基于PLC的饮料灌装生产流水线控制系统的设计论文文档格式.docx
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三是为了提高包装机械完成复杂动作的能力。
饮料灌装机用于灌装各种各样的瓶装饮料，适合大中型饮料生产厂家，早期的灌装机械大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方法。
这些方法存在一些缺点。
例如：
灌装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。
本系统采用的饮料分装计量是通过时间和单位时间流量来确定的，计量精度由PLC控制确定。
PLC控制具有编程简单、工作可靠、使用方便等特点，在工业自动化控制领域广泛应用。
专为PLC应用而实际的触摸屏集主机、输入和输出设备于一体，适合在恶略的工业环境中使用.
饮料灌装装置主要包括两部分：
恒压储液罐灌液和计数部分。
在恒压储液罐灌液不封，里面有上限液位和下线液位传感器，它们淹没时是1状态。
液面低于下线液位时恒压储液罐为空。
饮料通过进液电磁阀流入恒压储液罐，液面达到上限位时进液电磁阀断电关闭，使液位保持恒定。
鉴于PLC可靠性高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便三大特点，利用PLC技术平台自主开发创新，将机械、电气和自动化等技术有机结合，将传统的继电器-接触器控制功能用PLC代替，构成实用、可靠的饮料灌装生产线PLC控制系统。
该控制系统可节省大量电气元件、导线与原材料,缩短设计周期,减少维修工作量,
提高加工零件合格率,进而提高生产率，而且程序调整修改方便灵活，提高了设备的柔性和灵活性。
具有整体技术经济效益。
目前，饮料的灌装伸长已经实现自动化，为了提高产品质量，缩短生产周期，适应产品迅速更新换代的要求，产品生产正向缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方面发展。
因此，饮料厂的自动化灌装生产线中有越来越多的及其在使用先进的灌装技术来提高及其的自动化电气控制水平和生产效率。
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。
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
目前饮料灌装生产线的控制过程主要是继电器接触控制，但这种电路接线复杂，可靠性低，使得工业生产的效率得不到提高[3-4]。
不过，随着时代的发展，饮料灌装生产线的控制过程正朝着智能化和自动化的方向发展。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；
调试与查错也都很方便。
用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践[5-12]。
1.2生产流水线的概念
生产流水线是生产型企业最常用的制造产品的形式，它是由一群人或机器人在一个接一个的完成一项半成品或成品的加工及检验和包装，由于是有些采用行走的输送带承载被加工的物品，因此被称为流水线生产。
1.3生产流水线的形式及特点
（1）板链式装配流水线
特点：
承载的产品比较重，和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡；
生产的节拍不是很快；
以链板面作为承载，可以实现产品的平稳输送。
（2）滚筒式流水线
承载的产品类型广泛，所受限制少；
与阻挡器配合使用，可以实现产品的连续、节拍运行以及积放的功能；
采用顶升平移装置，可以实现产品的离线返修或检测而不影响整个流水线的运行。
（3）皮带式流水线
承载的产品比较轻，形状限制少；
和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡转向；
以皮带作为载体和输送，可以实现产品的平稳输送，噪音小；
可以实现轻型物料或产品较长距离的输送。
（4）差速输送流水线
差速输送流水线采用倍速链牵引，工装板可以自由传送，采用阻挡器定位使工件自由运动或停止，工件在两端可以自动顶升，横移过渡。
还可以在线可设旋转、专机、检测设备、机械手等。
第2章课题研究内容
2.1设计要求
本课题对饮料罐装生产流水线的硬件和软件进行了设计。
其中硬件设计包括三菱S7-300PLC外部电路的设计与安装；
软件部分包括程序的设计与调试。
根据系统的要求对PLC、电动机、传感器等外部设备进行选型。
设计好的饮料灌装生产流水线能够实现以下目的：
（1）系统通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或待灌装的饮料瓶被传送至灌装设备下时停止；
瓶子装满饮料并上盖后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到下一个待灌装的饮料瓶被传送至灌装设备下或停止开关动作；
（2）当瓶子定位在灌装设备下时，停顿1s，灌装设备开始工作，对于大瓶灌装8秒钟，小瓶则灌装5秒钟，待灌装过程完毕再对饮料瓶进行上盖，上盖时间为2秒钟。
整个灌装和上盖过程应有报警显示，待上盖完毕后不再显示报警；
报警方式为红灯以0.5s间隔闪烁；
（3）包装上，对于小瓶：
40瓶为一大包，30瓶为一中包，20瓶为一小包；
对于大瓶：
20瓶为一大包，15瓶为一中包10瓶为一小包；
（4）能够实现对生产产品进行自动记数并可以手动对计数器清零。
2.2饮料灌装生产流水线模型
饮料灌装自动化生产线示意图如图1-1所示。
生产线由瓶子传送带和灌装液罐组成，传送带由电动机驱动，可以正转和反转。
电动机正转时，传送的瓶子依次通过空瓶、灌装、满瓶和终端4个工位。
自动化生产线的控制台可以用普通的控制面板实现，也可以用HMI（人机界面）设备实现。
控制面板上有启动/停止按钮、急停按钮、下位/上位选择开关、手动/自动选择开关、正反转点动按钮、故障复位按钮、计数清零按钮及各种指示灯等。
欲完成以上的控制动作，需要通过可编程控制器来对生产线的控制。
2.3可编程控制器的产生和定义
可编程控制器的缩写为PLC（ProgramableLogicalController），是将计算机技术、自动化技术和通信技术融为一体，专为工业环境下应用而设计的控制设备。
20世纪60年代，生产过程及各种设备的控制主要是继电器控制系统。
继电器控制简单、实用，但存在着明显的缺点：
设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难以实现较复杂的控制特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，一旦动作顺序或生产工艺发生变化时，就必须进行重新设计、布线、装配和调试，所以通用性和灵活性较差。
生产上迫切需要一种使用方便灵活、性能完善、工作可靠的新一代生产过程自动控制系统。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数宇公司研制出了第一代可编程序控制器，它具有逻辑运算、定时、计数等顺序等功能。
20世纪80年代后，由于计算机技术的迅猛的发展，PLC采用通用微处理器为核心，具有了函数运算、高速计数、中断技术、PID控制等功能，称为PC（ProgramableController）即可编程控制器。
但由于PC（PersonalComputer）已成为个人计算机的代名词，为了不与之混淆，人们习惯上仍将可编程控制器称为PLC。
经过短短的几十年发展，可编程控制器已经成为自动化技术的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。
1982年，国际电工委员会（IEC）制定了PLC的标准，在1987年12月颁布的第三稿中，对可编程控制器的定义是：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
2.4可编程控制器的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
微机虽然具有很强的功能，单抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度的变化等都可以使一般通用微机不能正常工作。
而PLC是专为工业环境应用而设计的，故对于可能受到的电磁干扰、高低温及电源波动等影响，已在PLC硬件及软件的设计上采用了措施。
如在硬件方面采用了电和磁的屏蔽，对I/O接口采用了光电隔离，对电源及I/O接口线采用了多种滤波等。
而在软件方面采用了故障检测、诊断、信息保护和恢复等手段，一旦发生异常，CPU立即采取有效措施，防止故障扩大，使PLC的可靠性大大提高。
（2）机构简单，应用灵活
PLC在硬件结构上采用模块化积木式结构，各种输入输出信号模块、通信模块及一些特殊功能模块品种齐全。
针对不同的控制对象，可以方便、灵活地组合成不同要求的控制系统。
硬件接线简单，一般不需要很多配套的外围设备。
（3）编程方便，易于使用
PLC采用了与继电器控制电路有许多相似之处的梯形图作为主要的编程语言，程序形象直观，指令简单易学，编程步骤和方法容易理解和掌握，不需要具备专门的计算机知识，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可以在短时间内学会。
（4）功能完善，适用性强
PLC具有对数字量和模拟量很强的处理功能，如逻辑运算、算术运算、特殊函数运算等。
PLC具有常用的控制功能，如PID闭环回路控制、中断控制等。
PLC可以扩展特殊功能，如高速计数、电子凸轮控制、伺服电动机定位、多轴运动插补控制等。
PLC可以组成多种工业网络，实现数据传送、上位监控等功能。
2.5设计PLC控制时，应遵循以下基本原则
（1）最大限度地满足被控对象的控制要求
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。
这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。
同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。
（2）保证PLC控制系统安全可靠
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。
这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。
应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。
（3）力求简单、经济、使用及维修方便
一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。
因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。
这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。
（4）适应发展的需要
由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。
这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。
实际上PLC控制系统的设计，按照国外发达国家的标准：
首先考虑的是系统的安全性、可靠性设计，然后才是根据控制工艺要求进行控制流程设计，然后就是编写切实可行、高效的PLC程序，这里在安全性、可靠性设计要求的前提下，编写相应的PLC程序非常重要，硬件上保证的安全性，以及软件PLC程序中的安全考虑应该同步进行
2.6任务的分析
本次设计的任务是以S7-300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。
2.7硬件方案设计
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。
生产流水线结构如图1-1所示。
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，是通过下图中所在位置的反射式光电传感器工作来实现的。
2.8软件方案设计
PLC软件方案设计的方法有经验设计法，逻辑设计法等。
（1）经验设计法
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）逻辑设计法
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。
具体步骤如下图1-2所示:
图1-2PLC逻辑设计步骤图
第3章元件的选择
3.1PLC的选型
根据饮料罐装自动生产线的工艺流程图，PLC控制系统的输人信号有9个，且均为开关量。
PLC控制系统的输出信号有10个。
PLC主要主要考虑一下几点：
I/O信号的点数：
根据已确定的I/O设备统计所需要的I/O信号的点数，选择是否支持扩展机架的CPU。
网络通讯的模式：
根据控制要求的信号传输方式所需要网络接口的形式，选择支持现场总线的网络、工业以亚太网络或点到点通讯的CPU。
如果网络有路由要求，则选择集成了该功能的CPU。
PLC输入/输出端口地址的分配如表1-3所示。
输入信号
输出信号
名称
功能
编号
SB0
启动按钮
I0.0
KM1
传送带电动机
Q0.0
SB1
停止按钮
I0.1
YV1
灌装电磁阀
Q0.1
ST0
行程开关
I0.2
YV2
小瓶封盖
Q0.2
S0
光电传感器
I0.3
YV3
大瓶封盖
Q0.3
SB4
大包
I0.4
HL4
Q0.4
SB5
中包
I0.5
HL5
Q0.5
SB6
小包
I0.6
HL6
Q0.6
SB7
散装
I0.7
HL7
Q0.7
SB10
手动复位
I1.0
HL10
系统上电显示
Q1.0
HL11
灌装过程显示
Q1.1
表1-3PLCI/O端地址编号对照表
3.2电动机的选型
目前市面上的电动机类型多种多样，用于驱动传送带传送的电动机的类型也数不胜数[13-14]。
基于该系统的控制要求与各类型电动机的结构特点和工作场合，并考虑到经济性和实用性，本系统选择的电动机型号为Y132M-4，其性能参数如表1-4所示。
电流
电压
最大转矩
额定转速
极数
频率
额定功率
15.4A
380V
2.3n.m
1440r/min
4
50Hz
7.5KW
表1-4Y132M-4型电动机的性能参数
3.3接触器的选型
接触器是一种用来接通或断开带负载的交直流主电路或大容量控制电路的自动化切换器，主要控制对象是电动机。
通用接触器可大致分以下两类。
1）交流接触器。
主要有电磁机构、触头系统、灭弧装置等组成。
常用的是CJ1、0CJ12、CJ12B等系列。
2）直流接触器，一般用于控制直流电器设备，线圈中通以直流电，直流接触器的动作原理和结构基本上与交流接触器是相同的。
接触器的选型有诸多因素外与负载密切相关一般三相异步电机的起动电流为额定电流的3-5倍。
所以接触器的额定电流为：
IN=36A（3-1）
综上所述，本系统选用CJ10-40接触器：
额定电流为40A,额定电压为380V。
3.4热继电器的选型
热继电器由两部分组成，每一部分安装的位置不同。
一部分是主触点，接在电动机与接触器KM之间。
另一部分是接在控制电路中，与接触器KM的线圈电路相串联。
热继电器在控制线路中起过载保护的功能。
热继电器是采用双金属热元件，动作机构，常闭触头和常开触头，复位按钮及整定电流调节旋钮等构成。
根据双金属热元件的数目可分为两极和三极型热器，而三极型又分带断相保护和不带断相保护两种。
主电动机M1的额定电流15A，FR1可以选用JR16，热元件电流为20A，电流整定范围为14-22A工作时将额定电流调整为15A。
3.5开关电器、熔断器的选型
行程开关是一种由物体的位移来决定电路通断的开关，选用型号为LXK2-131型。
熔断器选用RL1-15型熔点器，熔体的额定电流为30A。
3.6传感器的选型
系统中运用传感器对饮料瓶的大小进行区别，根据设计需要选择反射式光电传感器[15]。
反射式光电传感器的工作原理如图1-5所示。
图1-5反射式光电传感器原理图
该系统选择的反射式光电传感器型号为PM2-LF10,其性能参数如表1-6所示。
性能
参数
检测距离
2.5～8mm（中心：
5mm）白色无光泽纸（15×
15mm）
最小检测物体
φ0.05mm铜线（设定距离：
5mm）
应差
使用白色无光泽纸（15×
15mm）工作距离的20%以下
重复精度
（垂直于检测轴）
0.08mm以下
电源电压
5～24VDC±
10%脉动P-P5%以下
消耗电流
平均：
25mA以下，峰值：
80mA以下
输出
NPN开路集电极晶体管
·
最大流入电流：
100mA
外加电压：
30VDC以下（输出和0V之间）
剩余电压：
1V以下（流入电流为100mA时）
0.4V以下（流入电流为16mA时）
短路保护
装 备
反应时间
0.8ms以下
表1-6PM2-LF10反射式光电传感器的性能参数
第4章系统硬件电路实现
4.1统硬件结构框图
系统的硬件分为主电路、控制电路、辅助电路三大部分，控制电路控制主电路，辅助电电路起辅助信号显示的作用，它们之间的关系如图1-7所示：
图1-7硬件电路关系图
4.2主电路的设计
传送带用电动机M1来运行，并用接触器KM1来控制电动机的运行与停止。
由热继电器FR1实现过载保护。
断路器QF1、QF2、QF3将三相电源引入，同时QF1、QF2、QF3为电路提供短路保护。
饮料罐装生产的主控制电路如图1-8所示。
图1-8主控制电路图
4.3控制电路的设计
PLC控制系统的输人信号有9个，且均为开关量。
其中各种单操作按钮开关6个，分别SB0启动按钮、SB1停止按钮、SB4大包、SB5中包、SB6小包、SB7散装、SB10手动复位按钮。
行程开关1个，传感器开关1个。
PLC控制系统的输出信号有10个，其中1个用于驱动传送带电动机的接触器KM1,3个电磁阀分别用于大瓶和小瓶的封盖及饮料罐装，6个用于生产线上的状态显示。
如图1-9所示。
图1-9三菱PLC外部接线图
4.4操作面板的设计
操作面板本着操作简单，直观明了的，对饮料罐装自动生产
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