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啤酒灌装生产线控制系统设计

毕业设计[论文]

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摘要

随着工业自动化水平日益提高，众多工业企业均面临着传统生产线的改造和重新设计问题。

PLC（可编程序操纵器）是以微处理器为核心的工业操纵装置，它将传统的继电器操纵系统与运算机技术结合在一起，近年来在工业自动操纵、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。

作为通用工业操纵运算机，事实上现了工业操纵领域接线逻辑到储备逻辑的飞跃，在世界工业操纵中发挥着越来越重要的作用。

鉴于此，设计者利用PLC的功能和特点设计出了一款啤酒灌装生产流水线操纵系统。

文章刚开始介绍了PLC的相关知识，接着以啤酒灌装流水线为例，采纳三菱公司的FX系列可编程序操纵器，介绍了PLC在啤酒灌装流水线中的应用，给出了详细的程序设计过程。

利用PLC操纵啤酒灌装生产过程，传送带调速系统，可有效提高灌装生产效率，并显著增加操纵系统的可靠性和柔性。

最后提出了用操纵方面较为成熟的PID算法来操纵全自动灌装压盖机贮液缸内液位和压力的方法。

关键词:

可编程操纵器；灌装流水线；顺序功能图；梯形图；PID调剂

Abstract

Withtheincreasinglevelofindustrialautomation,manyindustrialenterprisesarefacedwiththetransformationoftraditionalproductionlineandre-designproblem.PLC（programmablelogiccontroller）isamicroprocessorasthecoreofindustrialcontroldevices,itwillrelaythetraditionalcontrolsystemcombinedwithcomputertechnologyinrecentyearsinindustrialautomation,mechanicalandelectricalintegration,thetransformationoftraditionalindustriessuchasgenerallyapplied.Asageneral-purposeindustrialcontrolcomputer,therealizationofindustrialcontrolwiringlogicalleapinlogictostorage,industrialcontrolintheworldisplayinganincreasinglyimportantrole.Inviewofthis,thedesignersoftheuseofPLCfunctionsandfeaturesdesignedabeveragefillingproductionlinecontrolsystem.

ThearticleintroducedthePLCbeginningoftherelevantknowledge,andthentodrinkbottlinglineasanexample,theuseofMitsubishiFXseriesprogrammablelogiccontroller,PLC,introducedinthebeveragebottlinglineintheapplication,givenadetailedprogramdesignprocess.PLCcontroloftheuseofbeveragefillingproductionprocess,whichcaneffectivelyimprovetheproductionefficiencyoffilling,andsignificantlyincreasethereliabilityofcontrolsystemsandflexible.andtakeouttheideaofcontrolthelevelandpressureinfullyautomatedfillingGlandwithamorematurePIDalgorithminthefieldofcontrolfinally.

Keywords:

fillinglines;LadderDiagram；PIDregulation

1绪论

1.1啤酒包装工业的进展现状

众所周知，从1979年至今，我国的啤酒工业经历了二次增长高潮。

第一次是在1979年～1988年，其间啤酒厂由70多个进展到80多个，啤酒产量由40～50万吨增加到880万吨；第二次从1990年到现在，啤酒厂进一步增加了100余个，1998年啤酒产量达到1987.67万吨，居世界第二。

啤酒生产企业中也不乏涌现出了年产量80万吨的大型啤酒生产企业（燕京啤酒集团）。

由于我国人口众多，人均啤酒消费量只有世界的1/2，大大低于世界平均消费水平。

估量今后数年，我国啤酒增长率仍会坚持在一个较高的水平上。

2001年啤酒产量为2274万吨，2002年啤酒产量达到2386万吨，首次超过美国成为世界第一个啤酒生产大国。

依照食品工业部门推测，啤酒今后几年增长率坚持在8%左右。

1.1.1国内啤酒包装设备的进展状况

我国啤酒包装设备的生产厂家在60年代初到70年代末只有几家，其生产能力处于一种引进国内设备并加以仿制的时期，如70年代末，广州轻工业机械设计研究所消化吸取西德、意大利、美国、日本等过的进口设备，开发出8000瓶/每小时的啤酒洗瓶、灌瓶、压盖、贴标生产线。

到80年代，国内普及包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1987年上半年我国从西欧、东欧、日本等过引进200多条灌装线。

大90年代啤酒饮料加工设备的成套与配套生产企业接近600家。

然而，这些生产企业要紧依旧靠引进国外的生产线并在国内加以仿制，或者消化吸取了西德.意大利等国的先进技术开发国内的包装设备。

引进的生产线需耗费大量资金不说，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，以至于花重金引进的先进设备成了库房内的一堆废物。

在啤酒生产旺季，引起缺失是不可估量的。

因此研制开发先进的啤酒包装设备被提到日程上来。

现有的啤酒包装生产线大多采纳单机操作，生产能力较低（据统计，我国目前约有480家啤酒厂，而年生产能力在10万吨规模的企业不足10%）。

依照食品工业对啤酒饮料的进展推测，啤酒饮料加工规模将向大型化进展，其加工设备必须趋向大型化，以高速、高产、高性能、低消耗、操作方便、直观、便于调试为特点，以采纳集散操纵。

全线自动化为进展方向。

1.1.2国外啤酒包装设备的操纵和治理情形

国外的啤酒包装设备进展较为完善，机电一体化、治理与操纵相结合是当前啤酒灌装生产进展的最重要的一个趋势。

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啤酒包装生产线的全面运算机操纵与治理。

当前啤酒、饮料包装运算机化的进展方向是CIM（ComputerIntegratedManufacturing），CIM是一个采集、治理和处理、发送各类数据的综合系统，它有效地将机器人技术、自动操作系统、监视系统、自动分叉技术和运算机和谐中心等高尖端技术应用技术应用于整个啤酒包装领域，国外啤酒的运算机操纵正走向成熟和完善时期，而我国差不多上还处于机械化和自动化时期，运算机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包装工作者去探究与研究。

1.1.3啤酒的包装工艺

玻璃瓶作为啤酒的包装在绝大多数人心目中占有传统适应性优势。

据统计，到目前为止，玻璃瓶包装仍占我国啤酒包装的九成以上。

然而，纵观国际啤酒包装市场，啤酒成品包装的多样化。

系列化已成为不争的事实。

除了国内常见的玻璃瓶包装之外，还有国人难得一见的槽车装啤酒和PET材料多型瓶啤酒。

在国际化啤酒包装趋势下，国内的啤酒包装业将改变玻璃瓶啤酒“一枝独秀”的局面，向多样化、系列化、安全。

经济型转化。

啤酒作为一种含气的液体饮料，其包装容器有玻璃瓶、易拉灌、聚醋瓶等，在此我们以玻璃瓶为例来介绍其包装工艺：

图1-1啤酒包装工艺过程

新瓶或回收瓶由全自动洗瓶机的理瓶机构将瓶子顺序地送入洗瓶机，其洗瓶工艺是：

（a）进行初洗，立即瓶子内外表面易除掉的污物用废水喷淋并使之排空。

（b）在热水或碱液中将内外表面的污垢及瓶标洗掉。

（c）残留在瓶内外表面上的污垢在热水中泡软并依次用碱液、热水、温水及清水喷洗瓶子的内外表面并排空。

（d）后将瓶子倒立排空0.5~1分钟。

瓶子在机器内洗净，时刻为6~22分钟，碱液处理约为占52~65%，其中浸泡时刻为49~63%，喷冲时刻为2.8~15%。

最适合的洗瓶温度为60~85度范畴之内，碱液的浓度为1.0~2.5%。

洗瓶之后由卸瓶机构将洁净的瓶子送出，经传送带将瓶子送入全自动灌装压盖机，灌装、压盖完毕后，压好盖的瓶子直截了当通过旋转机构进入杀菌机进行杀菌，啤酒一样采纳热喷淋连续杀菌机，其喷淋的过程分为若干温区，其温度实现自动操纵，各温区的温度随操作时刻的延长，其温度由低~高~低，最高温度为69℃。

由杀菌机送出的瓶子，经输送链送入贴标机贴标，一样要贴颈标和身标。

最后，瓶装产品进入装箱机械。

在啤酒的包装过程中最为重要的一个环节确实是灌装，所谓灌装确实是将液体产品装入瓶、灌、桶等包装容器内的操作。

由于啤酒属于含气饮料，在其灌装过程中一样采纳等压灌装法，即先向清洗洁净的玻璃瓶中充入气体，使瓶内压力与贮液缸内的压力相等，再将贮液缸内的啤酒灌入玻璃瓶内的过程。

1.2可编程序逻辑操纵器（PLC）的现状及特点

PLC（programmablelogicalcontroller，可编程序逻辑操纵器）是以微处理器为基础，综合了运算机和自动化技术而开发的新一代工业操纵装置，按照IEC（国际电工协会）国标标准定义是，可编程序操纵器又称PC或PLC，它是以微型运算机为基础的一种为用于工业环境而设计的数字式电子系统，这种系统用可编程序储备面向用户指令的内部寄存器，完成规定的功能，如：

逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等，通过数字量的输入、输出操纵各种类型的机械或生产过程。

PLC产品在抗电磁、噪声干扰、有害废气的腐蚀、高温、粉尘等方面有专门高的能力，能直截了当和现场各种单元、部件连接，牢固耐用，可靠性方面PLC的平均无故障时刻可达5万小时以上，操作与修理十分方便，功能日益扩大。

因此，PLC广泛的应用于许多工业领域，因此技术的日新月异、突飞猛进是PLC迅速扩展市场的全然缘故。

我国应用PLC还处于初级时期，而且局限于钢铁、化工、汽车、机床、煤炭、电站等领域，其他行业的应用尚未普及，中国尚有宽敞的应用领域等待开拓。

我国90%的PLC市场由国外占据，中、大型PLC中，几乎100%是国外产品，以美国MODICON公司、GE公司、西德SIEMENS，日本三菱公司为主。

我国的饮料包装设备在许多方面采纳了PLC，并取得了专门好的成效。

如1996年中国轻工业机械总公司南京轻工机械厂在烟台啤酒厂成功设计制造出了3.6万瓶/小时的啤酒灌装线。

该灌装线消化吸取了德国先进技术，其输瓶操纵系统采纳中央电脑统一操纵，局部分散治理模式，其操纵器件就选用了德国西门子的S5-115U型PLC943中央处理单元和ET100远程终端。

在啤酒灌装线中，通过操纵程序、操纵变频装置和其它电机、电磁阀等执行元件，使输瓶系统在统一和谐治理下，分别跟踪洗瓶机、灌装机、杀菌机和贴标机等不同的运行速度，实时处理供瓶量，使整条生产线输瓶系统始终处在最佳的供瓶状态。

1.3本章小结

近几年来，我国啤酒产业得到了迅速的进展，显现了年产80万吨的大型啤酒生产企业（燕京啤酒集团）。

大型啤酒企业对啤酒灌装线的自动化程度和速度都提出了更高的要求。

而通过为期几次的参观，对我国啤酒饮料生产厂家蓝马啤酒和青岛啤酒渭南分公司的情形进行了较深的了解。

正如前面章节所述，我国的啤酒包装机械还存在自动化程度低、速度慢、破瓶率高、系统运行不稳固等缺陷。

随着集散操纵系统的日益完善，PLC在工业操纵领域应用的日益广泛，使我们利用先进操纵技术改进自动化灌装生产线的操纵系统，补偿其不足成为可能。

本课题的目的确实是采纳现代流行的先进操纵技术，设计啤酒自动生产线的操纵系统，通过PLC的操纵实现啤酒自动化生产线的操纵。

2啤酒灌装生产线总体设计方案

2.1啤酒罐装传送带调速系统要求

要求PLC依照瓶流通过变频器调整输送带的速度，即PLC依照瓶流情形选择多段速操纵，做到输送带速度与灌装机速度专门好的匹配。

系统构成如下图所示。

由光电检测开关检测瓶流速度，不同的瓶流速度对应变频器的不同速度，由PLC的输出端子去操纵变频器的多段速操纵端，实现速度的调整，实现与灌装速度相匹配。

图2.1系统构成图

在灌装速度不变的情形下，瓶流速度必须和灌装速度保持一致，为了保持一致，需要用一个光电传感器把检测到的瓶流脉冲输入到PLC，由PLC操纵变频器多段速调速。

2.1.1方案比较

方案一：

无级调速

差不多原理：

图2.2方案一方框图

由于变频器的频率指令信号能够从变频器的模拟输入端子送入，进行变频器的无级调速，且其模拟端子的输入信号能够是0~10V、-10V~+10V、4~20mA。

因而我们将用光电传感器检测瓶流速度反馈信号送入PLC与已知的罐装速度信号做差得到差值电压V，然后对V进行处理，将处理结果经中间处理单元（D/A转换器、电平匹配处理单元等）处理后变为连续的电信号输入变频器的模拟信号输入端，从而操纵变频器的频率连续变化，让变频器改变输出频率驱动电动机，实现对电动机的调速操纵即操纵瓶流速度与罐装速度相匹配。

使用该方法需要注意两点：

一是必须依照变频器的输入阻抗来选择PLC的模拟输出模块，二是必须选择PLC的模拟输出模块与变频器的输出信号范畴相一致。

方案二：

多段速调速

差不多原理：

图2.3方案二方框图

通过变频器的多功能输入端的设定，即设定多级速度频率，能够实现多级调速运转，并可通过外部信号选择使用某一级速度，本次设计为3级速度频率。

用PLC的开关量输入输出模块操纵变频器的多功能输入端，以操纵电机的正转和转速等，实现有级调速。

图2.4多段速调速连线框图

变频器的多段速调速能够通过RH、RM、RL三个输入端子的不同组合来设定7个不同的速度，同时速度多能够单独的通过操纵面板在0～120HZ之间任意设定，设定范畴广。

第1、2、3速在出厂时分别设定为50HZ、30HZ、10HZ，第4～7速未设定，需通过手动进行相关的设定。

假如将设定参数P63设定为8：

REX（多段15速选择），就能够通过RH、RM、RL、REX四个端子的不同组合来设定15速选择，但现在变频只能单向运转，不能反转运行。

REX

转速编号

图2.5多段速调速速段分配表

用此方法能够有两种差不多算法：

算法一：

多段调速之一次调解法，即用光电传感器检测瓶流速度并送入PLC与已知的罐装速度做差得到差值电压V，然后对V进行处理，得出需要调解的速度段数，由PLC输出以操纵变频器的频率操纵端，变频器改变输出频率驱动电动机，实现对电动机的调速即操纵瓶流速度与罐装速度相一致，达到设计目的。

算法二：

多段调速之渐次调解法，即用光电传感器检测瓶流速度并送入PLC与已知的罐装速度做差得到差值电压V，然后对V进行处理，将V与给定值进行比较，若小于一定范畴，则速度降级，若大于一定范畴，则速度升级，若在一定范畴内，则速度级数不变。

另外，假如转速超越承诺范畴而过快，则PLC的Y3端口输出L1灯报警信号;反之假如转速低于承诺范畴而过慢，则由PLC的Y4端口输出L2灯报警信号，整个转速操纵过程由PLC输出以操纵变频器的频率操纵端，以使变频器改变输出频率驱动电动机，从而实现对电动机的调速即操纵瓶流速度与罐装速度一致，达到设计目的。

在该方案中，我们还增加了变频器的故障反馈爱护系统，由变频器的A端输出，当变频器发生故障时，反馈操纵信号经A端传送到PLC的输入操纵端口X11端，经PLC逻辑运算后由Y5端输出，操纵接触器KM4动作，及时切断变频器的主电源，起到爱护作用。

2.1.2方案选择与方案论证

方案二的算法一调解速度比较迅速，但有时调解的速度级差较大，会对电动机有损害，阻碍电动机的寿命；方案一的算法二调解速度较慢，尽管调解速度的级差较小，但比较平滑，有利于爱护电机，而且接线简单，抗干扰能力强，使用方便，可靠性高，同用模拟信号进行速度给定的方法相比，这种方式的设定精度高，成本低，也不存在由飘移或偏差过大带来的各种问题。

且方案二能够对变频器起到专门好的爱护作用，能够及时幸免变频器因为故障而损毁。

方案一为无级调速，调速精度高，操纵成效好，平滑性好，但由于在中间处理单元中显现了模拟信号，就会存在温漂、信号电压差等误差阻碍，且算法较复杂，在选择PLC时还要求依照变频器的输入阻抗来选择PLC的模拟输入模块，同时还要让PLC的模拟输出模块与变频器的输入信号范畴相一致，关于精度要求不高的系统，成本和效益比较差。

另外在多段调速中，系统的操纵信号为数字信号，因此频率设定值比较准确，可不能受温漂的阻碍。

且调速实现比较简单，易于实现，关于精度要求不高的场合专门适用。

因此，综合考虑各方面因素及要求，选择方案二的算法二作为本次设计的设计方案，经实验论证后也是完全可行的。

2.2灌装机灌装方法的选择

由于液料的物理化学性各有差异，对灌装也就有不同的要求。

液料由储料缸灌入包装容器，常有如下几种方法：

（1）常压法灌装

常压法灌装，是在大气压力下依靠被灌液料的自重流入包装容器内的灌装方法。

常压灌装的工艺过程为：

a.进液排气，即液料进入容器，同时容器内的空气被排出。

b.停止，即容器内的液料达到定量要求时，进液自动停止。

常压法要紧用于灌装低粘度、不含气的液料，如牛奶、白酒、果汁等。

（2）等压法灌装

等压法灌装，是利用储液箱上部气室的压缩空气，给包装容器充气，使二者的压力接近相等，然后被灌液料靠自重流入该容器内的灌装方法。

等压灌装的工艺过程为：

a.充气等压

b.进液回气

c.停止进液

d.开释压力，即开释瓶颈内残留的压缩气体至大气内，幸免瓶内突然降压引起大量冒泡，阻碍包装质量和定量精度。

等压法适用于含气饮料，如啤酒、汽水等的灌装，可减少其所含二氧化碳气体缺失。

（3）真空法灌装

真空法灌装是低于大气压力的条件下进行灌装的方法。

即让储液罐内部处于常压状态，只对包装容器内部抽气，使其形成一定的真空度，液料依靠两容器内的压力差，流入包装容器并完成灌装。

真空法灌装的工艺过程为：

a.瓶抽真空

b.进液排气

c.停止进液

d.余液回流，即排气管中的残液经真空室回流至储液箱内。

真空法使用于灌装粘度低一些的液料，如油类、糖浆等。

（4）压力法灌装

压力法灌装是借助机械或气液压等装置操纵活塞往复运动，将精度较高的液料从储料缸吸入活塞内，然后再强制压入待灌容器中。

由于能够借助较大外力，放可大大提高灌装速度。

2.2.1定量灌装

在现代灌装生产线的生产作业中，必须要保证定量灌装的高精确性，使灌装量的误差保持在合理的水平。

现行的定量灌装方式要紧有量筒式灌装、称重式灌装、电磁阀灌装、电磁感应式灌装。

量筒式灌装要紧以机械设备为主，与机械制造和加工有专门大的关系，灌装速度较慢，产品修理率高；称重式灌装能够达到专门高的精度，但由于其称重比较复杂，因而速度较慢；电磁感应式灌装原理较复杂，当今生产线上推广应用较少，还处于研发时期；比较可行的方法是采纳电磁阀灌装。

电磁阀灌装机的灌装阀的开关由电磁阀操纵，灌装精度更高，计时恒压定量灌装原理，可使灌装量的误差在千分之五以下。

电动定量灌装系统及电磁阀操纵计量装置，可进行精确的灌装，减少白费。

2.2.2啤酒灌装流水线的差不多结构

整个灌装流水线的差不多结构如图3.1、图3.2、图3.3所示。

整个流水线由主传送带、次品传送带、灌装装置、次品推动装置、定位传感器、次品检测传感器等组成。

电动机的启动和停止，灌装装置向上、向下移动和灌装，次品的检测、推动差不多上由PLC操纵的。

流水线由传感器实时监控，由PLC操纵，操纵准确，自动化程度高。

2.2.3瓶子的输送

此灌装生产线的宽度仅够一个瓶身通过，且两端间隙不超过两毫米，瓶与瓶之间无间隙，使瓶子保持一条笔直的直线。

瓶子从理瓶机出来后，进入主传送带，由传送带送到灌装区。

2.2.4次品的分离

当灌满的瓶子从灌装区出来后进入次品检测区，当有次品通过次品检测区时，次品检测接近开关发给PLC一个信号，并由此启动次品推动装置及次品传送带，分离出次品后，主传送带复原运行。

3啤酒灌装传送带调速系统设计

3.1系统概述

近年来，社会的进展和进步对各行各业提出了越来越高的要求。

机械化加工企业为了提高生产效率和市场竞争力，采纳了机械化流水线作业的生产方式，对不同的产品分别组成了自动流水线。

产品不断地更新换代，也同时要求相应的操纵系统随之改，提高产品生产的效率。

在这种情形下，硬连接方式的继电接触式操纵系统就不能满足经常更新的要求了。

这是因为，一是成本高，二是周期长。

在早期还显现过矩阵式顺序操纵器和晶体管逻辑操纵系统，由于这些装置体积大，功能少，本身存在专门多不足，尽管在能够提高操纵系统的通用性和灵活性，但均未得到广泛应该。

随着大规模集成电路和微处理器的进展和应用，在上世纪60年代显现了能够以软件手段来实现各种操纵功能的革命性操纵装置—可编程逻辑操纵器（PLC）。

它把运算机的功能完备、通用性和灵活性好等优点和继电接触式操纵系统的操作方便、简单易明白、价格低廉等优点结合起来了，因此它是一种能够完全适应于工业环境的通用操纵装置。

PLC和原先的操纵系统相比，增加了算术运算、数据转换、过程操纵、数据通信等功能，能够专门方便的完成大型而复杂的任务。

可编程序操纵器作为工业自动化的支柱之一，在工业自动操纵领域占有十分重要的地位。

众所周知，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操纵装置。

在工业生产领域中，变频调速是异步电动机操纵的一种比较合理和理想的调速方法，它通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高

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