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饮料灌装生产流水线PLC的控制
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。
本文介绍了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。
在现代生产生活中，自动化的应用越来越多，通过PLC实现智能控制可以在工厂生产中节省很多的人力物力。
在饮料罐装生产线上用PLC控制罐装，同时做统计工作，可大大提高工厂的自动化水平。
饮料罐装生产线上也需要自动化提高生产效率。
本文主要介绍的是PLC的饮料灌装生产流水线的控制系统的设计。
通过PLC实现智能控制可以在工厂生产中节省很多的人力物力。
在饮料罐装生产线上用PLC控制罐装，同时做统计工作，可大大提高工厂的自动化水平。
所设计该系统最终能够实现以下功能：
该系统主要运用了PLC、传感器、继电器、加法器、行程开关等器件，利用PLC良好的自动控制性能，提高生产效率，能够实现饮料罐装生产过程的无人控制。
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。
第一章可编程控制器概述
1.1PLC的定义:
可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
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，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。
总之可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机，它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力，但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时其硬件需根据实际需要进行选用、配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
1.2PLC的组成:
PLC的基本组成可归为四大部件：
1．中央处理单元（CPU板）——控制器的核心；
2.输入部件（I/O部件）——连接现场设备与CPU之间的接口电路；
3.输出部件——送出PLC运算后得出的控制信息；
4.电源部件——为PLC内部电路提供能源。
另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内。
PLC的基本组成框图如图1所示：
图1PLC的基本组成框图
1.3可编程控制器的分类和发展:
（1）分类
按I/O点数可分为大、中、小型三大类，通常可以定义为：
小型：
I/O点数在256点以下；
中型：
I/O点数在256～1024点之间
大型：
I/O点数在1024点以上。
（2）发展方向
发展方向分小型化和大型化两个发展趋势。
小型PLC有两个发展方向，即小（微）型化和专业化。
大型化指的是大中型PLC向着大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。
1.4PLC的功能:
1.逻辑控制；
2.定时控制；
3.计数控制；
4.步进（顺序）控制；
5.PID控制；
6.数据控制，PLC具有数据处理能力；
7.通信和联网；
8.其它PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如定位控制模块、CRT模块。
1.5PLC的应用范围:
目前，在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。
从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面：
（1）开关量逻辑控制
利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：
机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。
这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。
（2）运动控制
大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
这一功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。
（3）过程控制
大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出。
所以PLC可实现模拟量控制，而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。
这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。
（4）数据处理
现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。
图2PLCI/O处理过程图
第二章任务及相关设计方案
2.1任务的分析:
近年来，饮料工业发展迅猛，碳酸饮料、果汁饮料、蔬菜汁饮料、含乳饮料、瓶装饮用水、茶饮料等品种不断丰富，产量上的“飘红”使得对设备市场的需求也呈“牛市”。
因此，这方面的计术还要进一步发展和完善，以适应现代工业的需要。
本次设计的任务是以三菱FX2N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。
2.2硬件设计方案:
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3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。
图3灌装流水线基本结构图
2.3软件设计方案:
PLC软件方案设计的方法有经验设计法，逻辑设计法等。
2.4经验设计方法:
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。
2.5逻辑设计方法:
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。
具体步骤如图4所示:
图4PLC逻辑设计步骤图
第三章元器件的选择
3.1电动机的选择:
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，其性能参数如下表所示。
表1Y132M-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
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。
3.2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。
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。
3.3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：
4IN=36A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行程开关电器、熔断器的选型:
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：
信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。
微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。
随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。
传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件。
广义地说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。
它获得的信息正确与否，直接关系到整个系统的精度。
外界进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。
为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。
成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。
传感器的组成如图5所示：
针对本课题的控制要求，在设计中我选用了两个光电传感器（空瓶检测传感器、灌装设备处的有无瓶传感器）用来检测有无饮料瓶通过；还选用了一个重量传感器来检测瓶子是否灌满。
图6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。
3.7红外发光二极管选型:
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。
第四章流水线灌装的工作原理
灌装流水线的运作是通过电磁阀和电动机来控制的。
通过电动机的运转，带动流水线的工作。
而电磁阀的开通则直接控制饮料的的流通。
通过输入PLC软件程序，直接控制电机以及流水线的运作。
流程图说明：
系统分自动和手动两种模式，在手动模式下，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；再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，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。
图7系统流程图
第五章系统硬件电路的实现
5.1系统硬件结构图:
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8所示：
图8系统硬件结构图
5.2电控系统与原理图设计:
下图中断路器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9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。
第六章PLC控制部分硬件设计
根据控制要求，建立饮料罐装生产流水线PLC控制系统的顺序功能图，表达出各控制对象出梯形图，写出指令表分析对象的。
控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件
结构配置，并绘制PLC控制电路硬件接线图，编制I/O接口功能表。
6.1PLC设计:
根据所需的用户输入输出设备及I/O点数，选择FX2N—16MR—001型PLC就可以满足控制系统的要求
分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置，并绘制PLC控制电路硬件接线图，编制I/O接口功能表。
（1）I/O点的编号分配和PLC外部接线图
（2）I/O点的编号分配如表2所示。
表2I/O点的编号分配表
输入
输出
定位传感器X000
手动/自动切换SB1X001
手动传送带SB2X002
手动灌装SB3X003
次品检测传感器X004
自动启动SB5X005
停止SB6X006
复位SB7X007
传送带电动机KM1Y000
灌装电动机KM2Y001
报警灯Y002
下降电磁阀YV1Y003
上升电磁阀YV2Y004
次品推动电磁阀YV3Y005
灌装电磁阀YV4Y006
次品传送带电动机KM3Y007
PLC的外部接线图如图10所示
图10PLC的外部接线图
6.2控制面板图:
操作面板本着操作简单，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为原则，设计根据设计要求及考虑到工人工作的要求，设计控制面板布置情况如图11所示。
图11控制面板图
6.3梯形图:
6.4指令表:
根据梯形图所得指令表如下：
0LDM8002
1ORX007
2SETM2
3MOVK0D100
8LDM2
9MCN0M2
12LDX005
13ORM1
14ANIX006
15ANIX007
16OUTM1
17LDM1
18ANIM30
19ANIM60
20OUTM10
21LDX000
22ORM30
23ANIT4
24OUTM30
25OUTT0
SPK10
28OUTM50
29LDT0
30MPS
31ANITI
32OUTM11
33MRD
ANIT1
35OUTM12
36MPP
37OUTT1
SPK50
40LDT1
41OUTT4
SPK10
44OUTM40
45MCRN0
47LDM3
48MCN1M3
51LDX002
52ANIM31
53ANIM60
54OUTM20
55LDX003
56ORM31
57ANIT5
58OUTM31
59OUTT2
SPK10
62OUTM51
63LDT2
64MPS
65ANIT3
66OUTM22
67MRD
68ANIT3
69OUTM21
70MPP
71OUTT3
SPK50
74LDT3
75OUTT5
SPK10
78OUTM41
79MCRN1
81LDX001
82SETM3
83RSTM2
84LDM30
85ORM31
86OUTC200K99999999
91ADDPD101K1D101
98LDX004
99ADDPD100K1
106SUBPC200D100
113SETM60
114LDM60
115OUTT6
SPK10
118LDT6
119RSTM60
120LDM20
121ORM10
122OUTY000
123LDM30
124ORM31
125OUTY001
126LDM12
127ORM22
128OUTY002
129LDM11
130ORM21
131OUTY006
132LDM40
133ORM41
134OUTY004
135LDM50
136ORM51
137OUTYOO3
138LDM60
139OUTY005
140OUTY007
141LDX007
142ORC200
143RSTM3
144RSTC200
146END
第六章总结
经历一周的方案设计、比较、论证、探讨等步骤，经过不懈的努力和反复的验证，再加上指导老师的细心点拨和教诲，终于成功地完成了本次课程设计。
但是，由于学识浅薄和资历肤浅，对待解决问题还不成熟，望老师不吝纠正，深感谢意！
和学别的学科一样，在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，我做的是一个由三个部分组成的浇灌系统。
由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。
但通过各方面的查资料并学习。
我基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。
同时，也请教了在这方面高于自己的同学，提高了与人合作的意识与能力。
通过这次设计实践。
我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
在对理论的运用中，提高了我的工程素质，在没有做实践设计以前，我对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。
能过解决一个个在调试中出现的问题，们对PLC的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。
这虽是个人的毕业任务，但是我还和去其他同学进行合作，意在取长补短。
通过合作，我们的合作意识得到加强。
合作能力得到提高。
在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。
在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。
能过比较选出最好的方案。
在这过程也提高了我们的表过能力。
通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。
既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。
在本次设计中，我还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和INTERNET成了我很好的助手。
在查阅资料的过程中，我要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。
我学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。
在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。
有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，
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