啤酒灌装生产线设计.doc
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西华大学课程设计说明书
目录
1前言 3
2总体方案设计 4
2.1啤酒罐装传送带调速系统设计要求 4
2.2方案比较 5
2.3方案选择与方案论证 8
3罐装传送带调速系统分析 9
3.1罐装传送带调速系统工艺流程 9
3.2输入信息分析 10
3.3输出信息分析 11
4罐装传送带调速控制系统硬件设计 12
4.1罐装传送带系统总图设计 12
4.2电器元件的选型 13
5罐装传送带调速控制系统软件设计 14
5.1编程平台介绍 14
5.2罐装传送带控制程序设计 15
5.3罐装传送带程序的仿真调试 19
6罐装传送带调速监控系统软件设计 20
6.1MCGS组态软件介绍 20
6.2上位机监控画面的组态设计 22
6.3实时数据库的变量设置 22
6.4脚本程序的设定 23
6.5PLC与MCGS的连接 23
7总结 25
8参考文献 26
1前言
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。
随着大规模集成电路和微处理器的发展和应用，在上世纪60年代出现了能够以软件手段来实现各种控制功能的革命性控制装置—可编程逻辑控制器（PLC）。
它把计算机的功能完备、通用性和灵活性好等优点和继电接触式控制系统的操作方便、简单易懂、价格低廉等优点结合起来了，因此它是一种能够完全适应于工业环境的通用控制装置。
PLC和原来的控制系统相比，增加了算术运算、数据转换、过程控制、数据通信等功能，能够很方便的完成大型而复杂的任务。
可编程序控制器作为工业自动化的支柱之一，在工业自动控制领域占有十分重要的地位。
众所周知，变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
在工业生产领域中，变频调速是异步电动机控制的一种比较合理和理想的调速方法，它通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都能可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，能够很好地提高工业生产的效率。
在许多工业控制中，由于对生产效率的需要，要求电动机能够调速。
过去由于交流电动机调速困难，调速性能要求高的场合一般都采用直流调速，而直流电冬季结构复杂，体积大，维修困难，因此随着变频调速技术的成熟，交流调速正逐步取代直流调速，往往需要进行矢量控制和直接转矩控制，来满足各种生产工艺的要求。
利用变频器拖动电动机，起动电流小，可以实现软起动、多段速调速和无级调速，方便的进行加减速控制，是电动机获得高性能，大幅度地节约电能，因而变频器在工业生产和生活中得到了越来越广泛的应用。
随着电力电子元件的迅速发展，变频调速的应用己越来越广泛，而且中、小功率的变频器都有定型产品，无需用户进行主回路参数计算，即可以按机械设备的工艺要求直接选用变频器。
如能正确使用，其寿命可达10年以上,消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量，应用变频器节电率为20%～50%，效益显著。
综合上述可编程控制器和变频器控制的诸多优点，我们将二者结合起来，通过可编程控制器输出来控制变频器的多段速调速，让电动机转速跟随检测的反馈信号而变化，实现对灌装啤酒传送带速度的自动控制，使其与灌装机的速度相匹配，提高工业生产的效率。
本次设计将可编程控制器和变频器控制进行了充分的结合运用，将可编程控制器的开关量输出端直接与变频器的开关输入端相连，体现了由新的控制器带来新的控制理念的思想。
2总体方案设计
2.1啤酒罐装传送带调速系统设计要求
要求PLC根据瓶流通过变频器调整输送带的速度，即PLC根据瓶流情况选择多段速控制，做到输送带速度与灌装机速度很好的匹配。
系统构成如下图所示。
由光电检测开关检测瓶流速度，不同的瓶流速度对应变频器的不同速度，由PLC的输出端子去控制变频器的多段速控制端，实现速度的调整，实现与灌装速度相匹配。
图2.1系统构成图
在灌装速度不变的情况下，瓶流速度必须和灌装速度保持一致，为了保持一致，需要用一个光电传感器把检测到的瓶流脉冲输入到PLC，由PLC控制变频器多段速调速。
并且可以在MCGS上做到上位监控。
2.2方案比较
本次设计我们初构了两个设计方案
方案一：
无级调速
基本原理：
图2.2方案一方框图
由于变频器的频率指令信号可以从变频器的模拟输入端子送入，进行变频器的无级调速，且其模拟端子的输入信号可以是0~10V、-10V~+10V、4~20mA。
因而我们将用光电传感器检测瓶流速度反馈信号送入PLC与已知的罐装速度信号做差得到差值电压V，然后对V进行处理，将处理结果经中间处理单元（D/A转换器、电平匹配处理单元等）处理后变为连续的电信号输入变频器的模拟信号输入端，从而控制变频器的频率连续变化，让变频器改变输出频率驱动电动机，实现对电动机的调速控制即控制瓶流速度与罐装速度相匹配。
使用该方法需要注意两点：
一是必须根据变频器的输入阻抗来选择PLC的模拟输出模块，二是必须选择PLC的模拟输出模块与变频器的输出信号范围相一致。
方案二：
多段速调速
基本原理：
图2.3方案二方框图
通过变频器的多功能输入端的设定，即设定多级速度频率，可以实现多级调速运转，并可通过外部信号选择使用某一级速度，本次设计为3级速度频率。
用PLC的开关量输入输出模块控制变频器的多功能输入端，以控制电机的正转和转速等，实现有级调速。
图2.4多段速调速连线框图
变频器的多段速调速可以通过RH、RM、RL三个输入端子的不同组合来设定7个不同的速度，并且速度多可以单独的通过控制面板在0～120HZ之间任意设定，设定范围广。
第1、2、3速在出厂时分别设定为50HZ、30HZ、10HZ，第4～7速未设定，需通过手动进行相关的设定。
如果将设定参数P63设定为8：
REX（多段15速选择），就可以通过RH、RM、RL、REX四个端子的不同组合来设定15速选择，但此时变频只能单向运转，不能反转运行。
REX
RH
RM
RL
转速编号
0
1
0
0
1
0
0
1
0
2
0
0
0
1
3
0
0
1
1
4
0
1
1
0
5
0
1
0
1
6
0
1
1
1
7
1
0
0
0
8
1
1
0
0
9
1
0
1
0
10
1
0
0
1
11
1
0
1
1
12
1
1
1
0
13
图2.5多段速调速速段分配表
图2.6多段速调速原理图
用此方法可以有两种基本算法：
算法一：
多段调速之一次调解法，即用光电传感器检测瓶流速度并送入PLC与已知的罐装速度做差得到差值电压V，然后对V进行处理，得出需要调解的速度段数，由PLC输出以控制变频器的频率控制端，变频器改变输出频率驱动电动机，实现对电动机的调速即控制瓶流速度与罐装速度相一致，达到设计目的。
算法二：
多段调速之渐次调解法，即用光电传感器检测瓶流速度并送入PLC与已知的罐装速度做差得到差值电压V，然后对V进行处理，将V与给定值进行比较，若小于一定范围，则速度降级，若大于一定范围，则速度升级，若在一定范围内，则速度级数不变。
另外，如果转速超越允许范围而过快，则PLC的Y3端口输出L1灯报警信号;反之如果转速低于允许范围而过慢，则由PLC的Y4端口输出L2灯报警信号，整个转速控制过程由PLC输出以控制变频器的频率控制端，以使变频器改变输出频率驱动电动机，从而实现对电动机的调速即控制瓶流速度与罐装速度一致，达到设计目的。
在该方案中，我们还增加了变频器的故障反馈保护系统，由变频器的A端输出，当变频器发生故障时，反馈控制信号经A端传送到PLC的输入控制端口X9端，经PLC逻辑运算后由Y5端输出，控制接触器KM1动作，及时切断变频器的主电源，起到保护作用。
2.3方案选择与方案论证
方案二的算法一调解速度比较迅速，但有时调解的速度级差较大，会对电动机有伤害，影响电动机的寿命；方案一的算法二调解速度较慢，虽然调解速度的级差较小，但比较平滑，有利于保护电机，而且接线简单，抗干扰能力强，使用方便，可靠性高，同用模拟信号进行速度给定的方法相比，这种方式的设定精度高，成本低，也不存在由飘移或偏差过大带来的各种问题。
且方案二能够对变频器起到很好的保护作用，能够及时避免变频器因为故障而损毁。
方案一为无级调速，调速精度高，控制效果好，平滑性好，但由于在中间处理单元中出现了模拟信号，就会存在温漂、信号电压差等误差影响，且算法较复杂，在选择PLC时还要求根据变频器的输入阻抗来选择PLC的模拟输入模块，同时还要让PLC的模拟输出模块与变频器的输入信号范围相一致，对于精度要求不高的系统，成本和效益比较差。
另外在多段调速中，系统的控制信号为数字信号，所以频率设定值比较准确，不会受温漂的影响。
且调速实现比较简单，易于实现，对于精度要求不高的场合非常适用。
因此，综合考虑各方面因素及要求，选择方案二的算法二作为本次设计的设计方案，经实验论证后也是完全可行的。
3罐装传送带调速系统分析
3.1罐装传送带调速系统工艺流程
图3.1系统工艺流程图
罐装传送带控制系统的系统设计目的是利用PLC和变频器控制电动机转动带动皮带传动，然后将要灌装的瓶传送给灌装机，达到瓶流速度和灌装速度的协调，从而提高工作效率。
本次设计的工艺流程图如图3.1所示，系统启动后按下电机正转开关，若电机出现异常马上切断工作电源进行保护，若电机情况正常则电开始下一步工作。
电机开始转动，带动皮带传动，待灌装的瓶子在皮带的传动作用下经过光电传感器，传感器对瓶子进行计数送往PLC进行数据处理，处理后得到的瓶流速度和PLC存储器里面设定的值进行比较，判断是否需要进行调速，如果不需要调速电机按照原来的速度运转，如果需要进行调速，则PLC输出控制信号给变频器多段速调速控制端，变频器接受到PLC传送过来的控制信号后经内部处理，输出特定频率的电压实现对电机的变频调速。
变频器异常输出端反馈信号给PLC输入，实现对变频器的保护。
3.2输入信息分析
根据系统的功能需要，本系统的输入信号主要有10个，分别是启动按钮、停止按钮、自动、手动切换按钮、检测频率输入信号端、变频器突发信号进入端。
启动按钮用于启动调速系统开始工作，停止按钮用于结束调速系统，自动按钮用于控制电机自动调速运转，手动按钮用于手动控制电机转速，频率信号输入端是用于将光电传感器传来的脉冲信号传入PLC，由PLC进行逻辑处理，突发信号进入端用于检测变频器的异常以便于及时进行处理，防止变频器因此而损坏。
输入信号表如图3.2所示：
图3.2输入端口列表图
3.3输出信息分析
根据系统的功能需要，本系统的输出信号主要有7个，其中Y0、Y1、Y2用于设定频率控制信号，控制电动机的低、中、高、速运转。
Y3用于实现电动机转速的过快报警，Y4用于实现电动机转速的过慢报警，Y5用于当变频器发生异常故障时断开变频器电源，Y6用于启动电动机的正转运行，PLC输出信号表如表3.2所示：
图3.3输出端口列表
4罐装传送带调速控制系统硬件设计
4.1罐装传送带系统总图设计
系统总图如下所示：
图4.1系统总设计图
4.2电器元件的选型
本设计中所使用到的元器件清单如下表所示：
图4.2元器件清单选择表
5罐装传送带调速控制系统软件设计
5.1编程平台介绍
GXdeveloper：
三菱可编程控制器FX系列和QA系列的编程软件。
主要用于xp系统下的三菱plc编程软件，中文简体；支持三菱最新的fx3u/fx3uc系列plc编程；支持三菱a系列、q系列、Fx系列及运动控制器的编程等。
它包括PLC程序设计软件，支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，结构化程序的编写（分部程序设计），可制作成标准化程序,在其它同类系统中使用。
设计非常方便，本次设计我们就选用了GXdeveloper软件作为编程平台进行设计。
操作界面如下图所示：
图5.1GXDeveloper编程界面
5.2罐装传送带控制程序设计
具体设计程序及注释如下：
手动子程序
公用程序
变频器异常断开其电源
自动子程序
手动控制高速
手动控制中速
手动控制低速
启动
停止
定20秒为单位时间
启动电机正转
记X4脉冲个数
脉冲个数C0
C0<4
C0=4
4脉冲个数C0
8<=C0<=12
C0<16
C0=16
C0>16
取消报警
C0<4则为速度过低，启动报警一
4<=C0<=8时,启动高速20秒后返回继续判断瓶流速度
8<=c0<=12时,启动中速20秒后返回继续判断瓶流速度
12<=C0<=16时,启动低速20秒后返回继续判断瓶流速度
C0>16时则为速度过高启动报警二
图5.2所编程序图
5.3罐装传送带程序的仿真调试
用GXdeveloper的simulator进行仿真，具体步骤如下：
1进入仿真环境
图5.3仿真环境图
2加载程序进行逻辑功能调试:
图5.3仿真环境程序加载图
6罐装传送带调速监控系统软件设计
6.1MCGS组态软件介绍
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系统。
MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。
使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。
MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。
MCGS5.1软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。
组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。
运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。
MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。
两部分互相独立，又紧密相关。
图6.1MCGS功能流程图
MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。
用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。
MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。
在运行环境中完成对工程的控制工作。
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。
主控窗口：
是工程的主窗口或主框架。
在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。
主要的组态操作包括：
定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
设备窗口：
是连接和驱动外部设备的工作环境。
在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
用户窗口：
本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：
生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。
实时数据库：
是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。
在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
运行策略：
本窗口主要完成工程运行流程的控制。
包括编写控制程序（即if…then脚本程序），选用各种功能构件，如：
数据提取、定时器、配方操作、多媒体输出等，如图6.1所示，可以由它实现对工业生产的仿真上位监控过程。
图6.1MCGS运行策略组态图
6.2上位机监控画面的组态设计
基于PLC与变频器的罐装传送带控制系统界面如下：
图6.2MCGS上位机模拟监控图
6.3实时数据库的变量设置
实时数据库的变量设置图如下：
图6.3实时数据库的变量设置图
6.4脚本程序的设定
通过脚本程序设定控制上位监控的仿真界面，由运行策略进入设定，如下图：
图6.4脚本程序控制结构图
6.5PLC与MCGS的连接
打开“设备窗口”后，双击进入。
点击鼠标右键，进入“设备工具箱”，如下图：
图6.5连接图一
在“设备工具箱”中选入“串口通讯父设备”和“三菱FX-232”，先进入“串口通讯父设备”对其“基本属性”进行设置，结果如下图：
图6.6连接图二
然后对“三菱FX-232”进行设置，其设置包括“基本属性”，“通道连接”如图所示：
图6.7连接图三
图6.8连接图四
7总结
本次设计主要是利用PLC和变频器控制电动机转动带动皮带传动，然后将要灌装的瓶传送给灌装机，达到瓶流速度和灌装速度的协调，提高生产效率。
本次设计的基本思路如下：
系统启动后按下电机启动开关，若电机出现异常，则热电流继电器马上切断进行保护，若电机情况正常则电开始下一步工作。
电机开始转动，带动皮带传动，待灌装的瓶子在皮带的传动作用下经过光电传感器，传感器对瓶子进行计数送往PLC进行数据处理，处理后得到的瓶流速度和PLC存储器里面设定的值进行比较，判断是否需要进行调速，如果不需要调速电机按照原来的速度运转，如果需要进行调速，则PLC输出控制信号给变频器多段速调速控制端，变频器接受到PLC传送过来的控制信号后经内部处理，输出特定频率的电压实现对电机的变频调速。
变频器异常输出端反馈信号给PLC输入，实现对变频器的保护。
此设计基本满足设计要求。
通过这段时间的准备、查找、思考、整理总结，我终于完成我的PLC技术课程设计。
经过这些天的课程设计学习，我认识到PLC技术课程的涉及面非常广，特别是日常生活中，随处可见。
课程设计是对我的一次综合性训练，它让我充分综合运用我所学到的PLC技术理论与实践紧密的相结合，培养我独立解决实际问题的能力。
这次设计让我觉得自己更加的走进了专业，让我更加了解自己的专业。
它告诉了我在今后应该怎样去学习，掌握学习的主动权，怎样充分的去运用学校的教学资源。
总之，通过这次设计，让我的学习目的更加明确，掌握了一些新的学习方法，觉得自己有了很大的提高。
8参考文献
[1]FX2N使用手册[EB/OL].工控自动化
[2]三菱FX全系列PLC编程手册（中文）[EB/OL].
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化学工业出版社.2003.07.
[4]史国生.电气控制与可编程控制器技术[M].北京：
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[5]王兆义.小型可编程控制器实用技术[M].北京：
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人民邮电出版社.2002.09.
[7]汪仁智.XML和OPC将为工业自动化控制系统集成提供新途径[J].世界仪表与自动化,2001.
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