重庆科创职业学院基于PLC灌装机设计.docx
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重庆科创职业学院基于PLC灌装机设计
摘要
计算机网络和通讯技术的日益提高，使企业对生产的自动控制和通讯提出了高层次的要求。
饮料生产线也较繁琐，环节也增加了许多。
其中灌装饮料就是其上首要的生产环节。
文中主要讲述了基于FX2N-32MRPLC的饮料灌装生产线的控制系统的设计。
该系统的设计包括硬件和软件方面。
其中硬件部分的设计主要包括了三菱FX2N-32MRPLC外部电路的设计、安装；软件部分包括程序的设计、调试。
设计系统最终能够实现下面几项功能：
（1）对空瓶进行运送、灌装，灌装量依照空瓶大小设计确定；
（2）对满瓶进行传送及统计数量，计数内容包括累计、单位包装计数，单位包装计数量可依照包装大小设计确定；
（3）能够确保手动式复位。
该系统采用了三菱可编程序控制器、传感器、继电器、行程开关等电器元件，利用PLC良好的自动控制，实现饮料罐装生产过程的自动化控制。
运用PLC来控制饮料灌装，实现了生产线的自动高效化、智能灵敏化。
对提高劳动效率，饮料质量和产量影响远大，意义非凡。
关键词：
饮料灌装，生产流水线，无人控制
PLC-basedbeveragefillingmachinedesign
ABSTRACT
Thispaperintroducesbrieflytheprogrammablelogicalcontrollerandthecenturystarmonitoringsoftwareusesinthecarbonateddrinksfillingmachineofcontrollingmethodandtheprinciple,usedthenewexaminationmethod,andachievetheautomationoftheentireproductionline.
Thispaperdescribesindetailthecontrolsystemofthecarbonateddrinksfillingmachinedesignsteps,abriefintroductionofthecarbonateddrinksfillingmachinecontrolsystemandbaseontheself-industryandtheapplicationoftheothertradeonauto-controltechnique,proposedtheframeofthecontrolsystembasedonprogrammablelogicalcontroller.DesignthecontrolsystemofthecarbonateddrinksfillingmachinebasedontheprogrammablelogicalcontrolleranddesignsthecontrolsystembyOMRONforopeningvalve,inspectingandpickingoutthebrokenbottle.Atlast,thesimulationsoftwareofconfigurationbrieflyanddescribesimulationprocessindetail,therearecarbonateddrinksproductionlineconfigurationscreen.Thisdesigncompletesthecarbonateddrinksproductionlinehardwareconfigurationandsoftwaredesignandusescenturystarconfigurationsoftwaretomonitorreal-timesystem,toachievetheimageoftheentiredesignimageandpractical.
Achievetheautomationofthecarbonateddrinksfillingmachine.Notonlyimprovethelaborproductivity,butalsohasfar-reachingsignificanceoftheimprovementofqualityandyield.
Keywords:
Carbonateddrinksfillingmachinecontrolsystem,ProgrammableLogicalController,Configurationsoftware
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1灌装控制系统的现状1
1.2本论文的主要设计工作1
2汽水灌装机控制系统设计方案2
2.1总体设计思路2
2.2汽水灌装机控制系统的具体流程2
3汽水灌装机控制系统的硬件设计4
3.1PLC的选型4
3.1.1选择PLC控制的原因4
3.1.2PLC介绍4
3.1.3PLC型号的选择5
3.2I/O端口分配表5
3.3灌装机的传动原理6
3.4PLC硬件系统的连接6
3.5操作面板的设计7
3.6电动机的选型8
3.7接触器的选型8
3.8热继电器的选型8
3.9开关电器、熔断器的选型9
3.10传感器的选型9
4灌装机控制系统的软件设计10
4.1系统程序的指令介绍10
4.2控制系统流程图10
4.3正常灌装流程的梯形图11
4.3.1初始化程序11
4.3.2装箱选择程序12
4.3.3流水线主控程序13
4.3.4闪烁报警程序14
4.3.5计数程序15
4.3.6数据传送程序16
4.4程序仿真16
4.4.1运行16
4.4.2装箱选择程序仿真16
4.4.3主控制程序的仿真17
4.4.4闪烁报警程序的仿真20
5结论22
致谢23
参考文献24
论文原创性申明
1绪论
随着现代科学技术的发展，人民生活水平的提高，人们的消费习惯也随之相应的变化，同时对消费品的包装提出了更高的要求。
而液态产品的包装在包装行业中占有很大比例，这是由于液体包装涉及的行业广泛、品种繁多，如饮料方面的汽水、果汁、牛奶、矿泉水、蒸馏水、啤酒、果酒等；调味品方面的酱油、醋、味精液、果酱等；药品方面的针剂、糖浆、酊剂、气雾剂等；农药乳剂、化工产品的各种瓶装、化妆品等，要满足日益增长的液体产品的需要，就应大力发展液体产品的包装技术。
我国在解放前几乎没有灌装机械，灌装生产绝大部分处于手工操作，非常落后。
70年代初，上海、北京、广州、青岛、烟台等地引进三十多条灌装线，其中有西德Seitz厂产品、意大利Simonazi公司、美国Merer公司、日本三菱公司，另外还有许多罗马尼亚灌装线。
随后，我国广东轻工机械厂、北京酿酒机械厂、上海化工机械厂等许多家仿制了不少灌装线，初步改善了灌装生产的落后面貌，但灌装机械的发展与国际先进水平的差距仍很大。
1.1灌装控制系统的现状
我国的饮料包装设备还存在自动化程度低、速度慢、破瓶率高、系统运行不稳定等缺陷。
随着集散控制系统的日益完善，PLC在工业控制领域应用的日益广泛，使我们利用先进控制技术改进自动汽水灌装机的控制系统，弥补其不足成为可能。
1.2本论文的主要设计工作
本论文的目的就是采用现代流行的先进控制技术，设计汽水的自动灌装控制系统，通过软、硬件功能的组态实现汽水灌装机系统的自动化控制，表现在：
（a）减少事故。
通过监控系统，可以对生产线中各设备的运行情况进行周密监视，发现异常，立即进行报警或停机，把事故控制在最小的范围内，从而提高运行的可靠性。
（b）提高经济效益。
实施灌装过程监控后，可以实现大型汽水灌装机控制系统的全自动化，提高生产效率。
（c）改善工作环境。
实施监控后，值班人员坐在控制室就可以随时了解整个汽水灌装机控制系统的运行情况，从以往人工操作、实时观察中解脱出来。
2汽水灌装机控制系统设计方案
2.1总体设计思路
根据要求和目前生产线的具体情况，并结合目前先进装配系统的设计方案，确定了以下总体设计思路。
采用可编程控制器（PLC）作为控制系统的主控制元件，传感器作为检测元件构成生产、控制系统。
一台上位计算机通过通讯网络与PLC相连，用于生产线的监控和产品数据的记录处理。
整条汽水灌装机控制系统由一台PLC、灌装机以及次品捡出器和指示灯等其它元件构成。
瓶子在灌装机中依次完成：
1、进气，2、进液回气；3、停止进液；4、排除余液等4个步骤。
同时生产线上的各种检测状态传感器全部接入到PLC中，由PLC根据传感器的检测状态通过编制好的程序控制整个系统工作。
操作时，在PLC上编制好的程序作为系统工作的条件。
通过PLC上的开关和指示灯等进行对系统功能的操作和监控系统的工作过程。
2.2汽水灌装机控制系统的具体流程
系统采用了国际上较为先进的灌装设备—旋转型全自动灌装机。
设计的灌装过程是：
洗瓶机将瓶子的里外洗净并经检查后，由传送带送入自动灌装机的限位机构，根据规定的要求按一定的距离排列好，限位机构准确地将瓶送入瓶的升降机构。
升降机构把升降托盘顶起，瓶子随之上升，当瓶口卡住阀门的定心罩时打开多移阀的气门，充气等压，然后打开液门，进行灌液，灌液完毕后进行压力释放，然后关闭液门、气门。
完成上述几步之后，瓶子的升降机构立即进入下降滑道，在下降滑道的作用下，升降托盘被滑道强制下降，因而装好的瓶子随之下降到最低位置，当转过一定角度后，瓶子进入传递轮子的区域，被传递轮子退出，送去进行上盖并包装，这样就完成了整个灌装工作的一个工作循环过程。
系统设计流程图如图2-1所示。
图2-1系统设计流程图
3汽水灌装机控制系统的硬件设计
3.1PLC的选型
3.1.1选择PLC控制的原因
可编程控制器是以微处理器为核心的专用计算机，是专为工厂现场应用环境设计的，利用它面向用户的编程语言，不仅能实现逻辑控制，还能实现各种顺序和定时控制以及复杂的闭环控制；利用它内部大量的辅助继电器可以实现无触点控制；利用它控制可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、在恶劣环境下能长时间不间断运行、编程容易且维护工作量小、还配有通讯接口和各种模块的特点，可以把它作为下位机放在自动生产线的工作现场完成各种控制任务。
正是因为可编程控制器有这些优良的特性，再加上饮料灌装过程中有大量的顺序控制，所以选用PLC来对灌装设备进行控制。
3.1.2PLC介绍
可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器。
以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。
提出PLC概念的是美国通用汽车公司。
PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。
根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内，使控制器和被控对象连接方便。
70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑（Logic）判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。
国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计[3]。
可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。
目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。
可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有以下明显的特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强：
PLC采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
同时在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
（2）编程直观、简单：
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
（3）适应性好：
PLC产品在抗电磁、噪声干扰、有害废气的腐蚀、高温、粉尘等恶劣条件有很高的能力。
能直接和现场各种单元相连接。
（4）功能完善，接口功能强：
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
虽然计算机控制技术已经产生，但是PLC控制因为它的高性能、成本低、并且对恶劣的环境有很强的适应能力而在工业控制的广泛应用中保持优势。
3.1.3PLC型号的选择
文中主要选择是基于FX2N-32MRPLC的饮料灌装生产线的控制系统的设计。
该系统的设计包括硬件和软件方面。
其中硬件部分的设计主要包括了三菱FX2N-32MRPLC外部电路的设计、安装；软件部分包括程序的设计、调试。
设计系统最终能够实现下面几项功能：
（1）对空瓶进行运送、灌装，灌装量依照空瓶大小设计确定；
（2）对满瓶进行传送及统计数量，计数内容包括累计、单位包装计数，单位包装计数量可依照包装大小设计确定；（3）能够确保手动式复位。
该系统采用了三菱可编程序控制器、传感器、继电器、行程开关等电器元件，利用PLC良好的自动控制，实现饮料罐装生产过程的自动化控制。
3.2I/O端口分配表
表3-1I/O地址分配表
SB0
启动
X0
KM1
传送带电动机
Y0
SB1
停止
X1
YV1
灌装电磁阀
Y1
ST0
行程开关
X2
YV2
小瓶封盖
Y2
S0
传感器
X3
YV3
大瓶封盖
Y3
SB4
大包
X4
HL4
大包指示灯
Y4
SB5
中包
X5
HL5
中包指示灯
Y5
SB6
小包
X6
HL6
小包指示灯
Y6
SB7
散装
X7
HL7
散装指示灯
Y7
SB10
手动复位
X10
HL10
系统上电显示
Y10
HL11
灌装过程显示
Y11
3.3灌装机的传动原理
旋转型自动灌装机，所用的动力都是电动机，其功率一般在1~3千瓦之间，电动机的转速通常是很高的，而灌装机的转速不过每分钟几转，满足不了灌装工作的要求，因此，它的传动就需要一套合理的变速系统。
有的灌装机上还采用调速电机，直接无级变速，但这种传动对电机要求很高，必须防尘、防水等，而且价格也较贵。
对于旋转型灌装机传动部分的要求有以下几点：
（1）传动平稳
由于主机完成灌装任务是在一个灌装机传送带上进行的，它的进瓶、出瓶准确地灌装等都要求在平稳的工作条件下进行。
（2）传动系统结构简单
传动系统简单，一方面可以减少功率的消耗，另一方面设备的精度易达到，同时维修方便。
另外，在设计传动系统时考虑到安装、调试、保养的方便性，要满足人体工程学的要求，给工人带来方便，要尽量缩短维修时间，要求便于维修、保养。
3.4PLC硬件系统的连接
PLC控制系统有9个均为开关量的输人信号。
其中各种单操作按钮开关6个，分别SB0启动按钮、SB1停止按钮、SB4大包、SB5中包、SB6小包、SB7散装、14SB10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饮料罐装，6个用于生产线上的状态显示。
如图3-1所示。
图3-1PLC系统硬件连接图
3.5操作面板的设计
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
工作人员的工作是操作面板的设计原则。
面板如图3-5控制面板图所示。
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，还有上电显示和灌过程显示。
本系统还设置了两种灌装
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3-2控制面板图
3.6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，其性能参数如图3-3电动机的性能所示。
图3-3Y132M-4电动机的性能
3.7接触器的选型
接触器是一种用来接通或断开带负载的交、直流主电路或大型控制电路的切换器，主要控制目标是电动机。
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、CJ12、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，直交流接触器有几乎相同的动作原理和结构。
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。
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。
3.8热继电器的选型
热继电器由安装的位置不同的两部分组成。
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。
热继电器采用双金属热元件，动作执行机构，常闭触头和常开触头，复位按钮及整定电流调节旋钮等。
根据双金属热元件的数目可分为两极和三极型热继电器，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。
3.9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。
3.10传感器的选型
系统中运用传感器对饮料瓶的大小进行分辨，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3-4所示。
图3-4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,其性能参数如表3-2所示。
表3-2PM2-LF10反射式光电传感器
性能
参数
检查距离
2.5～8mm（中心：
5mm）白色无光泽纸（15×15mm）
最小检测物体
Φ0.05mm铜线（设定距离：
5mm
应差
使用白色无光泽纸（15×15mm）工作距离的20%以下
重复精度
0.08mm以下
电源电压
5～24V DC±10% 脉动P-P5%以下
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：
30V DC以下（输出和0V之间
剩余电压：
1V以下（流入电流为100mA时
0.4V以下（流入电流为16mA时）
反应时间
0.8ms以下
4灌装机控制系统的软件设计
4.1系统程序的指令介绍
（1）定时器指令（TIM）
系统设计中使用了十个定时器，用来控制瓶子在灌装机内各个部分的计时工作，当定时器的输入端为从“OFF”变为“ON”时，定时器开始工作，直到计时到计数器所设定值，计时器当前值为00000，计数器为“ON”。
若输入继续为“ON”，输出保持为“ON”；若输入变为“OFF”，定时的输出也变为“OFF”，即恢复原状态，本次系统设计的定时器就是利用此功能，实现了定时器的自复位功能。
（2）计数器指令（CNT）
系统设计中使用了二个计数器，用来进行加数操作，当计数输入端（CP）信号从“OFF”、变为“ON”时，计数值加1，此时计数器内的值是1，以此相加，直到计数器当前值为计数器设定值时，计数器为“ON”；当计数复位端（R）为“ON”时，计数器为“OFF”，且当前返回到初始设定值。
复位端采用的自复位，当计数器计数到计数器设定值时则对计数器的值进行一次清空。
当计数输入（CP）和复位（R）同时来到时，复位输入优先。
系统中计数器指令与定时器指令的编号不能重复使用，两者数量和为512个。
4.2控制系统流程图
系统将开关设定为自动操作模式，一经启动，传送带的驱动电机启动并一直
保持到停止开关实现停止动作或传感器检测到下一个瓶子时停止；饮料将瓶子装
满后，驱动电机必须自行启动，并保持到再次检测到一个瓶子或停止开关工作。
当瓶子传送定位于灌装的设备下时，停顿1秒，设备开始灌装，灌装过程为小瓶装5秒钟，大瓶装8S钟，然后均上盖时间为2秒，灌装和上盖过程有报警，上盖过程停止并不再显示报警；报警方式为红灯以0.5s间隔性闪烁。
与此同时对生产的料进行打包计数，对于小瓶：
40瓶为一大包，30为一中包，20为一小包；对于大瓶：
20瓶为一大包，15瓶为一中包，10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7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：
而在系统进行灌装和加盖时按下停止按钮，系统不会马上停止，而要待加盖工作完成后，系统最终停止工作。
系统过程流程图和顺序功能图分别如下图4-1所示。
图4-1系统流程图
4.3正常灌装流程的梯形图
4.3.1初始化程序
初始化，启动时、按下复位钮和7小时将程序中用到的计数器置零。
如图4-2所示。
图4-2初始化程序
4.3.2装箱选择程序
装箱选择生产好的饮料：
X4X5X6X7所对应的按钮SB4SB5SB6SB7分别是：
大包中包小包散装等包装的类型。
如图4-3所示。
图4-3装箱选择程序
4.3.3流水线主控程序
生产流水线主控电路的自动控制：
系统将开关设定为自动操作模式，一经启动，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个瓶子时停止；瓶子被装满饮料并完成上盖后，驱动电机必须自行启动，并保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1秒，灌装设备开始工作进行灌装，对于大瓶8秒钟，小瓶则灌装5秒钟，待灌装过程完毕再对饮料瓶进行上盖，上盖时间为2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，待上盖工作结束后，系统最终停止运转。
如图4-4所示。
图4-4流水线主控程序
4.3.4闪烁报警程序
罐装和上盖过程中闪烁报警。
如图4-5所示。
图4-5流水线主控程序
4.3.5计数程序
小瓶：
40为一大包，30为一中包，20为一小包；大瓶：
20为一大包，15为一中包，10为一小包。
并且对所装箱和所生产饮料的数量进行计数。
如图4-6所示.
图4-6
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