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自动灌装技术论文
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。
本文详细论述了饮料灌装机控制系统的设计步骤，本系统设计中完成了饮料灌装机控制系统的硬件的配置和软件方面的设计，实现了饮料灌装机控制系统的自动化。
对劳动生产率的提高，对饮料的质量和产量的提高都具有深远的意义。
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。
关键词：
可编程控制器；自动化；灌装；生产线
Abstract
With the increasing level of industrial automation, many industrial enterprises are facewith the transformation of traditional production line and re-design problem.This paper involves the drinks filling automationproduction line adopts PLC control, This design co-mpletes the drinksproduction line hardware configuration and software design,to achieve automation of the carbonated drinks filling machine.Not only improve thelabor productivitybut also has far-reaching significance of the improvem-ent of quality and yield. PLC control of the use of beverage filling produ-ction process, which can effectively improve the production efficiency of filling, and significantly increase the reliability of controlsystems andflexible.
Keywords:
Programmable controller；AutomationFilling；Production line
目录
摘要………………………………………………………………………
Abstract…………………………………………………………………
概述………………………………………………………2
第一章总体设计方案………………………………………………3
1.1系统框图……………………………………………………………3
1.2饮料灌装结构图……………………………………………………4
1.3项目目标……………………………………………………………6
1.3.1电动机……………………………………………………6
1.3.2灌装机……………………………………………………7
第二章系统硬件设计………………………………………………8
2.1PLC基础……………………………………………………………8
2.1.1PLC的产生和定义………………………………………9
2.1.2可编程控制器的特点……………………………………10
2.1.3设计PLC基本原则……………………………………13
2.1.4PLC的选择S7—200………………………………………152.2电机的选择………………………………………………………16
2.4传感器的选择……………………………………………………16
2.4.1光电传感器………………………………………………18
2.4.2压力传感器………………………………………………26
2.4.3液位传感器………………………………………………30
2.4.4接近开关………………………………………………31
2.5原件明细表………………………………………………………32
第三章系统程序的设计…………………………………………33
3.1系统原理图…………………………………………………………33
3.2系统流程图…………………………………………………………34
3.3I/O分配表…………………………………………………………35
3.4梯形图…………………………………………………………36
致谢词…………………………………………………………………42
参考文献…………………………………………………………43
概述
一．课题研究背景
几年前，自动化技术只占包装机械设计的30%，现在已占50%以上，大量使用了微电脑设计和机电一体化控制。
提高了包装机械自动化程度的目的：
一是为了提高生产率；二是为了提高设备的柔性和灵活性；三是为了提高包装机械完成复杂动作的能力。
本设计的目的是利用“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，构成实用的饮料灌装生产线模拟系统。
二．课题研究意义
本设计鉴于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、可靠的饮料灌装生产线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。
三．设计要求
系统主要基于PLC-200，主要功能是完成饮料灌装生产过程，明确装瓶，传送，盖盖，检测过程，并可以启动，移位，复位按钮进行操作，实现手动，自动全过程。
四．题研究方法
步骤如下：
1.控制系统总体设计：
分析控制要求，了解系统工作过程。
2.控制系统硬件的设计：
PLC型号、相关元器件的选择以及外部接口电路的设计。
3.控制系统软件设计：
利用STEP7软件编制出相应的梯形图程序。
4.系统调试：
实验室中连接硬件线路，模拟运行，完成程序的调试。
第一章总体设计方案
1.1系统框图
按钮：
提供操作信号
热继电器：
过载保护
传感器：
检测到的信号输入PLC
电源：
给PLC提供工作电源
PLC:
通过输入、输出控制中间继电器的通断
中间继电器：
控制交流接触器
交流接触器：
保护与通断作用
电动机：
带动机械设备运行，完成加工工作
指示灯：
灌装报警信号
电磁阀：
控制流量
1.2饮料灌装结构图
如图1，图2，图3所示
1.3项目目标
整个流水线由主传送带（M1）、次品传送带（M2）、灌装装置、次品推动装置、光电传感器（定位）、压力传感器等组成。
流水线的实时监控，由传感器检测。
电动机的启动和停止，灌装装置的灌装，次品的检测、推动和计数由PLC控制。
按下启动按钮后，生产线进入自动工作状态，具备工作条件后，瓶子随着传送带进入灌装工序，灌装完成后传送带继续启动运行。
当瓶子随着主传送带平稳的进入灌装架时，灌装架的光电传感器信号送给PLC，主传送带停止1秒，并且夹瓶装置固定，一秒后，罐装架的电磁阀打开，汽缸启动并罐饮料，罐装到5S（及罐满）后自动停止，灌装过程中有报警提示，罐装结束后，主传送带开始启动，通过压力传感器检测是否满瓶，没装满的由推杆推入次品传送带。
检测满瓶过程中计数（正品与次品分别计数）。
1.3.1M1主传送带电动机
（1）功能：
带动主传送带运行。
（2）控制要求：
①一旦启动，M1主传送带驱动电机启动并保持到停止开关动作或者灌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M1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通过交流接触器实现失压。
欠压保护。
③通过热继电器实现过载，欠相保护。
M2次品传送带电动机
（1）功能：
带动次品传送带运行
（2）控制要求：
①一旦启动，则M2次品传送带驱动电机启动，并保持到停止开关动作。
②通过交流接触器实现失压。
欠压保护。
③通过热继电器实现过载，欠相保护。
M3灌装电动机
（1）功能：
保持料箱液位
（2）控制要求：
①当料箱中下陷位传感器动作时，M3启动给饮料注入原料，当上限位传感器动作时，M3停止。
②通过熔断器实现短路保护。
③通过交流接触器实现失压。
欠压保护。
④通过热继电器实现过载，欠相保护。
1.3.2灌装机
（1）功能：
在设定时间里定量灌装。
（2）控制要求：
①当瓶子定位在灌装设备下时，停顿1S，灌装设备开始工作，灌装过程为5S，灌装过程应有报警显示，5S后停止灌装并不再显示报警。
②保护
（3）实现方法：
电磁阀灌装：
电磁阀灌装阀的开关由电磁阀控制，灌装精度更高，计时恒压定量灌装原理，可使灌装的误差在千分之五以下。
电动定量灌装系统及电磁阀控制计量装置，可进行精确灌装，减少浪费。
在恒压储液罐灌液中，里面有上限位和下限位传感器，他们被淹没时是1状态。
液面低于下陷位液面是恒压储液罐为空。
饮料通过进液电磁阀流入恒压储液罐，液面到达上限位时进液电磁阀断电关闭，使液位保持稳定。
恒压储液罐下面是灌装头部分，夹瓶装置由汽缸1驱动下降，下降到位后，夹瓶装置由汽缸2加紧定位，定位夹紧后，灌装头由汽缸3驱动下降，到位后灌装头电磁阀打开，开始灌装，延时5秒电磁阀关闭，灌装头上升，夹瓶装置放松上升，传送带电机启动。
第二章系统硬件设计
2.1PLC基础
可编程序控制器，英文称ProgrammableLogicController，简称PLC。
但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。
它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
传统的继电器控制系统主要存在以下两个缺点，一是可靠性差，排除故障困难，因为它是接触控制，所以当触点发生磨损和断裂等损坏情况时很难做出相应处理；二是灵活性差，总体成本较高。
继电器本身并不贵，但是控制柜内部的安装，接线工作量极大，工艺发生变化时相应的改动更是复杂。
因此当市场需要适应新的变化时，PLC就应运而生了。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。
用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。
国际电工学会（IEC）曾先后于1982年、1985年和1987年发布了可编程序控制器标准草案的第一，二，三稿，并在1987年2月对PLC作了如下定义：
可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，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的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
定义强调了PLC是：
1数字运算操作的电子系统——也是一种计算机；
2专为在工业环境下应用而设计；
3面向用户指令——编程方便；
4逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作；
5数字量或模拟量输入输出控制；
6易与控制系统联成一体；
7易于扩充。
2.1.1PLC的产生和定义
可编程控制器的缩写为PLC（ProgrammableLogicalController），是将计算机技术、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。
可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。
国际电工学会（IEC）曾先后于1982年、1985年和1987年发布了可编程序控制器标准草案的第一，二，三稿，并在1987年2月对PLC作了如下定义：
可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，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的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
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、定时、计数等顺序等功能。
20世纪80年代后，由于计算机技术的迅猛的发展，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（ProgrammableController）即可编程控制器。
但由于PC（PersonalComputer）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，易于扩充其功能的原则设计。
”
2.1.2可编程控制器的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
工业生产一般对控制设备要求很高，应具有很强的抗干扰能力和高的可靠性，能在恶劣的环境中可靠地工作，平均故障间隔时间长，故障修复时间短。
这是PLC控制优于微机控制的一大特点。
例如日本的三菱公司F1、F2系列平均故障间隔时间长达30万h，而A系列的可靠性比F1、F2系列更高。
在PLC设计中，可以从硬件和软件两方面采取措施，防止以上故障的发生，以提高其可靠性。
主要措施有：
①硬件措施有：
屏蔽:
对电源变压器、CPU编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。
滤波:
对供电系统及输入/输出线路采用多种形式的滤波，如LC式π型滤波
网络，以消除高频干扰和削弱各种模块之间的相互影响。
电源的调整与保护:
对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压影响。
隔离:
在微处理器与输入/输出电路之间，采用光电隔离，有效地隔离输入/输出间电的联系，减少故障和误动作的可能。
联锁:
所有输出模块都受开门信号控制，而这个信号只在规定的各种条件都满足时才有效，这样就有效地防止了产生不正常输出的可能性。
采用模块式结构:
这种结构有助于故障情况下短时修复。
设置环境检测和诊断电路:
这种分电路与软件配合，可以实现灵活保护与故障指示等功能。
②软件措施有：
故障检测:
软件定期地检测外界环境，对诸如掉电、强干扰信号等情况能及时进行处理。
信息保护和恢复:
对偶发性故障只要故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息，一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的工作。
设置了警戒时钟WDT:
如果程序每循环执行时间超过了WDT规定时间，预示了程序进入死循环，立即报警。
加强对程序的检查和检验:
一旦程序有错，立即报警并停止执行。
对程序及动态数据进行电池后备:
停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会因此而丢失。
这样，PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高。
例如美国通用电气公司制成的PC控制模块平均无故障率可达1千万小时之多，组成系统后的平均无故障率可达4至5千万小时。
（2）编程简单，使用方便
这是PLC优于微机的另一个特点。
目前大多数PLC采用继电控制形式的“梯形图编程方式”，即有传统控制线路的清晰直观，又适合电气技术人员的读图习惯和微机应用水平，易于接受，与常用的汇编语言相比，更受欢迎。
这了进一步简化编程，当今的PLC还针对具体问题设计了诸如步进梯形指令、功能指令等。
PLC是为车间操作人员而设计的，一般只要很短时间的训练即能学会使用。
而微电脑控制系统则要求具有一定知识的人员操作。
当然，PLC的功能开发，需要有软件专家的帮助。
（3）控制程序可变，具有很好的柔性
在生产工艺流程改变或生产线设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只要改变程序就可以满足要求。
所以PLC取代继电器控制，而且具有继电器所不具备的无可比拟的优点。
因此PLC除应用于单机控制外，在柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS），以至工厂自动化（FA）中也被大量采用。
（4）功能完善
现代PLC具有数字和模拟量输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录和显示功能，使用设备水平大提高。
（5）扩充方便，组合灵活
PLC产品具有各种扩充单元，可以方便地适应不同工业控制需要的不同输入输出点及不同输入输出方式的系统。
为了适应各种工业控制需要，除了一些小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各个模块连接起来，系统的模块和功能可根据用户的需要自行组合。
（6）减少了控制系统设计及施工的工作量
由于PLC采用软件编程来达到控制功能，而不同于继电器控制采用接线来达到控制功能，同时PLC又能率先进行模拟调试，并且操作化功能和监视化功能很强，这些都减少了许多的工作量。
（7）丰富的I/O接口模块
为了实现与工业生产过程控制中的各种工业现场设备的相互连接，PLC除具有普通计算机的基本部分（如CPU，存储器等）外，还有丰富的I/O接口模块。
对不同的工业现场信号（交流或直流，开关量或模拟量，电压或电流，脉冲或电位，强电或弱电），设计有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。
由于PLC是工业控制的专用计算机，其结构紧密、坚固、体积小巧，并由于具备很强的抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现“机电一体化”较理想的控制设备。
由于PLC具备了以上特点，它把微计算机技术与继电器控制技术很好地融合
在一起，最新发展的PLC产品，还把直接数字控制（DDC）技术加进去，并具有
监控计算机联网的功能。
因而它的应用几乎覆盖了所有的工业企业，既能改造传统机械产品成为机电一体化的新一代产品，又适用于生产过程控制，实现工业生产的优质、高产、节能与降低成本。
Keyene的PLC是基于工业自动化的生产要求，专业对应生产需要而研发的PLC。
它的每一款产品都对应一类工况，在这种工况下，它的PLC可以实现非常好的使用性能。
Keyence是从传感器和光学元件起家，在软件研发上的投入非常大，因此它的PLC在数据采集处理，通信连接，自动化管理上非常突出，而且使用性能可靠。
针对一些特殊的生产环境，它的产品在外型上做到尽量紧凑，模块连接非常方便，这就是扩充变得很简单。
2.1.3设计PLC基本原则
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控制要求
充分发挥PLC的功能，最大限度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，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。
（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行。
（5）PLC的应用
由于PLC自身的特点和优势，PLC已经在工业控制中得到大量广泛的应用，包括机械，冶金，化工，电力，建筑等，应用范围也在不断扩大。
PLC的主要应用领域包括以下几个方面。
1.逻辑控制
逻辑控制是PLC最基本的应用，它可以取代传统的继电器控制装置，可实现组合逻辑控制，定时控制和顺序逻辑控制等功能。
PLC的逻辑控制功能已相当完善，可用于单机控制，也可用于多机群控制及自动生产线控制，其应用领域已普及各行各业。
2.运动控制
PLC使用专用的运动控制模块，可对直线运动或圆周运动的位置，速度和加速度进行控制，实现单轴，双轴和多轴位置控制，并使顺序控制和运动控制有机结合在一起。
3.闭环过程控制
过程控制是指对温度，压力，流量等连续变化的模拟量的闭环控制。
PLC通过其模拟量I/O模块，及数据处理运算功能，实现对模拟量的闭环控制。
现代的大中型PLC一般都有PID闭环控制功能，这一功能可以用PID子程序或专用的PID模块进行控制。
4.数据处理
现代PLC具有数学运算，数据传送转换排序和查表功
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