基于PLC的饮用纯净水灌装生产线系统设计9.docx
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基于PLC的饮用纯净水灌装生产线系统设计9
高等教育自学考试本科毕业论文
基于PLC的饮用纯净水灌装生产线系统设计
考生姓名：
准考证号：
6
专业层次：
本科院（系）：
机械与动力工程学院
指导教师：
职称：
讲师
重庆科技学院
二O一四年九月一日
高等教育自学考试本科毕业论文
基于PLC的饮用纯净水灌装生产线系统设计
考生姓名：
准考证号：
60
专业层次：
本科
指导教师：
院（系）：
机电与动力工程学院
重庆科技学院
二O一四年九月一日
摘要
近年来，社会的发展和进步对各行各业提出了越来越高的要求。
机械化加工企业为了提高生产效率和市场竞争力，采用了机械化流水线作业的生产方式，对不同的产品分别组成了自动流水线。
产品不断地更新换代，也同时要求相应的控制系统随之改，提高产品生产的效率。
在这种情况下，硬连接方式的继电接触式控制系统就不能满足经常更新的要求了。
这是因为，一是成本高，二是周期长。
在早期还出现过矩阵式顺序控制器和晶体管逻辑控制系统，由于这些装置体积大，功能少，本身存在很多不足，虽然在能够提高控制系统的通用性和灵活性，但均未得到广泛应该。
PLC可编程序控制器具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。
据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。
专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一。
由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，纯净水灌装机发展很快，早已由人工手动灌装发展实现机械自动化灌装，且自动化水平日益提高。
随着科学技术和生产的发展，现在越来越多的将PLC应用于灌装机系统中。
关键词：
继电接触式控制系统、PLC、灌装机、自动控制。
ABSTRACT
Inrecentyears,thedevelopmentofsocialdevelopmentandprogressofallwalksoflifeputforwardmoreandmorehighdemand.Mechanizationprocessingenterpriseinordertoincreasetheproductionefficiencyandcompetitiveness,themechanizationlineoperationmodeofproduction,toadifferentproductsseparatelyformedtobeautomaticassemblyline.Productconstantlyupdatingandupgrading,andalsorequirestheappropriatecontrolsystemthenchange,improveproductproductionefficiency.Inthiscase,hardlinksofthewaytherelaycontactcontrolsystemcannotmeettherequirementofoftenupdate.Because,thefirstisahighcost,andthesecondiscycleislong.Intheearlydaysalsoappearedmatrixsequencecontrollerandthetransistorlogiccontrolsystem,becausethedeviceisbig,thefunctionisless,therearesomanyshortcomings,althoughincanincreasecontrolsystemofgeneralandflexibility,butwerenotwidelyshould.
PLCprogrammablecontrollerissimpleinstructure,convenientprogrammingandhighreliabilityetc,arewidelyusedinindustrialprocessandthelocationoftheautomaticcontrol.Accordingtothestatistics,theprogrammablecontrollerisusedintheindustrialautomationdevicesakindofmostequipment.Expertsthink,programmablecontrollerwillbethemajormeansofindustrialcontrolandimportantoneofthefoundationoftheequipment.DuetotheuseofPLChasthecharacteristicsofstrongadaptabilitytotheenvironment,andtheinternaltimerisveryrichinresources,purewaterfillingmachinedevelopmentsoon,havealreadybymanualfillingdevelopmentrealizeautomaticmechanicalfilling,andautomationlevelisincreasingdaybyday.Alongwiththescienceandtechnologyandthedevelopmentofproduction,nowmoreandmorewillPLCinthefillingmachinesystem.
KeyWords:
Thesystemofrelaycontactcontrol、PLC、Fillingmachine、Automaticcontrol。
1、绪论
1.1课题研究背景
近年来，饮用水安全问题已成为民众普遍关注的焦点问题之一，同时也是科学研究的热点问题之一。
水是人类赖以生存六大营养素中最重要的一种，水中的矿物质和微量元素对人体健康至关重要。
所以，对于饮用水的纯净以及在灌装过程中所应注意的事项也就自然而然的成为了重要事项。
对于饮用水而言，首先就是要选择水源，以及在对饮用水的净化和在灌装过程中对仪器的消毒等，这些都是必要的。
为了让广大民众喝到纯净的饮用水。
所以在饮用水经过纯净之后，在采用经过清洁后的仪器进行灌装。
让广大民众喝到干净的纯净饮用水。
鉴于PLC可靠性高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便三大特点，利用PLC技术平台自主开发创新，将机械、电气和自动化等技术有机结合，将传统的继电器-接触器控制功能用PLC代替，构成实用、可靠的饮用纯净水灌装生产线PLC控制系统。
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。
灌装装置主要包括两部分：
恒压储液罐灌液和计数部分。
在恒压储液罐灌液不封，里面有上限液位和下线液位传感器，它们淹没时是1状态。
液面低于下线液位时恒压储液罐为空。
饮用纯净水通过进液电磁阀流入恒压储液罐，液面达到上限位时进液电磁阀断电关闭，使液位保持恒定。
1.2课题研究内容
首先，对饮用纯净水进行检测，看是否达到纯净水标准，然后在进行灌装。
在设计灌装生产线时，要对饮用纯净水罐装生产流水线的硬件和软件进行了设计。
其中硬件设计包括三菱FX1N-40MRPLC外部电路的设计与安装；软件部分包括程序的设计与调试。
根据系统的要求对PLC、电动机、传感器等外部设备进行选型。
设计好的饮用纯净水灌装生产流水线能够实现以下目的：
（1）系统通过开关设定为自动操作模式，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待灌装的饮用纯净水瓶被传送至灌装设备下时停止；瓶子装满饮用纯净水并上盖后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到下一个待灌装的饮用纯净水瓶被传送至灌装设备下或停止开关动作；
（2）当瓶子定位在灌装设备下时，停顿2s，灌装设备开始工作，对于大瓶灌装7秒钟，小瓶则灌装4秒钟，待灌装过程完毕再对饮用纯净水瓶进行上盖，上盖时间为3秒钟。
整个灌装和上盖过程应有报警显示，待上盖完毕后不再显示报警；报警方式为红灯以0.5s间隔闪烁；（3）包装上，对于小瓶：
30瓶为一大包，20瓶为一中包，10瓶为一小包；对于大瓶16瓶为一大包，12瓶为一中包8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、系统总体方案设计
2.1任务的分析
在设计任务前，需对水资源进行纯净水检验，看是否达标？
达标就进行灌装，否则，就不进行灌装。
灌装的任务是以三菱FX1N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、饮用纯净水瓶的大小等等）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）来完成饮用纯净水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用纯净水瓶灌装的控制，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硬件方案设计
在对饮用纯净水灌装前先对其进行检测，检测是否达到纯净水标准，在进行灌装。
饮用纯净水的灌装是运用了饮用纯净水灌装机，它将灌装装置以及封盖装置集合在一起，实现灌装与上盖，使灌装能稳定、高效的完成。
通过对纯净水灌装机结构图和旋盖头结构示意图的设计，来实现对纯净水的灌装与封盖。
而对于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。
灌装生产流水线如图1所示，生产流水线结构如图2所示。
图2-1灌装生产流水线
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灌装的时间，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。
对于传送带上的瓶大小的分辨，利用了通过下图的反射式光电传感器。
图2-2生产流水线结构图
2.3软件方案设计
2.3.1梯形图的设计
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。
2.3.2电气控制线路的设计
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。
如图：
图2-3PLC逻辑设计步骤图
3、系统元件的选择
3.1PLC选型与硬件配置
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；
（2）确保PLC控制系统安全可靠；
（3）力求简单、经济、使用及维修方便；
（4）适应生产发展的需要；
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。
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
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。
系统选用FX2N-40MR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。
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：
电流:
15.4A；电压：
380V；堵转转矩:
2.2n.m；最大转矩:
2.3n.m；额定转速:
1440r/min；极数:
4；频率：
50Hz;额定功率:
7.5KW.
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。
本系统选用CJ10-40接触器：
额定电流为40A,额定电压为380V。
3.3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。
3.4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。
3.5传感器的选型
系统中运用传感器对饮用纯净水瓶的大小进行区别，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3-1所示。
图3-1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:
检测距离:
2.5～8mm（中心：
5mm）;最小检测物体:
直径:
0.05mm铜线（设定距离：
5mm）；重复精度：
（垂直于检测轴）0.08mm以下；电源电压:
5～24V；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）；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4-1所示：
图4-1硬件电路关系图
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Q1、Q2、Q3将三相电源引入，同时Q1、Q2、Q3为电路提供短路保护。
饮用纯净水罐装生产的主控制电路如图4-2所示。
图4-2主控制电路图
4.3控制电路的设计
PLC控制系统的输人信号有9个，且均为开关量。
其中各种单操作按钮开关6个，分别SB1启动按钮、SB2停止按钮、SB5大包、SB6中包、SB7小包、SB8散装、SB9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罐装，6个用于生产线上的状态显示。
如图4-3所示。
图4-3三菱PLC外部接线图
4.4操作面板的设计
操作面板本着操作简单，直观明了的，对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而设计。
如图4-4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4-4操作面板外形图
5、系统程序的设计
5.1控制要求和控制过程分析
系统通过开关设定为自动操作模式，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灌装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止；瓶子装满饮用纯净水后，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。
当瓶子定位在灌装设备下时，停顿2s，灌装设备开始工作，灌装过程为小瓶装4s钟，大瓶装7S钟，然后均上盖时间为3秒，灌装和上盖过程应有报警显示，上盖过程停止并不再显示报警；报警方式为红灯以0.5s间隔闪烁。
与此同时对生产的饮料进行打包并计数，对于小瓶：
30瓶为一大包，20瓶为一中包，10瓶为一小包；对于大瓶：
16瓶为一大包，12瓶为一中包，8瓶为一小包。
在生产过程中可以对各计数器手动清零，系统每8小时将所记数据送入指定的存储器中，然后将记数器清零。
在电动机运转时按下停止按钮，系统会马上停止工作.
图5-1过程流程图
5.2I/O端口分配
输入信号
输出信号
名称
功能
编号
名称
功能
编号
SB1
启动按钮
X1
KM1
传送带电动机
Y1
SB2
停止按钮
X2
YV1
灌装电磁阀
Y2
SB3
行程开关
X3
YV2
小瓶封盖
Y3
S4
光电传感器
X4
YV3
大瓶封盖
Y4
SB5
大包
X5
K1
数码显示管a
Q1
SB6
中包
X6
K2
数码显示管b
Q2
SB7
大包
X7
K3
数码显示管c
Q3
SB8
散装
X8
K4
数码显示管d
Q4
SB9
手动复位
X9
K5
数码显示管e
Q5
K6
数码显示管f
Q6
K7
数码显示管g
Q7
数码管显示数字
数码管段数
对应编号
大包
5
a,c,d,f,g
Q1,Q3,Q4,Q6,Q7
中包
6
a,c,d,e,f,g
Q1,Q3,Q4,Q5,Q6.Q7
小包
7
a,b,c
Q1,Q2,W3
散装
8
a,b,c,d,e,f,g
Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6.Q7
上电显示
1
b,c
Q2,Q3
灌装显示
2
a,b,e,d,g
Q1,Q2,Q4,Q5,Q7
表3-1PLCI/O端地址编号对照表
5.3梯形图
5.3.1初始化程序
初始化，启动时、按下复位钮和8小时将程序中用到的计数器置零
5.3.2装箱选择程序
对生产好的饮料进行装箱选择：
X5X6X7X8所对应的按钮SB5SB6SB7SB8分别用于选择包装的类型：
大包、中包、小包、散装。
5.3.3流水线主控程序
生产流水线主控电路的自动控制：
系统通过开关设定为自动操作模式，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灌装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止；瓶子装满饮用纯净水并上盖后，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；当瓶子定位在灌装设备下时，停顿2s，灌装设备开始工作，对于大瓶灌装7秒钟，小瓶则灌装4秒钟，待灌装过程完毕再对饮用纯净水瓶进行上盖，上盖时间为3秒钟。
当系统正在运行装罐时，按下停止按钮，系统并不会马上停止运行，待上盖工作结束后，系统最终停止运转。
5.3.4数码管报警程序
罐装和上盖过程中闪烁报警
5.3.5记数程序
对于小瓶：
30瓶为一大包，20瓶为一中包，10瓶为一小包；对于大瓶：
16瓶为一大包，12瓶为一中包8瓶为一小包。
并且对所装箱和所生产饮料的数量进行计数。
5.3.6数据传送程序
设定8小时传输一次数据，将各记数器中所记数据存储到指定的存储器中。
6、结论与展望
本文介绍了基于三菱FX1N-40MRPLC的饮用纯净水灌装生产流水线的控制系统的设计。
该系统的设计包括硬件设计和软件设计。
硬件设计方面，根据系统的控制要求对各硬件设备进行了选型并对三菱FX1N-40MRPLC外部电路接线进行了设计；软件设计方面对软件设计的方法进行了概述，根据要求设计出梯形图并对它进行仿真调试。
仿真调试后的控制系统基本上满足以下控制要求：
（1）能对空瓶进行运送、灌装，灌装量可根据空瓶大小设定；
（2）对满瓶进行运送及计数，计数值包括累计计数、单位包装计数，单位包装计数量可根据包装大小设定；（3）能够实现手动复位。
利用PLC良好的自动控制性能，本文所设计的饮用纯净水灌装生产流水线的控制系统基本上实现了饮用纯净水罐装生产过程的无人控制。
但对于大型的生产流水线来说，该系统就无法满足其更加复杂、准确、智能的控制要求。
该系统需要在传送速率，次品检测等诸多方面作出改进。
致谢
经过了这一段的学习和工作，我终于完成了《基于PLC的饮用纯净水灌装生产线系统设计》的论文。
从开始接到设计任务到系统的实现，再到论文底稿的完成，每走一步对我来说都是自己对所学知识的大胆尝试与挑战，这也是我在大学期间完成的最大的任务与设计。
这次写论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做，脚踏实地一步步去完成的事情
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