饮料灌装流水线控制.docx
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饮料灌装流水线控制
前言
目前，饮料厂的自动化灌装生产线中已经有越来越多的机器在使用先进的灌装技术来提高机器的自动化控制水平和生产效率，而应用PLC完成电气部分的控制是工业自动化电气控制的主要发展方向。
红牛饮料公司新上市的72000罐/小时的自动化灌装生产线便是先进的灌装技术。
1.多功能
同一台设备，可进行茶饮料、咖啡饮料、豆乳饮料和果汁饮料等多种饮料的热灌装；均可进行玻璃瓶与聚酯瓶的灌装，尽量减少企业的生产成本。
2.高速度、高产量
碳酸饮料灌装机的灌装速度最高达2000灌/分，德国H&K公司、SEN公司、KRONES公司，其灌装机的灌装阀分别达到165头、144头、178头。
非碳酸饮料灌装机的灌装阀50-100头，灌装速度最高达1500灌/分。
3.技术含量高、可靠性高
全线的自控水平高和全线效率高。
在线检测装置和计量装置配套完备，能自动检测各项参数、计量精确。
集机、电、气、光、磁为一体的高新技术产品不断涌现。
PLC编程简介体积小，重量轻，耗电少，接线编程简单，可靠性高，反应快。
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC
梯形图是目前最为广泛，最受欢迎的一种编程语言，采用串行工作方式，具有简单，直观等特点，它采用敞开接点、常闭接点构成组合逻辑电路驱动各类软器件线圈或功能指令实现一定的逻辑运算、算术运算或数据的传送、变换与外部输出等。
在梯形图中各类软器件用于内部编程的常开、常闭接点使用次数不受限制。
而普通的继电器线路为并行工作方式，而且受硬件条件限制，各类软器件用于内部编程的常开、常闭接点使用次数是受限制的。
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。
既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。
目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。
既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。
梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。
通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。
同时还提供了功能图、语句表等编程语言。
PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。
与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。
同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。
并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。
并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
第一章设计任务
1.1课题内容
饮料灌装生产流水线梯形图控制程序设计并画出电气接线图。
1.2控制要求
（1）系统通过开关设定为自动操作模式、手动操作模式，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）当瓶子定位在灌装设备下时，停顿1.0秒，灌装设备开始工作，灌装过程为5秒钟，灌装过程应有报警显示，5.0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，设最多不超过瓶。
（4）可以手动对计数值清零（复位）。
1.3课题要求
（1）设计说明书
（2）工程图纸：
原理图，布局图，接线图。
（3）程序流程图
（4）元器件清单
（5）地址分配表
（6）思考题
第二章总体设计方案
2.1系统流程图
图1系统流程图
2.2流水线灌装的工作原理
灌装流水线的运作是通过电磁阀和电动机来控制的
电磁阀采用比例电磁阀，其原理是利用比例电磁铁的输出电磁力，使液流压力和流量连续地、按比例跟踪控制信号而变化。
直动式电磁阀，通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。
特点：
在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。
流程图说明：
系统分自动和手动两种模式，在手动模式下，由SB2按钮控制启动主传送带电动机，到达灌装位置后，松开SB2，再按下按钮SB3，灌装装置开始动作；再自动模式下按下按钮SB5启动主传送带电动机，当定位传感器检测到饮料瓶后，主传送带停止，灌装装置开始动作，定时时间到达以后，灌装装置自动停止，住传送带再次运动。
2.3饮料灌装流水线的基本结构
整个灌装流水线的基本结构如图3、图4、图5所示。
整个流水线由主传送带、次品传送带、灌装装置、次品推动装置、定位传感器、次品检测传感器等组成。
电动机的启动和停止，灌装装置向上、向下移动和灌装，次品的检测、推动都是由PLC控制的。
流水线由传感器实时监控，由PLC控制，控制准确，自动化程度高。
图3灌装流水线基本结构图
图4灌装流水线基本结构图
图5灌装流水线的基本结构图
2.4选择电器元件
（1）电动机的选择
电动机M1型号为Y132M-4，额定电压为交流380V，额定电流为15A，频率为50HZ，功率为7.5KW，转速为1440r/min。
电动机M2型号为Y90S-4，额定电压为交流380V，额定电流为2.8A，频率为50HZ，功率为1.1KW，转速为1440r/min。
电动机M3选与电动机M2一样的型号即可。
（2）断路器的作用：
断路器的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。
而高压断路器要开断1500V，电流为1500-2000A的电弧，这些电弧可拉长至2m仍然继续燃烧不熄灭。
故灭弧是高压断路器必须解决的问题。
吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离，另一方面通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度。
断路器选用原则：
1）空开额定工作电压大于等于线路额定电压
2）空开额定电流大于等于线路负载电流
3）空开电磁脱扣器整定电流大于等于负载最大峰值电流（负载短路时电流值达到脱扣器整定值时，空开瞬时跳闸。
一般D型代号的空开出厂时，电磁脱扣器整定电流值为额定电流的8-12倍。
）也就是说短路跳闸而电机启动电流是可以避开的。
根据三个电动机的额定电流，选择断路器QF1、QF2、QF3的型号如表所示。
并根据PLC和变压器选择QF4和QF5的型号。
（3）热继电器FR1、FR2、FR3
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。
同理，FR2可选用JR10-10型热继电器，热元件电流为2A，电流整定范围为0.45~2A工作时将额定电压调整为1.1A。
FR3的型号和FR2相同。
（4）微波液位仪
微波液位仪原理图如图2所示：
相距为S的发射天线和接收天线，相互构成一定角度。
波长为λ的微波从被测液面反射后进入接受天线。
接收天线接收到的微波功率将随着被测液面的高低不同而异。
接受天线接收到的功率
；
为发射天线的发射功率；
为发射天线的增益；
为接收天线的增益；d为两天线与被测表面间的垂直距离。
当发射功率、波长、增益均恒定时，计算
图2微波液位仪原理图
式中，
为取决于发射功率、天线增益与波长的常数；
为取决于天线安装方法和安装距离的常数。
由上式可知，只要测到接收功率
，就可得到被测液面的高度。
（5）红外发光二极管
常用的红外发光二极管（如SE303·PH303），其外形和发光二极管LED相似，发出红外光（近红外线约0.93m）。
当红外线接收管受到红外线的照射时，其本身的电阻很小，呈低阻值，电路导通。
当红外发射头与接收头中间没有物品挡住时红外接收到红外线照射，呈现低电阻，发出一个高电平信号。
当有物体经过红外发射与接收的中间时，由于红外线被挡住，红外接收管呈现大的阻值，电路断开，这时红外接收管发出一个低电平信号。
当物体过完之后又回到原来的状态。
电器元件及其型号如表1所示。
表1电器元件明细表
符号
名称
型号
数量
M1
主传送带电动机
Y132M—4
1
M2
灌装装置电动机
Y90S—4
1
M3
次品传送带电动机
Y90S—4
1
QF1
断路器
NS100N
1
QF2
断路器
NS80N
1
QF3
断路器
NS80N
１
QF4
断路器
NS20N
1
QF5
断路器
NS10N
1
FR1
热继电器
JR16
1
FR2
热继电器
JR10-10
1
FR3
热继电器
JR10-10
1
SB1～SB3
按钮
LA10-1K
3
SB5～SB7
按钮
LA10-1K
3
第三章电气控制电路设计
图6中断路器QF1、QF2、QF3、QF4、QF5将三相电源引入，同时QF1、QF2、QF3、QF4、QF5为电路提供短路保护。
电动机的过载保护分别由三个热继电器提供。
图6电气控制原理图
系统通过按钮设定为自动操作模式和手动操作模式。
3.1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，传送带驱动电机自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。
3.2手动操作模式
手动模式下，由SB2按钮控制启动主传送带电动机，到达灌装位置后，松开SB2，再按下按钮SB3，灌装装置开始动作，通过定时器控制灌装时间，灌装时间到达后，整个流水线停止，直到再次按下启动按钮，流水线才运作。
手动模式可以用于自动模式启动前的系统调整。
3.3报警
当灌装装置开始灌装饮料时，报警装置得到PLC输出信号，此时，报警灯亮，开始报警，5秒钟以后，灌装结束，同时报警结束。
3.4计数过程
计数过程需记录满瓶数和次品瓶数，主要是以红外发光二极管和微波液位计作为传感器，记录所有瓶数的技术原理是当红外线接收管受到红外线的照射时，其本身的电阻很小，呈低阻值，电路导通，当红外发射头与接收头中间没有物品挡住时红外接收到红外线照射，呈现低电阻，发出一个高电平信号，计数装置计一次数。
当有物体经过红外发射与接收的中间时，由于红外线被挡住，红外接收管呈现大的阻值，电路断开，这时红外接收管发出一个低电平信号。
当物体过完之后又回到原来的状态。
计数装置由8个十进制计数器组成，当计数到时，再计数一次，计数器溢出。
计数最多不超过。
记录次品瓶数的技术原理是当检测到有次品时，微波接受装置发出信号给PLC，PLC的寄存器值加一，同时，所有瓶数减去次品瓶数便得出了可满瓶数，把满瓶数也放入另一个寄存器中。
这就是记录满瓶数和次品瓶数的技术原理。
电路设置了手动复位按钮，计数器正常计数时是低电平，按下复位按钮后，复位端变成高电平，使计数器复位，实现手动对计数器清零。
第四章PLC设计
4.1选择PLC
---SIMATICS7-200可编程序控制器是模块化结构设计。
各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。
----系统组成：
●中央处理单元（CPU）
各种CPU有各种不同的性能，例如，有的CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFI-BUS-DP通讯接口等。
●信号模块（SM）
用于数字量和模拟量输入/输出
●通讯处理器（CP）
用于连接网络和点对点连接
●功能模块（FM）
用于高速计数，定位操作（开环或闭环控制）和闭环控制。
---SIMATICS7-200的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护
☉高速的指令处理☉浮点数运算
☉方便用户的参数赋值☉人机界面（HMI）
☉诊断功能☉口令保护
☉操作方式选择开关
输入输出硬件接线图
4.2I/O点的编号分配和PLC外部接线图
I/O点的编号分配如表2所示。
表2I/O点的编号分配表
输入
输出
瓶子传感器I0.3
手动清零I0.7
手动传送带I0.4
手动灌装按钮I0.5
次品检测传感器I0.6
自动按钮I0.1
手动按钮I0.2
手动清零I0.8
传送带电动机KM1Q0.0
灌装电动机KM2Q0.1
报警灯Q0.8
下降电磁阀YV1Q0.2
上升电磁阀YV2Q0.4
次品推动电磁阀YV3Q0.6
灌装电磁阀YV4Q0.3
次品传送带电动机KM3Q0.5
PLC的外部接线图如图4-2所示。
如图4-2所示：
图4-2饮料罐装流水线控制系统的PLC控制电路硬件接线图
4.3控制面板图
根据设计要求及考虑到工人工作的要求，设计控制面板布置情况如图9所示
图9控制面板图
4.4梯形图
4.5指令表
第五章调试过程及结果
在电脑上安装STEP7MicroWINV4.0SP3软件，程序编好后，将程序输入STEP7MicroWINV4.0SP3软件中，在电脑上进行初步仿真调试。
1、先将PLC程序传入程序控制器中。
2、对各个输入I/O口给信号处理，看各个输出口是否有相应的输出，如果没有按照设计要求输出，对程序进行更改，直到各输出口有相应的输出。
3、如果有条件的话，用编程软件将程序输入PLC中，在确认PLC的电源、外部接线和程序输入无误的情况下，接通电源，按照流程图的顺序对系统进行调试，最后使整个系统能准确、可靠的工作。
总结
在设计的当初，只考虑到运用自动灌装程序来控制灌装过程，但在工厂车间的实际操作中，有些特殊的灌装过程也需要手动操作，所以为了适应多层次的要求，在程序中又增加了手动操作部分的PLC程序，通过转换开关控制两种工作方式的转换，报警指示灯用来显示灌装过程的运行。
现在企业的经营理念都是本着节约成本，缩小生产过程中的必要劳动时间，以此来赚取更高的利润，运用此PLC程序控制生产流水的运行，能够更快更有效的提高产品的灌装速度。
程序运用上升沿加法处理指令和减法处理指令，经根据检测到的信号自动计算空瓶数与满瓶数，记录到相应的存储器中，整个过程简便快捷，为企业节约劳动力，降低生产成本。
设计的程序稳定可靠，适应于工作环境恶劣的生车间，减少恶劣因素对人体健康的危害,可靠性高，抗干扰性强；编程简单容易掌握，很受广大现场技术人员和操作者的欢迎；此外功能性强，通用性也很好，安装简单，维修方便。
对于此套灌装生产线，选用一个小型的PLC便足以控制整个过程，I/O端口的信号被扫描处理，通过检测生成的液位信号，控制次品推动电磁阀，将次品分离，整个过程为全自动过程。
参考文献
［1］电器与plc控制技术化学工业出版社第二版张万钟刘明芹
［2］XX文库
［3］道客吧吧
［4］中国知网，张峰《超声液位检测频率选择的理论计算和实验研究》2008.5
［5］中国文档在线网，论文模拟图像下载
［6］学海网
［7］中国期刊网，武少斌殷际英陈卫《中国科技博览》2009年第36期《自动化生产线中的饮料灌装技术》
附录一思考题
评价饮料灌装流水线控制
与附录二（见后plc在啤酒灌装流水线中的应用）相对照，本设计分手动和自动控制，在工厂车间的实际操作中，有些特殊的灌装过程也需要手动操作，所以为了适应多层次的要求，在程序中又增加了手动操作部分的PLC程序，通过转换开关控制两种工作方式的转换，报警指示灯用来显示灌装过程的运行。
设计停顿1.1s和6.1s结束都是在实际生产中更可靠的设计。
本设计还包含三个电动机分别带动三个传送带，可使饮料灌装生产的效率跟高，并且分别控制有利于成本的节约。
且本设计中还用到了电磁阀和微波液位仪更加提高了控制的准确度！
对于此套灌装生产线，选用一个小型的PLC便足以控制整个过程，I/O端口的信号被扫描处理，通过检测生成的液位信号，控制次品推动电磁阀，将次品分离，整个过程为全自动过程。
本设计结合了多种流水线控制的方案，可能会由于本人的总结问题导致一些细节问题没处理好，由于个人资源有限，控制程序未经调试，但本人已经检查多次，因该不会出现什么大问题。
本设计选用的是西门子s7—200，还可选用其他软件也可以设计出好的流水线控制。
有位老师曾说过当你们还是学生的时候允许你们犯错，要敢于犯错。
本设计肯定还有一些不足之处，希望老师批评指导。
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