电气工程饮料灌装生产线电气系统设计 精品.docx
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电气工程饮料灌装生产线电气系统设计精品
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。
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。
文章刚开始介绍了PLC的相关知识，接着以饮料灌装流水线为例，采用三菱公司的FX系列可编程序控制器，介绍了PLC在饮料灌装流水线中的应用，给出了详细的程序设计过程。
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；灌装流水线；顺序功能图；梯形图
Abstract
Withtheincreasinglevelofindustrialautomation,manyindustrialenterprisesarefacedwiththetransformationoftraditionalproductionlineandre-designproblem.PLC（programmablelogiccontroller）isamicroprocessorasthecoreofindustrialcontroldevices,itwillrelaythetraditionalcontrolsystembinedwithputertechnologyinrecentyearsinindustrialautomation,mechanicalandelectricalintegration,thetransformationoftraditionalindustriessuchasgenerallyapplied.Asageneral-purposeindustrialcontrolputer,therealizationofindustrialcontrolwiringlogicalleapinlogictostorage,industrialcontrolintheworldisplayinganincreasinglyimportantrole.Inviewofthis,thedesignersoftheuseofPLCfunctionsandfeaturesdesignedabeveragefillingproductionlinecontrolsystem.
ThearticleintroducedthePLCbeginningoftherelevantknowledge,andthentodrinkbottlinglineasanexample,theuseofMitsubishiFXseriesprogrammablelogiccontroller,PLC,introducedinthebeveragebottlinglineintheapplication,givenadetailedprogramdesignprocess.PLCcontroloftheuseofbeveragefillingproductionprocess,whichcaneffectivelyimprovetheproductionefficiencyoffilling,andsignificantlyincreasethereliabilityofcontrolsystemsandflexible.
Keywords:
programmablelogiccontroller；fillinglines；SequentialFunctionChart；LadderDiagram
1绪论
目前，饮料厂的自动化灌装生产线中已经有越来越多的机器在使用先进的灌装生产技术提高机器的自动化控制水平和生产效率，而应用PLC完成电气部分的控制是工业自动化电气控制的主要发展方向。
红牛饮料公司新上市的72000罐/小时的自动化灌装生产线便是先进的灌装技术。
浓缩果汁设备除引进的浓缩果汁生产线外，我国已基本能生产浓缩果汁设备。
第一条国产果汁生产线诞生于1994年底，使用厂是山东平原宝原果汁饮品公司，当时的主要设备是卧式螺旋沉降式离心机和降膜管式三效蒸发器外，还有兰州石化装备工程总公司的板式蒸发器，目前606所已能成套提供浓缩果汁设备。
用于果汁澄清的超滤装置目前都依靠进口，相信不久的将来，将会有自动化程度高的国产果汁超滤设备[1]。
在饮料灌装机设备方面，美国、德国、日本、意大利和英国的制造水平相对较高。
我们可以通过这些国家的饮料灌装机的新趋势来确定我们国家与他们之间的差别，应该向哪些方面发展才能缩小之间的差别，使我国的灌装机尽快挤进世界先进行业之列。
1.多功能
同一台设备，可进行茶饮料、咖啡饮料、豆乳饮料和果汁饮料等多种饮料的热灌装：
均可进行玻璃瓶于聚酯瓶的灌装，尽量减少企业生产成本。
2.高速度、高产量
碳酸饮料灌装机的灌装速度最高达2000罐/分，德国H&K公司、SEN公司、KRONES公司，其灌装机的灌装阀分别达到165头、144头178头。
非碳酸饮料灌装机的灌装阀50-100头，灌装速度最高达1500灌/分。
3.技术含量高、可靠性高
全线的自控水平高和全线效率高。
在线检测装置和计量装置配套完备，能自动检测各项参数、计量精确。
集机、电、气、光、磁为一体的高新技术产品不断涌现[2][3]。
PLC编程简介体积小，重量轻，耗电少，接线编程简单，可靠性高，反应快。
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程控制器（ProgrammableController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（Personalputer）简称混淆，所以将可编程控制称PLC。
梯形图是目前最为广泛，最受欢迎的一种编程语言，采用串行工作方式，具有简单，直观等特点，它采用敞开接点、常闭接点构成组合逻辑电路驱动各类软器件线圈或功能指令实现一定的逻辑运算、算术运算或数据的传送、变换与外部输出等。
在梯形图中各类软器件用于内部编程的常开、常闭接点使用次数不受限制。
而普通的继电器线路为并行工作方式，而且受硬件条件限制，各类软器件用于内部编程的常开、常闭接点使用次数是受限制的。
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。
既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。
目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。
既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。
梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。
通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。
同时还提供了功能图、语句表等编程语言。
PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。
与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。
同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。
并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。
并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备[4]。
1.1设计任务
1.1.1课题内容
课题的主要内容是灌装生产线控制系统的设计，基于PLC的控制系统有性能上的优势，因而本设计的控制系统采用三菱公司生产的
系列的可编程控制器来实现。
1.1.2工艺要求
对饮料灌装生产线的工艺要求主要是灌装生产线的系统使饮料灌装速度快，成本低，操作简单，所生产的产品合格率高。
1.1.3控制要求
（1）系统通过开关设定为自动操作模式、手动操作模式，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罐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）当瓶子定位在罐装设备下时，停顿1.1秒，罐装设备开始工作，罐装过程为5秒钟，罐装过程应有报警显示，5.1秒后停止并不再显示报警。
（3）用两个传感器和若干个加法器检测并记录空瓶数和满瓶数，一旦系统启动，必须记录空瓶数和满瓶数，设最多不超过99999999瓶。
（4）可以手动对计数值清零（复位）。
1.1.4课题要求
（1）根据课题的控制要求完成设计
（2）对电机、传感器、到位开关选型并列出选型依据
（3）画出电气连线图，写出程序流程图及代码
（4）完成课程设计说明书
2总体设计方案
2.1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。
常压法主要用于灌装低粘度、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.释放压力，即释放瓶颈内残留的压缩气体至大气内，避免瓶内突然降压引起大量冒泡，影响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损失。
（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控制活塞往复运动，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。
本生产线用于灌装低粘度、不含气的液料，如牛奶、白酒、果汁的灌装，在灌装方法上选用常压灌装工艺。
2.2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主要有量筒式灌装、称重式灌装、电磁阀灌装、电磁感应式灌装。
量筒式灌装主要以机械设备为主，与机械制造和加工有很大的关系，灌装速度较慢，产品维修率高；称重式灌装可以达到很高的精度，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，还处于研发阶段；比较可行的方法是采用电磁阀灌装。
电磁阀灌装机的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，可使灌装量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，可进行精确的灌装，减少浪费。
2.3饮料灌装流水线的基本结构
整个灌装流水线的基本结构如图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、推动都是由PLC控制的。
流水线由传感器实时监控，由PLC控制，控制准确，自动化程度高。
2.4瓶子的输送
此灌装生产线的宽度仅够一个瓶身通过，且两端空隙不超过两毫米，瓶与瓶之间无空隙，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。
2.5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，主传送带恢复运行。
3电气控制系统设计
3.1饮料灌装基本结构
图3.1灌装流水线基本结构图
图3.2灌装流水线基本结构图
图3.3灌装流水线的基本结构图
3.2选择电器元件
（1）电动机的选择
根据设计所需，从成本和工作效率出发。
要选的电动机在工作的时候不能过载和长时间的轻载。
电动机M1型号为Y132M-4，额定电压为交流380V，额定电流为15A，频率为50HZ，功率为7.5KW，转速为1440r/min。
电动机M2型号为Y90S-4，额定电压为交流380V，额定电流为2.8A，频率为50HZ，功率为1.1KW，转速为1440r/min。
电动机M3选与电动机M2一样的型号即可。
（2）断路器的作用：
断路器的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。
而高压断路器要开断1500V，电流为1500-2000A的电弧，这些电弧可拉长至2m仍然继续燃烧不熄灭。
故灭弧是高压断路器必须解决的问题。
吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离，另一方面通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度。
（3）断路器选用原则；
1）空开额定工作电压大于等于线路额定电压
2）空开额定电流大于等于线路负载电流
3）空开电磁脱扣器整定电流大于等于负载最大峰值电流（负载短路时电流值达到脱扣器整定值时，空开瞬时跳闸。
一般D型代号的空开出厂时，电磁脱扣器整定电流值为额定电流的8-12倍。
）也就是说短路跳闸而电机启动电流是可以避开的。
根据三个电动机的额定电流，选择断路器QF1、QF2、QF3的型号如表所示。
并根据PLC和变压器选择QF4和QF5的型号。
（4）热继电器FR1、FR2、FR3
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。
同理，FR2可选用JR10-10型热继电器，热元件电流为2A，电流整定范围为0.45~2A工作时将额定电压调整为1.1A。
FR3的型号和FR2相同。
（5）微波液位仪
微波液位仪原理图如图3.4所示：
相距为S的发射天线和接收天线，相互构成一定角度。
波长为λ的微波从被测液面反射后进入接受天线。
接收天线接收到的微波功率将随着被测液面的高低不同而异。
接受天线接收到的功率
为
（式3-1）
式中，
为发射天线的发射功率；
为发射天线的增益；
为接收天线的增益；d为两天线与被测表面间的垂直距离。
当发射功率、波长、增益均恒定时，上式可改写为
（式3-2）
图3.4微波液位仪原理图
式中，
为取决于发射功率、天线增益与波长的常数；
为取决于天线安装方法和安装距离的常数。
由上式可知，只要测到接收功率
，就可得到被测液面的高度。
（5）电磁阀
电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。
电磁阀是用电磁效应进行控制，其工作原理：
通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。
在真空、负压、零压时能正常工作。
本生产线使用了电磁阀用来控制灌装口的开关，储液罐的进料口的开关。
为满足生产线工艺要求，本设计选用的是常闭直动式电磁阀，电压规格为DC24V。
（6）红外发光二极管
常用的红外发光二极管（如SE303·PH303），其外形和发光二极管LED相似，发出红外光（近红外线约0.93m）。
当红外线接收管受到红外线的照射时，其本身的电阻很小，呈低阻值，电路导通。
当红外发射头与接收头中间没有物品挡住时红外接收到红外线照射，呈现低电阻，发出一个高电平信号。
当有物体经过红外发射与接收的中间时，由于红外线被挡住，红外接收管呈现大的阻值，电路断开，这时红外接收管发出一个低电平信号。
当物体过完之后又回到原来的状态。
电器元件及其型号如表3.1所示。
表3.1电器元件明细表
符号
名称
型号
数量
M1
主传送带电动机
Y132M—4
1
M2
灌装装置电动机
Y90S—4
1
M3
次品传送带电动机
Y90S—4
1
QF1
断路器
NS100N
1
QF2
断路器
NS80N
1
QF3
断路器
NS80N
１
QF4
断路器
NS20N
1
QF5
断路器
NS10N
1
FR1
热继电器
JR16
1
FR2
热继电器
JR10-10
1
FR3
热继电器
JR10-10
1
SB1～SB3
按钮
LA10-1K
3
SB5～SB7
按钮
LA10-1K
3
3.3流水线灌装的工作原理
整个流水线由启动按钮、停止按钮、微波测位器、主传送带、灌装液罐、次品传送带、次品推动装置，次品检测接近开关等组成。
驱动部分有：
灌装瓶子输送、灌装机、次品分离。
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、推动都是由PLC控制的。
流水线由接近开关实时监控，由PLC控制，控制准确，自动化程度高。
灌装流水线的运作是通过电磁阀和电动机来控制的。
3.4系统流程图
开始
自动/手动
按下起动按钮SB5
按下起动按钮SB2
传送带运行
到达灌装处
延时1.1秒
灌装饮料
灌装时间到
传送带运行
按下停止按钮SB0
结束
检测到饮料罐
松开SB2、按下SB3
灌装饮料
饮料灌满
松开SB3
结束
自动
手动
否
是
是Y
否
是Y
是Y
否
否
图3.5系统流程图
流程图说明：
系统分自动和手动两种模式，在手动模式下，按下SB2按钮启动主传送带电动机，当瓶子到达灌装位置后，松开SB2，再按下按钮SB3，灌装装置开始运作，当饮料灌满后松开按钮SB3；在自动模式下按下按钮SB5启动主传送带电动机，当定位传感器检测到饮料瓶后，主传送带停止1.1秒，灌装装置开始动作，定时时间到达以后，灌装装置自动停止，住传送带再次运动。
3.5电控系统与原理图设计
图3.6中断路器QF1、QF2、QF3、QF4、QF5将三相电源引入，同时QF1、QF2、QF3、QF4、QF5为电路提供短路保护。
电动机的过载保护分别由三个热继电器提供。
图3.6电气控制原理图
系统通过按钮设定为自动操作模式和手动操作模式。
（1）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罐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，传送带驱动电机自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。
（2）手动操作模式
手动模式下，由SB2按钮控制启动主传送带电动机，到达灌装位置后，松开SB2，再按下按钮SB3，灌装装置开始动作，通过定时器控制灌装时间，灌装时间到达后，整个流水线停止，直到再次按下启动按钮，流水线才运作。
手动模式可以用于自动模式启动前的系统调整。
（3）报警
当灌装装置开始灌装饮料时，报警装置得到PLC输出信号，此时，报警灯亮，开始报警，5秒钟以后，灌装结束，同时报警结束。
（4）计数过程
计数过程需记录满瓶数和次品瓶数，主要是以红外发光二极管和微波液位计作为传感器，记录所有瓶数的技术原理是当红外线接收管受到红外线的照射时，其本身的电阻很小，呈低阻值，电路导通，当红外发射头与接收头中间没有物品挡住时红外接收到红外线照射，呈现低电阻，发出一个高电平信号，计数装置计一次数。
当有物体经过红外发射与接收的中间时，由于红外线被挡住，红外接收管呈现大的阻值，电路断开，这时红外接收管发出一个低电平信号。
当物体过完之后又回到原来的状态。
计数装置由8个十进制计数器组成，当计数到99999999时，再计数一次，计数器溢出。
计数最多不超过99999999。
记录次品瓶数的技术原理是当检测到有次品时，微波接受装置发出信号给PLC，PLC的寄存器值加一，同时，所有瓶数减去次品瓶数便得出了可满瓶数，把满瓶数也放入另一个寄存器中。
这就是记录满瓶数和次品瓶数的技术原理。
电路设置了手动复位按钮，计数器正常计数时是低电平，按下复位按钮后，复位端变成高电平，使计数器复位，实现手动对计数器清零。
4PLC设计
4.1PLC的结构、特点及工作原理介绍
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，来实现开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网等功能，从而来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。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
PLC具有可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计和建造工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低PLC的工作方式有周期扫描方式、定时中断方式、输入中断方式和通信方式。
最主要的方式是周期扫描方式，其大致可以分为7个过程，如图7所示
图4.1PLC的工作过程
可以细分成下面几个过程:
（1）上电处理过程
PLC上电后，要进行上电的初始化处理。
占用的时间为T0。
（2）共同处理过程
共同处理的主要任务是复位监视计时器、检查I/O总线、检查扫描周期检查程序存储器。
该过程占用的时间为T1。
（3）通讯服务过程
当PLC和微机构成通讯网络或由PLC构成网络时，需要有通讯服务过程。
该过程占用的时间为T2。
（4）外设服务过程
当PLC接有外部设备如编程器、打印机等，则需要进行外设服务过程。
该过程占用的时间为T3。
（5）输入刷新过程
输入信号刷新为输入处理过程。
该过程占用时间为T4和PLC所带的输入模块的种类和点数
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