流水线自动灌装PLC控制系统设计毕业设计Word格式.docx
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3流水线灌装自动化PLC控制系统硬件设计 7
3. 1PLC设计介绍 7
3.2饮料灌装流水线的基本结构 7
3. 3PLC的选择 8
3. 3.1PLC选择原则 8
3. 3.2PLC机型选择 8
3.4流水线灌装自动化PLC硬件选择 8
3.5PLC外部硬件设计 10
3.5.1PLCI/0地址分配表 10
3.5.2PLC外部接线图 11
4流水线灌装自动化PLC控制系统软件设计 12
4.1 PLC程序设计方法 12
4.2顺序功能图设计 12
4.3系统梯形图程序设计 13
4.4语句表 15
5流水线自动灌装 17
5.1 PLC程序仿真 17
5.2硬件调试 20
总结 21
参考文献 22
1毕业设计背景与思路
1.1设计背景
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，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。
饮料灌装机用于灌装各种各样的瓶装饮料，适合大中型饮料生产厂家，早期的灌装机械大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方法。
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，计量精度由课编程控制器（PLC）控制确定。
PLC控制具有编程简单、工作可靠、使用方便等特点，在工业自动化控制领域中广泛应用。
1.2设计思路
1.2.1流水线自动灌装PLC控制系统分析
分析流水线自动灌装PLC控制系统如图1-1
图1-1流水线自动灌装PLC控制系统分析图
1.2.2流水线自动灌装PLC控制系统功能分析
（1） 用光电传感器检测空瓶，当空瓶到达储罐下方时，流水线电机停止，料仓口打开,开始灌料，3秒后，料仓口关闭，电机运转，在下一次灌料时，用微波测位移传感器检测瓶中灌料分量是否合格，若合格则到下个环节，若不合格机械手取走瓶。
（2） 保证料仓中物料的补给，流水线电机单方向运转。
此设计是对流水线自动灌装PLC控制的设计。
根据任务书，先对任务书进行分析，根据设计任务书，先对设计题目进行分析，把握整体思路，分析该如何满足设计要求，再对相关注意事项进行改动与任务书相符合。
任务书分析后，针对控制需要对编程控制器进行选择，确定编程控制器PLC。
根据PLC和任务需要对元器件进行选择，确定需要哪些元器件。
随后进行I/O分表的分配，建立PLC外部接线图。
根据设计题目，编写流程分析图。
针对流程分析图，在PLC编程软件上进行分步编写梯形图，逐步完成梯形图的编写；
再整体把握设计对控制要求，完善梯形图的编写；
最后进行语句表的转换，初步完成设计。
PLC编程软件上完成梯形图后导出，在PLC仿真软件上进行仿真，看是否能达到设计要求。
根据仿真效果再次修改设计，逐步达到要求，完成设计。
2基础知识
2.1 PLC简介
2.1.1 PLC定义
可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
它能执行各种形式和各种级别的复杂控制任务，应用面广，功能强大，使用方便，是当代工业自动化的主要支柱之一。
2.1.2 PLC的基本结构
PLC主要是由CPU模块、输入模块、输出模块、编程计算机和编程软件组成，其控制系统示意图如图2-1所示。
图2-1PLC控制系统示意
（1） CPU模块
CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。
在CPU控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。
存储器用来储存程序和数据。
（2） 储存器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。
系统存储器用于存放PLC的系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。
现在的PLC一般均采用可电擦除的E2PR0M8
存储器来作为系统存储器和用户存储器。
（3） 输入、输出模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手和脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。
输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入CPU；
输出接口电路的作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。
PLC的输入输出接口电路一般采用光耦合隔离技术，可以有效地保护内部电路。
（4） 电源
PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能正常工作。
2.1.3PLC的工作原理
PLC的工作方式为循环扫描方式，当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（1） 输入采样阶段
在读取输入阶段，PLC把所有外部数字量输入电路的通、断状态读入过程映像输入寄存器。
夕卜接的输入电路闭合时，对应的过程映像输入寄存器为1状态（或称为ON）,梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开；
外接的输入电路断开时，对应的过程映像输入寄存器为0状态（或称为OFF）,梯形图中对应的输入点的常开触点断开,常闭触点接通。
如果没有启用模拟量输入滤波，CPU在正常扫描周期中不会读取模拟量输入值。
用户程序访问模拟量输入时，将立即从扩展模块中读取模拟量值。
（2） 用户程序执行阶段
PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在储存器中顺序排列。
在STOP模式，不执行用户程序。
在RUN模式的程序执行阶段，如果没有跳转指令，CPU从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序。
CPU在执行指令时，从I/O过程映像寄存器或别的位元件寄存器中读出其0、1状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，将运算的结果写入到线圈对应的映像储存器中，因此，各寄存器（只读的过程映像输入寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。
（3） 输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时,才是PLC的真正输出。
2.1.4编程语言
五种标准化编程语言：
顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和指令表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。
顺序功能图是一种结构块控制程序流程图，梯形图和功能模块图是图形化语言，指令表、结构文本两种文本语言,梯形图的应用直观，与指令表可以相互转换。
3流水线灌装自动化PLC控制系统硬件设计
3.1PLC设计介绍
可编程控制器有较高的可靠性和叫较高的灵活性，该设计主要对PLC程序的结构、特点、各器件的性能以及对被控对象的控制过程进行具体研究，并通过PLC来实现对流水线灌装系统的控制，随着PLC功能的不断提高和完善，PLC几乎可以完成流水线灌装控制系统所需要的要求，应用PLC控制系统是为了实现被控对象提出的各项性能指标和工艺要求。
3.2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3-1、图3-2所示。
整个流水线由主传送带、次品传送带、灌装装置、机械手拿取装置、定位传感器、次品检测传感器等组成。
电动机的启动和停止，灌装装置的灌装，次品的检测、机械手的拿取都是由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3-2灌装流水线基本结构图
3.3PLC的选择
3.3.1 PLC选择原则
（1） 对输入/输出点的选择
要先弄清楚控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的15~
20%留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC的点数。
（2） 对存储容量的选择
对用户存储容量只能作粗略的估算。
（3） 对I/O响应时间的选择
对开关量控制的系统，PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，
可不必考虑I/O响应问题。
（4） 根据输出负载的特点选型
不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。
3.3.2 PLC机型选择
选择西门子系列S7-200系列PLC,同时结合输入、输出量的个数，而S7-200系列CPU模块的CPU224,有14输入，10输出，符合使用要求并且留有余量，故选S7-200系列CPU224作为本设计的CPU模块。
3.4流水线灌装自动化PLC硬件选择
（1）按钮
按钮的选择原则：
（1）根据使用场合，选择控制按钮的种类。
（2）根据用途，选用合适的型式。
（3）按控制回路的要求，确定不同的按钮数。
（4）按工作状态指示和工作情况
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的要求选择按钮及指示灯的颜色。
（2） 电动机
电动机Ml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°
（3） 微波液位仪
微波液位仪原理图如图3-3所示：
相距为S的发射天线和接收天线，相互构成一定角度。
波长为入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Po为：
上式中,Pt为发射天线的发射功率;
Gt为发射天线的增益;
Go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，上式可改写为:
公式（3-2）
上式中，K1为取决于发射功率、天线增益与波长的常数；
K2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P。
，就可得到被测液面的高度。
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公式（3-1）
图3-3微波液位仪原理图
（4） 传感器的选择
根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。
物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电磁电等效应。
被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
本设计我们选用物理传感器。
3.5PLC外部硬件设计
3.5.1PLCI/O地址分配表
根据流水线灌装自动化控制要求可得出系统的I/O接口分配情况，如表3-1所示。
输入
输
出
元件
地址
功能
SB1
10.1
启动开关
Ml
Q0.1
驱动电机
SB2
10.2
停止开关
M2
Q0.2
机械手电机
So
10.3
光电传感器
YVI
Q0.3
补料阀门
SL1
10.4
下液位传感器
Q0.4
出料阀门
SL2
10.5
上液位传感器
S
10.6
微波测位移
表3-1I/O地址分配表
3.5.2PLC外部接线图
根据系统的控制要求及I/O分配情况可画出流水线灌装自动化PLC外部接线图，如图3-4所示
图3-4外部接线图
4流水线灌装自动化PLC控制系统软件设计
4.1 PLC程序设计方法
PLC程序设计常用的方法：
主要有顺序控制设计法、经验设计法。
顺序控制设计法：
根据功能流程图，以步为核心，从初始步开始一步一步地设计下去，直至完成，其中又有置复位设计法、移位寄存器法、HRC编程法、比较指令法等。
此法的关键是画出功能流程图。
经验设计法：
经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触电和中间编程环节，才能达至U控制要求。
这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，所以称为经验设计法。
本设计用的是顺序控制法中的置复位设计法。
4.2顺序功能图设计
图4-1为流水线灌装PLC控制系统顺序功能图
图4-1顺序功能图
4.3系统梯形图程序设计
梯形图是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
梯图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制；
梯形图程序如图4-2所示。
图4-2梯形图图片
18
19
4.4
语句表
图4-3语句表图片
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5流水线自动灌装
5.1PLC程序仿真
图5-1开始前的仿真
图5-2启动位置的仿真
图5-3灌装的仿真
图5-4检测合格的仿真
图5-5检测不合格的仿真
图5-6自动补料的仿真
5.2硬件调试
首先安装硬件：
PLC要与变压器、变频器等保持适当距离，组件位置有利于日后检修，预留空间，供日后系统扩充使用。
在装上电源模块前，必须要让电源线上与金属机壳连结。
接地不好的话，会导致静电、浪涌、外干扰等等。
安装I/O模块时，先确保各接触点是紧密结合的；
模块固定螺丝锁紧；
接线端子排插入后，其上下螺丝必须旋紧，否则可能导致模块从机架中松开，造成威胁。
其次，进行脱机调试，具体步骤如下：
在样机加电之前，核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。
用万用表检测电源的走线是否正确，防止电源之间的短路和极性错误，并重点检查各种短路现象，避免造成设备损坏和人身伤害。
在脱机运行成功的基础上，进行联机加电调试。
在每个关键测试点进行测量，包括电压、电流及其极性等参数。
特别是PLC电源部分，由于使用直流24V电压，需要先测试PLC电源是否为标准电压，再接通电源。
否则，可能损坏PLC,造成不必要的损失。
在确保硬件连接正确的情况下，对系统加电调试，同时对各个测试点进行参数测量。
通过万用表测量，系统硬件运行正常。
总结
通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还很欠缺。
自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会点，什么东西都懂点，有点眼高手低。
通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以里非常感谢帮助我的同学。
在此要感谢李红章老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。
在设计过程中，我通过查阅大量相关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
参考文献
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机械工业出版社，20014.
[2] 程玉华主编.西门子S7-200工程应用实例分析[M].北京：
电子工业出版社，2008.
[3] 于庆广主编.可编程控制器原理及系统设计[M].北京：
清华大学出版社，2004.
[4] 王兆义主编.可编程序控制器教程[M].北京:
机械工业出版社，2004.
[5] 尹宏业主编.PLC可编程控制器教程[M].北京：
航空工业出版社，1997.
[6] 张万忠主编.可编程控制器应用技术[M].北京：
化学工业出版社，2001.12.
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