基于PLC的饮料自动罐装系统毕业设计之令狐文艳创作Word格式.docx
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PLC（可编程序控制器）是以微处理器为核心的工业控制装置，它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。
作为通用工业控制计算机，其实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，在世界工业控制中发挥着越来越重要的作用。
在饮料行业，自动化生产线的生产方式是推广的最普及的一种生产模式，它促使灌装的速度大幅提升，同时也使得灌装精度更高，给企业带来了不可小觑的生产力。
鉴于此，设计者利用PLC的功能和特点设计出了一款饮料灌装生产流水线控制系统。
本文所涉及的饮料灌装自动化生产线采用PLC控制，流量计计量，确保了灌装的速度和精度。
本文详细论述了饮料灌装机控制系统的设计步骤，通过对灌装机系统的充分了解，以行业现状为出发点，结合其他行业自动控制技术的应用情况，提出了基于PLC的饮料灌装机控制系统的基本结构。
本系统设计中完成了饮料灌装机控制系统的硬件的配置和软件方面的设计，实现了饮料灌装机控制系统的自动化。
对劳动生产率的提高，对饮料的质量和产量的提高都具有深远的意义。
利用PLC控制饮料灌装生产过程，可有效提高灌装生产效率，并显著增加控制系统的可靠性和柔性。
关键词：
可编程控制器；
自动化；
灌装；
生产线
Abstract
With
the
increasing
level
of
industrial
automation,
many
industrial
enterprises
are
faced
with
transformation
traditional
production
line
and
re-design
problem.
PLC
（programmable
logic
controller）
is
a
microprocessor
as
core
control
devices,
it
will
relay
control
system
combined
computer
technology
in
recent
years
mechanical
electrical
integration,
of
industries
such
generally
applied.
As
general-purpose
computer,
realization
wiring
logical
leap
to
storage,
control
world
playing
an
increasingly
important
role.
In
beverage
industry,automated
mode
promote
most
popular
kind
mode,
causes
filling
speed
increases,
but
make
higher
precision,
bring
enterprise
cannot
small
gaze
productivity.
view
this,
designers
use
functions
features
designed
system.
This
paper
involves
drinks
automation
adopts
control,
flow
meter
metering,
insure
precision.
describes
detail
drinksfilling
machine
design
steps,
brief
introduction
baseon
self-industry
application
other
trade
on
auto-control
technique,
proposed
frame
based
programmable
controller.
completes
hardware
configuration
software
design,to
achieve
carbonated
machine.
Not
only
improve
labor
productivity,
also
has
far-reaching
significance
improvement
quality
yield.
process,
which
can
effectively
efficiency
filling,
significantly
increase
reliability
controlsystems
flexible.
Keywords:
Programmable
controller；
Automation；
Filling；
Production
line
第一章可编程控制器概述
1.1PLC的定义:
可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
总之可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机，它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力，但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时其硬件需根据实际需要进行选用、配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
1.2PLC的组成:
PLC的基本组成可归为四大部件：
1．中央处理单元（CPU板）——控制器的核心；
2.输入部件（I/O部件）——连接现场设备与CPU之间的接口电路；
3.输出部件——送出PLC运算后得出的控制信息；
4.电源部件——为PLC内部电路提供能源。
另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内。
PLC的基本组成框图如图1-1所示：
图1-1
1.3可编程控制器的分类和发展:
1.3.1分类
按I/O点数可分为大、中、小型三大类，通常可以定义为：
小型：
I/O点数在256点以下；
中型：
I/O点数在256～1024点之间
大型：
I/O点数在1024点以上。
1.3.2可编程序控制器及其网络的发展历史
1968年，美国通用汽车公司（GM）根据市场形势与生产发展的需要，提出了“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略。
要实现这个战略决策，依靠原有的工业控制装置显然不行，
而必须有一种新的工业控制装置，它可以随着生产品种的改变，灵活方便地改变控制方案以满足对控制的不同要求。
1969年，著名的美国数字设备公司（DEC）根据GM的功能要求，研制出了这种新的工业控制装置，并在GM公司的一条汽车自动化生产线上首次运行取得成功。
根据这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案这一特点，以及专门用于逻辑控制的情况，称这种新的工业控制装置为可编程序控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
从1968年到现在，PLC经历了四次换代：
第一代PLC大多用一位机开发，用磁芯存储器存储，只有逻辑控制功能。
在第二代PLC产品中换成了8位微处理器及半导体存储器，PLC产品开始系列化。
第三代PLC产品随着高性能微处理器及位片式CPU在PLC中大量使用，PLC的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通信方向发展。
第四代PLC产品不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC（Reducedinstructionsetcomputer）精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个处理器，进行多通道处理。
同时生产了大量内含微处理器的智能模板，使得第四代PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器。
同一时期，由PLC组成的PLC网络也得到飞速发展。
PLC与PLC网络成为工厂企业中首选的工业控制装置，由PLC组成的多级分布式PLC网络成为CIMS（computer-integratedmanufacturingsystem）系统不可或缺的基本组成部分。
人们高度评价PLC及其网络的重要性，认为它是现代工业自动化的三大支柱之一。
1.3.3发展方向
发展方向分小型化和大型化两个发展趋势。
小型PLC有两个发展方向，即小（微）型化和专业化。
大型化指的是大中型PLC向着大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。
1.4PLC的功能
1.逻辑控制；
2.定时控制；
3.计数控制；
4.步进（顺序）控制；
5.PID控制；
6.数据控制，PLC具有数据处理能力；
7.通信和联网；
8.其它PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如定位控制模块、CRT模块。
1.5PLC的应用范围
目前，在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。
从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面：
（1）开关量逻辑控制
利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：
机床、
注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。
这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。
（2）运动控制
大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
这一功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。
（3）过程控制
大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出。
所以PLC可实现模拟量控制，而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。
这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。
（4）数据处理
现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。
第二章任务及相关设计方案
2.1任务的分析
近年来，饮料工业发展迅猛，碳酸饮料、果汁饮料、蔬菜汁饮料、含乳饮料、
瓶装饮用水、茶饮料等品种不断丰富，产量上的“飘红”使得对设备市场的需求也呈“牛市”。
因此，这方面的计术还要进一步发展和完善，以适应现代工业的需要。
本次设计的任务是以s7-200系列PLC作为处理核心，用行程开关、传感器将生产过程中的信号（如空瓶的运行的位置、饮料瓶的大小等等）处理后送给PLC处理器，由PLC对数据进行运算，然后输出驱动信号（如接触器、电磁阀等等）来完成饮料罐装生产过程的流水线操作。
该系统的总体思路：
此生产线为全自动控制的，生产线一旦上电，PLC将通
过软件对生产线进行自动控制：
通过输出继电器控制传送带的停转和对饮料瓶灌装的控制，实现对系统状态的显示，并且通过PLC内部的计数器对所生产的产品进行计数。
传统的饮料罐装生产线的电气设备控制系统是传统的继电器——接触器控制方式,在使用的过程中，生产工效低，人机对话靠指示灯+按钮+讯响器的工作方式，响应慢，故障率高，可靠性差，系统的工作状态、故障处理、设备监控与维护只能凭经验被动的去查找故障点。
且在生产过程中容易产生二次污染，造成合格率低，生产成本增加。
而自动化生产线在众多领域应用得非常广泛，其控制部分常常采用PLC控制，它使自动化生产线运行更加平稳，定位更加准确，功能更加完善，操作更加方便。
为适应发展，故提出下面的PLC控制技术改造现有生产线。
本文介绍了德国西门子PLCS7-200在自动化饮料罐装生产线控制系统中的应用，并从硬件和软件两方面进行了分析和研究。
文章探讨了如何利用德国西门子PLCS7-200进行饮料灌装生产流水线的控制，重点分析了系统软硬件设计部分，并给出了系统硬件接线图、PLC控制I/O端口分配表以及整体程序流程图等，实现了饮料灌装的自动化，提高了生产效率，降低了劳动强度。
2.2硬件设计方案
饮料的灌装是采用了饮料灌装机，饮料灌装机将灌装装置以及封盖装置集合
在一起，使饮料的灌装稳定、高效的完成。
对于饮料瓶大小的区别是通过反射式光电传感器工作来实现的。
利用辅助继电器对计数器进行正电平触发来实现对所生产产品的计数。
2.3饮料灌装结构图
如图2-1，图2-2，图2-3所示
图2-1
图2-2
图2-3
系统的工作原理：
系统一旦上电，传送带驱动电动机运转，待空饮料瓶行至
行程开关，行程开关闭合，电动机停转，灌装设备通过阀门的关断来控制饮料灌装的时间，待饮料灌装过程完毕后电动机恢复转动，如此循环实现生产线上的自动控制。
对于传送带上的饮料瓶大小的区分，是通过所在位置的反射式光电传感器工作来实现的。
2.4项目目标
整个流水线由主传送带（M1）、次品传送带（M2）、灌装装置、次品推动装置、光电传感器（定位）、压力传感器等组成。
流水线的实时监控，由传感器检测。
电动机的启动和停止，灌装装置的灌装，次品的检测、推动和计数由PLC控制。
2.5生产流程
按下启动按钮后，生产线进入自动工作状态，具备工作条件后，瓶子随着传送带进入灌装工序，灌装完成后传送带继续启动运行。
当瓶子随着主传送带平稳的进入灌装架时，灌装架的光电传感器信号送给PLC，主传送带停止1秒，并且夹瓶装置固定，一秒后，罐装架的电磁阀打开，汽缸启动并罐饮料，罐装到5S（及罐满）后自动停止，灌装过程中有报警提示，罐装结束后，主传送带开始启动，通过压力传感器检测是否满瓶，没装满的由推杆推入次品传送带。
检测满瓶过程中计数（正品与次品分别计数）。
2.6软件设计方案
PLC软件方案设计的方法有经验设计法，逻辑设计法等。
2.6.1经验设计方法
梯形图的经验设计法是比较广泛的一种方法。
这种方法没有普遍的规律可以
遵循,具有很大的试探性很随意性,最后的结果不是唯一的。
该方法的核心是输出
线圈。
以下是经验设计方法的基本步骤：
1.了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械的动作情况。
2.确定PLC的输入信号和输出负载，画出PLC的外部接线图。
3.确定与继电器电路图的中间继电器，时间继电器对应的梯形图中的辅助继电器（M）和定时器（T）的元件号。
4.根据前面的对应关系画出梯形图。
2.6.2逻辑设计方法
逻辑设计法的理论基础是逻辑代数。
而继电器控制系统的本质是逻辑线路。
看一个电气控制线路都会发现,线路的接通和断开,都是通过继电器等元件的触点来实现的,故控制线路的种种功能必定取决于这些触点的开，合两种状态。
因此电气控制电路从本质上说是一种逻辑线路,它符合逻辑运算的基本规律。
2.7具体控制要求
2.7.1M1主传送带电动机
（1）功能：
带动主传送带运行。
（2）控制要求：
①一旦启动，M1主传送带驱动电机启动并保持到停止开关动作或者灌装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止，瓶子装满饮料后，传送带驱动电机M1必须自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。
②通过交流接触器实现失压。
欠压保护。
③通过热继电器实现过载，欠相保护。
2.7.2M2次品传送带电动机
（1）功能：
带动次品传送带运行
①一旦启动，则M2次品传送带驱动电机启动，并保持到停止开关动作。
②通过交流接触器实现失压。
2.7.3M3灌装电动机
（1）功能：
保持料箱液位
（2）控制要求：
①当料箱中下陷位传感器动作时，M3启动给饮料注入原料，当上限位传感器动作时，M3停止。
②通过熔断器实现短路保护。
③通过交流接触器实现失压。
④通过热继电器实现过载，欠相保护。
2.7.4灌装机
在设定时间里定量灌装。
①当瓶子定位在灌装设备下时，停顿1S，灌装设备开始工作，灌装过程为5S，灌装过程应有报警显示，5S后停止灌装并不再显示报警。
②保护
（3）实现方法：
电磁阀灌装：
电磁阀灌装阀的开关由电磁阀控制，灌装精度更高，计时恒压定量灌装原理，可使灌装的误差在千分之五以下。
电动定量灌装系统及电磁阀控制计量装置，可进行精确灌装，减少浪费。
在恒压储液罐灌液中，里面有上限位和下限位传感器，他们被淹没时是1状态。
液面低于下陷位液面是恒压储液罐为空。
饮料通过进液电磁阀流入恒压储液罐，液面到达上限位时进液电磁阀断电关闭，使液位保持稳定。
恒压储液罐下面是灌装头部分，夹瓶装置由汽缸1驱动下降，下降到位后，夹瓶装置由汽缸2加紧定位，定位夹紧后，灌装头由汽缸3驱动下降，到位后灌装头电磁阀打开，开始灌装，延时5秒电磁阀关闭，灌装头上升，夹瓶装置放松上升，传送带电机启动。
2.7.5质量检测与次品的分离
检测产品质量，将次品分离。
第三章元器件的选择
3.1PLC的选择S7—200
PLC的选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。
S7-200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型可编程控制器。
早些时候称为CPU21X，其后的改进型称为CPU22X。
其结构紧凑、功能强，具有很高的性能价格比，在中小规模控制系统中应用广泛。
S7-22X系列PLC可提供5种不同的基本单元和多种规格的扩展单元。
其系统构成除基本单元、扩展单元外，还有编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。
表3-1给出了22X系列CPU的基本配置。
从表中可以看出，22X系列CPU具有很强的功能，如自带高速计数器、通讯口、具有脉冲输出功能、实时时钟、能进行浮点运算等。
此外，S7-200系列PLC允许在程序中立即读写输入、输出口，允许在程序中使用中断，允许设定通讯任务的处理时间，允许设置停止模式数字量输出状态，可以由用户自己定义存储器的掉电保护区，可以允许数字量时间，允许设置停止模式数字量输出状态，可以由用户自己定义存储器的掉电保护区，可以允许数字量及模拟量输入加滤波器，还具有窄脉冲捕捉功能，为复杂的工业控制提供了方便。
表3-122X系列CPU的基本配置
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
CPU226XM
外型尺寸/mm×
mm×
mm
90×
80×
62
120.5×
190×
程序存储区
2048字
4096字
8192字
数据存储区
1024字
2560字
5120字
掉电保持时间/h
50
190
本机I/O
6入/4出
8入/6出
14入/10出
24入/16出
扩展模块数量
2
7
高速计数器
单相
双相
4路30KHZ
2路20KHZ
6路30KHZ
4路20KHZ
脉冲输出（DC）
模拟电位器
1
实时时钟
配置时钟卡
内置
通讯口
1RS-485
2RS-485
在饮料灌装生产流水线控制系统中我们只用了11个输入8个输出,和简单的逻辑和计数功能，配置基本单元就可以满足要求，即选用CPU224的西门子S7-200系列PLC作为控制器构成饮料灌装生产流水线控制系统。
结构描述：
S7-200CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的小型可编程逻辑控制器。
CPU结构如图3-1所示：
图3-1
3.2电机的选择
电动机M1型
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