自动灌装封盖机的PLC控制.docx
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自动灌装封盖机的PLC控制
毕业设计报告（论文）
报告（论文）题目
自动灌装封盖机的PLC控制
作者所在系部
机械工程系
作者所在专业
机械设计制造及其自动化
作者所在班级
作者姓名
作者学号
指导教师姓名
完成时间
2010
年
6
月
摘要
随着灌装行业自动化程度越来越高，PLC在灌装机械中的应用也越来越广。
研究设计应用PLC控制灌装封盖机，要从了解此机械的工作流程开始，通过分析机械在何时产生什么样的动作，来布置传感器和分配PLC的接口。
了解机械装置部分可以为控制设计作铺垫，是实现控制的基础。
PLC程序编写主要采用梯形图，程序功能主要有：
主机的关停，点动调试，碎瓶的清理，开关的控制，故障停机。
程序要经过仿真试验并记录仿真过程及结果。
本次设计改用了一些传感器，将一些光电开关换成了电磁式接近开关，减少了工作环境中的干扰，保证了工作的稳定性。
自动灌装封盖机利用灌装过程中“有瓶开阀灌装，无瓶不开阀”的工作原理，使用PLC实现灌装封盖全过程自动控制，使得一些自动化程度不高的工序有所提高，提高了生产效率，对于灌装行业的发展有重要的意义。
关键词：
灌装机封盖机接近开关可编程序控制器
Abstract
Withincreasingdegreeofautomationinfillingindustry,PLCareusedinthefillingmachinesmorewidely.ThestudyofusingPLCtocontrolfillingmachineisstartwithunderstandingtheworkflow,andaretolayoutanddistributionofPLCinterfacetothesensor.Learnsomemechanismistopavethewayforcontroldesignandisthefoundationtoachievecontrol.PLCprogrammingaremainlyladder,thefunctionoftheprogramaremainlythehostshutdown,tomovecommissioning,cleaningupbrokenbottles,switchcontrolofdowntime.Theprogrammemustgothroughthesimulationandrecordthesimulationprocessandresults.
Inthisdesignanumberofsensorsarereplaced,someofthephotoelectricswitchmagneticproximityswitchesarereplaced,reducingtheinterferenceintheworkenvironmenttoensurethestabilityofthework.Fillingandcappingmachineautomaticallyfillingprocessusingthe"openvalvefillingabottle,nobottlenoopenvalve"works,usingthePLCtoachieveautomaticcontrolofthewholeprocessoffillingandcapping,hasincreasethedegreeofautomationsomeprocesswhicharenothigh.Theproductionefficiencyareincreased,itissignificanctforthedevelopmentofthefillingindustry.
Keyword:
fillingmachinecappingmachineproximityswitchPLC
第1章绪论
1.1课题背景
灌装机行业竞争激烈，企业要在激烈的竞争中站稳脚步，需要不断的改进产品质量，向自动化、高效化发展。
可编程控制器PLC以其抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性能价格比高等优点，在工业控制领域得到越来越广泛应用，利用PLC实现灌装封盖机的自动控制，结构灵活、维护简单、体积小，可大幅度节约使用成本，而且设备运行安全平稳。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业需求。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和小型机；从控制能力来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
利用PLC实现饮料行业自动灌装封口机的控制，能够实现很好的经济效益，主要分析研究产品生产流程的数据采集，PLC接线，程序编制，整个过程的控制协调以保证生产的持续性和对产品质量的保证。
通过PLC控制大大提高生产的自动化控制，实现产品的无菌包装和定量包装，从而使得食品生产的质量和效率能满足更高的要求。
1.2主要研究内容
主要研究的内容有三部分：
第一部分是了解灌装机械部分，重点了解整个灌装的工作流程，以便如何选择控制方案，满足整个机械装置的工作要求。
第二部分是选择PLC的型号，传感器的种类，这一部分不仅要考虑所选型号既能满足生产需要，又要考虑经济性要求。
在技术层面上考虑最终目的，也就是生产的效益。
第三部分是整个设计中的重中之重，就是PLC的借口分配及PLC程序的编写。
处于核心部分，既要实现生产要求，又要做到简单明了。
第2章灌装封盖机
2.1主要工作流程
图1瓶子工作流程及接近开关布置图
1-螺旋推进器2-进瓶拨盘3-导板4-中间拨盘5-导板
6-出瓶拨盘7-封盖机8-灌装机9-挡板10-电控箱
灌装封盖机是将液体物料灌入包装容器内并将容器封口的装置。
灌装封盖二机合为一体，下面以玻璃瓶灌装封盖机为例介绍灌装封盖过程中的主要工作流程：
如图1所示洗净的瓶子由左边输入，进入灌装，封盖后从右边输送链输出。
在机器连续运转的状态下，洗净的瓶子在进入灌装机之前必须单列紧密跟进，经过螺旋推进器1，将瓶子一一定位，送入灌装进瓶拨盘2，进瓶拨盘2再将瓶子转换方向送上托瓶机构的瓶托上，使瓶子与位于灌装缸下面的灌装阀对中，接着瓶托上升，使瓶口与灌装阀紧紧密封，灌装阀逐个被打开进行等压灌装，然后关阀、排气，装满液体的瓶子随着瓶托的下降而被导入中间拨盘4，再进入封盖主轴拨盘7，随着封盖头的下降，完成封盖后经出瓶拨盘6将瓶子送到输送机链板上，至此整个灌装封盖工作完毕。
2.2机械装置部分
2.2.1电机
本课题所研究的灌装封盖机，共使用四个电机，分别是：
M1（1.5KW、3.7A）、M2（40W、A02-5024）、M3（15W、Y90L-4）、M4（0.25KW、0.9A）。
它们的作用分别是：
主机，调速，输瓶，送盖。
如图2所示，M1作为主机，主要是负责通过带传动，链传动，减速器等设备实现整个系统的运转，是整个灌装封盖机的动力装置；M2是调速电机，通过调节与主机的轴向距离，改变主机的输出转速，从而调节整个设备的运行速度，以此来调节生产效率。
由此可知，此电机一般情况下是不使用的，只是在生产任务有变化时对整个设备进行调节，调速原理见下；M3是输瓶电机，就是传送带的动力装置，负责输送空瓶，并将灌装封盖完毕的产品运走，进行下一道工序；M4是理盖器电机，受信号控制，当供盖不足时，自动启动，进行理盖，供盖充足时，延时停机。
M1、M2承担着大部分的动力供应，两者功率较大，都为1.5KW。
M3、M4功率较小，两者都小于500W。
针对灌装封盖设备需要运行稳定、不需要频繁启动的要求，M1、M3选用Y90L-4电机，M4工作中需频繁启动，选用A301，而M2不经常使用，要求较低，故可以选用A02-5024。
电动机采用TN-C-S接线方法，主要有三相五项制和三相四线制。
其中三相四线制要求PEN（地线）在规定范围内接地，也就是在入户端就近接地，进入入户端后分为三相五线制到达用电设备。
对设备直接使用者接线对号入座就可。
导线分为入户端前为黄、绿、红、黄绿线，入户端后分为黄、绿、红、淡蓝、黄绿线。
例如：
RVV-（H/L）4*1.5R-铜芯；V-聚氯乙烯绝缘；4-4-芯；1.5-导线的截面积；H-橡胶套；L-铝。
图2电机接线图
2.2.2传感器
传感器为机械设备和软件控制搭建了桥梁，通过为控制装置提供实时信号，实现设备的实时控制。
作为灌装封盖使用的传感器，为了保证食品的卫生要求，应尽量减少与食品本身的接触，故在经济条件和技术条件允许下选用传感器。
其中以电磁式接近开关与光电开关在适应工作要求和性价比方面最为适合灌装机使用。
本课题研究的灌装封盖机主要用到传感器五个，分别标号为：
SQ10、SQ11、SQ12、SQ13、SQ14。
其中SQ13位光电开关，SQ12、SQ14、SQ10、SQ11接近开关。
在选用传感器的过程中，根据传感器安装的工位，工作环境等因素考虑，SQ10、SQ11的安装位置虽然光电开关和电磁式接近开关都适合，但是在工作中光电开关受到环境中光的干扰较大，故选用电磁式接近开关，以获得稳定的实时信号。
SQ13由于安装在送盖滑道中，受到光的干扰很小，而且能精确地检测到有无瓶盖，选用光电开关非常合适。
传感器经安装之后要经过精密的调试，以确保能够准确的获得实时信号。
传感器安装位置见图1。
2.2.3动力传递
灌装和封盖连个主要功能是通过执行机构的旋转或往复运动实现的，传动部分的作用就是将电机输出的动力和运动传递和分配给执行机构实现灌装和封盖，传动系统示意图如图3所示。
灌装与封盖工作的主电机是YMT132-4B1.5KW的普三相交流异步电机1，经过变频无级调速通过三角带传动10到TPS-32蜗轮减速机13，涡轮减速机的上输出轴的齿轮9与封盖机传动齿轮15相啮合，下输出轴的齿轮16通过介轮20与灌装部分的灌装大齿圈3相啮合，从而实现整个灌装与封盖传动的功能，灌装与封盖的转动均为顺时针方向。
进瓶拨盘轴上装有一主动链轮6，螺旋推进器部分的大锥齿轮轴上也有一相应的被动链轮8，通过套筒滚子链6将运动和动力传给螺旋推进器的立轴10，再通过一对锥齿轮传动8和9，将竖直方向的旋转运动转换为水平方向的旋转运动，从而带动螺旋推进器5旋转。
安装时，首先要把各个齿轮所对应的盘上的螺钉松开，进行生产前的调试。
其中调整同步性最为重要，就是一灌装阀与瓶托的中心为基准。
即:
进瓶拨盘与灌装瓶托对正，；螺旋器与进瓶拨盘同步，中间星轮与灌装瓶托对正，卸瓶星轮与压盖机主轴的定位星轮对正同步，中间星轮与压盖机定位星轮对正同步，如果产生误差可以拆下蜗轮减速器下的齿轮来调整误差直至同步为止。
图3DGP16/6等压灌装封盖机传动系统示意图
1-电动机；2-电动机带轮；3-灌装大齿轮；4-进瓶拨盘齿轮；5-主动链轮；6-套筒滚子链；7-张紧链轮；8-螺旋推进器链轮；9-输出轴轮；10-三角带A型；11-减速机带轮；12-介齿轮；13-涡轮减速器；14-减速机输出齿轮；15-封盖传动齿轮；16-下输出轴齿轮
2.2.4灌装缸液位控制器
图4DGP16/6等压灌装封盖机液位自动控制器结构示意图
1-阀座；2-阀体；3-螺杆；4-调整螺钉；5-密封圈；6-密封圈；7-密封圈；8-进气阀芯；9-排气阀芯；10-弹簧；11-杠杆；12-浮筒；13-灌装缸上盖；14-密封圈
为了保证灌装过程中的平稳，必须对灌装缸内的液体的液位的高低进行自动控制。
图4是DGP16/6等压灌装封盖机液位自动控制器结构图。
其原理是利用液位控制来控制液料的进液压力与灌装缸内气体的压力之间的压差，以保证缸内液位的稳定。
阀座1固定在灌装缸上盖13上，阀体2固定在阀座1上，螺杆3用来调整阀体与阀座1中的上下位置看，浮筒12与杠杆11、进气阀芯8、排气阀芯9刚性连接，杠杆11通过销轴与阀体2相连，杠杆11可围绕销轴上下摆动，从而带动进气阀芯和排气阀芯上下移动。
在灌装过程中缸内液体下降时，浮筒12也随着下降，因而带动杠杆11顺时针转动，使排气阀芯9下移，密封圈5不起密封作用，便打开排气阀，排出灌装缸内的反压气体，缸内的气压随之降低，所以液体便缓缓流入灌装缸内，杠杆11围绕销轴作缓缓的逆时针转动。
当液位升至要求位置时，密封圈5便起密封作用，将排气阀关闭。
当灌装内液位超过浮筒12控制的正常液位时，杠杆11逐渐带动进气阀芯8下移，使密封圈14不起密封作用，打开进气阀，使反压气体进入缸内（因为反压压力高于进液压力0.05MPa），由于灌装缸内反压压力增长即产生压差，会使料液停止进入缸内，以保证生产中的液位动态平衡，稳定状态一般使液位保持在视窗的1/2-1/3高度处，可通过视窗孔观察。
2.2.5灌装阀开阀机构
它的作用是打开灌装阀中气阀和实现无瓶不开阀、不灌装。
图5是DGP16/6等压灌装封盖机开阀机构结构图。
支架6用螺钉固定在环形板上，角支架4与气缸9、两个侧板5和气缸9用螺钉刚性连接，角支架4在支架6上可通过长孔调整位置，连杆7与活塞杆8刚性连接在一起，连杆7、角支架4和滑块1之间用销轴2来连接，彼此可以有相对转动。
当在进瓶处检测到有瓶时，信号送PLC处理，当瓶子到灌装工位时，自动接通一电磁阀，气路被自动打开，压缩空气进入到气缸9的内部，活塞杆8向上伸出，使得滑块1向上倾斜一小角度，此时，灌装阀的扳机正从滑块1的上部经过，扳机被转动一小角度将灌装阀的气门打开，灌装阀开始灌装工作。
当检测到无瓶时，上述动作不进行，灌装阀不被打开。
图5DGP16/6等压灌装封盖机开发机构示意图
2.3控制原理部分
2.3.1PLC的工作原理
最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：
继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。
PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。
这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（一）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（二）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
（三）输出刷新阶
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
2.3.2PLC编程语言
现代的可编程控制器一般备有多种编程语言，供用户使用。
IEC1131-3—可编程序控制器编程语言的国际标准详细的说明了下述可编程控制器编程语言：
1、顺序功能图
2、梯形图
3、功能块图
4、指令表
5、结构文本
其中梯形图是使用的最多的可编程控制器图形编程语言。
梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制，主要特点如下：
（1）可编程控制器梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器（即硬件继电器），而是在软件中使用的编程元件每一编程元件与可编程序控制器存储器中元件映像寄存器的一个存储单元相对应。
（2）梯形图两侧的垂直公共线称为公共母线（BUSbar）。
在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路的分析方法，可以想象左右两侧母线之间有一个左正右负的直流电源电压，当图中的触点接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流（Powerflow）”从左到右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。
（3）根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。
逻辑解算是按梯形图中从上到下、从左到右的顺序进行的。
（4）梯形图中的线圈和其他输出指令应放在最右边。
（5）梯形图中各编程元件的常开触点和常闭触点均可以无限多次地使用。
2.3.3PLC控制的设计方法
硬件设计是PLC控制系统的至关重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运行的可靠性、安全性、稳定性。
主要包括输入和输出电路两部分。
（1）PLC控制系统的输入电路设计。
PLC供电电源一般为AC85—240V，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1:
1隔离变压器等）;隔离变压器也可以采用双隔离技术，即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地，次级线圈屏蔽层接PLC输入电路的地，以减小高低频脉冲干扰。
PLC输入电路电源一般应采用DC24V,同时其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这对系统供电安全和PLC安全至关重要，因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行，一般选用电源的容量为输入电路功率的两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜的熔丝，防止短路。
（2）PLC控制系统的输出电路设计。
依据生产工艺要求，各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动停止应采用晶体管输出，它适应于高频动作，并且响应时间短;如果PLC系统输出频率为每分钟6次以下，应首选继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。
如果PLC输出带电磁线圈等感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。
当PLC扫描频率为10次/min以下时，既可以采用继电器输出方式，也可以采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器（SSR），再驱动负载。
对于两个重要输出量，不仅在PLC内部互锁，建议在PLC外部也进行硬件上的互锁，以加强PLC系统运行的安全性、可靠性。
对于常见的AC220V交流开关类负载，例如交流接触器、电磁阀等，应该通过DC24V微小型中间继电器驱动，避免PLC的DO接点直接驱动，尽管PLC手册标称具有AC220V交流开关类负载驱动能力。
（3）PLC控制系统的抗干扰设计。
随着工业自动化技术的日新月异的发展，晶闸管可控整流和变频调速装置使用日益广泛，这带来了交流电网的污染，也给控制系统带来了许多干扰问题，防干扰是PLC控制系统设计时必须考虑的问题。
一般采用以下几种方式:
隔离:
由于电网中的高频干扰主要是原副边绕组之间的分布电容耦合而成，所以建议采用1:
1超隔离变压器，并将中性点经电容接地。
屏蔽:
一般采用金属外壳屏蔽，将PLC系统内置于金属柜之内。
金属柜外壳可靠接地，能起到良好的静电、磁场屏蔽作用，防止空间辐射干扰。
布线:
强电动力线路、弱电信号线分开走线，并且要有一定的间隔;模拟信号传输线采用双绞线屏蔽电缆。
在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。
软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的最关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。
在控制工程的应用中，良好的软件设计思想是关键，优秀的软件设计便于工程技术人员理解掌握、调试系统与日常系统维护。
（1）PLC控制系统的程序设计思想。
由于生产过程控制要求的复杂程度不同，可将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。
基本程序:
既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序;依据计算机程序的设计思想，基本程序的结构方式只有三种:
顺序结构、条件分支结构和循环结构。
模块化程序:
把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，最后组合成一个完成总任务的完整程序。
这种方法叫做模块化程序设计。
我们建议经常采用这种程序设计思想，因为各模块具有相对独立性，相互连接关系简单，程序易于调试修改。
特别是用于复杂控制要求的生产过程。
（2）PLC控制系统的程序设计要点。
PLC控制系统I/O分配，依据生产流水线从前至后，I/O点数由小到大;尽可能把一个系统、设备或部件的I/O信号集中编址，以利于维护。
定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保PLC工作运行的可靠性。
程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位（不是I/O位），也要统一编号，进行分配。
在地址分配完成后，应列出I/O分配表和内部继电器或者中间标志位分配表。
彼此有关的输出器件，如电机的正/反转等，其输出地址应连续安排，如Q2.0/Q2.1等。
（3）PLC控制系统编程技巧。
PLC程序设计的原则是逻辑关系简单明了，易于编程输入，少占内存，减少扫描时间，这是PLC编程必须遵循的原则。
下面介绍几点技巧。
PLC各种触点可以多次重复使用，无需用复杂的程序来减少触点使用次数。
同一个继电器线圈在同一个程序中使用两次称为双线圈输出，双线圈输出容易引起误动作，在程序中尽量要避免线圈重复使用。
如果必须是双线圈输出，可以采用置位和复位操作（以S7-300为例如SQ4.0或者RQ4.0）。
如果要使PLC多个输出为固定值1（常闭），可以采用字传送指令完成，例如Q2.0、Q2.3、Q2.5、Q2.7同时都为1，可以使用一条指令将十六进制的数据0A9H直接传送QW2即可。
对于非重
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