,Liaoning) 
Summary: The thesis introduced the applied plc technique to design reform fourth 
connect  pole  packer  system  proceed  reform  the  methodeds  with  realizes  process.Pass 
to  physically  reform  the  example  enunciation,  adoption  PLC  the  control,  and  increase 
four  connect  the  pole  packer  the  dependable  that  control,  and  increase  the  business 
enterprise's economic performance. 
Key phrase: Programmable Controller, electromagnetism the valve, After the electric 
appliances, VarietyFrequency Controller. 
1  前 言 
四連桿裝箱包裝機是一種一次可以裝四箱(可以是紙箱)既 4*24 瓶或者三
箱 3*24瓶的連續裝箱的包裝機械設備。在啤酒等瓶裝飲料行業中,四連桿裝箱
包裝機主要完成瓶裝產品的裝箱、卸箱等工作。由于具有性能優良等特點,在包
裝行業中使用非常普及。 
對于四連桿裝箱包裝機中電氣部分的控制,是包裝機使用安全、可靠性的重
要保證。目前,老型號的四連桿包裝機的電氣裝置大多采用繼電器的控制方式。
這種控制方式連線復雜、繼電器使用數量多,造成電氣控制部分可靠性差、故障
率高,日常維護量大。同時,設備缺少操作的安全保障措施,容易發生事故。 
隨著可編程控制器(PLC)技術的發展,把 PLC 控制技術應用于四連桿包裝
機的控制中,取代原有的控制線路。是四連桿裝箱包裝機控制系統發展的必然趨
勢。 
2  系統結構 
四連桿裝箱包裝機控制系統由電氣部分和氣動執行部分組成。 工作過程見流
程圖(圖1) 。電氣系統輸出控制 
在電氣控制部分的改造中,分析了包裝機的工作過程和控制特點;對包裝機
的控制基本上都是光電開關、接近開關、電磁閥、電機等這類的開關量輸入、輸
出設備。控制過程以連續的邏輯量控制為主的操作方式。PLC的開關邏輯和順序
控制是PLC應用最廣泛、最基本的功能,基于 PLC的這一使用功能和特點,決定
將原有繼電器控制系統全部拆除,采用PLC控制。因為該用戶廠家其他自動化設
備使用的基本都是日本 Omron 公司的 PLC,再根據采集和控制點數,我們選用
Omron公司的SYSMAC CPM2A-60CDR-A的 PLC 作為系統控制器。  
 
圖(1) :工藝流程圖 
3、系統設計 
3、1  四連桿裝箱包裝機的電機可以進行點動、正轉和反轉,以帶動夾瓶裝置
做往復運動裝箱。瓶電機和兩個箱電機分別用作傳輸瓶和傳輸箱。七個電磁閥和
與之對應的氣缸,分別控制“夾頭” , “定位器” , “出箱臂”及“進箱臂”“箱導
向” 。設“手動”和“自動”操作兩個切換開關。 
3、2  在包裝機的操作前臺和設備后臺、側面加裝3只光電檢測開關,在操作
人員誤入設備危險區域時,系統緊急停車,保證安全。 
3、3  在傳送帶上安裝 Omron 的 E6A2 旋轉編碼器,測量傳送帶的速度。當傳
送帶電機異常停車時,停止包裝機工作。 
3、4  系統輸入回路中有光電開光和接近等開關,PLC上的DC24V電源容量就
不足了,各輸入、輸出元件均使用DC24V直流穩壓電源。PLC控制系統原理圖見
圖(2)。 
3、5 為了使 PLC 系統安全可靠運行,采取了多種防護措施,如和系統中的強
電設備分開接地,接地線的截面積大于2平方毫米。PLC輸入和輸出的感性負載
都并聯續流二極管等,以消除輸入觸點在斷開時,感性負載因儲能作用而產生電
弧高于電源電壓數倍甚至于數十倍的反電勢對系統產生的干擾。見圖(3)。 
3、6 系統的輸入部分36點,輸出19點,一共占用PLC 54點,系統冗余 6點,
符合自動化系統設計要求。 
  
                         圖(2) :控制系統原理圖 
 
圖(3) :輸出電路處理 
4、程序設計 
PLC 程序采用梯形圖編寫,其自動控制操作流程圖見圖(4)。其中,PLC 主
程序參照原有繼電器控制系統的電氣控制原理圖進行設計, 這種程序設計方法簡
單,有現成的電氣控制線路為依據,設計周期短,在舊設備電氣系統改造中經常
采用。  
  圖(4) :自動控制系統流程圖 
按照原有電氣控制系統輸入信號及輸出信號做為PLC的I/O點, 原來由繼電
器硬件完成的邏輯控制功能由 PLC 軟件——梯形圖替代完成。圖(5)為四連桿
裝箱包裝機進箱臂部分電氣控制原理圖。圖(6)為轉換后的四連桿裝箱包裝機
進箱臂部分PLC程序梯形圖。進箱臂部分主要 I/O 對照表如下 
 
元件代號 
 
通道號 
 
接線號 
 
功能 
4XK  0004  0020  主機轉動 
4SQ  0000  0021  出箱檢測 
5SQ  0001  0022  進箱檢測 
4AC  0002  0023  瓶帶檢測 
4BC  0003  0024  出箱計數 
6SQ  0005  0025  進箱臂抬 
7XK  0006  0026  進箱臂落 
8SQ  0007  0027  出箱臂停 
9SQ  0008  0028  夾頭檢測 
10SQ  0009  0030  輸瓶電機 
 圖(5) :四連桿裝箱包裝機進箱臂部分電氣控制原理圖 
 
 
 
圖(6) :四連桿裝箱包裝機進箱臂部分 PLC梯形圖 
5、系統調試 
5、1 調整光電開關 SQ1 和反射板的安裝距離,使光電開關處于工作狀態時,調
整到 “擋光” , PLC輸入通道HR0003的指示燈亮。以同樣方法調整好光電開關SQ2、SQ3、SQ4……..SQ10。 
5、2 調整接近開關JQ0,使“夾頭”在運動軌跡的最低點時接近“檔塊” ,并使
PLC輸入通道HR0012指示燈亮,以同樣方法調整好接近開關JQ2、 JQ3、 JQ4、 JQ5。  
5、3 調試旋轉編碼器時,A、B、Z 相按說明書接線,在 PLC 編程軟件中對編
碼器的高速計數進行設置,使用Z相加軟件復位方法。見圖(7)。按下按鈕5SA,
使傳送帶電機停車時,四連桿裝箱包裝機應停止工作。 
 
 
圖(7): 設置編碼器計數方式 
 
5、4 按動相應的按鈕,分別控制進箱電機、出箱電機、瓶電機的開、停。關機
以后將開關位置置于“關” 。1SA和2SA分別控制“出箱臂”和“瓶定位” ,10SA,
15SA控制“導向”和“變距” 。 
5、4在上述“動作”都已正確時,將“手動”轉為“自動” ,按下“整機啟動”
按鈕,調試PLC邏輯程序。進行自動裝箱包裝操作。 
6、結束語 
經PLC改造后的四連桿裝箱包裝機電氣控制系統,外觀上;物理接線量大大
減少,控制柜體積縮小,柜內的原器件排列有序。運行效果上;經設備運行證明,
自動化程度大大優于原系統控制效果。控制可靠性大大提高,減輕了現場操作人
員的勞動強度。 由于系統在整個包裝流水線和包裝機設備的危險位置安裝了光電
位置檢測開關,提高了操作的安全性。總體上提高了企業的經濟效益。   
 
蔡振宇                                      
   
  
                                                         
啤酒灌裝、壓蓋機 PLC控制系統 
             
摘要:論文結合實際的設備改造經驗,作者詳細介紹了三菱FX2N—PLC在啤
酒灌裝、壓蓋機控制系統中的應用,并介紹了監控光電檢測開關位置的方法。 
關鍵詞: PLC、人機界面、光電檢測開關、電磁閥。 
The beer liquid packing PLC controls the 
system 
Summary: The thesis joins together the actual equipments reforms 
experience, the author is detailed to introduce the Mitsubishi FX2N 
— PLC to pack, press to cover the machine control application in the 
system in the beer water packs , combining to introduce to supervise 
and control the method of the light electricity examination switch 
position. 
Key phrase: Programmable logic controller,Man-machine interface,
Light electricity examination,Electromagnetism valve。 
 
引言 
啤酒生產過程分為麥芽制造、麥芽汁制造、前發酵、后發酵、過濾滅菌、
包裝等幾道工序。啤酒灌裝、壓蓋機部分屬于包裝工序。啤酒經膜過濾后由管
路送入回轉酒缸,再經酒閥進入瓶子中,壓蓋后獲得瓶裝啤酒。啤酒灌裝、壓
蓋機的工作效率和自動化程度的高低直接影響啤酒的日產量。 
    為了滿足我國啤酒行業日益擴大生產規模的需求和啤酒現代化灌裝機械
高速灌裝的要求,國內各啤酒生產廠家都在積極尋求或改造本單位的啤酒灌裝
生產設備,使其成為具有良好的使用性能,先進的技術水平及高生產效率、運
行穩妥可靠、維護成本低的啤酒現代化灌裝機。 
一、啤酒灌裝、壓蓋機工作原理和控制部分構成 
液體灌裝機按灌裝原理可分為常壓灌裝機、壓力灌裝機和真空灌裝機。啤
酒灌裝、壓蓋機采用壓力灌裝方法,是在高于大氣壓力下進行灌裝,貯液缸內
的壓力高于瓶中的壓力,啤酒液體靠壓差流入瓶內。 
目前國內外實現灌裝工藝路線基本上是:利用回轉酒缸產生的旋轉運動,
使安放在酒缸槽位上的空瓶通過機械機構將固定在酒缸上部的欲抽真空閥打
開,對已封好的瓶子進行抽真空處理,撥轉外操作閥桿,打開氣閥,對瓶內充
填CO2氣體,抽真空凸輪繼續打開真空閥,將瓶內空氣與CO2混合氣體抽出,氣
閥再次打開,對瓶內充填CO2氣體,灌裝閥內的液閥在瓶內壓力接近背壓氣體壓
力時打開,酒液順瓶壁注入瓶內,通過氣動或電動控制灌裝閥實現啤酒的灌
裝。 
當今國際先進的啤酒灌裝、壓蓋機的控制系統主要由光電開關位置檢測部
分、走瓶帶、酒缸轉速的變頻調速部分、主控—可編程控制器的PLC部分、觸
摸屏等組成。灌裝、壓蓋機的機械結構裝置與PLC可編程控制、變頻無級調
速、人機界面等現代自動控制技術手段完整的結合,形成機電的一體化。 
二、控制部分改造方案 
  國內很多啤酒廠家現使用的灌裝、壓蓋機的控制系統的自動化程度參差不
齊;所有手動按鈕和工藝開關都設置在一個操作箱的面板上,PLC控制器大都 
                                                         
為日本OMRON公司或三菱公司的早期產品,設備連鎖控制、保護設置少,加之
啤酒灌裝的現場環境惡劣,潮濕度大,使開關等接觸觸點銹蝕嚴重,系統的信
號檢測部分故障率較高,造成設備控制系統運行的可靠性低,設備正常運行周
期短等現象。 
以實際改造的丹東鴨綠江啤酒有限公司的灌裝、壓蓋機的控制系統為例,
介紹改造方法,闡明改造這類設備的控制思想和思路;根據現場的實際工藝條
件,重新編寫了PLC的運行程序。針對啤酒灌裝、壓蓋機控制系統的實際狀
況,并根據現場的實際工藝條件,重新設計了設備的PLC控制系統。這種改造
方法和思路同樣可以應用與其他液體介質灌裝設備的改造。    
1、系統硬件配置: 
使用日本三菱公司的FX2N128MRPLC替換原系統使用的2臺OMRON公司的
C60P PLC,原系統的PLC由于是老型號產品,和計算機聯機需要配置特殊的通
訊轉換器,系統需要增加外部I/O輸入點時,擴展模塊備件較難尋。
FX2N128MRPLC是集成128 點I/O的箱體式控制器,具有運算速度快,指令豐
富、性能價格比高、聯機編程簡單、擴展方便等優點,是三菱FX系列中功能最
強的小型控制器。 
1)采用三菱公司的900系列的970GOT人機觸摸屏替換原系統使用的面板按鈕
并監控顯示設備的運行工作參數。970GOT HMI為高亮度的16色顯,通過匯流
連接和FX2N128MRPLC的CPU直接連接,實現快速回應。具有許多維護功能,如
列表式編輯功能、梯形圖監控(故障查找)功能、系統監控功能等用來查找故
障和維護PLC系統。 
2)灌裝、壓蓋機的變頻器在改造中沒有更換,現場檢測信號的手段仍然采用開
關式檢測,因檢測開關長期工作在濕度很大的場合,因此選擇電容式的接近開
關,根據PLC I/O端子的接線方式,選擇PNP 型的接近開關,控制系統結構見
下圖 
 
 
                                        圖 1:控制系統結構框圖  
                                                         
2、系統程序設計 
1)  PLC控制器的程序設計重點和核心是圍繞著酒缸的旋轉速度控制
和酒缸上60個瓶位相關位置的檢測移位、破瓶、空瓶瓶位相關位
置的檢測移位和相關灌裝閥等的控制。其中的瓶位移位檢測程序
中,采用了三菱 PLC 位左移指令, 
 
驅動執行條件輸入每一次由OFF—ON變化時,執行  N2位移動,N2為
移動的位數。瓶位移位子程序如下: 
 
413         LD          X055 
;機器計數脈沖測量檢測輸入點 
414         PLS        M49 
;主電機轉速測量檢測輸入點取上升沿微分后的位M49 
416         PLF        M301 
;主電機轉速測量檢測輸入點取下降沿微分后的位M301 
418         LDI        M590 
;進瓶個數檢測 
419        ANI         X005 
;連鎖保護點  
420        ANI         X006 
;緊急停車保護 
421        OUT        M50 
;進瓶瓶位是否有瓶檢測 
422        LD           M49 
;主電機轉速測量檢測輸入點 
423        SFTL      M50     M500     K60       K1  
;瓶位移位檢測,采用PLC位左移指令,這條指令是整個子控制程序的核
心之一,主電機和瓶位檢測開關同步檢測移動的酒瓶,主電機每轉一周,正好
對應酒缸轉過一個瓶位,PLC內部單元內對應這60個瓶位的單元為
M500~M559,單元個數用第一個字母K設置為K60,每次變化一位用第二個字母
K設置為K1,M50反應了瓶位的空、缺位置,并將檢測到的這個位置以電機轉
速的頻率移位下去,在內部相應的 單元內置“1”或“0”,控制相應的閥門和
攪拌瓶蓋的電機的開與停。系統在連續檢測90個空瓶位后,停止攪拌瓶蓋的電
機的運行,檢測瓶位的個數可以根據用戶的要求任意設定。 
432        LD          X052 
;出瓶位檢測 
回轉酒缸通過壓力往瓶內背壓裝酒的過程中,空瓶在背壓后,可能由于瓶子本
身裂紋等原因導致突然爆瓶,這就需要檢測出爆瓶瓶子的位置,在這個瓶位的位
置進行打開吹掃電磁閥,噴出壓縮空氣,將瓶位上的碎瓶片吹離位置,在連續吹掃 
                                                         
幾個瓶位后,在打開噴射電磁閥,噴射出高壓水注,在對破瓶位置周圍瓶位連續噴
射幾個瓶位,實現爆瓶檢測、控制的步進控制的子程序如下: 
482        LD          X055 
;機器計數脈沖測量檢測輸入點 
483         PLS        M49 
;主電機轉速測量檢測輸入點取上升沿微分后的位M49 
485         PLF        M309 
;主電機轉速測量檢測輸入點取下降沿微分后的位M309 
486        LDI       M70 
;破瓶位置檢測 
487        ANI         M071 
;連續破瓶位置檢測 
488        ANI         X052 
;進瓶位置 
489        SFTL      M52     M600        K20       K1  
破瓶檢測和瓶位檢測開關同步檢測移動的破瓶,主電機每轉一周,正好對
應酒缸轉過一個瓶位,PLC內部單元內對應這 20個破瓶位的單元為
M600~M619,單元個數用第一個字母K設置為K20,每次變化一位用第二個字母
K設置為K1,M52反應了破瓶的位置,并將檢測到的這個位置以電機轉速的頻
率移位下去,在內部相應的 單元內置“1”或“0”,控制相應的噴射和吹掃電
磁閥開與停。連續噴射和吹掃電磁閥的開聽、停時間可以根據工藝要求任意設
定。這部分程序流程圖如下: 
 
                                                          圖 2:子程序流程圖 
  
                                                         
系統自動化運行可靠的保障就是控制進出瓶蓋的同步跟蹤,既準確檢測電機
轉速檢測開關、破瓶檢測開關和進瓶檢測開關三個條件。 
2)970GOT人機觸摸屏操作終端機的軟件采用三菱公司的GT WORKS軟件
包,其中GT Designer是一個用與整個GOT9000系列的繪圖套裝軟件。該軟件
包操作簡單,事先可在個人計算機上組態并仿真調試,完畢后下載至人機操作
終端機。同時,因為人機界面又具有觸摸屏的作用,將常用的開關設在顯示屏
上,方便操作。還可并以增加一些功能,如設置報警信息等。 
 
三 、改造后控制系統功能 
系統正常運行時,機器為自動控制,根據進出瓶帶上瓶的滿缺,按設定速
度或慢速運行,進瓶檔瓶,無瓶不下蓋,爆瓶自動沖洗,灌裝位置自動背壓,
下蓋輸蓋系統的自動開停和安全保護等動作的協調聯鎖。原來所有按鈕的操作
改造后都在觸摸屏上進行。 
 
四 、控制系統檢測狀態的監控功能 
進瓶檢測開關和破瓶檢測開關通過檢測每個壓瓶部分上面的小鐵片的位
置,產生光電脈沖輸出,再有PLC采集,由于每個壓瓶部分上面的小鐵片的位
置是活動的,在機器運行一段時間后,壓瓶部分上面的小鐵片和檢測開關的位
置發生位移,造成檢測開關誤判斷,如沒瓶判斷為有瓶,爆瓶漏檢、誤檢等造
成輸出失誤,使PLC產生誤動作,造成如背壓、爆瓶吹、洗、瓶蓋攪拌系統控
制失靈等故障現象。 
在改造前的日常生產過程中,碰到這種現象時,操作工只能將各個功能開
關或按扭打到手動控制檔位,使機器設備工作在無監控狀態下,機器失去自動
控制功能。造成了很大的生產原料如氣、水、酒的浪費。只能在生產的間歇,
才能由維修鉗工和電工根據檢測開關上的小發光二極管的亮和滅通過調整位移
距離只有5~8mm的檢測開關的安裝位置,來修正檢測開關和小鐵片的間隙。這
種檢測手段非常落后,調整后的效果反應致后,不能及時反應調整結果。 
針對這種檢測狀況,結合改造后的灌裝、壓蓋機控制系統的配置,新增了
這部分檢測功能,并集成在人機觸摸屏中,完成瓶位檢測。 
在人機觸摸屏的界面分頁顯示屏上,可以分別時時動態顯示60個瓶位的
狀態和爆瓶時的瓶位狀態,有瓶、無瓶、爆瓶、背壓開關等檢測開關、攪拌電
機等電磁閥的開關狀態都以不同顏色來顯示,非常直觀。 
在需要修正檢測開關和小鐵片的位置時,可以在正常生產的條件下,不停
機,由維修人員只要根據顯示屏上的瓶位狀態,就可以在線調整,并馬上看到
調整后的效果。在日常維修中,也可以用它作為狀態監控設備,觀察輸出設備
的運轉狀況。 
增加這套系統功能的是為保證灌狀壓蓋機的自動化控制系統正常運行而專
門設計的。軟件界面見下圖: 
  
    圖 3:軟件界面之一 
 
五、結束語:  
                                                         

改造后的控制系統大大地簡化了復雜的機械結構,經現場運行情況和控制
效果檢驗,系統的自動化程度達到了設計要求,大大減少了操作人員的勞動強
度,使啤酒灌狀的日產量比過去提高30%以上,故障率大大減低。體現了現代
設備的自動控制技術。是在消化、吸收當今工業控制的先進技術的基礎上加以
創新、研制而成的目前國內技術最先進的灌裝控制系統。 

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