浇模型冰激凌生产线PLC控制系统设计.docx

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浇模型冰激凌生产线PLC控制系统设计

浇模型冰激凌生产线PLC控制系统设计

一、选题背景与意义

1．国内外研究现状

随着人们生活水平的提高,对冷饮品的需求和要求越来越高,不仅要求其在炎热的夏日能消暑解渴，而且对其营养价值，口味和工艺上有了更高的要求。

对于冰激凌生产商来说，其营养，口味和工艺都直接影响其销售量，所以就要求现有的冰激凌生产设备不仅能生产出高质量的产品，而且还要根据不同的需求，尽可能的生产多品种的冰激凌。

目前，国内多数冰激凌制造商都只是沿袭欧美冰激凌机的工作方式，缺少自己的创新，并且设备还一直停留在传统的继电器-时间控制方式。

继电器控制方式在PLC出现之前广泛应用于生产，生活的各个领域，但该控制方式硬件结构比较复杂，并且其功能一旦确定以后很难做出变化，难以适应以后新产品的生产更新换代的要求。

而且经过长期运行以后，继电器，线圈等设备渐渐老化，出现触点磨损，接触不良，反应不灵敏，造成整个控制系统无法完成生产要求，严重影响产品的质量和数量。

2．选题的目的、意义：

在冰激凌生产工业中，如何提高生产质量和效率一直是人们高度关注的问题。

随着自动化技术的进步与发展，冰激凌生产的自动化程度也逐渐提高。

冰激凌生产线机械结构相对简单，也较容易设计。

而要实现生产线的自动化，必须设计一种相对比较可靠的电气控制系统。

PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，一种能直接应用于工业环境的数字电子装置。

PLC控制具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。

在控制系统中采用PLC，可用软件实现冰激凌生产线的自动控制，可靠性大大提高；使控制系统结构简单，外部线路简化；可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能；PLC可实现故障自动检测与报警显示，提高了冰激凌生产线的安全性，可用于群控调配和管理，极大地提高生产的质量和效率；在更改生产控制方案时，只需修改程序，不用改动硬件接线。

通过该毕业设计，综合应用所学的PLC软硬件技术，在设计浇膜型冰激凌生产线系统的过程中，使解决工程实际问题的能力得到锻炼，为毕业以后走向工作岗位打下坚实的基础。

二、设计内容

1．设计内容

浇膜型冰激凌生产线的电气控制系统是一个相对较复杂的控制系统。

系统要求有手动和自动两种工作方式，系统中的输入信号即有手动按钮、手动开关等手动信号，也有光电开关、接近开关等传感器信号。

输出信号有提供给继电器、接触器、电磁铁、指示灯等开关量输出信号，也有控制变频器的模拟量输出信号。

根据系统要求，需要对装盘数量计数并进行显示，显示范围0--9999。

对一个实际应用系统，仅考虑设计硬件电路和软件编程还不够，还必须进行安全电路的设计，可靠性措施，紧急情况的处理等。

这些内容将在后续设计中涉及，本课题重点放在PLC控制系统的硬件和软件设计方法。

2．预期研究结果

浇膜型冰激凌生产线就采用PLC作为主控制器，用户根据其生产过程编写程序，下载到PLC中，整个生产线的生产过程完全通过PLC内部的用户程序来控制，基本不依靠人工参与。

冰激凌的生产过程主要包括配料,均质，老化，凝冻和硬化等几个部分，如果生产出的冰激凌的成分和形态都比较复杂的话，其生产过程也将远远超过这几个部分。

该生产线的主要任务是将各种原料按一定的比例加入容器中，通过搅拌器搅拌将这些原料混合成一种均匀的溶液，然后经过均质，老化等过程，完成了冰激凌混合液制作。

再经过浇注工艺，将冰激凌溶液注入冰激凌模型中，经过凝冻，硬化等处理过程后，完成了冰激凌的第一步制作。

然后通过机械手的操作，把刚刚完成的冰激凌转移到另一条流水线上，进行进一步的加工，最后将冰激凌进行再次凝冻，硬化处理，就可以送入包装机进行包装。

整个工作过程主要包括配料，均质，老化，浇注，机械手操作，凝冻，硬化和包装。

本设计方案预期所要实现的浇膜型冰激凌流水线主要功能如下

（1）配料。

将各种原料按一定比例配好后，送入搅拌机进行搅拌，完成对原料的初步加工。

（2）均质。

将混合好的原料送入到均质机，进行高压处理，目的是使料液的乳化能力提高，使产品达到均匀一致，将较大的脂肪粒粉碎成较小的颗粒，使脂肪球直径达到要求（1~2um），使产品组织细腻，提高混合液粘度，使产品润滑、松软，并能提高膨化率。

（3）老化。

将混合液保持2~4摄氏度的低温，冷藏一定时间，是指物理上成熟，成为成熟或老化。

老化处理就是将经过均质处理的混合液迅速降至老化温度。

（4）浇注原料。

将老化后的冰激凌原料添加到冰激凌模具中，以便进行下一步处理。

（5）凝冻。

凝冻的作用是使混合液进入半固体状态，通过制冷剂的作用继续降温，并利用搅拌器刮刀将筒壁的混合液刮下后与空气混合使体积膨胀，是液体变为半固体的目的。

（6）硬化。

将半成品的冰激凌进行速冻处理，速冻温度一般为25摄氏度左右。

（7）转移操作。

主要是通过机械手操作来完成。

（8）包装。

将制作完成的冰激凌送入包装机进行包装处理，最后送入冷库存储。

三、设计方案

1．概述

本设计方案的主要内容是利用可编程控制器及电器控制知识，根据PLC控制浇膜型冰激凌生产线的要求，确定系统设计方案，采用西门子S7-300系列PLC作为控制器进行整体设计。

主要设计任务分为两个方面：

系统硬件设计和软件设计，并考虑安全和保护措施，最后用STEP7仿真软件调试系统程序。

硬件设计部分包括主电路及保护电路等，PLC选型变频器的选择，完成系统总体设计，并绘制系统接线图。

软件设计采用模块化设计方法，其中包括主电路及保护电路、主机运行手动控制、自动运行控制、急停控制等几个单元模块设计。

并用西门子S7-300系列PLC实验装置调试各部分模块程序。

浇膜型冰激凌生产线的电气控制系统较为复杂，主要包括配料，均质，老化，浇注，机械手操作，凝冻，硬化和包装几部分的检测与控制。

检测元件多是光电开关和接近开关，执行器则是继电器、接触器、电动机等。

系统除了自动工作方式外，还设置了手动和必要的安全保护措施。

2．总体框图

控制系统总体框图如图1所示。

其中，可编程控制器PLC作为控制机，光电开关和限位开关是检测设备，还包括电动机，气缸等一些被控设备。

图1浇膜型冰激凌控制系统总体框图

3．电气控制设计

在浇膜型冰激凌生产线的控制系统中，要求的数字量输入点和数字量输出点都较多，其中，数字量输入设备主要是各种光电开关、接近开关、手动/自动按钮，开关等27个；外部设备主要有控制传送带的电动机、气缸和继电器等，共18个数字量输出点；还需要对前方机器反馈回来的信号进行处理，这点软件系统可以利用循环系统来实现。

综上所述，根据其电气控制要求以及复杂程度，从经济性，可靠性等方面考虑，并且考虑10%~20%的裕量，选择西门子S7-300系列PLC作为浇膜型冰激凌生产线电气控制系统设计的控制主机，使用CPU314（6ES7314-1AF10-0AB0）并作如下I/O扩展：

数字输入模块选择两块，一块32点的SM321（6ES7321-1BL00-0AA0）和一块16点的SM321（6ES7321-1BH02-0AA0）；数字量输出模块选16点继电器输出的SM322（6ES7322-1HH01-0AA0）和8点的直流输出（6ES7322-1BF01-0AA0）,及一块模拟量4AI/2AO的输入输出模块SM334（6ES7334-1KE00-0AB0）。

由于浇膜型冰激凌生产线的电气控制系统较为复杂，主要包括配料，均质，老化，浇注，机械手操作，凝冻，硬化和包装几部分的检测与控制。

检测元件多是光电开关和接近开关，执行器则是继电器、接触器、电动机等。

PLC的电气控制柜主要包括两个部分，一部分是机械控制部分，包括一些按钮和主要的机械控制元件；另外一些部分是触摸屏部分，在触摸屏上既可以观察生产线的运行状态，同时也可以通过触摸屏上的感应按钮控制生产线。

PLC电器控制柜结构示意图如图2以及电气控制系统详细框图3所示

I0.0Q0.0

I0.1Q0.1

I0.2Q0.2

I0.3Q0.3

I0.4CPU314Q0.4

I0,5+Q0.5

I0.6SM321*2Q0.6

I0.7Q0.7

I1.0Q1.0

I1.1Q1.1

I1.2Q1.2

I1.3Q1.3

I1.4Q1.4

I1.5Q1.5

I1.6Q1.6

I1.7Q1.7

I2.0Q2.0

I2.1Q2.1

I2.2Q2.2

I2.3

I2.4

I2.5

I2.6

I2.7

I3.0

I3.1

I3.2RS-485

图3电器控制系统框

手动/自动旋钮----------------------------------配料机与均质机连接阀

停止旋钮--------------------------------均质机与老化缸连接阀凝冻机

机械手上端限位开关-------------------------凝冻机与硬化设备连接阀

机械手下端限位开关--------------------------配料机继电器

机械手左端限位开关--------------------------均质机继电器

机械手右端限位开关--------------------------老化缸继电器

机械手爪抓紧限位开关--------------------------凝冻机继电器

机械手爪松开限位开关--------------------------包装机继电器

传送带1末端光电开关--------------------------传送带1电动机

传送带2起始端光电开关--------------------------传送带2电动机

浇注机处光电开关--------------------------机械手上升气缸

添加辅料机处光电开关--------------------------机械手下降气缸

包装机处光电开关-----------------------------机械手左旋气缸

配料机容器高位传感器--------------------------机械手右旋气缸

配料机容器低位传感器--------------------------机械手抓紧气缸

浇注机容器高位传感器--------------------------机械手松开气缸

浇注机容器低位传感器--------------------------浇注机吸浆继电器

手动配料机起动--------------------------------浇注机灌浆继电器

手动均质机启动--------------------------------配料机原料入口阀门

手动老化缸启动-----------------------

手动凝冻机启动-----------------------

手动浇注机启动-----------------------

手动添加辅料机启动-----------------------

手动包装机启动-----------------------

手动机械手启动-----------------------

手动传送泵启动-----------------------

手动传送带启动-----------------------

4．工作流程

浇膜型冰激凌生产线就是应用PLC作为主控制器，用户根据其生产需求编写程序，下载到PLC中，整个生产过程完全依靠PLC内部的控制程序来实现，基本不依靠人工参与，浇膜型冰激凌生产线模型如下图4

图4浇膜型冰激凌生产线结构示意图

浇膜型冰激凌生产线的简单工作过程为：

将各种原料按一定的比例加入容器中，通过搅拌器搅拌将这些原料混合成一种均匀的溶液，然后经过均质，老化等过程，完成了冰激凌混合液制作。

再经过浇注工艺，将冰激凌溶液注入冰激凌模型中，经过凝冻，硬化等处理过程后，完成了冰激凌的第一步制作。

然后通过机械手的操作，把刚刚完成的冰激凌转移到另一条流水线上，进行进一步的加工，最后将冰激凌进行再次凝冻，硬化处理，就可以送入包装机进行包装。

整个工作过程主要包括配料，均质，老化，浇注，机械手操作，凝冻，硬化和包装。

浇膜型冰激凌生产线的工作工作过程示意图如图5所示：

浇注原料

配料

均质

老化

凝冻

其他配料

机械手转移至传送带2

包装

硬化

添加其他原料

凝冻

硬化

图5浇膜型冰激凌生产线工作过程示意图

根据控制系统的功能要求，该生产线所要完成的主要功能有以下几，浇膜型冰激凌生产程序流程图如图6所示：

（1）将启动按钮按下，生产线进入工作状态。

（2）配置好的原料先送入搅拌机进行搅拌，同时记事起开始计时。

图6浇膜型冰激凌生产程序流程图

（3）计时时间到后，连接阀打开，混合液进入均质机。

（4）待混合液全部进入均质机后，均质机启动，计时器开始计时。

（5）计时时间到后，连接阀打开，混合液进入老化缸。

（6）待混合液全部进入后，老化缸启动，计时器计时。

（7）计时时间到后，连接阀打开，凝冻机将处理好的冰激凌混合液吸入机器内部进行凝冻处理，计时器计时。

（8）计时时间到后，浇注机将凝冻完成后的冰激凌液吸入容器内，进行浇注工作。

（9）浇注完成后，送入硬化处理过程，计时器计时。

（10）计时时间到后，机械手对半成品的冰激凌进行转移操作。

（11）转移完成后，添加辅料机对冰激凌进行操作。

（12）操作完成后，进行硬化处理过程。

（13）硬化处理过程结束后，送入包装机进行包装系统上电，按下系统按钮。

若没有收到停止信号，则循环执行

（2）至（12）步；若收到停止信号，则停止所有设备。

浇注机工作步骤有以下几步，其工作流程图如图7所示：

（1）凝冻机计时时间到后，浇注机开始工作。

图7浇注机工作流程图

（2）吸取冰激凌溶液进入浇注机容器中。

（3）当混合液达到容器高度后，停止吸取。

（4）将混合液注入到模具中。

（5）当混合液达到容器低位时，开始吸取冰激凌混合液。

机械手工作有以下几步，其工作程序流程图如图8所示：

图8机械手工作程序流程图

（1）产品到达传送带1末端光电开关处，传送带1停止，机械手开始启动。

（2）机械手下降至设定位置。

（3）产品到位后，机械手抓开始抓紧产品。

抓紧产品后，机械手上升至设定位置。

（4）上升到位后，机械手开始向右旋转至设定位置。

（5）右旋到位后，机械手下降至设定位置。

（6）下降到位后，机械手抓松开产品。

（7）产品松开后，机械手抓上升至设定为位置。

（8）上升到位后，传送带2开始运转，机械手开始向左旋转到设定位置。

（9）左旋到位后，检测传送带1上的产品是否到位，若到位则循环执行步骤

（2）至步骤（9）；如果没有到位则停止等待。

浇膜型冰激凌生产线的PLC控制程序是按照顺序执行的方式进行的，各个设备按照PLC中的用户程序自动启动和停止，尤其机械手部分的控制是按照顺序控制来编写的。

上面概述了浇膜型冰激凌生产线的工作过程，即冰激凌生产包括配料、均质、老化、浇注、机械手操作、凝冻、硬化和包装等一系列过程。

其中检测元件是光电开关、接近开关和速度传感器等，执行器则是继电器、接触器、变频器、电动机等。

系统中多是开关量逻辑控制，在机械手控制子程序中采用顺序控制设计法，用顺序功能图或梯形图编程。

而带动输送带运行的电动机需要根据前方机器的信号以及容器中的料位进行调位。

由于某些设备的操作时间较长，而PLC本身的定时器无法完成其功能要求，因此在该控制系统中，采用定时器与计时器组合的方法来实现较长时间的定时。

5.小结

本设计方案以西门子S7-300系列的CPU314PLC作为控制器，综合运用所学电气控制知识，完成对浇膜型冰激凌生产线的控制系统的设计。

本方案中，首先对浇膜型冰激凌生产线的工作过程进行了简单的介绍，然后分别在硬件和软件方面对冰激凌生产线系统做了初步的构思和设计，并在PLC选型方面做了调整和改进，最后大体描述了冰激凌生产线系统的控制流程，并绘制了总的控制流程图。

通过对本方案的初步设计，我加深了对可编程控制器的了解，同时也增长了对电气控制方面的认识，熟悉了冰激凌生产线的工作流程，并对其原理有了一定深度的掌握。

通过本次设计，我不仅学到了有关冰激凌生产线控制系统的理论知识，并能够对其他控制举一反三，有了大体的了解。

再加之与同学之间的交流和学习，与指导老师之间的沟通和请教，必将对我以后的学习和工作有极大的帮助，我也会努力提高水平，克服不足，完善自己，争取圆满完成毕业设计任务。

四、参考文献

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