基于工业组态软件的饮料灌装生产线设计Word格式文档下载.doc
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易拉罐饮料灌装线 德国SEN、美国迈耶公司的设备占多数，包括了卸罐机、洗罐机、灌装机、封罐机、码垛机及混合机、薄膜收缩机等。
灌装能力为150、300、400、500罐／分，最高575罐／分。
目前的广东轻机和南京轻机都具有自己的易拉罐灌装生产线线。
软包装饮料灌装线现全国引进有瑞典利乐包无菌包装机，它在我国北京、广东佛山、江苏昆山都设复合纸板制造线；
美国屋顶形纸盒无菌包装机；
法国百利包；
德国BOSCH、日本印刷、日本东洋等制造的立袋饮料灌装机；
德国zupack纸盒成形-灌装-封口饮料的热灌装线；
德国PKL的预成形纸盒。
以上的前三种是无菌灌装，后三种采用的是热灌装，灌装封口后运用喷淋冷水冷却[2]。
1.4本课题主要研究的内容和任务
面向网络化制造环境，研究并建立车间生产监控系统的方案。
利用实验室现有的MCGS组态软件平台、ADAM系列的数据采集模块、三菱PLC等硬软件资源，完成一个基于MCGS组态软件平台的饮料灌装生产线设计及部分开发工作，并进行实验的验证。
具体设计任务如下：
（1）基于MCGS组态软件平台的饮料灌装生产线的总体方案设计；
（2）饮料灌装生产线硬件选型设计；
（3）饮料灌装生产线软件设计；
（4）饮料灌装生产线的部分开发与调试。
1.5论文的组织结构
论文的内容安排及组织结构如下：
第一章绪论主要阐述了饮料灌装技术的概况，分析了国内外饮料灌装生产线的发展现状,介绍了论文的组织结构。
第二章主要通过对数据采集组态软件的基本组成及功能的分析，提出论文主要内容和任务的研究。
第三章主要分析和选择了饮料灌装生产设计中用到的软硬件的型号。
第四章提出了总体的设计方案并对硬件部分进行合理设计的流程。
第五章通过对饮料灌装传送带电动机和灌装的启动和停止调速监控系统软件部分的分析，设计出PLC的梯形图及其仿真。
第六章主要通过选用合适的组态软件为开发平台，分析瓶流速度、瓶内液位和瓶子数量数据的采集系统的功能需求和技术指标的基础之上按照预定的功能实现设计程序，实现相应的功能，整体地完成系统软件的设计。
第七章通过硬软件的分析，简单介绍智能模块ADAM下位机的开发。
2相关技术软件简介
2.1工业组态软件在国内外发展现状
2.1.1国外的组态软件
（1）美国Intouch，被称作是组态软件的“鼻祖”，它领先推出的在16位Windows环境下的组态软件，曾在世界上有较高的市场占有率。
但是Intouch在32位Windows环境下已经受到其它软件的影响。
（2）Intellution公司的Fix，在外国组态软件中，它也是较早进入到中国市场的。
（3）澳大利亚CIT公司的Citech，是后来发展起来的组态软件，它操作简洁，但但它的操作多数是面向程序员，而不是面向工控用户。
（4）德国公司的WINCC，新版软件已经取得了很大的进步，虽然在体系结构上还是比较复杂和在网络结构和数据管理的方面要比Fix差，但是相比较而言是比较完备先进的组态软件。
（5）T.A.Engineering公司的AIMAX，同时提供16位和32位Windows下的不同版本。
曾在国内拥有一批用户。
但是由于它比较直观的图形组态方式，功能提供的又少，总体让人觉得不是太高。
2.1.2国内的组态软件
从2000年开始，组态软件的应用已经不仅局限于传统的工业自动化领域，组态软件农也渐渐应用业、食品医药、交通、教育、环保、新能源、节能降耗等很多新兴领域。
它的功能越来越满足当代的需求，例如，组态软件与PLC等控制系统的简便连接、简单操作；
而且可以利用计算机的计算处理能力来进行分析与收集实际生产中的信号，使各部门和各生产线的情况能实时让工厂或企业的工作人员了解；
以及监控大的规模系统的稳定性，减少系统故障；
利用因特网实现快速采集远程数据。
国产化的组态软件如：
组态王、SYNALL、MCGS、天工、ControlX、虎翼、力控等近年来已在市场上具有一定的影响力。
国内，已有很多的组织和个人也积极地投入开发。
通过国内组态软件的比较，可以知道工业组态软件中MCGS不但操作简单，而且功能齐全强大，参照本设计的要求，所以选择了MCGS软件来完成一个对饮料灌装生产线的监控。
2.1.3组态软件的发展
从当今的市场来看，组态软件已经进入到快速增长的时期。
在国内，还没有哪一家形成具体的垄断，和其它的许多的行业相比较，组态软件的市场竞争还是相对要小很多，而且发展的空间也非常广阔。
我们可以预言，在中国，进一步推广组态软件的使用是很有前景的，与此同时它将促进我国工业自动控制技术部分的发展。
新一代组态软件具有的特点以下几个方面：
（1）以NET为技术基础，网络为中心；
（2）Internet和远程自动化能力的增强；
（3）人机接口功能的增强；
（4）编程能力信息化能力增强。
图2.1自动化软件发展的趋势
图2.2组态软件发展的三个阶段
2.2MCGS监控系统的原理及构成
2.2.1MCGS的概述
MonitorandControlGeneratedSystem是一套基于Win2dows98/NT/Me/2000操作系统（或更高版本）的全中文工控组态软件，它可从设备驱动、数据采集到数据处理、流程控制、报警处理、动画显示、报表输出等方面满足用户提出的要求并做出实际工程问题的完整解决方案和实施的开发平台，除此之外用户可以方便地扩充系统的功能通过OPC、ODBC、DDE、ActiveX等机制[3]。
2.2.2MCGS通用监控系统的主要特点
（1）概念内容简单，使理解与运用很容易；
（2）具备实时性和并行处理的功能；
（3）功能具备很齐全，使方案的设计很方便；
（4）具有实时数据库，使用户分部组态很方便和能确定系统运行的安全可靠；
（5）具备多样的“动画组态”的功能，能够快速的构成多种丰富生动的画面。
2.2.3MCGS监控系统的构成及功能
组态软件的系统组成部分是“MCGS的组态环境”和“MCGS的运行环境”，它们虽互相独立着，但又紧密相关着。
它的构成如图2.3所示[4]。
图2.3MCGS结构图
MCGS组态软件建立的工程是由主控窗口、用户窗口、设备窗口、实时数据库和运行策略五个部分来构成，它们有不同的性能，可以分别进行组态的操作，实现不同工作的要求。
如下图2.4所示，能够由它完成对工业生产的仿真上位监控过程。
图2.4MCGS功能分析图
它们在运行时的内在关系如下图2.5所示。
图2.5MCGS组态软件系统结构关系的示意图
3饮料灌装控制系统软硬件的选型
3.1饮料生产线的工作原理及基本结构
生产线的运作是由电磁阀和电动机来控制的，电磁阀运用比例电磁阀，原理是利用比例电磁铁的输出电磁力，使得液流压力与流量连续地、按比例地跟踪控制的信号，并随着信号的变化而变化。
饮料灌装生产线的基本结构如图3.1所示。
它的组成主要是主传送带、灌装装置、空瓶检测传感器等。
PLC控制传送带电动机与灌装的启动和停止，它控制准确，自动化水平高。
生产线是由传感器和组态软件实时监控的。
图3.1灌装生产线的基本结构图
3.2电器元件的选型
（1）电动机的选择
电动机M1型号选Y132M-4，它的额定电压是交流380V，额定电流是15A，频率是50HZ，功率是7.5KW，转速是1440r/min。
电动机M2型号选Y90S-4，额定电压是交流380V，额定电流是2.8A，频率是50HZ，功率是1.1KW，转速是1440r/min。
（2）断路器的选择
低压断路器能用来接通和分断负载电路，也能用来不频繁启动电动机的控制，又称自动空气开关。
低压断路器具有如：
多的保护功能（短路、过载、欠电压保护等）、动作值可调性、高的分断能力、方便和安全的操作等优点，因此目前它应用广泛。
选用低压断路器应考虑到以下的条件：
（a）依据线路对保护的需求来决定断路器的型号和保护的形式，决定选用框架式、装置式或者限流式等。
（b）被保护电路的额定电压的额定电压应小于或等于断路器。
（c）被保护电路的额定电压应等于断路器欠压脱扣器。
（d）被保护电路的计算电流的额定电流应小于或等于断路器的额定电流及过流脱扣器。
（e）线路的最大保护电流的有效值应小于断路器的极限分断能力。
（f）配电线路上、下级断路器的保护特性协调配合应是下级的保护特性应位于上级保护特性的下方并且不能相交，避免越级跳闸的现象。
（g）导线允许的持续电流应大于断路器的长延时脱扣电流。
所以有了前面选择的电动机的额定电流，就可以选择断路器QF1、QF2的型号如表2.1所示。
同样依据PLC和变压器选择QF3和QF4的型号。
（3）热继电器的选择
过载现象在电动机运行过程中会常遇到。
假如过载不严重或过载时间短，那么电动机的绕组不会超过允许温升的，这样的情况是允许的；
但万一过载情况严重或长时间过载，电动机绕组的温升就会不断升高，这种情况会加速绕组绝缘层的老化，严重的可能会烧毁坏电动机，所以必须要进行过载保护。
电力拖动自动控制系统中电动机的过载保护常是用热继电器来实现。
热继电器选用的原则：
（a）一般选择的热继电器的额定电流（发热元件的额定电流）为电动机额定电流的60%～80%。
（b）起动不频繁的场合中，一般，电动机的起动电流是它额定电流的6倍，这样起动时间就不会超过6S，如果很少连续起动，则可以依照电动机的额定电流选择热继电器。
（c）在重复的短时工作的电动机中，要注意确保热继电器的在允许的操作频率内。
由于热继电器的操作频率是有限的，假如用它来保护重复工作且频率较高的电动机，效果不明显，有时甚至不可以使用。
因此，对于通断频繁且可逆运行的电动机，采用热继电器来保护是不妥的，但不过可以在电动机内部装置温度继电器来防止电动机绕组升温过高。
由上面选用的三个电动机的额定电流，主电动机M1的额定电流是15A，则FR1可以选择JR16型号，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可以选择型号是JR10-10的热继电器，热元件电流为2A，电流整定范围是0.45A～2A工作时额定电压可调整为1.1A[5]。
电气元件的型号及数量如表3.1所示。
表3.1电气元件表
符号
名称
型号
数量
M1
主传送带电功机
Y132M-4
1
M2
灌装装置电动机
Y90S-4
QF1
断路器
NS100N
QF2
NS80S
QF3
NS20S
QF4
NS10S
FR1
热继电器
JR16
FR2
JR10-10
SB1～SB2
按钮
LA10-K
3
3.3传送装置的选择
饮料灌装生产线一般采取平项链来输送。
输送的平项链外形如图3.2所示。
平项链输送线的组成是：
平项链链条、电机驱动系统、支撑导轨、链条张紧装置等等。
它的基本特点如下：
（1）在输送线之间物料过渡平稳，能运送各类箱包、塑料瓶、玻璃瓶、易拉罐等物件；
（2）平项链输送线通常可直接用水冲洗，设备清洁方便，非常满足食品、饮料等行业对卫生的要求；
（3）设备布局比较灵活，在一条运输线上可以完成水平、倾斜和转弯等方式的输送；
（4）设备结构很简单，维护比较方便[6]。
图3.2输送平项链
3.4传感器的选型
（1）光电传感器
它的检测元件是光电元件，它会把被测量的变量的变化先转变为信号的变化，再应用光电元件把光信号转换成电信号的。
它的主要组成是光源、光学通路和光电元件。
光电检测精度很高、反应很快、还可非接触检测等等，并且可以检测的参数是较多的。
根据设计可选的光电传感器的种类如下：
（a）包装充填物的高度检测
包装的成品用容积法来计量，不仅要求对重量有很高的误差范围外，而且对充填的高度也有很高的要求。
如图3.3所示是借助于光电检测技术来控制充填高度的原理。
运用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计和装配件是否到位及装配质量进行检测，譬如灌装时瓶盖是不是盖上、商标是不是贴上以及送料机构是否断料等。
图3.3运用光电检测的技术控制充填的高度
（b）光电式带材跑偏的检测器
它是用来检测带型材料偏离正确位置的大小和方向，并提供纠偏信号给纠偏控制电路，在印染、送纸、胶片、磁带的生产中运用到。
根照生产线的设计，我们要设计的是一个对流水线上的饮料罐是否到位，罐内液面是否到达指定高度以及瓶盖是否压上、商标是否漏贴经行检测。
故选择a，设计安装示意图如图3.4所示。
图3.4流水线瓶子灌装检测示意图
（2）压力传感器
它是把压力信号转换成电信号输出的传感器。
被测物体的压力可直接作用在传感器的膜片上，膜片会产生与物体压力成正比的微位移，从而传感器的电阻值就会发生变化，并转换输出一个与这压力对应的标准测量信号。
依据本课题的控制要求，在设计中所以我选用了流量传感器用来检测有无饮料瓶通过；
并选用了一个压力传感器来检测瓶子是否已经灌满。
3.5智能模块的选型
经过对相关硬件的了解与分析，可以基本确定选用光电、压力传感器和ADAM5017、ADAM5050模拟量输入模块连接完成对瓶内的液位和瓶子的数量数据的采集，符合设计的要求。
下位机选择内置的ROM-DOS兼容MS-DOS操作系统的ADAM-5510M作为基站，它除BIOS之外还提供了基本MS-DOS功能的调用，运行时允许用C或C++等高级语言编译的应用程序，所以这样设计是可行的。
3.6PLC的选型
在生产PLC的厂家中，我们比较熟悉的是生产FX2N系列机型的日本三菱，FX2N系列PLC具有数十种编程元件。
但我们只要选择FX2N-16MR-001就能满足我们设计的控制系统的要求[7]。
4饮料灌装系统总体设计方案
4.1系统流程图
图4.1系统流程图
流程图的说明：
SB1按钮控制启动主传送带电动机后，定位传感器检测到饮料瓶后，主传送带就停止运动，灌装装置开始灌装，定时时间到达以后，灌装装置自动停止，主传送带再次运行，按下SB2主传送带电动机停止运动。
4.2电器控制的电路设计
图4.2中四个断路器不仅能引入三相电源，而且能够为电路提供短路保护。
图中的两个热继电器FR1、FR2可以为电机提供过载保护。
图4.2电器原理图
4.3系统总体方案设计
该设计的重点在于系统软件的设计，因此经过对硬件模块的比较后选择ADAM-5017模块，运用该模块能实现对瓶内的液位和瓶子的数量信号的调整和数字化。
当电机转动时，就会带动皮带转动，等到灌装的瓶子在皮带上运动经过光电传感器时，传感器会就会对瓶子的数量和瓶内的液面进行检测并会把数据送往ADAM模块完成对液位和瓶子数量的数据采集处理，联机工业组态软件MCGS在PC机上就可得到瓶流速度和实际液位，然后把得到的数据和原先储存的数据或者是标准的数据进行比较，如果灌装速度不变，瓶流速度就要与灌装速度保持一致，液位也要达到标准液位，根据这些判断是否要进行调整，从而就可完成对灌装生产线的监控。
该结构则见图4.3。
图4.3系统结构图
5可编程控制器PLC的设计
5.1PLC的概述
PLC采用可编程序的存储器，在它的内部存储顺序控制、定时、逻辑运算、计数和算数等指令的运作，与通过模拟式和数字式的输入和输出，来控制生产各种类型机械的过程。
PLC的主要功能有：
（1）较强的抗干扰能力，可靠性很高；
（2）简单的控制系统结构，通用性很强；
（3）便于编程，使用方便；
（4）强大的功能，成本低；
（5）较短的设计、施工、调试周期，便于维护。
它的基本外形如图5.1所示。
图5.1FX2N系列
5.1.1PLC的系统组成
虽然PLC有很多的品种、不同的结构、多样的功能，但它的系统组成和工作原理是基本相同的。
概括起来讲，系统都是由硬件和软件两大部分组成，全是采纳了周期性循环扫描的方式来集中采取、集中输出工作的。
它的硬件的组成是存储器、微处理器、输入/输出接口电路、电源、扩展和外设接口及编程器等。
它的结构框图如图5.2所示。
图5.2PLC结构框图
5.1.2PLC的工作原理
PLC工作原理是建立于计算机的工作原理基础上的，由用户程序的执行反映控制要求来完成的。
每一个瞬间它的CPU仅能做一件事，也相当于说一个CPU每一时刻仅能执行一个操作而不能同时执行几个操作。
图5.3所示的运行框图可以用来表示PLC工作的全过程。
整个过程可以分为三个部分。
（1）上电处理。
PLC会进行I/O模块配置检查，进行清零或复位处理，停电保持范围设定，系统通信参数配置以及其他一些初始化处理工作可消除元件状态的随机性。
（2）扫描过程。
当PLC的上电处理部分完成后就进行扫描工作过程。
先是进行输入处理，输入处理又称为输入采样，就是要把所有外部输入电路的通断状态读入输入映像寄存器，输入映像寄存器进行刷新。
再把输入通道关闭，转到执行程序阶段。
（3）出错处理。
PLC有很强的自诊断功能。
如果一旦CPU、RAM、I/O总线等出现故障或者电源异常、程序有错等，PLC不但会提示信号灯亮，还会根据故障的严重程度作出反应措施：
要么只报警不停机，等待处理；
要么停止执行用户程序，使PLC强制变成STOP状态，切断所有输出信号等待修复。
图5.3PLC运行框图
PLC在正常运行的时候，CPU运行的速度、I/O情况、用户应用程序长短及编程情况等决定扫描周期的长短。
不同的指令它的执行时间是不一样的，所以选择不同的指令用的扫描时间也是会不一样[8]。
5.2饮料灌装控制系统的设计与程序编写
5.2.1PLC的选型
选择FX2N-16MR-001就可以达到我们设计的控制系统的要求[7]。
5.2.2剖析评估控制任务
将开关设置为自动操作模式，当开关启动，传送带驱动电机就会启动而且会保持到停止开关动作。
当传感器检测到空瓶子时，传送带则停止运行；
当瓶子装满饮料后，传送带驱动电机就会自动启动，等到传感器检测到下一个空瓶子时传送带就又停止运动，这样不断的循环；
如果瓶子在传感器的检测下定位在灌装设备下后，先停1秒钟，然后再开始进行灌装，灌装时间设为5秒钟，灌装的过程同时有报警显示，来指示正在灌装；
5秒后，灌装停止，同时报警也不再显示；
报警方式是以红灯以0.5秒的间隔闪烁。
同时记录灌装的瓶数和以每24瓶为一箱产品的箱数。
在整个程序运行过程中一有8个小时就会先把记录满箱的计数器的当前值转存到其他的寄存器，再对它自动清零，让它再重新计数[9]。
5.2.3控制系统的I/O点及地址的分配
PLC系统设计的基础是PLC接线端子上的输入/输出信号的地址的分配。
要编程就要先分配I/O地址；
当I/O地址确定后，才可绘制接线图[5]。
XO：
启动SB1；
Xl：
停止SB2；
X2：
传感器检测；
X3：
手动清零SB3；
Y1：
输出传送带驱动KM1；
Y2：
灌装设备KM2；
Y3：
报警显示。
5.2.4系统程序的设计
分析和确定饮料灌装的控制路线和要求后，然后就可以在三菱SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件中编写程序。
SWOPC-FXGP/WIN-C是一个可在WindowsXP及Windows7下运行，应用于FX系列可编程控制器的编程软件。
如图5.4、图5.5所示。
图5.4PLC的选型
图5.5新建工程
三菱FX2NPLC的基本指令有逻辑、计数器、定时器、比较和程序控制等等。
在位逻辑指令语句表中有“与”、“或”、“输出”指令。
通过内部的软延时继电器来实行定时指令操作。
用“T”来进行表示定时器，它是对内部时钟计累计增量的。
累计输入的次数就用计数器，主要由一个16位的预置寄存器、一个16位的当前值寄存器和一个状态位组成它的结构。
根据灌装的控制要求，饮料灌装部分PLC控制程序如图5.6所示。
图5.6饮料灌装的PLC控制程序
饮料灌装部分指令表如图5.7所示。
图5.7指令表
5.2.5PLC的外围接线
PLC的外围接线图[10]
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