啤酒清洗灌装控制系统设计.docx

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啤酒清洗灌装控制系统设计

啤酒清洗灌装控制系统设计

摘要

本设备是专为啤酒桶的清洗、消毒设计的。

该设备可以自动完成清洗消毒及CO2备压等全部工序。

本设备适用桶的尺寸为高度H360—H560，直径Φ250—Φ500。

本机主要由机架、电气控制箱、电磁阀、气动元件、气冲系统和水路系统组成。

本机控制单元采用以三菱公司的可编程控制器为核心对机器进行全过程控制。

由于可编程控制器在工业控制方面的应用意义日趋明显，已在机械制造、发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用。

它具有功能强大、使用可靠、维修简单等许多优点，并且在很多地方已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。

本文讨论的是PLC在实际工业控制系统的应用。

关键词：

ＰＬＣ；管路系统；清洗机

BeerCleaningFillingControlSystemDesign

Abstract

Thisequipmentdesignedforcleaningandsterilizingcasks.Theequipmentisautomatic.Thekeyprocessescontaindischargingremnants,swillingwithwater,swillingwithdisinfectant,swillingwithasepticwaterandinflatingwithCO2.Theheightofcaskis360—560.Thediameteris250—500.Theequipmentismadeofchassis,controlunit,electromagneticvalveandpiping.ThecenterofmanipulativeunitistheMITSUBISHIPLC.PLCcontrolsalloftherunningprocesses.Appliedmeaningthatprogrammablelogiccontrollerhaveinitscontroltheaspectintheindustrygraduallyobvious,combineatmanufacture，generateelectricity,chemicalengineering,electr

onicsetcprofessioncrafttheequipment'selectricitycontroltheaspectgottheextensiveapplication.Ithavethefunctionstrongandbig,theusageisdependable,maintainthemanyadvantageofsimpleetc.,andalreadyandgraduallyreplacedafterthelogiccontroloftheelectricapplianceselectriccircuitinalotofplaces.ButwhatthetextdiscussionisaPLCintheactualindustrytocontrolthesystem'sapplication.

KeyWords:

PLCPipingCleaningMachine

目　　录

插图清单

表格清单

引言

啤酒灌装的形式有瓶装（玻璃、聚酯塑料）、罐（听）装、桶装等，其中国内瓶装熟啤酒所占比例最大，近年来瓶装纯生啤酒的生产量逐步增大，旺季桶装啤酒的销售形势也比较乐观。

啤酒包装源于桶装，由于包装简便、成本低、口味新鲜，近年来受到企业的重视。

桶装啤酒目前包装容器一般采用不锈钢桶或不锈钢内胆、带保温层的保鲜桶，桶的规格有50L、30L、20L、10L、5L等。

包装前，啤酒一般要经瞬间杀菌处理或经无菌过滤处理。

采用无菌过滤、无菌包装的纯生啤酒日益受到消费者的欢迎，纯生啤酒的市场份额逐步增加，发展形势十分乐观。

因而对于啤酒桶的清洗也是一次重要工种和很大的市场,本设备就是在这种情况下萌生的设计。

第1章绪论

1.1本课题设计的背景

1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司为满足市场需求，适应汽车生产工艺不断更新的需要，将汽车的生产方式由大批量、少品种转变为小批量、多品种。

为此要解决因汽车不断改型而重新设计汽车装配线上各种继电器的控制线路问题，要寻求一种比继电器更可靠，响应速度更快，功能更强大的通用工业控制器。

于是可编程控制器应运而生，1969年，美国数字设备公司研制出世界上第一台可编程控制器，从此，PLC开始活跃于控制领域。

而且其影响也越来越大，应用也越来越广泛。

70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmablecontroller）.但由于PC容易与个人计算机（programmablecomputer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程器的缩写。

1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：

可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。

PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。

继电器在控制系统中主要起两种作用：

（1）逻辑运算

（2）弱电控制强电。

PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。

可编程控制器，简称PLC。

它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的的一中新型工业控制设备。

具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易，维护工作量少4.功能强、通用性好5.开发周期短，成功率高6.体积小，重量轻、功耗底等特点。

具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。

与继电——接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电——接触器控制系统小；价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。

1.2本课题设计的内容

随着社会的发展,人们生活水平的提高，人们可以花更多的时间和金钱来改善自己的饮食，许多场合都将用到啤酒,而且这个市场也越来越大，所以生产啤酒及保鲜的桶也将随之增涨,因而对于啤酒桶的清洗也是一次重要工种和很大的市场。

本设备就是在这种情况下萌生的设计,既然是将投入应用,同样是清洗消毒的设备,那就要考虑其性能比,这就要求其在保证功能和质量的前提下,所需费用要有优势，本设备采用PLC全程控制，所用的材料都考虑了使用条件和范围以及所需费用,其工作过程为桶定位—排残酒—清水清洗—气冲—消毒液清洗——气冲—无菌水清洗——气冲——CO2备压—停止，操作简单,效率高,易于大规模和单个用户使用。

1.3本课题设计的目的和意义

本设备是专为啤酒桶的清洗、消毒设计的。

该设备可以自动完成清洗消毒及CO2备压等全部工序。

本设备适用桶的尺寸为高度H360—H560，直径Φ250—Φ500。

本机主要由机架、电气控制箱、电磁阀、气动元件、气冲系统和水路系统组成。

本机控制单元采用以三菱公司的可编程控制器为核心对机器进行全过程控制。

由于可编程控制器在工业控制方面的应用意义日趋明显，已在机械制造、发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用。

它具有功能强大、使用可靠、维修简单等许多优点，并且在很多地方已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。

本文讨论的是PLC在实际工业控制系统的应用。

第2章系统总体设计方案

2.1清洗机

随着社会的发展,人们生活水平的提高，人们可以花更多的时间和金钱来改善自己的饮食，许多场合都将用到啤酒,而且这个市场也越来越大，所以生产啤酒及保鲜的桶也将随之增涨,因而对于啤酒桶的清洗也是一次重要工种和很大的市场。

本设备就是在这种情况下萌生的设计,既然是将投入应用,同样是清洗消毒的设备,那就要考虑其性能比,这就要求其在保证功能和质量的前提下.所需费用要有优势.本设备采用PLC全程控制，所用的材料都考虑了使用条件和范围以及所需费用，其工作过程为桶定位—排残酒—清水清洗—气冲—消毒液清洗——气冲—无菌水清洗——气冲——CO2备压—停止。

，操作简单,效率高,易于大规模和单个用户使用。

2.2清洗机的用途特点

图2-1清洗机

2.2.1清洗机用途及使用范围

本设备是专为啤酒保鲜容器（包括不锈钢、塑料保鲜桶及扎啤桶）的清洗、消毒设计的。

该设备可以自动完成清洗消毒及CO2备压等全部工序。

本设备为倒置清洗方式适用桶的尺寸为高度H360—H560，直径Φ250—Φ500即容积为5L，10L，20L的标准啤酒桶。

工作原理：

本机控制单元采用以三菱公司的可编程控制器为核心对机器进行全过程控制。

主要工作过程为桶定位—排残酒—清水清洗—气冲—消毒液清洗——气冲—无菌水清洗——气冲——CO2备压—停止。

2.2.2清洗特点

（1）清洗时，每次清洗液均由内圈注入，由内圈注入可利用清洗液的压力直接冲刷酒桶底部。

（2）清洗液注满后进行气冲，即内外圈同时充入大量气体使桶内清洗液“沸腾”，用气泡破裂的力量清洗酒桶内壁，排液时内外圈同时排液。

为保证酒桶内尽可能不含氧气及不洁净气体，所以气冲时用CO2。

（3）为保证出酒压力和酒液品质，最后应进行CO2备压。

2.3总体要求

PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。

（1）桶定位按下启动按扭，气压缸下压啤酒桶2秒，使清洗头将桶盖顶开

（2）排残酒1秒后清水阀开、清水循环阀开，1秒后排出阀开，排出残酒，14秒后排出阀关；

（3）清水清洗|气冲|消毒液清洗|气冲16秒后清水阀关、清水循环阀关、气冲阀开，1秒后排出阀开，4秒后气冲阀关、排出阀关、消毒液阀开、消毒循环阀开、消毒液回流阀开，32秒后消毒液阀关、消毒循环阀关、气冲阀开，6秒后气冲阀关、消毒液回流阀关、清水阀开、清水循环阀开

（4）无菌水清洗|气冲1秒排出阀开，6秒后清水阀关、清水循环阀关、气冲阀开，1秒排出阀开，6秒后气冲阀关、排出阀关

（5）CO2备压1秒后CO2阀开，4秒后自动停机

第3章PLC控制系统方案设计

3.1PLC控制系统设计的基本原则

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

因此，在设计PLC控制系统时，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。

例如：

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。

3.2PLC的选型

3.2.1控制功能

1.逻辑控制功能

逻辑控制功能是PLC最基本功能之一,是PLC最基本的应用领域，可取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。

在单机控制、多机群控和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例。

2.定时控制功能

定时控制功能是PLC的最基本功能之一。

PLC中有许多可供用户使用的定时器，功能类似于继电器线路中的时间继电器。

定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运动过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。

同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确实时控制。

3.计数控制功能

计数控制功能是PLC的最基本功能之一。

PLC为用户提供许多计数器，计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号（计数值到），利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。

计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改。

3.2.1I/O模块及点数

输入/输出接口通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接通道。

PLC输入接口---用户设备需输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其它一些传感器输出的开关量或模拟量（要通过模数变换进入机内）等，通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理单元能够接收和处理的信号，用这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据。

PLC输出接口---路将中央处理单元送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电机等被控设备的执行元件。

I/O接口的作用：

电平转换功能：

由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信号是标准电平信号。

I/O接口的类型：

开关量输入/输出接口

模拟量输入/输出接口

输入/输出（I/O）点数：

PLC的I/O点数是指PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数的总和。

本次设计的全自动洗衣机需要8个输入点，11个输出点。

3.2.2PLC输出类型选择

PLC的输出类型有继电器和晶体管两种类型，两者的工作参数差别较大，

1．继电器和晶体管输出工作原理

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中。

电磁式继电器是一种机电元件，通过机械动作来实现触点的通断，是有触点元件。

晶体管是一种电子元件，它是通过基极电流来控制集电极与发射极的导通。

它是无触点元件。

2．继电器与晶体管输出的主要差别

由于继电器与晶体管工作原理的不同，导致了两者的工作参数存在了较大的差异。

（1）驱动负载不同

继电器型可接交流220V或直流24V负载，没有极性要求；晶体管型只能接直流24V负载，有极性要求。

继电器的负载电流比较大可以达到2A，晶体管负载电流为0.2-0.3A。

同时与负载类型有关。

（2）响应时间不同

继电器响应时间比较慢（约10ms-20ms），晶体管响应时间比较快，约0.2ms-0.5ms，Y0、Y1甚至可以达到10 us。

（3）使用寿命不同

继电器由于是机械元件受到动作次数的寿命限制，且与负载容量有关，随着负载容量的增加，触点寿命几乎按级数减少。

晶体管是电子原件只有老化，没有使用寿命限制。

3．继电器与晶体管输出选型原则

继电器型输出驱动电流大，响应慢，有机械寿命，适用于驱动中间继电器、接触器的线圈、指示灯等动作频率不高的场合。

晶体管输出驱动电流小，频率高，寿命长，适用于控制伺服控制器、固态继电器等要求频率高、寿命长的应用场合。

在高频应用场合，如果同时需要驱动大负载，可以加其他设备（如中间继电器，固态继电器等）方式驱动。

综上所述：

啤酒清洗机控制采用三菱公司的FX2N系列整体式PLC。

根据设计要求，故选择PLC的型号为FX2N-64MR001，如图3.1所示。

图3-1三菱FX2N-64MR001

3.3水位控制器

水位控制器是指通过机械式或电子式的方法来进行高低水位的控制，可以控制电磁阀、水泵等，成为水位自动控制器或水位报警器，从而来实现半自动化或者全自动化。

图3-2水位控制器

3.4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。

电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。

电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀方向控制阀、速度调节阀等。

图3-3电磁阀

3.5接触器

接触器（Contactor）是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。

接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。

其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：

常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。

当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：

常闭触头闭合；常开触头断开。

图3-4接触器

3.6指示灯选择

LED发光二极管优点：

寿命长、耗能低，价格低廉，应用非常灵活，控制极为方便，只要调整电流，就可以随意调光，不同光色的组合变化多端。

LCD是一种液晶显示器，其有微功耗，显示丰富，质量高，接口简单，超薄轻巧等优点。

CTR的优点是显示面积大，效率高。

综上所述：

使用LED比较合适，因为清洗机上的显示不需要太复杂，LED使用起来简单方便又便宜，而LCD的显示亮度不够，CTR比较占空间使用不方便。

3.7空气开关

空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集控制和多种保护功能于一身。

除了能完成接触和分断电路外，尚能对电路或电气设备发生的短路．严重过载及欠电压等进行保护，同时也可以用于不频繁地启动电动机。

图3-5空气开关

3.8保护措施/继电器

继电器是一种电控制器件。

它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。

通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

过载保护：

就是当电源停电或者由于某种原因电源电压降低过多（欠压）时，保护装置能使电动机自动从电源上切除。

因为当失压或欠压时，接触器线圈电流将消失或减小，失去电磁力或电磁力不足以吸住动铁心，因而能断开主触头，切断电源。

热继电器是比较理想的自我保护的设备，在工业应用中一般，都用热继电器来过载保护。

失压保护：

就是当电源停电或者由于某种原因电源电压降低过多（欠压）时，保护装置能使电动机自动从电源上切除。

因为当失压或欠压时，接触器线圈电流将消失或减小，失去电磁力或电磁力不足以吸住动铁心，因而能断开主触头，切断电源。

过流保护：

很多电子设备都有个额定电流，不允许超过额定电流，不然会烧坏设备。

所以有些设备就做了电流保护模块。

当电流超过设定电流时候，设备自动断电，以保护设备。

3.9线圈保护装置

清洗机的排水、进水电磁阀是一个很重要的部件，它的负担很重、受力很大，由于它是双线圈电磁阀，通过机械触点进行切换，在此过程中，触点间存在较为严重的大火现象，因此，触电的烧伤、电腐蚀在所难免，损坏的几率是比较大的。

因此在线圈的两端并联了电容与电阻串联的电路构成回路，起到释放线圈中电流的作用。

线圈保护装置如图3.6所示：

图3-6线圈保护装置

第4章系统设计

4.1PLC控制电路设计

4.1.1I/O口分配表

表4-1I/O口分配表

类别

端子符号

功能作用

输入

X001

启动按钮

X002

停止按钮

X003

过载

X004

05公升桶选择按钮

X005

08公升桶选择按钮

X006

15公升桶选择按钮

X020

检测

X010

灌装启动

X011

灌装停止

输出

Y001

清水泵

Y002

消毒泵

Y003

压紧缸

Y004

自来水阀

Y005

清水冲洗

Y006

清水循环阀

Y007

排出阀

Y010

蒸汽阀

Y011

残液气冲

Y012

消毒液阀

Y013

消毒液循环阀

Y014

消毒液回流阀

Y015

CO2阀

Y016

电机过载报警灯

Y020

自动运行指示灯

Y021

05公升桶指示灯

Y022

08公升桶指示灯

Y023

15公升桶指示灯

Y024

气缸压下阀

Y026

气缸压下启动指示灯

Y027

进酒阀

4.1.2电气原理图

电气系统以三菱PLC为核心，包括三菱FX2N-64MR001PLC、电磁阀、水位控制器、交流接触器、继电器等，实现电控制气，从而气控制气或气控制液的气、电、液相互控制的电气控制方式。

图4-1电气原理图

4.2控制系统程序设计调试

4.2.1编程软件

编程软件采用三菱公司为其生产的PLC而设计的编程软件GXDeveloper8.86版本。

适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。

支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能,结构化程序的编写（分部程序设计），可制作成标准化程序,在其它同类系统中使用。

本软件包适用于三菱（MITSUBISHIFA）FX0N/1N/1S/2N/2NC、AnS/AnA、MELSEC-全系列工控PLC系统的程序编制

4.2.2主程序

1.桶定位

2.排残酒

3.清水清洗，气冲

4.消毒液清洗，气冲

5.无菌水清洗，气冲

6.二氧化碳备压

图4-2梯形图

结论和展望

时光流逝，不知不觉我的大学生涯即将结束，毕业设计也接近尾声。

本设计课题为基于PLC的啤酒清洗灌装控制系统，主要研究灌装过程中啤酒桶的清洗，其实灌装不只用到啤酒桶，有的也用瓶装，但是考虑到大多数但是用桶装，所以这里我主要介绍啤酒桶的清洗方式。

在设计之初，我查询了大量有关啤酒桶清洗的资料。

啤酒桶清洗是一项投入应用的设备，那就要考虑到成本问题。

在保证功能和质量的前提下,所需费用要有优势，本设备采用PLC全程控制，所用的材料都考虑了使用条件和范围以及所需费用,其工作过程为排残液---清水冲洗----消毒液冲洗---无菌水冲洗---CO2备压，操作简单,效率高,易于大规模和单个用户使用。

在课题设计过程中出现了很多问题，当然在处理问题的同时，我也学到了很多有用的东西。

撇开专业知识不谈，就设计所需的软件工具，有很多我都不会运用，在一番摸索和请教中，终于我的