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基于CAN总线的行列式制瓶机控制系统的分析.pdf

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microcontroller,is discussed.Finally,the software of electronic timing system isdesigned according to the thought of foreground/background system.The mainthought and block diagram of the program are provided.Based on the study and summarize the subdivided control technologys of steppermotor,applying a combination control strategies of Constant current choppertechnique and subdivided control technique.The stepper motor drive controller iscomposed of曲o parts,the subdivision part is realized by hardware.and another partis control idea which is realized by MCU and software.The electronic timing systemand the synchronization control system we designed have been put into practice inseveral companies and operate steadily.Key Wordsbottle ing machine,CAN bus, electronic timing,PICMicroeontroller, electronic distribution独创性声明本人声明,所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名盗孥一日期盟L关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即学校有权保留、送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后应遵守此规定武汉理-丁大学硕学位论文第1章绪论1.1课题研究背景和意义本文的研究工作源于以下课题,并得到了这些课题的资助。1企业委托项目制瓶机电子配时系统的研制2企业委托项目制瓶机多电机同步控制系统的研发瓶罐玻璃制品作为食品、饮料、医药、日化、文教、科研等行业和部门的配套用包装瓶,范围大,用量广,是不可缺少的包装容器。然而,我国与国际人均包装瓶消费量存在很大差距,即使到2010年实现总产量达到1320万吨,仍与国际消费水平存在一定距离。因此,瓶罐玻璃制品有很大的发展前景,随之而来的便是R用玻璃机械行业的发展n3。行列机是玻璃瓶的主要生产机型,国内外行列机的研制和使用也经历了一个不断发展和完善的过程。自1925年在哈特福德诞生了首台行列式制瓶机I.S机至今,以1、4、6、8、10、12、16组,以单滴、双滴、三滴、四滴料等不同型号在世界各地投入了生产。伴随行列机机电一体化水平的提高,玻璃瓶成形控制日趋电子化。目前,在日用玻璃行业中,行列式制瓶机生产线正在向多组段、多滴料方向发展,国际上十组及十组以上双滴料制瓶机占有较大比例,而且多为电子配时控制。随着国内经济的发展,对高质量瓶罐的需求量越来越大,迫使玻璃制瓶行业更改更换较高自动化水平的行列式制瓶机。除行列式制瓶机本身机械结构的精度和速度原因外,制瓶机的计算机控制系统是其关键技术之一。计算机控制技术的发展,伺服驱动技术以及电气传动技术已成功引入到行列机。采用电子配时、同步传动和伺服驱动技术协调完成行列机各机械部分的控制和驱动任务,降低生产成本、增强机械的灵活适应性,提高了机电一体化水平,已逐渐成为制瓶行业机电一体化的发展趋势。电子配时技术与伺服驱动技术的应用,逐步实现了行列机从机械化到电子化的飞跃。我国日用玻璃工业虽然取得了很大的成就,但是与国际先进水平比,与国内其他行业比,还存在着很大的差距。从行业现状看,普遍存在着企业规模小、装备水平低、生产效率低、产品档次低、产品质量差的状况,中小企业占绝大武汉理r大学硕士学位论文多数。国内玻璃机械行业中行列式制瓶机仍以六组单滴行列机为主,而且大多数为机械转鼓配时,机械传动,效率很低。国内玻璃瓶罐需求量的迅速增加以及制瓶设备技术水平的落后,促进了制瓶机械的发展,使制瓶机械的市场需求增加。同时,国外制瓶技术的快速发展,也刺激了国内制瓶机械行业的发展,加快了技术革新的步伐。在多方面因素的影响下,制瓶行业面临着巨大的机遇和挑战。制瓶机控制技术的发展是大规模自动化生产的关键,如何更新现有制瓶机控制技术,是制瓶行业急需解决的难题。因此,研究行列式制瓶机控制系统,具有重大的实际意义。1.2行列式制瓶机控制系统的发展行列式制瓶机是一个高度自动化的机械设备,电子计算机引进到制瓶机中来,不仅成功地替代了配时鼓,还极大地提高了制瓶机的自动化程度,并带动了整个制瓶工艺过程的电子化,电子配时控制已经成为了行列机机发展的一大趋势。同时行列机配时系统与其它设备如何保持动作配合,也是行列机发展需要解决的问题。1.2.1电子配时系统的发展行列式制瓶机采用机械转鼓定时配气的控制方式已很久了,到目前为止,许多生产厂仍在大量采用。在一般情况下,这种控制方式也能满足制瓶速度与瓶子质量的要求。但是,随着制瓶机组的增加,机速越来越快;同时,瓶罐的进一步轻量化,对制瓶机生产线的操作与控制要求也越来越高,原有的机械转鼓控制配气的方式日益暴露出它的不足。另一方面,电子技术的不断发展,已达到了能采用更多的电子控制装置来代替机械结构、实现更好控制作用的程度。电子配时时控制的基本思路是以电子控制器包括计算机和电子控制的阀门组件来取代机械转鼓一阀钮控制的配气装置。它把转鼓上各个阀钮随着转鼓的转动依次打开或关闭某一气路的动作,变为由电子控制器依照一定的时序送出电脉冲启闭电磁阀以控制某一路气。定时程序的设置与修改很容易,可以在离开机器相当距离的控制盘上进行,也能在机器运转中实行。与机械转鼓控制装置相比,它具有优点1可以在不影响生产正常进行的情况下,快速改变机2武汉理1大学硕士学位论文器的动作工序。2定时精度高,很容易达到1度的调整要求。3操作直观方便,工作条件大大改善。4电子配时系统具有数据处理能力,并与上位计算机进行通讯。5容易设置各种报警、保护等安全操作系统。早期的电子配时控制系统是一个用晶体管分立元件构成的简单时序控制系统。不久,集成电路取代了晶体管元件,使控制器的可靠性得到很大提高,而实际的装置却得以简化。七十年代以来,研制电子配时装置的公司同益增多,对早期的设计也作了较大的改进,将电子控制组件与操作开关等现场控制设备分开。这样,电子组件可以远离机器工作环境或置于条件较好的控制室内,使它的工作更可靠。特别是微处理机技术飞速发展的近十几年中,行列式制瓶机的电子配时得到了很大的发展。国外某些公司近几年生产的制瓶机已开始取消机械转鼓,代之以电子配时控制系统。近几年来,电子配时系统通过采用微处理机技术引入了数据处理及某些智能化功能,使得行列机的电子配时控制日臻完掣51。现代化的电子配时系统,不仅功能完善,操作简单,而且系统控制精度、可靠性高。电子配时技术的发展,逐步实现了行列机从机械化到电子化的飞跃,提高了行列机的自动化水平。1.2.2同步控制技术的发展把熔融的玻璃制成玻璃瓶,除了制瓶机之外还有许多与制瓶机相关联的设备,如供料机、分料器、拨瓶机、输瓶机、转弯机、推瓶机等。计算机的一个重要功能是要处理好制瓶机与这些设备的之间的同步问题。制瓶机技术的进步,早已摆脱了机械连杆式的单电动机传动方式,而广泛采用先进的分部电气传动,即这些与制瓶机相关联的设备,都是由各自独立的电动机带动,彼此间的动作配合,靠电气系统来完成。在制瓶过程中,滴料式供料机的功能是将熔制好的玻璃液体按一定要求自动地送到成型机中,供料机的剪刀机构,按照调定的机速,结合间歇的冲料动作,将流料孔流出的玻璃液剪成一定长度的符合要求的料滴。成型机上的分料机构按照一定的顺序和时间驱动接料槽至供料机落料嘴的下方接料,料滴经流料槽进入成型模内,二者须保持同步。对于行列式制瓶机,有多组导料机构,每个导料机构的工作时间是由制瓶机的速度决定的,机速越快导料机构的动作越快,各导料机构去接料的武汉理T大学硕士学位论文周期和相位应与供料同速、固定相位差,这样才不至于过早或过迟而接不到料块。根据调查,在制瓶机械生产厂家,为提高产品质量和产量,正在大力研制自动同步控制系统【6】【71。1.2.3机构伺服驱动技术的发展现在的瓶罐市场迫使行列式制瓶机具备生产能力大和灵活性与适应性强等特性。当今机电领域技术发展迅速。进入20世纪中、后期,行列机在众多技术改进的基础上又进一步实现了具有换代意义的技术革新一机构伺服驱动。首先是拨瓶器,继而是分料器实现了电子凸轮控制的伺服电动机驱动,取代原来的同步电机和机械凸轮驱动;20世纪末,翻转和钳瓶机构又实现了伺服驱动,取代原来的气缸驱动【8】【9】。行列机传统的拨瓶器和分料器结构配置中有减速器、机械凸轮传动副,从而限制了拨瓶、分料动作向更快、更精确稳定方向发展;另外,在换品种、变机速、改参产组数时需人工更换凸轮、调相位、换挂轮,花很长时间才能再进入正常生产。所有这些均严重制约行列机向多组数、多腔成型及高机速发展,也满足不了频繁快速换品种的灵活性要求。20世纪后期,电子凸轮控制的伺服电动机驱动拨瓶器和分料器先后开发成功,逐步取代同步电动机和机械凸轮驱动的老式拨瓶器和分料裂10】【ll】。1.3本文主要工作和章节安排自2008年5月开始本课题的研究工作,针对课题涉及到的问题,查阅了大量的论文、书籍以及与此课题相关的研究资料,充分了解国内外行列式制瓶机控制系统研究现状,并到现场考察了某行列式制瓶机的工作过程,熟悉制瓶工艺,开始设计工作。经过一年来的努力,控制系统的开发已顺利完成,并已在多家企业投入实际运行,在实际中取得了良好的控制效果。本文主要针对行列式制瓶机控制系统展开研究,总结国内外研究现状,了解整个行列式制瓶机的工艺流程,分析行列式制瓶机控制系统各个分部的工作原理、设计要求;采用“理论分析、算法编写、硬件设计、软件实现、系统调试”的研究方法,详细阐述行列式制瓶机电子配时系统与电子分料系统的设计。论4武汉理r大学硕七学位论文文共分5章,各章主要内容如下第1章为绪论。首先介绍课题来源、课题研究的背景和意义,然后分析行列式制瓶机控制系统电子配时,同步控制技术等发展研究现状。第2章为行列式制瓶机控制系统总体方案设计。首先简单介绍了行列式制瓶机制瓶的工艺流程;其次,分析了行列式制瓶机控制系统功能要求与技术指标;然后,设计行列式制瓶机控制系统总体方案,并对几种可能方案进行比较论证。第3章为制瓶机控制系统硬件设计。首先分析系统各分部的工作原理,明确各分部需要实现的系统功能。其次,在此基础上,设计系统的总体结构。按照系统硬件结构,介绍了电子配时系统、电子分料系统的硬件设计。包括数字量输入/输出通道、数据存储器电路、CAN通信接口电路和步进电机细分驱动器等。第4章为制瓶机控制系统软件设计。首先介绍软件开发环境,然后分模块详细描述制瓶机控制系统中电子配时软件和电子分料软件。重点介绍设计思想,给出部分子程序的流程图。 ,第5章为总结与展望。对全文进行总结,总结整个行列式制瓶机控制系统的设计,并展望下一步的工作。武汉理1二大学硕十学位论文第2章系统总体控制方案设计2.1制瓶机工艺流程行列式制瓶机系统主要由玻璃熔炉、供料机、分料器、拨瓶机、输送机、递送级、推瓶机和退火炉等部分组成。根据产品品种及类型等资料综合考虑后制定料方案,各种原材料石英砂、白云石、石灰石等根据原料比例要求进入混料机。混料机经过充分混料后输入到加料机并进入温度高达1300至1800摄氏度的熔炉,熔化后的玻璃液体流入供料机中,供料机上的电机经变速箱驱动冲头凸轮和剪刀凸轮,两凸轮差动配合,使剪刀机构剪下冲头刚好冲下的料。剪刀机构剪下的料滴,会进入分料器接料勺,接料勺在步进电机的驱动下下按一定角度的有序间歇摆动,将供料机剪刀剪下的料滴依次分配给各组制瓶机的导料勺,并与供料机同步。各组机在料滴落入初型模之前,初型机应开始动作,使料落下时初型模关上、漏斗落下,从而使制瓶机与分料器同步。当料滴落入制瓶机初型模时,制瓶机开始动作,装料、扑气、倒吹气、初形翻转、正吹气与瓶罐初冷、钳瓶、冷却输送。其工艺过程程如下 装料前,口模返回初型模下方,初型模关闭,芯子上升插入口模,套筒上升进入工作位置,漏斗落在初型模上。初型模装料后,扑气头立即下降落到漏斗上,将压缩空气通入初型模,迫使玻璃料向下进入口模,并充满口模,形成瓶头和气穴。扑气结速后,芯子的退出给倒吹气让出了通路,与此同时扑气头离开漏斗,漏斗离开初型模复位,扑气头再次下降落在初型模上,做为初型模的底,压缩空气立即由芯子和套筒的间隙进入气穴,将玻璃料吹制成初形。初形制成后,初型模打开,口模在口模夹钳的夹持下连同初形一起被翻转机构在垂直平面内翻转1800,将初形由初型模送入正在闭合的成型模中,并由倒置转为正立,成型模完全闭合,口模打开,并返回初型模下方原来的位置,重新开始下一个工作周期。瓶子在成型模内获得足够的冷却后,成型模打开,钳移器驱动钳瓶夹具到成型模上方将瓶子钳住,送往输瓶机的网带上。输瓶机的网带有许多筛孔,冷却风通过筛孔对放在上面的瓶子进行再冷却主要冷却瓶子的下部和瓶底,然后由拨瓶器推到输瓶机的网带上,进而送往退火炉进行多级冷却退火。至此行列机制造一个制品的工作周期结束。6武汉理T大学硕士学位论文2.2制瓶机控制系统功能玻璃瓶的生产是一个系统复杂的过程,除了制瓶机电子配时系统将制瓶动作工作循环预先编成程序存放在工业计算机内,使制瓶机按照其程序控制制瓶机的各个机械动作协调工作。制瓶机控制系统还有一个重要功能是要处理好制瓶机与供料机、分料器、拨瓶机、这些设备的之间的同步问题。因此制瓶机控制系统的基本功能包括1控制制瓶机的各个机械动作,使其按照程序的设定值工作。2控制供料、分料、拨瓶电机以相同的转速,恒定相位差运转,使各子系统同步协调工作。同时还有一些扩展功能,比如上位机的数据管理、数据通讯等。制瓶机控制系统结构图如图2.1所示。图2.1系统结构图由图2.1可知,制瓶机控制系统主要由工业控制计算机简称工控机和主控制柜组成。主控制柜是控制系统的核心,包括电子配时系统、电子分料系统和同步控制系统。电子配时系统主要功能是实现控制系统与工控机的数据通信,控制制瓶机的各个机械动作,使其按照程序的设定值工作。电子分料系统主要功能是接收来自电子配时系统的同步信号及起动信号,根据上位机输入命令及数据,输出信号控制电动机完成接料工艺要求。同步控制系统主要功能是实现制瓶机与供料机、拨瓶机等电机之间的同步运行。为了建立一个稳定、可靠的控制平台,对系统的性能提出了很高的要求。1由于工作环境噪声比较大,存在较强的电磁干扰,而通过接近开关传给武汉理1大学硕学位论文机控板的现场脉冲信号,对系统的运行至关重要。因此,在设计过程中无论是硬件还是软件都需要对信号进行处理。2由于系统需要长时期连续运行,而现场环境又比较恶劣,对系统的稳定性要求比较高,所以一定要选择性能比较稳定、抗干扰能力强的现场总线。3电子配时系统是整个系统的核心,要求有较高的控制精度,以满足生产工艺的要求。同时为了做到在线修改数据,要求主控芯片具有较快的处理能。4系统除了本身所具有的功能外,也必须具有一定的扩展能力,方便以后系统升级。由于工作环境噪声比较大,对系统的可靠性要求比较高。另外,由于工作条件的限制,要求系统的功耗应该尽可能得低,同时,由于现场的温度比较高,系统应该在耐高温方面有比较好的表现。2.3系统设计方案比较根据对系统功能的分析可知,系统要完成供料机剪料,分料系统接料、分料以及制瓶机制瓶一系列过程,而且要和工控机通讯,实现参数的双向传输,要求系统既具有控制功能又要求具有通信能力。在这里我们将重点讨论主控制器的选择、步进电机驱动方案的选择以及通讯方式的选择。2.3.1控制器的选择对于工业控制系统,比较常用的控制器有PLCProgrammable LogicController,可编程逻辑控制器、DSPDigital Signal Processing,数字信号处理、ARMAdvanced RISC Machincs、MCUMicro Con仃D11er Unit,单片机。现结合本系统的特征,对这四种控制器进行分析比较。PLC是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,并且带有硬件故障自我检测功能,具有很高的可靠性。同时它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。但是,在实现比较复杂的
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