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3.5几种典型的识别算法13

4课题研究过程中可能遇到的困难和问题，及解决的初步设想15

4.1可能遇到的问题15

4.2解决问题的初步设想15

5课题研究预期达到的目标16

6课题研究的经费来源16

7课题研究的进度安排16

8主要参考文献17

油漆灌装线的全自动控制系统的研究与开发

1选题的背景及研究意义

1.1选题背景

进入21世纪,高分子科学理论和重大成就和各种高分子化合物的研制成功并投入生产,为油漆的发展开创了新时代。

人们依据高分子理论对油漆加深了认识,油漆不仅是人类应用最早的一种高分子材料,而且是具有特点的高分子材料。

油漆广泛利用了高分子化合物的开发新成果,以各种天然高聚物的加工产品和人工合成的合成树脂为成膜物质,开发出多种性能优异的品种,扩大了油漆在人类社会发展中的重要作用。

近30年来油漆的新产品、新技术不断发展,生产规模不断扩大,油漆称为现代国民经济和人民生活必需的重要材料,现在全世界油漆年产量超过2000万吨,工业发达国家的油漆年人均消耗量达到了10kg以上,现代的油漆工业已成为现代化学工业的一个重要行业,瞻望未来,油漆行业将有更新的突破与创新。

伴随着油漆行业的进步与发展，人们对油漆的灌装效率有了更高的要求。

然而在灌装过程中，由于灌装工艺及机械精度等原因，油漆灌装成品常会出现这样或那样的缺陷，从而导致不合格品的出现。

为了使油漆灌装成品的不合格率得到严格的控制，需要在灌装的时候对灌装品进行全自动控制，尽量把每一件不合格品在生产过程中剔除。

大多数的油漆生产企业传统上的油漆罐装品的重量控制是通过半自动化生产线或人工检查来完成不合格品的剔除，然而这种生产方式除了速度慢、效率低、需要占用大量的人力、物力资源和场地资源外，更有下列几个缺点：

（1）容易出现漏检的情况。

由于长时间的重复劳动，人易出现疲劳。

此时，出现差错的概率非常大，甚至会将一些严重的废品放过去。

一旦有缺陷的产品出厂，将会严重损害客户的利益，给客户带来损失，同时影响到油漆生产企业的形象和声誉。

（2）无法保证统一的质量标准。

人工检查时，对于成品油漆的灌装情况，合格与否由检查者主观判断，不同的人甚至同一人在不同的状态下的判断标准都很难做到统一。

（3）人工控制周期长，生产效率低下，不符合现代油漆的灌装市场发展趋势的要求。

正因为采用人工控制的方法来评价油漆灌装品重量及生产流程是如此困难，在油漆行业中，迫切需要一种油漆在线全自动灌装控制系统来彻底解决上述中存在的问题，推进油漆行业生产力的发展。

因此，油漆的全自动灌装控制生产线逐渐成为行业的趋势。

1.2研究意义

由于油漆灌装效率已成为制约产品生产的重要因素，特别是高灌装速度下要保证灌装精度及稳定性，不仅成本高而且实现也很困难。

而国内现有的灌装设备大都采用单机单桶灌装，人工环节过多，灌装速度慢，费时费工，不利于工业化生产。

因此，市场上对于能够基本实现流水作业的自动灌装线提出了要求。

在自动化领域前景看好的PLC控制系统为油漆灌装品缺陷的控制提供了良好的解决方案。

本课题就是在这种情况与上海索维机电设备有限公司联合展开的。

结合油漆灌装生产的实际情况，并考虑到工业化作业的特点，利用PLC技术结合多种传感器，提出了一个系统控制方案，在PLC的控制下，对速度、位置、重量、压力、扭矩等各项参数进行自动测试和监控，形成闭环控制系统、组成光机电一体化设备。

论文将研究油漆自动灌装生产线在灌装速度、装量精度、自动化程度、自动控制能力等方面的关键技术指标，将实现全自动化精灌装称重、故障检测报警等功能的生产线，具有极广的市场前景。

2本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势

我国油漆灌装设备的生产厂家在70年代初到80年代末只有几家，其生产能力处于一种引进国外设备并加以仿制的阶段，如80年代，广州轻工机械设计研究所消化吸收西德、意大利、美国、日本等国的进口设备，开发出80空桶/小时的油漆灌装、压盖、贴标生产线。

到90年代，国内油漆灌装设备的生产厂家有几十个，但制造水平、设备性能与国外先进水平相比差距较大，在1997年上半年我国从西欧、东欧、日本等国引进了200多条灌装线。

引进的生产线需耗费大量的资金不说，还存在许多弊端，如:

设备的部分元件属于专用元件，万一发生故障，而国内没有相应的元件替代，以致于重金引进的先进设备成为库房内的一堆废物。

在油漆生产旺季，其损失是不可估量的。

从21世纪到现在，我国油漆加工设备的成套与配套生产企业接近600家。

然而这些生产企业主要还是靠引进国外的生产线并在国内加以仿制，或者消化吸收了西德、意大利等国的先进技术开发国内的灌装设备。

所以研制开发先进的国产油漆灌装设备被提到议事日程上来。

现有的油漆灌装生产线大多采用半自动化生产线操作，生产能力较低（据统计，我国目前约有480多家油漆厂，而年生产能力在10万吨规模的企业超过10%），随着油漆加工规模将向大型化发展，其加工设备也必须趋向大型化，以高速、高产、高性能、低消耗、操作方便、便于调试为特点，以采用全自动化控制为发展方向。

国外的油漆灌装设备发展较为完善，机电一体化、管理与控制相结合是国外当前油漆灌装生产发展的最重要的一个特点。

如美国的Hiranwaller公司、德国的Gerrokaise公司和日本的小森机械公司都实现了油漆灌装生产线的全面计算机控制与管理，它有效地将机器人技术、自动操作系统、监视系统、自动分叉技术和计算机协调中心等高尖端技术应用于整个油漆灌装领域。

国外油漆的计算机控制正走向成熟和完善阶段，而我国基本上还处于机械化和自动化时期，自动化控制的应用只限于部分工艺和设备。

因此，在这方面还有许多工作有待于探索与研究。

目前，国内也有不少的公司和厂家致力于开发和推出自己的针对不同油漆全自动灌装系统，例如上海索维机电设备有限公司，其具代表性的产品为SW5-30LDH-CHECK-C油漆全自动灌装系统，该套全密闭一体化油漆生产设备自动灌装系统实现了自动理空桶，自动称重灌装，自动压盖，自动堆垛一系列工序，跟传统的灌装方式相比多了如下优势：

（1）采用全自动理空桶、取空桶设备，加速了输送速度。

该设备从油漆空桶的取用环节采用全自动生产，只需要将相同规格和型号的油漆用空桶整齐摆放在指定位置，专业机械手会每次准确取出一个空桶，通过动力轨道将空桶精确输送到灌装嘴下面。

（2）双头灌装。

自动灌装装置设有自动计量器，会按照预先设定的标准通过灌装嘴所设定数量直接将油漆灌装到传送过来的空桶里。

整个过程快捷，不会造成材料的浪费，更不会造成环境污染。

装好油漆的桶将经过动力轨道传输到下一个环节。

（3）自动理盖、上盖、逐个封口。

灌装好标准量油漆的桶，被准确送到自动理盖机下，理盖机通过机械手，每次吸取好一个空桶盖，准确放置到灌装好油漆的桶上面，自动封口机会立即配合动作将空桶盖准确挤压，对灌装好的油漆进行密闭封口。

（4）自动堆垛，置入托盘。

灌装好油漆的桶经过密封包装，传递到自动堆垛机下。

自动堆垛机通过专业机械手，将装满油漆的桶准确吸取并放置到设定的托盘内。

当托盘内油漆桶的个数达到指定数目，机械手会自动将放置油漆桶的托盘运输到指定位置。

此项技术不仅能让油漆的灌装节省了人工成本80%以上，减少了人为浪费和环境污染，同时极大加快了生产速度。

但这种系统的缺点是：

对于灌装精度、油漆渗漏等突发性缺陷的控制并不是十分理想。

基于我国国内对这一课题的研究现状，进行本课题的研究，探索建立一种可用于油漆罐装在线的精确控制系统。

3本课题拟采取的研究方案、技术路线

3.1全自动控制生产线设计的概述

本课题经过充分的市场调研，为上海索维机电设备有限公司的实际应用项目，课题围绕油漆灌装生产中的自动化连续作业问题，设计研制出一套灌装速度、装量精度、自动化程度、自动控制能力等均达到国内先进水平的高精度油漆灌装生产线。

本套生产线主要包括电控系统设计、机械系统设计两部分。

本论文主要从事研究电控系统设计并配合机械系统的设计，最终完成该生产线的总体设计和制造。

油漆灌装生产线流程如图3.1所示，

图3.1全自动油漆灌装生产线流程

本论文将要完成的具体工作如下：

1、进行国内外油漆灌装状况的调研工作，确定以PLC为控制核心的自动控制生产线。

根据油漆灌装生产工艺的要求，设计出外围控制电路结构图。

利用PLC与外围设备连接，从而完成对机械结构传动的控制以及控制指令的输出、油漆桶行进位置的定位、油漆密封性的检验等，实现完整的全自动灌装生产过程。

2、独立完成系统控制软件的编制，编制相应的PLC控制软件，并添加TD200文本显示器，可以方便的修改部分控制参数；

配合机械设计部分，以确保灌装精度、旋紧密封可靠性、生产速度和动作的稳定性等为出发点，利用接近传感器，完成油漆传输定位的闭环系统控制。

3、利用AutoCAD绘图软件绘制出生产线的主体结构，包括油漆的粗灌及精灌机构、传输机构、旋紧机构以及电气控制柜的电路布线图。

4、进行高精度油漆自动灌装线的精度标定及可靠性仿真软件进行特定功能仿真，对引起系统灌装误差的因素进行分析和归纳，并提出改进方向。

整个系统根据控制要求，用软件对部分参数实现自动控制，通过运行程序，实现各个环节的自动控制调节。

当整个灌装生产控制系统出现意外时，PLC会控制蜂鸣器报警，生产线停机并显示相应的故障位置和故障类型，将起到自我保护的作用。

3.2电控系统的硬件部分设计

油漆自动灌装生产线的电控系统硬件主要由电源、传感器、继电器和电磁阀等组成，在进行电控系统的设计时，既要考虑到保证所需控制功能的实现，又要兼顾到生产环境及电路的复杂程度，以及故障维修的方便性等。

本套生产线正常运行的关键，就在于传感器的正常稳定工作，所以传感器控制功能的设计就成为油漆灌装生产线电控设计的重点。

由于每个工序相对独立，所以电控部分先按照各个工序单独考虑，最后再进行整个生产线电控系统总体协调设计。

按照工序划分，主要有油漆灌装、桶盖旋紧、电机控制回路等几个重要部分的电控设计。

3.2.1灌装工序的电控设计

油漆进行灌装的粗灌和精灌工序所涉及的电气控制的设计,主要是空桶的就位/停止以及灌漆的开始/停止两大部分的电控设计。

空桶就位/停止中的就位信号主要由接近开关提供，接近开关一旦输出信号，即表明空桶已进入灌装位置，PLC可进行相应动作及进行灌装。

灌装的油漆重量由电子秤显示，同时，电子秤达到预设值时，即有开关信号输出，通知PLC进行后续动作，油漆中油漆的灌装重量主要依靠电子秤来保证。

3.2.2旋紧工序的电控设计

旋紧工序不仅机械结构复杂，涉及的电控参数也较多，在设计中需要多种传感器配合工才能完成预定的机械动作。

这其中除了和粗灌、精灌工序一样需接近开关进行就位确认外，还需要传感器对油漆桶盖进行定位，控制旋紧时力度（即扭矩），以及旋紧之后的姿态调整等。

由于油漆桶盖规格型号各异，一般的位移传器很难满足要求。

因此，选用超声波传感器较为适宜。

该传感器安装在机械卡头开口槽的一侧，用来探测油漆桶盖的长端，在机械卡头下降前的旋转过程中，即开始进行扫描工作，当探测到桶盖时，即输出开关量信号，通知PLC进行下步操作动作。

当确定了油漆桶盖的位置后，机械卡头便下降并旋紧桶盖，旋紧的力度必合适，太松达不到密封效果，太紧容易损坏瓶口螺纹甚至脱扣。

3.2.3电机控制回路的设计

电机控制回路设计方法采用三相电源引出后，先通过保险、空气开关进行短路或过电流保护，其后连上接触器，利用接触器通断控制电机的启动和停止，最后接上所用的三相异步电动机，为了保证电机的正常、可靠运行，在电动机之前还连接有热继电器，进一步加强了过电流保护。

在油漆灌装生产线的电机控制回路中，主要是对生产线中的电机的速度进行控制和调整，为了便于速度参数可以根据需要进行调整和平滑的启制动，兼顾扭矩输出，所以采用减速器对电机进行减速。

电机控制系统中，输入信号的控制，全部由PLC发出，这样，通过PLC就可以控制电机的动作，从而使灌装线上、下传送滚的电机功率与其相连的减速机将速度变为合适的值。

选用这种设计一方面能满足本系统对驱动装置的要求；

另一方面也便于制造厂家在自己现有的标准配套部件中进行选择，以减少设计成本和生产成本。

在精灌机构中还将使用变频器，用以控制绞龙的旋进。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成的。

具有节能效果明显、调速曲线平滑、调速过程简单、安全可靠、保护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点。

由于变频器传给电动机的是脉冲电流，其脉动值比工频供电时电流要大，因此须将变频器的容量留有适当的余量，因此，变频器应同时满足以下三个条件：

式中：

PM、η、cosφ、UM、IM分别为电动机输出功率、效率、功率因数、电压（V）、电流（A）。

K：

电流波形的修正系数

PCN：

变频器的额定容量（KVA）

ICN：

变频器的额定电流（A）

式中IM如按电动机实际运行中的最大电流来选择变频器时，变频器的容量可以适当缩小。

这三个式子是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。

控制精灌电机速度的变频器的启动、停止以及多级速度均受变频器端子排上相应输入信号的控制，而这些信号由PLC控制，这样，通过PLC就可以控制变频器进而控制精灌电机的速度，实现不同规格油漆的精灌装。

另外，变频器的过流报警信号接至PLC的输入端，以使PLC及时得知变频器的工作是否正常。

PLC一般还有输出一个“复位”信号至变频器的RES（复位）端子上，以便在万一变频器过流保护后，进行复位以继续工作。

3.2.4继电器的选择

本课题方案设计在交直流连接以及开关量转换处将用到继电器。

国内外长期实践证明，约70%的故障发生在触点上，这足见正确选择和使用继电器触点非常重要。

触点组合形式和触点组数应根据被控回路实际情况确定。

由于接通时触点回跳次数少和触点烧蚀后补偿量大，其负载能力和接触可靠性较动断触点组和转换触点组中的动断触点对要高，整机线路可通过对触点位置适当调整，尽量多用动合触点。

根据负载容量大小和负载性质（阻性、感性、容性、灯载及马达负载等）确定参数十分重要。

一般说，继电器切换负荷在额定电压下，电流大于100mA、小于额定电流的75%最好，电流小于100mA会使触点积碳增加，可靠性下降，继电器的触点额定负载与寿命是指在额定电压、电流下，负载为阻性的动作次数，当超出额定电压时，可参照触点负载曲线选用。

当负载性质改变时，其触点负载能力将发生变化。

3.2.5电磁阀的选择

选择电磁阀时，必须考虑以下因素：

1.电磁阀的输出要求

a.流体类型：

气体、液体及其温度、粘度、浓度、腐蚀性等。

b.流速：

流体流过阀门的速度，是阀门主要性能指标。

c.压力（差）：

是阀门关闭时要克服的力量，是阀门的主要指标。

d.密封性：

相对的是阀门的泄漏指标。

可以用单位时间内阀门的泄漏量为单位，或者有些情况下更适用于气体，用一个一定容积的密封容器内气体在一定时间内的压力降来表示。

e.负载周期D：

D={通电时间/（通电时间＋断电时间）}×

100%

f.最大通电时间：

电磁铁通电时就会发热，负载周期或者最大通电时间，以及电磁铁的功率和散热就决定了电磁铁的温升。

电磁铁的温升和环境温度决定了电磁铁材料需要的绝缘温度等级。

2.电磁阀的输入条件

a.电源类型和功率：

输入电磁阀不同的电流波形，就会产生不同工作模式。

实际应用中的电源类型可能有：

直流/交流、恒压电源、恒流电源、电瓶、干电池、直流发动机等。

b.二极管整流：

电磁铁应用中，如果现有电源是交流（AC），需要采用整流器转换为直流，原则上要设计为全波整流类型。

整流元件的反向峰值电压应该是电磁铁驱动电压的三倍。

c.电磁阀驱动电路中控制触点的保护。

3.2.6接近传感器的选择

接近传感器在灌装生产的精确定位中，起到了重要作用，接近传感器主要检测油漆托盘上的定位螺钉，只要螺钉到达指定位置，传感器就有信号输出，根据定位特征的性质，采用电感式接近传感器最为方便，部分特别位置还要用到超声波传感器。

3.3PLC控制系统设计

3.3.1设计方案中PLC的选型

PLC作为控制系统的核心，它的选择很重要，既要保证控制功能得以实现，又要考虑到开发难度、功能扩展和性价比等综合因素。

目前市场上小型PLC主要品牌有三菱、西门子及欧姆龙。

西门子S7-200系列PLC可应用于各种自动化系统，紧凑的结构、低廉的成本以及强大的功能指令集使得S7-200PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案，其编程语言STEP7支持梯形图、指令表、功能图编程方式。

西门子S7-200系列PLC不仅具有结构化程序设计的优点，还具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性，广泛应用于一般控制。

本课题研究方案中选用西门子S7-200系列PLC。

3.3.2PLC控制系统构成及功能

油漆灌装线系统由油漆空桶的粗灌系统、精灌系统、振动系统、旋紧系统和空桶托盘的传送系统组成，要求PLC实现以下的控制功能:

1、将油漆空桶放置于特制托盘上，由传送滚传送到粗灌装机构的下料口附近，在指定位置安装有接近开关，托盘一旦到达指定位置，接近开关就向PLC发送就位信号，PLC控制挡杆伸出，挡住托盘，阻止其继续前进；

然后PLC控制升降汽缸推出顶杆，使托盘上升，油漆空桶进入作业位置。

粗灌下料口的漏料阀打开，向空桶内灌入油漆，电子称重计进行称量，当空桶质量达到设定值时，电子称重计向PLC发送就绪信号，PLC首先关闭漏料阀，停止灌料，然后控制升降汽缸拉回顶杆使托盘下降到原来位置，最后撤回档杆，托盘便随着传送滚继续前进。

2、精灌系统的功能与粗灌系统类似，但有两点区别：

①灌料的速度明显减慢，这是为了满足精度的要求，因为从电子称重计给出信号到PLC控制漏料阀关闭有一定的时延，灌料速度过快很可能超出规定质量；

②补料阀与漏料阀设置为互锁关系，即漏料阀关闭时才能打开补料阀进行补料，漏料阀打开前，补料阀必须关闭，否则会影响灌料的精度。

3、精灌完毕后，托盘带着桶沿传送滚进入振动台，接近开关向PLC发送就位信号，PLC控制挡杆伸出，挡住托盘，阻止其继续前进；

然后PLC控制升降汽缸推出顶杆，将托盘顶起，PLC控制振动台的电机做小幅振动，振动的作用是使瓶内的油漆均匀散开，结束后，PLC控制升降汽缸拉回顶杆，使托盘下降到原来位置，然后撤回档杆，托盘带着桶沿传送滚前进。

4、安放好桶盖后，托盘带着桶继续前进，进入到旋紧位置，接近开关向PLC发送就位信号，PLC控制挡杆伸出，挡住托盘，阻止其继续前进；

然后PLC控制升降汽缸推出顶杆，将托盘顶起到工作位置。

固定夹紧装置将桶固定夹紧，此时油漆桶盖的朝向是任意的，无法直接旋紧，PLC要控制电机带动机械卡头自行旋转。

这时，安装在卡头上的超声波传感器将随卡头作360°

扫描，找寻桶盖位置，传感器找到桶盖后，输出信号给PLC，PLC停止电机转动，控制机械卡头下降，卡住桶盖，作顺时针旋紧，达到预设值时，扭矩传感器有信号输出，撤回档杆，托盘便随着传送滚继续前进。

5、空托盘的循环由传送系统实现。

空托盘沿下降通道进入下排传送滚，传送到上升通道后，PLC控制上提汽缸升至上排传送滚，上部有侧顶汽缸，可将空托盘顶到传送滚上，完成一次循环。

根据油漆灌装生产线PLC控制系统的工艺技术要求和总体工作流程，设计油漆灌装生产线的PLC控制流程图如图3.3.2所示：

图3.2.1PLC控制流程图

3.3.4PLC的I/O点数的确定

根据油漆灌装生产线控制元件分布情况，确定I/O点数、输入点数，另外还至少有3位设定显示控制，还要考虑到选用的PLC点数应有10%以上的冗余。

3.3.5PLC输入、输出回路的设计

输入、输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。

输入口用来接收生产过程的各种参数，输出口用来输出可编程控制器运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。

（一）输入回路设计

（1）电源回路PLC供电电源一般为AC85～265V，适应范围较宽，但是为了抗干扰，还应加装电源净化元件。

（2）PLC上DC24V电源的使用。

PLC产品上一般都有DC24V电源，但该电源容量小，为几十mA至几百mA，用其带负载时要注意容量，同时有防短路措施。

（3）外部DC24V电源提供；

该电源的“-”端不要与PLC的DC24V的“-”端以及“COM”端相连，否则会影响PLC的运行。

（4）输入灵敏度。

厂家对PLC的输入端电压和电流都有规定，如西门子公司的S7-200系列PLC的输入值为：

DC24V、4mA，启动电流2.5mA以上，关断电流小于1mA，因此，当输入回路串二极管或电阻（不能完全启动），或者并联电阻有漏电流时（不能完全切断），就会有误动作，灵敏度下降，对此应采取一定措施。

另一方面，当输入器件的输入电流大于PLC的最大输入电流时，也会引起误动作，应采用弱电流的输入器件。

（二）输出回路的设计

不同的PLC产品，其“COM”点的数量是不一样的，有的一个“COM”点带8个输出点，有的带4个输出点，也有带2个或1个输出点的。

当负载的种类多，且电流大时，采用一个“COM”点带1～2个输出点的PLC产品；

当负载数量多而种类少时，采用一个“COM”带4～8个输出点的产品。

这样会对电路设计带来很多方便，因PLC内部一般没有熔丝，所以在每个“COM”点处可另加一熔丝，1～2个输出时加2A的熔丝，4～8个输出时加5～10A的熔丝。

3.3.6提高PLC控制系统的安全性和可靠性的设计

PLC作为油漆灌装生产线过程控制中的主要装置，一般不需要采取特别的措施，可直接用于该工作环境。

但必须严格按照技术指标使用，才能保证长期安全运行。

而油漆灌装生产线的PLC控制系统除了工业现场粉尘大、发热和散热元件产生热量使温度偏高、多个电机工作会使震动强烈等影响其可靠性外，还会受到来自传导、辐射、静电放电等方面的干扰，PLC本身虽然具有一定抗干扰能力，但其构成的控制系统，由于受到上述各类干扰信号的影响而出现问题，因此必须选择采用合理的抗干扰措施，对PLC的安装环境和不利条件作改进。

（1）工作环境和安装注意事项

技术指标规定PLC的工作环境温度为0～55°

C，相对湿度为85%RH以下（无结霜）。

因此，不要把PLC安装在高温、结露、雨淋的场所，也不宜安装在多灰尘、油烟、导电多尘腐蚀性气体和可燃性气体的场所，也不要将其安装在振动、冲击强烈的地方。

如果环境条件恶劣，应采取相应的通风、防尘和防振措施，必要时将其安装在控制室内；

PLC不能和高压电器安装在一起，控制柜中应远离强干扰和动力线，如大功率可控硅装置、高频焊机、大型动力设备等，二者间距应大于200mm。

PLC的I/O连接线与控制线应