基于plc的旋转灌装机控制系统设计本科学位论文.docx
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基于plc的旋转灌装机控制系统设计本科学位论文
继续教育学院
CollegeOfContinuingEducationOfJiangsuUniversity
本科毕业论文
基于PLC的旋转灌装机控制系统设计
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基于PLC的旋转灌装机控制系统设计
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摘要
食品机械是专为食品工业服务的，包装机械大约有70%是为食品包装服务的，特别是近年来饮料工业迅速发展，使得液体灌装设备的需求大量增长。
美国、日本等国的包装设备正在向高效率、高精度、高自动化程度方向发展。
我国的包装机械起步较晚，主要是采用引进一消化的发展模式，虽能满足生产需求，但技术含量不高，特别是对光、磁和计算机等先进技术的应用较少，从而使得我国包装机械的包装精度和运行稳定性同国外设备相比存在着较大差距。
本论文对集清洗、灌装、加盖三合一体的旋转型灌装机一XG-24128进行控制系统研究，使其对500mlPET瓶灌装速度可达18000BPH以上，单个封盖头的工作效率可达2000-2200瓶/小时，灌装容量误差不大于3%。
，在高速灌装下能够实现高的灌装精度和运行稳定性，自动生产可以实现无瓶不灌装和无瓶不加盖。
并对XG-24128型灌装机的关键技术-一个伺服泵同时控制两个灌装头并实现连续灌装的控制设计进行研究。
首先，对XG-24128型灌装机进行控制系统方案设计。
在研究XG-24128型灌装机整体结构的基础上分析其灌装的工艺流程，并根据设计要求确定灌装机控制系统的整体方案。
其次，明确控制系统的硬件配置。
根据灌装机的设备状况和工艺要求，确定PLC的类型及相关模块，对I/O口进行定义，并对伺服电机、步进电机和其他电器元件进行选型和布置。
接着，对XG-24128型灌装机的关键技术-一个伺服泵同时控制两个灌装头并实现连续灌装的控制设计进行研究。
分析连续灌装时灌装头位置的确定，对灌装速度进行初步分配，并对其换向机构进行研究。
最后，在硬件配置的基础上，对XG-24128型灌装机进行控制系统的软件设计。
在对XG-24128型灌装机控制过程进行分析的基础上编制相应的程序和系统软件，实现其灌装流程。
进行人机界面的设计，使PLC和触摸屏配合使用，充分发挥触摸屏的优势使系统操作更方便快捷。
关键词：
灌装机，PLC控制，伺服泵，运动控制，连续灌装
BasedonthePLCrotaryfillingmachinecontrolsystemdesign
Abstract：
Thefoodstuffmachineryservesthewholefoodindustry,andtheabout70percentofpackingmachineryservesthefoodstuffpackaging,especially,beverageindustryrapidlydevelopsrecentlysothatthereisanincreaseddemandforliquidfillingequipment.ThereisanewtendencyamongthepackagingequipmentofAmericaandJapantowardsthedirectionofhighefficiency,highaccuracy,andhighautomation.Domesticpackagingmachinerydevelopedlate,anditprincipallyusedthedevelopmentmodeofimport-absorb,althoughitcanmeetthedemandforproduction,thetechnologycontentislow,especially,ithardlyappliesadvancedtechnologysuchasphoto,magneticandcomputerandsoon.Therefore,thereisagreatgapbetweenthepackagingaccuracyandstabilityofthedomesticpackagingmachineryandtheoverseasequipment.
ThethesisemphasizesonresearchingonthecontrolsystemofXG-24128―rotaryfillingmachinewhichintegrateswashing,fillingandspinningcaps.Themachineryfillsthe500mlpetbottleataspeedof18000BPH,theefficiencyofsingletipsealinglidcanreach2000-2200bottle/hour,andtheblunderoffillingcapabilityisn'tmorethan3%o,sothatitcanmaintainhighaccuracyandstabilityathighspeed,moreover,theautomaticproductioncanreachthegoal―nobottlesnofilling,nostopper.Meantime,thethesisalsoresearchthekeytechnologyofXG-24128thatthefillingsectionusesoneservopumptocontroltwotipsfillingfluidinordertoimprovethefillingspeedandcontinuousfilling.
Firstly,thisarticledesignstheprogramofcontrolsystem.OnthebasisofresearchingthewholestructureofXG-24128,itanalysestheprocessflowofthefillinganddeterminesthewholeprogramofthecontrolsystemoffillingmachineaccordingtothedemandofdesign.
Secondly,thisarticledefinesthehardwarecollocationofcontrolsystem.ItdeterminesthetypeandcorrelationmoduleofPLC,definestheI/Oinlightoftheprocessrequirementsandequipmentstatusoffillingmachinery,andselectsandarrangessuchelectricalsectionsasservoandfeelersearch.
Furthermore,thearticleresearchesthekeytechnologyofXG-24128thatthefillingsectionusesoneservopumptocontroltwotipstillingfluidinordertoimprovethefillingspeedandcontinuousfilling,analyseshowtolocatethetipsfillingfluidduringthecontinuousfilling,distributesthespeedoffilling,andresearchingthereversemechanism.
Finally,thepaperdesignssoftwareofcontrolsystemofXG-24128fillingmachineonbasisofhardwarecollocation.Onbasisofanalyzingcontrolprocedureitdrawsuprelevantprogramsandsystemsoftwarewithaviewtoachievingthefillingprocess.WhiledesigningsoftwareittriestodesignHMIofthefillingmachine.
Keywords:
Fillingmachine,PLCcontrol,Servopump,Kinesiscontrol,Continuousfillin
中文摘要......................................................II
Abstract.....................................................III
第1章绪论.....................................................1
1.1论文研究的背景和意义..........................................1
1.2灌装技术在国内外的研究现状.....................................2
1.3灌装机械概述.................................................3
1.3.1基本概念.................................................3
1.3.2灌装机的分类..............................................4
1.4PLC简介...................................................6
1.4.1PLC的特点...............................................6
1.4.2PLC的应用范围............................................7
第2章XG-24128型灌装机控制系统方案设计........................10
2.1XG-24128型灌装机的工艺要求..................................10
2.2XG-24128型灌装机的整体结构..................................10
2.3XG-24128型灌装机控制系统的方案设计............................13
2.3.1电气控制系统的组成........................................13
2.3.2XG-24128型灌装机的工艺流程................................14
2.3.3XG-24128型灌装机的控制方案...............................15
第3章XG-24128型灌装机控制系统硬件设计.........................17
3.1PLC控制系统设计............................................17
3.1.1PLC选型...............................................18
3.1.2输入/输出点的确定IV.......................................22
3.2执行机构的选择...............................................26
3.2.1伺服电机控制设计..........................................26
3.2.2步进电机控制设计..........................................30
3.2.3其他执行机构控制设计......................................32
3.4硬件配置图..................................................36
3.5本章小结....................................................38
第4章XG-24128型灌装机灌装关键技术研究.........................38
4.1灌装流程....................................................39
4.2复位........................................................41
4.3灌装........................................................42
4.3.1初次吸液.................................................42
4.3.2灌装头位置的确定..........................................43
4.3.3灌装速度的确定............................................44
4.4换向........................................................49
4.4.1换向流程.................................................49
4.4.2换向参数设计.............................................51
第5章XG-24128型灌装机控制系统软件设计........................53
5.1灌装机PLC控制程序设计........................................53
5.1.1PLC控制系统软件设计思想...................................53
5.1.2PLC编程软件GXDeveloper简介...............................56
5.1.3控制程序设计.............................................58
5.2人机界面设计.................................................64
第6章结朿语....................................................67
参考文献........................................................68
第1章绪论
1.1论文研究的背景和意义
随着全球经济的快速发展，人们对包装品的需求越来越大，而且与传统包装工业相比，包装技术向精确、节约、高效型方向发展，从而使得包装机械不论在技术还是在制造水平上都需要新的突破[1]。
全球包装机械无论是从技术、产品或市场占有情况等诸多方面比较，美国和日本称得上是包装强国，德国和意大利紧随其后。
美国是世界工业的领头羊，因其包装工业起步较早，发展至今已有完备的包装工业体系。
其包装设备与其他产品一样，以高、精、尖著称，而且由于计算机信息技术比其他国领先，且计算机在工业中的使用和普及比其他国家都早，所以计算机技术被广泛应用于包装机械中，较早地形成了机电一体化控制模式[2]。
日本与美国相比，起步相对较晚，但60年代至90年代，日本包装业大量引进先进技术，并在此基础上消化吸收，成果显著，使其包装工业的制造水平持续快速发展。
日本小型和微型电子技术较为成熟，所以其包装工业虽然起步较晚，但在消化他国的技术中，将其擅长的微电子技术应用其中，特别是后来的工业机器人技术和模块化技术等的应用，为包装工业的发展提供了更多的空间，至今仍影响着包装机械的走向。
与美国和日本的包装机械不同，德国的包装机械在制造技术和包装性能上有其独有的优势，特别是啤酒和含气体饮料的灌装设备解决了气泡和遗漏等灌装难题，实现了高速灌装。
德国包装机械的另一特点是率先实现了包装机械的成套性，中大型包装设备可以同时实现对包装容器的预处理、称重、包装、封口等多个工序[3]。
意大利着重发展其食品包装机械，在外形上对其他国家的包装机械进行一定程度的改良，而且更注重包装生产的稳定性。
美国和日本等发达工业国家发展工业之时正是我国制造工业的低谷，包装机械与其他工业产品一样也是新中国成立之后才开始起步的。
包装工业的发展期主要是改革开放之后，随着我国经济开始迅速发展，人民的消费水平也大大增强，从而使得生产设备特别是包装机械的需求变得空前紧缺。
此时为了提高我国包装工业的技术水平，大量进口国外的先进技术和生产线，消化吸收并进行改良，发展自己的包装工业[3][4]。
食品机械是专为食品工业服务的，包装机械大约有70%是为食品包装服务的，特别是近年来饮料工业发展迅速，使得液体灌装设备的需求大量增长。
传统的灌装机或灌装生产线对灌装环境的要求较高，比如灌装材料含气体和不含气体、常温灌装和高温灌装、塑料容器和玻璃容器抑或金属容器等，都有其专用的灌装生产线，且不能互用。
在灌装机方面，特别是液体灌装机产品上，国外发达国家尤其是美国和日本的灌装设备精度高，灌装自动化程度高，且同一型号的灌装机可以实现不同规格、不同灌装介质和不同灌装容器的灌装，大大拓宽了包装机械的使用环境。
除此之外，近年来美国和日本等发达工业国家的灌装机在灌装速度上也有很大提升，Krones公司生产的灌装机灌装头的数量已可达178头，灌装机直径大至5米，且可以实现灌装机直径增大转速提升的情况下保证灌装容器的稳定性[2]。
灌装生产效率、灌装质量和生产自动化程度的提升很大程度上推动了灌装机械的发展。
我国灌装设备的制造水平与这些国家相比还存在比较大的差距，国内灌装机生产企业规模小，且很多生产企业主要还是靠引进国外的技术和生产线，或在此基础上对同类产品进行仿造。
国内24工位的饮料灌装机，对于500mlPET瓶灌装速度为12000BPH，单个封盖头的工作效率为1500~1800瓶/小时，且灌装的容量误差较大，与国外产品有较大的差距。
本课题研究目的和意义是对集清洗、灌装、加盖三合一体的旋转型灌装机-XG-24128进行控制系统研究，使其对500mlPET瓶灌装速度可达18000BPH以上，单个旋盖头的工作效率可达2000-2200瓶/小时。
而且在高速灌装下能够保证高的灌装精度和灌装稳定性，且自动生产可以实现无瓶不灌装和无瓶不加盖的功能。
1.2灌装技术在国内外的研究观状
目前，美国、德国和意大利等国的灌装设备设计制造水平相对较高，灌装产品也呈现以下几个方面的动向[4]：
第一，灌装速度提高。
灌装效率成为衡量灌装机械发展的重要指标，从而使得灌装机械向规模化、高效率方向发展。
许多大型企业着力于研究如何通过最大限度地增加灌装头的数量，或加快灌装轮盘的转速，或提高不同灌装介质的最大灌装速度，或改善灌装阀的结构等方法来提高灌装效率。
第二，灌装机械的结构革新。
力在改变传统灌装机结构笨重复杂，中间传动元件多传动精度降低，操作专业性高且维护成本高等缺点，最大程度地减少灌装机的结构零部件，降低制造成本，使得保证其生产的稳定性的同时使操作简单易学。
第三，灌装环境适应性好。
同一台灌装机可以对不同灌装介质进行灌装，可对不同类型、不同大小的灌装容器进行灌装；当灌装环境改变时，重要零部件的更换和维修方便简单，零件的通用性增强。
第四，灌装机的技术含量提升。
电气控制技术已成熟应用于灌装机械中，特别是PLC技术广泛应用，人机界面实现操作交互，故障自我诊断，实现了设备运行的高效智能。
近年来光、磁技术的大量研究成果也越来越多地应用到工业生产中，灌装机械要实现高灌装速度、高灌装精度和高自动生产化必将大量使用光、磁、计算机等先进技术。
我国灌装机械的发展与美国和日本等发达工业国家相比虽然还有很大差距，但是近年来由于经济快速发展，更多地包装产品进入人们的日常生活，从而需要更多的包装机械对其进行生产，所以包装机械发展空间越来越大。
我国的灌装设备和灌装技术发展较晚，主要靠引进国外先进技术，并结合国内的生产环境对其进行改良。
同时，由于我国在光、电、磁及计算机应用上的研究与国外发达国家存在不小的差距，这也使得我国灌装机械在技术上的发展受到制约。
我国灌装机械近年来向高自动化程度及高集成性方向发展，结构上力求简单而不影响功能，一台灌装机可以同时实现进瓶、清洗、灌装、加盖、出瓶、称量等功能；在控制系统上，从原来的继电器控制逐渐向PLC控制转换；同时为了操作更加方便，触摸屏越来越多地被使用[5]。
国内一些企业和高校对灌装机的研究主要集中在其控制系统和灌装精度方面，例如对一药品灌装机采用全伺服PLC控制系统，且设计有灌装跟踪系统及随机称量系统，使得灌装自动化程度高，灌装质量好，且实现灌装精度的随时检测。
国内灌装机大多采用计量泵模式，这种灌装模式最大的缺点是不能实现对各个灌装泵的单独控制。
为了满足高精度（灌装容量误差不大于3%。
）、高灌装速度（灌装速度达到18000BPS以上）的要求，XG-24128型伺服泵高速清洗灌装加盖三合一机采用伺服电机与陶瓷柱塞泵相结合的结构，利用伺服电机响应速度快，易控制，陶瓷柱塞泵精度高等优势，实现灌装机的高速和高精度的灌装，且能实现对各个灌装泵的单独控制。
同时为了节约成本，采用一个伺服泵同时控制两个灌装头并实现连续灌装的控制设计，提高灌装速度。
1.3灌装机械概述
1.3.1基本概念
灌装机械的主要作用是将液体介质充填到包装容器中，灌装机械一般可以实现灌装、封口、称量等功能[6]。
液体灌装中，对灌装精度和稳定性影响最大的是灌装介质的黏度，其次是是否含有气体，是否会起泡及是否含微小固体物及其含量等。
根据灌装介质的黏度，灌装的液体介质可分为流体（如牛奶、清凉饮料及酒类等低度液体）、半液体（如调味酱、果酱等黏度大，灌装需借外力的液体）、黏滞流体（如调味酱、果酱等黏度大，需借外力才能流动的液体）。
根据灌装介质中是否含气体或是否会生成气体可将灌装介质分为：
硬饮料（含酒精成分的含气饮料）、软饮料（不含酒精成分的含气饮料）、不含气体液体（如白酒和醋等）。
由于灌装产品的物理化学性质，特别是黏度、含气量不同，灌装要求也
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