饮料罐装生产流水线系统设计与调试 2.docx

1、饮料罐装生产流水线系统设计与调试 2毕业设计（论文） 函授站 西工院 09级专 业 机电一体化 姓 名 马毅青 西安科技大学 毕业设计（论文）任务书站名西工院姓名马毅青专业机电一体化年级 09级 7 班设计（或论文）题目： 饮料罐装生产流水线系统设计与调试完成日期： 2012 年 5 月 12日控制要求（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（2） 当瓶子定位在罐装设备下时，停顿1秒，罐装设备开始工作，罐装过程为5秒

2、钟，罐装过程应有报警显示，5秒后停止并不再显示报警（3） 用两个传感器和若干个加法器检测并记录空瓶数和满瓶数，一旦系统启动，必须记录空瓶数和满瓶数，设最多不超过99999999瓶（4） 可以手动对计数值清零（复位）指导老师：刘萍 职称：高讲 2012 年 5 月 12日摘要本文主要介绍的是基于三菱PLCFX2N-32MR的饮料灌设计包括三菱PLCFX2N-32MR外部电路的设计与安装；软件部分包括程序的设计与调试。本论文讨论了利用日本三菱PLCFX2N-32MR进行了饮料灌装生产流水线的控制，重点分析了系统软件的设计部分，并给了系统硬件接线图、PLC控制、I/O分配表以及整体系统流程图，实现了

3、饮料灌装的自动化，提高了效率，降低了劳动力。此论文通过对饮料灌装生产流水线的组成的了解，利用PLC的功能和特点设计出了此系统。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包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，此过程前，瓶子要经过传感器检测是否干净，如果不干净要通过机械手清洗清洗干净并烘干，直到干净为止；瓶子装满饮料后，传送带驱动电机自动启动，并保持到检测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，灌装5分钟，灌装过程应有报警显示，5秒后停止不在报警显示；瓶子装满要压盖。用两个传感器和若干个加法器检测并记录空瓶书和

4、满瓶数。本课题采用三菱公司的FX系列可编程序控制器，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。所设计系统最终能够实现以下功能：(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。该系统主要运用了三菱PLC、传感器、继电器、行程开关等器件，利用PLC良好的自动控制性能，实现饮料罐装生产过程的无人控制。关键词：可编程控制器、灌装流水线、PLC、传感器前 言现代技术

5、的不断更新很多，工业自动化系统已经从单机的PLC控制发展到多PLC及人机界面（HMI，Human Machine Interface）的网络控制。早期的灌装生产流水线大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方式。但这些方式存在一些不足。例如：灌装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。本系统采用的饮料分装计量是通过时间和单位时间流量来确定的，计量精度由可编程控制器（PLC）控制确定。并且在本系统还具有数据统计和故障报警功能，能够准确的将生产情况告知用户，使用户能灵活的调整生产方式和方便的了解到设备的即时运行状态。PLC控制具有编程简单、工作可靠、使用方便等特点，已经在工业自动化控制领域得到了广泛

6、的应用第一章 绪论1.1饮料灌装生产流水线的概述1.1.1生产流水线的概念生产流水线是生产型企业最常用的制造产品的形式，它是由一群人或机器人在一个接一个的完成一项半成品或成品的加工及检验和包装，由于是有些采用行走的输送带承载被加工的物品，因此被称为流水线生产。1.1.2生产流水线的形式及特点(1) 板链式装配流水线特点：承载的产品比较重，和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡；生产的节拍不是很快；以链板面作为承载，可以实现产品的平稳输送。(2) 滚筒式流水线特点：承载的产品类型广泛，所受限制少；与阻挡器配合使用，可以实现产品的连续、节拍运行以及积放的功能；采用顶升平移装置，可以实现产品的离线返修

7、或检测而不影响整个流水线的运行。(3) 皮带式流水线特点：承载的产品比较轻，形状限制少；和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡转向；以皮带作为载体和输送，可以实现产品的平稳输送，噪音小；可以实现轻型物料或产品较长距离的输送。(4) 差速输送流水线特点：差速输送流水线采用倍速链牵引，工装板可以自由传送，采用阻挡器定位使工件自由运动或停止，工件在两端可以自动顶升，横移过渡。还可以在线可设旋转、专机、检测设备、机械手1.2 PLC主要模块（1）主要由机架、电源模块、CPU模块、信号模块、通信模块、功能模块、接口模块等组成，所有模块均安装在机架上。21.2.1 CPU模块（1）CPU模块如图3-2所示，

8、早期的CPU是指2002年10月以前的产品，2002年10月以后的产品为新型的CPU。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数（2）CPU的主要技术指标有内存空间、运算速度、内部资源（如计数器、定时器的个数）、中断处理能力、通信方式等。1.模式选择器STOP 停止模式，CPU检测所有已经配置的模块或设置为默认地址的模块是否存在，并设置模块到预置的初始模式，停止模式下CPU不执行用户程序。RUN运行模式，CPU执行用户程序，更新输人、输出信号，响应中断请求，对故障信息进行处理。早期的CPU在运行模式下不能将修改

9、后的程序下载到CPU。RUN-P早期的CPU有RUN-P模式，CPU允许用户在运行模式下修改程序。MRE 模块复位（Module Reset），CPU清除硬件组态信息和用户程序。2. 存储器卡CPU内部的装载存储器和工作存储器的类型均为RAM，即掉电后信息会丢失。CPU为存储器卡提供一个插槽，它提供了电源断电情况下可以后备用户信息。当发生断电时利用存储器卡不需要电池就可以保存用户程序及过程数据。对于新型的CPU，由于内部没有集成装载存储器，因此CPU必须插入一个微型存储器卡（MMC，Micro Memory Card）否则无法工作。3.状态指示灯SF（红色） 系统错误，CPU内部错误或带诊断功

10、能模块错误BF（红色） 总线错误，（带DP接口的CPU）BATF（红色） 电池故障，电池不足或不存在（2002年10月以前的CPU）DC5V（绿色） 内部5VDC电压指示FRCE（黄色） 强制有效，指示至少有一个输入或输出被强制RUN（绿色） 当CPU启动时闪烁，在运行模式下常亮STOP（黄色） 在停止模式下常亮；存储器复位时闪烁由于学校条件有限，有的地方颜色用别的代替不足之处请谅解4. 电池盒对于早期CPU，在前盖下有一个装锂电池的空间，当出现断电时锂电池用来保存RAM中的内容。对于新型的CPU，不需要电池，信息保存在MMC卡中。5. MPI接口多点接口（MPI，Multipoint Int

11、erface）用于连接CPU到编程设备，或用于MPI网络的通讯。6 DP 接口部分CPU集成了DP通讯接口，CPU型号为PLCFX2N-32MR表明该CPU有2个接口，除了MPI接口外，另1个为DP 接口。DP 接口用于将分布式I/O通过PROFIBUS-DP网络连接到CPU。PLCFX2N-32MR系列由于适应环境比较强，应用广所以普遍适合于中小型设备，如包装机、印刷机等设备的控制。本次论文由于学校条件有限我选的这一款。1.2.2信号模块（1）信号模块（SM，Signal Module）是联系外部现场设备与CPU模有各种不同类型的信号模块可供选择。1.数字量输入模块DI数字量输入模块按输入点

12、数分为DI32、DI16和DI8三种类型，按输入电压等级分为DC24V、DC48125V、AC120/230V等多种规格。2. 数字量输出模块DO数字量输出模块按输出点数分为DO32、DO16和DOI8三种类型，按输出电压等级分为DC24V、DC48125V、AC120/230V等多种规格。3. 数字量输入/输出模块DI/DOS7-300系列PLC配有数字量输入/输出模块，即将输入/输出端子集成在同一个模块上。按输入/输出点数分为DI16/DO16、DI8/DO8和DI8/DX8几种类型，电压等级为DC24V。4. 模拟量输入模块AI模拟量输入模块按输入通道数分为AI2、AI8、AI16等几种

13、类型，按传感器输入信号的性质分为测电压、测电流、测电阻、测温度等多种类型。5. 模拟量输出模块AO模拟量输出模块按输出通道数分为AO2、AO4、AO8等几种类型，输出方式有电压和电流两种形式。6.模拟量输入/输出模块AI/AOS7-300系列PLC配有模拟量输入/输出模块，即将输入/输出通道集成在同一个模块上。按输入/输出通道数分为AI4/AO2和AI4/AO4两种类型。7. 前连接器信号模块在使用前需要配备前连接器，传感器和执行器的信号通过前连接器接入模块。这样在更换模块时之需拆下前连接器而不需要重新接线。（1）通信处理器（CP，Communication Processor），用于PLC之

14、间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或者用于实现点对点通信。常用的通信处理器有用于分布式现场总线PROFIBUS-DP网络的CP342-5和CP443-5扩展型，用于工业以太网的CP343-1和CP443-1，用于AS-i网络的CP343-2等。1.1.4功能模块（1）功能模块（FM，Function Module）是“智能”信号处理模块。S7-300/400的功能模块主要有高速计数器模块、定位模块、步进电机控制模块，伺服电机控制模块，PID控制器模块等。1.1.5接口模块接口模块（IM，In

15、terface Modulel）用来实现中央机架与扩展机架之间的通信。CPU模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳控制系统的全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。在中央机架上安装的接口模块为发送器，在扩展机架上安装的接口模块为接收器。1.1.6面向槽位的编址方式 第二章 PLC基础2.1可编程控制器可编程控制器是工业自动化的基础平台。在工业现场中用于对大量的数字量和模拟量进行控制，例如电磁阀的开闭，电动机的启停、温度、压力、流量的设定，产品的计数与控制等。2.1.1可编程控制器的产生和定义可编程控制器的缩写为PLC（Programable Logical Controller），是将

16、计算机技术、自动化技术和通信技术融为一体，专为工业环境下应用而设计的控制设备。20世纪60年代，生产过程及各种设备的控制主要是继电器控制系统。继电器控制简单、实用，但存在着明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难以实现较复杂的控制特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，一旦动作顺序或生产工艺发生变化时，就必须进行重新设计、布线、装配和调试，所以通用性和灵活性较差。生产上迫切需要一种使用方便灵活、性能完善、工作可靠的新一代生产过程自动控制系统。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数宇公司研制出了第一代可编程序控制器，它具有逻辑运算、定

17、时、计数等顺序等功能。21世纪以来由自动化生产技术的迅猛的发展，PLC采用通用微处理器为核心，具有了函数运算、高速计数、中断技术、PID控制等功能，称为PC(Programable Controller) 即可编程控制器。但由于PC（Personal Computer）已成为个人计算机的代名词，为了不与之混淆，人们习惯上仍将可编程控制器称为PLC。经过短短的几十年发展，可编程控制器已经成为自动化技术的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。1982年，国际电工委员会（IEC）制定了PLC的标准，在1987年12月颁布的第三稿中，对可编程控制器的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的

18、电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其则设。2.1.2可编程控制器的特点(1) 可靠性高，抗干扰能力强微机虽然具有很强的功能，单抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度的变化等都可以使一般通用微机不能正常工作。而PLC是专为工业环境应用而设计的，故对于可能受到的电磁干扰、高低温及电源波动等影响，已在PLC硬件及软件的设计上采用了措施。如在

19、硬件方面采用了电和磁的屏蔽，对I/O接口采用了光电隔离，对电源及I/O接口线采用了多种滤波等。而在软件方面采用了故障检测、诊断、信息保护和恢复等手段，一旦发生异常，CPU立即采取有效措施，防止故障扩大，使PLC的可靠性大大提高。(2) 机构简单，应用灵活PLC在硬件结构上采用模块化积木式结构，各种输入输出信号模块、通信模块及一些特殊功能模块品种齐全。针对不同的控制对象，可以方便、灵活地组合成不同要求的控制系统。硬件接线简单，一般不需要很多配套的外围设备。(3) 编程方便，易于使用PLC采用了与继电器控制电路有许多相似之处的梯形图作为主要的编程语言，程序形象直观，指令简单易学，编程步骤和方法容易

20、理解和掌握，不需要具备专门的计算机知识，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可以在短时间内学会。(4) 功能完善，适用性强PLC具有对数字量和模拟量很强的处理功能，如逻辑运算、算术运算、特殊函数运算等。PLC具有常用的控制功能，如PID闭环回路控制、中断控制等。PLC可以扩展特殊功能，如高速计数、电子凸轮控制、伺服电动机定位、多轴运动插补控制等。PLC可以组成多种工业网络，实现数据传送、上位监控等功能。2.1.3 设计PLC控制时应遵循以下原则应遵循以下基本原地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究

21、，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。(1) 最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度(2) 保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。(3) 力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固

22、然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。4) 适应发展(的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。实际上PLC控制系统的设计，按照

23、国外发达国家的标准：首先考虑的是系统的安全性、可靠性设计，然后才是根据控制工艺要求进行控制流程设计，然后就是编写切实可行、高效的PLC程序，这里在安全性、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，以及软件PLC程序中的安全考虑应该同步进第三章 饮料灌装生产流水线的PLC控制要求和内容3.1 控制任务自动化生产线模型设计了手动和自动两种工作模式。手动模式用于设备的调试和计数统计的复位。自动模式下允许启动生产线运行。控制系统中包括紧急情况的处理以及故障诊断与显示报警功能。急停功能当设备发生故障时，按下急停按钮，停止设备的一切运行。手动模式在手动模式下，可以通过点动按

24、钮使传送带电动机正转或反转，用于调试设备。在手动模式下，可以通过复位按钮对计数统计值进行清零。在手动模式下，可以通过选择开关设置下位（PLC）或上位（HMI）控制。(3) 自动模式在自动模式下，按下启动按钮，系统启动，电动机正转，传送带运行。空瓶子达到灌装位置时，电动机停转，灌装阀门打开。灌装时间到，灌装阀门关闭，电动机正转，传送带继续运行。在自动模式下，按下停止按钮，系统停止，电动机不转，传送带停止运行。(4) 工件计数统控制系统可以实现工件的计数统计，包括毛坯数，正品数和废品数。正品数显示在控制面板的数码管上。(5) 模拟量检测灌装液罐的液位由模拟量液位传感器进行监视。液位低于下限时，要打

25、开进料阀门，液位高于上限时，要关闭进料阀门。(6) 故障报警当设备发生故障时，控制系统能够立即响应，控制面板上相应的故障指示灯会闪亮。故障排除后，按下故障复位按钮，生产线才能自动运行。3.2 控制方案设计原则自动化控制系统的被控对象一般为机械加工设备、电器设备、生产线或生产过程。控制方案设计主要包括硬件设计、软件程序设计、施工设计及现场调试等几部分内容。3.2.1 确定系统控制任务与设计要求首先要了解机械运动与电气执行元件之间的关系，仔细分析被控对象的控制过程和控制要求，熟悉工艺流程及设备性能，明确各项任务的要求、结束条件及控制方式。对于较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立的部分，这样

26、可以化繁为简，有利于编程和调试。本次设计的任务是以三菱FX2N系列PLC作为处理核心，用微波测微仪、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。3.3 控制方案设计原则1.硬件方案设计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，待空饮料瓶行至光电传感器时电动机停转，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

27、灌装是否装满，是通过下图中所在位置的微波测微仪的工作来实现的。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2-1所示。图2-1生产流水线结构2.软件方案设计（1）经验设计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

28、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）逻辑设计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。3.制定电气控制方案根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定控制系统的工作方式，例如：全自动、半自动、手动、单机运行、多机联线运行等。还要确定控制系统应有的其他功能，例如故障诊断与显示报警、紧急情况的处

29、理、管理功能、网络通信等。如上图所示就是流水管生产方案图4 确定控制系统的输入输出信号根据被控对象对控制系统的功能要求，明确控制对象输入输出信号的类型及信号数值范围。3.4控制对象的类型数字开关量型数字量输入对象：按钮、选择开关、行程开关、限位开关、光电开关等各种开关型传感器。数字量输出对象：继电器、电磁阀、电动机起动器、指示灯、蜂鸣器等。模拟量型模拟量输入对象：温度、压力、流量、液位、电动机电流等各种模拟量传感器。模拟量输出对象：电动调节阀、变频器等执行机构。控制对象的数值范围数字（开关）量型外部输入信号电压等级：DC24V、DC48125V、AC120/230V。外部负载电压等级：DC24

30、/48V、DC48125V、AC120/230V。模拟量型外部输入传感器信号的类型（如电压、电流、电阻等）及测量的量程范围。外部负载的类型（如电压或电流）及对应的输出值范围。3.5 PLC硬件配置FX2N系列PLC简介：三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一。该公司的生产的系列机型，属于高性能叠装式机型，是三菱公司上网典型产品，系列PLC具有数十种编程元件。系列PLC编程元件的编号分为两部分：第一部分是代表功能的字母。如输入继电器用“X”表示、输出见电器用“Y”表示。第二部分为数字，数字为该类器件的序号。根据所需的用户输入输出设备及I/O点数，选择FX2N32MR001型PLC就可以满足控制系

31、统的要求。I/O信号的点数：根据已确定的I/O设备统计所需要的I/O信号的点数，选择是否支持扩展机架的CPU。网络通讯的模式：根据控制要求的信号传输方式所需要网络接口的形式，选择支持现场总线的网络、工业以亚太网络或点到点通讯的CPU。如果网络有路由要求，则选择集成了该功能的CPU。(2). 硬件配置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%15%的容量，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。3.5.1 I/O分配通过对输入输出设备的分析、分类和整理，进行相应的I/O地址分配，应尽量将相同类型的信号、相同电压等级的信号地址安排在一起，以便施工和布线，并绘制I/O接线图。3.5.2 控制程序设计按照控制系统的要求进行PLC程序设计是工程设计的核心。程序设计时，应将控制任务进行分解，编写完成不同功能的程序块，包括循环扫描主程序、急停处理子程序、手动运行子程序、自动运行子程序、故障报警子程序等。编写的程序要在实验室进行模拟运行与调试，检查逻辑及语法错误，观察在各种可能的情况下各个输入量、输