基于PLC的饮料灌装生产线的控制系统设计Word文档格式.docx
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（3）thesystemcanachievemanuallyreset.ThesystemmainlyusestheMitsubishiPLC,sensors,relays,switchesandsoonandusesthegoodautomaticcontrolperformanceofPLCtoachievethenocontrolofbeveragefillingproductionline
UseofPLCcontrolbeveragefillingproductionline,toachievethesoftdrinkproductionlineautomationandintelligence.Onlaborproductivitygains,improvebeveragequalityandyieldfar-reachingsignificance
KEYWORDS:
Beveragefilling,Productionline,Nocontrol
1引言
1.1本论文研究的内容及意义
纵观近年来，国内外饮料工业蓬勃发展，各种饮料如碳酸饮料、果汁饮料、饮用水、茶饮料等种类日益繁多，较高的产量需求同时使得对设备的需求也逐渐提高。
目前国外的灌装与封口设备正向高效、多功能、高精确度方向前进，目前有的生产线已可以在玻璃瓶与塑料容器（聚酯瓶）、果汁饮料与果汁饮料、热灌装与冷灌装等场合下工作。
目前一般灌装饮料效率高达到2010罐／分，德国H＆K公司灌装机的灌装阀可达160多头，SEN公司140多头，Krones公司170多头，灌装机直径大至5米，灌装精度可以达到0．5ml以下。
一般饮料灌装阀有50～100头，实现最高达1500罐每分，料槽转速20～25转每分，可提高1倍的速度。
可完成茶饮料、乳酸和果汁饮料等数种饮料的热性灌装，与此对外国热性灌装其封口后可不再进行二次杀菌处理。
当前饮料灌装生产线的控制过程大部分是继电接触控制实现，但这种控制电路接线过于复杂，可靠程度不太高，进而使工业生产效率得不到较好提高。
然而，随着信息时代的蓬勃迅速发展，饮料灌装生产线的控制过程正向着智能化，高效化，自动化的方向迈进。
PLC将原有的微机技术与传统的继电接触控制技术结合了起来，因而它既弥补了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠度低、功率损耗高、通用性和灵活性差的缺点，又较好地利用了微处理器具有的特殊优点，又充分考虑到现场电气操作维修人员的技术能力与习惯，特别是它的程序编制，PLC有多种程序设计语言可以选择，不必要专业的电脑编程语言技能，而是采用了一套以继电器为核心的梯形图为基础的简单指令形式，使编程人员程序编制直观、使用方便易学；
调试与查错也都很方便。
PLC所具有的自我诊断功能对维修人员的技术要求降低。
使用者只要按说明书的提示，做很少的接线和简单的程序编制工作，就可灵活方便地使其应用于生产实践中，实现理论联系实际的目标。
1.2报告设计大纲
1.3论文研究的内容
本论文对饮料罐装生产流水线控制系统的硬件和软件方面进行了设计。
其中硬件设计部分包括FX2N-32MRPLC外部电路的设计与安装；
软件部分包括程序的设计与调试。
根据系统的实现要求对PLC、电动机、传感器、继电器等外部设备进行选择型号。
设计完成的饮料灌装生产流水线能够实现以下功能：
（1）通过开关将系统设为自动操作模式，一经启动，则传送带的驱动电机启动并一直持续到停止开关动作或待饮料瓶传送至灌装设备下时停止运转；
瓶子装满饮料并上了盖后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到下一个饮料瓶被传送至灌装设备下或停止开关动作；
（2）当瓶子传送并定位在灌装设备下时，停1s，灌装设备开始工作，对于大瓶灌装8秒钟，小瓶则5秒钟，灌装过程完毕后对饮料瓶进行上盖操作，上盖时间约为2秒钟。
整个灌装和上盖过程应设有报警显示，待上盖完毕后不再显示报警；
报警方式为红灯0.5s间隔闪烁；
（3）包装过程，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饮料罐装生产流水线总体设计
2.1任务的分析
本次设计以FX2N系列PLC作为处理核心，用行程开关、传感器等外部设备将生产过程中的信号（如空瓶运行的位置、饮料瓶的大小等等）处理后送到处理器将其处理，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流水线的自动化高效、准确的操作。
系统的整体思路：
此生产线是全自动控制的，生产线一经上电，PLC将通过软件程序对生产线进行控制：
通过输出继电器的动作来控制传送带的停转和对饮料瓶的选择灌装，实现完成对系统状态的显示，并且通过PLC内部的计数器对所生产的产品进行计数。
2.2硬件方案设计
饮料的灌装是运用了饮料灌装机，它将饮料灌装装置以及封盖装置集合在一起，实现饮料的灌装与上盖，使饮料的灌装能稳定、高效的完成。
对于饮料瓶大小的区分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完成对产品的计数。
灌装生产流水线模型如图1所示，生产流水线结构如图2所示。
系统的工作原理：
系统一经上电，传送带将驱动电动机运转，待空饮料瓶行
至行程开关处，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，饮料灌装过程完成后电动机恢复转动，如此循环实现生产线的自动控制。
对于传送带上的饮料瓶大小的分辨，利用了通过下图的反射式光电传感器。
图2饮料灌装生产流水线结构
2.3软件方案设计
PLC软件方案设计有经验设计法，逻辑设计法等
2.3.1经验设计法
梯形图的经验设计法是运用比较广泛的一种方法。
该方法的核心是输出线圈。
以下是梯形图经验设计法的基本步骤：
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.根据对应关系画出梯形图。
2.3.2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。
在电气控制线路中会发现,线路的接通和断开,都是由继电器等元件的触点来控制决定的,故控制线路的所有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根上说是一种逻辑性线路,它满足逻辑运算的基本规律。
具体步骤如下图3所示:
图3PLC逻辑设计步骤图
3系统元件的选择
3.1PLC控制要求和内容及选型
3.1.1基础PLC
可编程控制器是工业自动化的基础。
在工业现场中用于对大量的数字量和模拟量进行控制，例如电磁阀的开闭，电动机的启停，温度、压力、流量的设置与控制，产品的计数与控制等。
3.1.2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，但单抗干扰能力差，工业现场环境的电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度的变化等都可能使一般通用微机不能实现正常工作。
而PLC是专为工业环境应用而设计的，故对可能受到的电磁干扰、高低温及电源波动等影响，其已在PLC硬件及软件的设计上采用了一定的措施。
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技术，对电源及I/O接口线采用了数种滤波等。
而在软件方面采用了故障监测、诊断、信息防护和复位等手段，一旦发生非正常状况，CPU立马进行行之有效的方案，防止故障向更糟的方向发展，使PLC的可靠度大为提高。
（2）机构简单，应用灵活
PLC在硬件结构上采用模块化中的类似积木式的结构，输入和输出信号模块、通信模块及一些特别功能模块类型繁多。
面对不同的控制对象，可以方便、快速灵活地组合成完成其功能的控制系统。
（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，形象直观的程序，简单易学指令，容易理解和掌握编程步骤和方法，不需要具备专门的计算机知识，使具有一定的电工和工艺知识的人员可以在短时间内学会。
（4）功能完善，适用性强
PLC具有强大的对数字量和模拟量处理的功能，如一般逻辑、算术运算、常见特殊函数运算等。
PLC具有多种常用的功能，如PID闭环回路控制、中断控制等。
PLC还可以扩展好多特殊功能，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组成的多种工业网络，可实现数据传送、上位监测控制等功能。
3.1.3PLC的安装与接线
PLC一般要求安装在环境温度为0到55摄氏度，相对湿度小于85%，无粉尘、油烟，无腐蚀性及可燃性气体的场合中。
为了达到这一目的，其不要安装在发热器件附近，不能安装在结露，雨淋的场所，在粉尘多，油烟大、有腐蚀性气体的场合安装时要采取封闭措施，在封闭的电器柜中安装时，要注意解决通风问题。
另外，PLC要安装在远离强烈振动和电磁干扰源的场合，否则需要对其采取减震及屏蔽措施。
PLC的安装固定常有两种方式，一是直接利用机箱上的安装孔，用螺钉把机箱固定在控制柜的背板或面板上；
二是利用DIN导板安装，这需先将DIN导板先固定好，再将PLC与各种扩展单元卡上DIN导板。
并注意在PLC周围留足散热及接线的空间。
PLC在工作前必须正确地接入控制系统，和其连接的主要有PLC的电源接线，输入输出器件的接线，通信线，接地线。
3.1.4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要求
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的要求，被称为设计系统的居于第一的目标和任务，这也是设计中最该铭记的一条原则。
这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行细致的调查研究，收集有关控制现场的资料，收集相关先进的中国、外国资料。
同时还要留心和在场的管理人员、监管人员、现场操作维修人员密切配合，相互深入沟通，定制相关控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题，力求方案准确高效的实施。
（2）确保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，是设计控制系统的最为重要原则。
这就要求设计者更加全面考虑系统总体设计、元器件选择、软件编程，以确保控制系统安全可靠。
例如：
应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在特殊非正常条件下（如突然停电再上电、按钮按错，继电器不动作等），也能正常工作。
（3）力求简单、经济、使用及维修方便
在充分满足被控制要求的基础上，一方面要注意不断地扩大工程的效率与利益，另一方面也要注意不断地降低其成本，力求工程的经济性。
这就要求设计者不仅应该使控制系统较简易、实惠，而且要使系统的使用及维护更简单、花费更低，不宜盲目地追求过程的自动化和高指标。
（4）适应生产发展的需要
这就要求在选择PLC、输入输出模块、输入输出点数和内部存储器容量时，要适当留有一定的裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。
事实上PLC控制系统的设计：
首先考虑的是应是系统的安全性、可靠性设计，然后才是根据控制工艺要求进行控制流程的设计，最后就是编写切实可行、简单、高效的PLC程序，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与可靠性，以及软件PLC程序中的安全性考虑应该同步进行。
3.1.5PLC的工作原理
（1）PLC的工作方式
PLC采用的是周期性循环扫描的工作方式。
（2）PLC的工作过程
PLC用户程序的工作过程可分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。
PLC的工作过程包括初始化，CPU自诊断，通信信息处理，PLC与外部设备交换信息，执行用户程序，输入输出信息处理等六步。
3.1.6PLC选型与硬件配置
选择PLC,主要是确定它的生产厂家与型号。
挑选生产厂家，用户的要求、设计使用者的习惯、熟悉程度、配套产品的一致性是主要应考虑的几个方面，编程器等附加设备的通用性、技术服务等方面的因素也应加以考虑。
在生产厂家确定后，它的型号主要决定于控制要求，在满足设备控制要求的前提下，必须考虑生产成本。
选择PLC型号时应注意以下指标：
1.CPU性能2.输出输入总数3.功能模块的配套4.通信能力。
考虑到生产规模的扩大、生产工艺的改进、控制任务的增加以及维护重接线的需要，在选择硬件模块时要留有适当的余量。
根据已经确定的I/O设备统计所需要的I/O信号的点数和类型，预留10%至15%的空间，选择I/O信号模块。
根据特殊功能要求选择智能单元.
根据通信要求选择通信接口模块。
依据饮料罐装自动生产线的工艺流程图，PLC控制系统有均为开关量的9个输人信号。
PLC控制系统的有10个输出信号。
FX2N系列的PLC有继电器输出方式，晶体管输出方式和双向晶闸管输出方式三种,继电器输出方式其特点是：
可接通交、直流电源，其反应慢，但有干结点，安全性及其隔离性好，可靠性高；
晶体管输出方式其特点是：
只能接入直流电源，无干接点，其响应速度最快——场效应管输出模块的工频可达20kHz，但过度负载能力较差；
双向晶闸管输出方式其特点是：
只能接入交流电源，无干接点。
综合以上相关信息，并结合经济实用性的考虑，系统选用FX2N-32MR型号的PLC：
继电器输出方式,输人点数输出点数均为16点，可以满足工艺要求，且留有一定的余量。
便于以后的修改和扩展。
根据系统的性能与要求，PLC输入/输出端口地址的分配如表4所示。
3.1.7PLC的性能指标
1.用户程序存储容量2.输入输出总点数3.扫描速度4.指令种类5.内部寄存器的配置及容量6.特殊功能。
表1PLCI/O端地址编号对照表
输入信号
输出信号
名称
功能
编号
SB0
启动按钮
X0
KM1
传送带电动机
Y0
SB1
停止按钮
X1
YV1
灌装电磁阀
Y1
ST0
行程开关
X2
YV2
小瓶封盖
Y2
S0
光电传感器
X3
YV3
大瓶封盖
Y3
SB4
大包
X4
HL4
大包指示灯
Y4
SB5
中包
X5
HL5
中包指示灯
Y5
SB6
小包
X6
HL6
小包指示灯
Y6
SB7
散装
X7
HL7
散装指示灯
Y7
SB10
手动复位
X10
HL10
系统上电显示
Y10
HL11
灌装过程显示
Y11
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。
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5所示。
表2Y132M-4型电动机的性能参数
电流
电压
堵转转矩
最大转矩
额定转速
极数
频率
额定功率
15.4A
380V
2.2n.m
2.3n.m
1440r/min
4
50Hz
7.5KW
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、直流主电路或大型控制电路的切换器，主要控制目标是电动机。
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、CJ12、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，直交流接触器有几乎相同的动作原理和结构。
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。
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
热继电器由安装的位置不同的两部分组成。
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。
热继电器采用双金属热元件，动作执行机构，常闭触头和常开触头，复位按钮及整定电流调节旋钮等。
根据双金属热元件的数目可分为两极和三极型热继电器，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分辨，根据设计需要选择反射式光电传感器。
反射式光电传感器的工作原理如图4所示。
图4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3所示。
表3PM2-LF10反射式光电传感器的性能参数
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）
反应时间
0.8ms以下
4系统的硬件电路
4.1系统硬件结构框图
系统的主电路、控制电路、辅助电路三大部分组成了硬件系统，硬件中的主要部分是主电路，主电路和辅助电路由控制电路控制，起辅助信号显示作用的是辅助电路。
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5所示。
图5主控制电路图
4.3控制电路的设计
PLC控制系统有9个均为开关量的输人信号。
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6所示。
图6三菱PLC外部接线图
4.4操作面板的设计
操作简单，直观明了的，对饮料罐装自动生产线的每一步都能准确显示，方便工作人员的工作是操作面板的设计原则。
面板如图7所示。
面板中的按钮有停止、启动和手动复位按钮，以及选择大包、中包、小包和散装的按钮。
显示灯有大包、中包、小包和散装的显示灯，还有上电显示和灌装过程显示。
本系统还设置了两种灌装模式即大瓶、小瓶灌装，四种包装方式即大瓶的大、中、小包装和散装及小瓶的大、中、小包装和散装。
这样做有利于不同层次的需要。
图7操作面板
5系统程序的设计
5.1控制要求和控制过程分析
系统将开关设定为自动操作模式，一经启动，传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关实现停止动作或传感器检测到下一个瓶子时停止；
饮料将瓶子装满后，驱
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