纯净水灌装机plc系统控制的设计.docx

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纯净水灌装机plc系统控制的设计

毕业设计（论文）报告

题目纯净水灌装机PLC控制系统

的设计

院系中德机电学院

专业电气自动化

班级0902

学生姓名曹蓓

学号100091611

指导教师龚运新

2012年4月

纯净水灌装机PLC系统控制的设计

摘要：

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。

PLC可编程序控制器具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。

据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。

专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一。

由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，纯净水灌装机发展很快，早已由人工手动灌装发展实现机械自动化灌装，且自动化水平日益提高。

随着科学技术和生产的发展，现在越来越多的将PLC应用于灌装机系统中。

关键字：

继电接触式控制系统、PLC、灌装机、自动控制

ThedesignofpurewaterfillingmachinePLCcontrolsystem

Abstract：

Inrecentyears,thedevelopmentofsocialdevelopmentandprogressofallwalksoflifeputforwardmoreandmorehighdemand.Mechanizationprocessingenterpriseinordertoincreasetheproductionefficiencyandcompetitiveness,themechanizationlineoperationmodeofproduction,toadifferentproductsseparatelyformedtobeautomaticassemblyline.Productconstantlyupdatingandupgrading,andalsorequirestheappropriatecontrolsystemthenchange,improveproductproductionefficiency.Inthiscase,hardlinksofthewaytherelaycontactcontrolsystemcannotmeettherequirementofoftenupdate.Because,thefirstisahighcost,andthesecondiscycleislong.Intheearlydaysalsoappearedmatrixsequencecontrollerandthetransistorlogiccontrolsystem,becausethedeviceisbig,thefunctionisless,therearesomanyshortcomings,althoughincanincreasecontrolsystemofgeneralandflexibility,butwerenotwidelyshould.

PLCprogrammablecontrollerissimpleinstructure,convenientprogrammingandhighreliabilityetc,arewidelyusedinindustrialprocessandthelocationoftheautomaticcontrol.Accordingtothestatistics,theprogrammablecontrollerisusedintheindustrialautomationdevicesakindofmostequipment.Expertsthink,programmablecontrollerwillbethemajormeansofindustrialcontrolandimportantoneofthefoundationoftheequipment.DuetotheuseofPLChasthecharacteristicsofstrongadaptabilitytotheenvironment,andtheinternaltimerisveryrichinresources,purewaterfillingmachinedevelopmentsoon,havealreadybymanualfillingdevelopmentrealizeautomaticmechanicalfilling,andautomationlevelisincreasingdaybyday.Alongwiththescienceandtechnologyandthedevelopmentofproduction,nowmoreandmorewillPLCinthefillingmachinesystem.

KeyWords:

Thesystemofrelaycontactcontrol、PLC、Fillingmachine、Automaticcontrol

前言

民以食为天，食以水为先。

随着生活质量的提高和环保、健康意识的增强，人们对饮水问题日益重视。

其中，纯净水以其突出的优点受到市民的欢迎。

于是，纯净水灌装机行业迅速兴起，各种纯净水灌装机相继问世。

调研表明，大多数纯净水灌装机采用了继电器控制。

它具有效率高、功能强、加工质量高等特点，是当今世界的前沿课题，但还存在一些问题，例如：

罐装精密度以及稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。

本设计采用的是PLC控制的纯净水灌装机系统。

用PLC的控制系统来取代原来由单片机、继电器等构成的控制系统，采用模块化结构、具有良好的可移植性和可维护性，对提高企业生产和管理自动水平有很大的帮助。

同时又提高了生产线的效率、使用寿命和质量，减少了企业产品质量的流动，因此具有广阔的市场前景。

设计中选取的PLC是西门子生产的S7-200。

S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（MicroPLC）。

这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，S7-200MicroPLC的CPU22*系列PLC的CPU，具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。

此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。

第一章概述

1.1本文主要研究内容

本文主要研究的是基于PLC控制的纯净水灌装机系统的主体结构功能。

各个组成部分及其结构和功能，其中包括冲洗机、灌装机、理盖器、上盖器及旋盖器。

灌装机的动作过程。

同时本文还将对S7-200PLC及其编程软件的使用进行详细的叙述，并就本文的纯净水灌装机进行编程并仿真，实现其自动控制。

1.2课题研究意义

要把灌装机产品国产化，要走相当一段的路程，国内现状是“互仿”--互相仿造，在国内仿造，也叫做“内仿”。

水平大概一致，今天你有的，明天别人就仿去了。

一个灌装机行业也就那么几家有自己的机械设计能力来开发新产品。

其他的制造商就跟进过来。

所以在互联网上我们查找灌装机会看到很多产品，但大多雷同。

相比较而言，一些国外厂家，他们的产品不论是在外观还是的设计原理上都有比较大的区别。

这就是很多国内一些想创新的厂家努力去学习国外产品的原因，操作方法是到国外参加展会，拍些设备图片或直接购买一个设备样品，拿来仿造就可以了。

这就是“外仿”，仿造国外的。

不管是“内仿”还是“外仿”都是在仿造。

自己没有太多的创新和设计。

产品就会一直在跟进，跟着别人前进。

要想超越和创新就必须有自己的机械设计能力，机械设计和研发是灌装机最终能国产化的根本前提。

我国液体灌装机要满足包装行业快速发展的需求，并积极参与国际竞争，就必须打破“小而散”的行业态势，在“高精尖”的方向上不断前进。

业内人士认为，未来液体灌装机将配合产业自动化趋势，在技术发展上朝着机械功能多元化，结构设计标准化、模组化，控制智能化，结构高精度化等几个方向发展液体。

因此灌装机的发展为食品、药品的现代化加工和大批量生产提供了必要的保证。

本设计就是针对以上而设计的一种以PLC可编程控制系统为主导的灌装机系统。

灌装生产线有两条传送带，空瓶传送带和灌装传送带。

生产线分为三个工位，这三个工位完成桶的清洗和吹干、灌装、和旋盖。

生产线启动后，空瓶传送带送过来的空瓶依次完成上述功能。

第二章纯净水灌装机结构功能分析及其主要工艺流程

开发灌装机时分为两部分机械系统和电气控制系统，电气系统包括硬件和软件部分，这方面我将于下面的章节中具体讨论。

本章中笔者将主要叙述纯净水灌装机机械系统中的各结构功能及其整体工作流程。

2.1纯净水灌装机结构功能分析

⑴整体立体布局如图2-1所示。

图2-1纯净水灌装机整体立体布局

⑵各个部分的结构组成：

纯净水灌装机整体平面布局如图2—2所示，其动作过程为：

进瓶风道将待灌装瓶送至星轮传动Ⅰ，并由星轮传动Ⅰ把瓶传至冲洗机夹瓶机构，夹瓶机构夹持瓶颈依冲洗机导轨运转进行翻转对瓶内外进行冲洗，冲洗干净并沥干的灌装瓶依形板通过星轮传动Ⅱ，再由星轮传动Ⅱ把瓶传至灌装机，由卡瓶板卡住瓶颈依灌装运行导轨上升并顶开灌装阀进行灌装，灌装完后再下降，脱离灌装阀，并依形板通过星轮传动Ⅲ传至星轮传动Ⅳ。

在星轮Ⅳ将待灌装瓶传至旋盖器上的过程，上盖器将瓶盖盖在瓶上，最后由旋盖卡瓶板卡住待灌装瓶瓶颈进行旋盖，最后依形板通过输送链将灌装旋好盖的饮料瓶传出，这样就完成冲洗、灌装、旋盖全过程。

图2-2纯净水灌装机整体平面布局

2.2纯净水灌装机的主要工艺流程

依照上图中的纯净水灌装机立体及平面布局以及其动作过程绘制其主要工艺流程如图2—3所示。

原料供给

图2-3纯净水灌装机主要工艺流程图

第三章设备主要组成部分

该设备主机主要由底板架、玻璃围框、洗瓶机、灌装机、旋盖机、主电机传动、星轮传动、星轮形板、理盖器、下盖槽、上盖器及电气控制系统等部件组成。

其中底板架由矩形管及钢板组焊而成，上表面及四周覆盖不锈钢面板，强度高，刚性好，重量轻，是整台设备的基础件，其底部装有地脚螺栓，可调节水平及高低；玻璃围框将主机四周封闭起来，上部采用透明玻璃门对设备进行监控，玻璃门上设有保护装置，在机器运转时打开它会自动停机，外形美观大方，使用安全可靠。

3.1冲洗装置

冲瓶装置采用翻转式连续跟踪喷冲的方式，其进瓶、翻转，出瓶过程全自动化。

根据需要，可选择水冲洗、消毒、无菌水冲洗或选择冲温水、热水、喷压缩空气，使其同时具有冲洗和杀菌功能，将瓶中残留水减至极少。

在对瓶子进行外部清洗时，待洗的瓶子放在两个转动着的导辊上，导辊带动瓶子旋转。

当推头M把瓶推向前进时，转动着的刷子就把瓶子外面洗净。

当前一个瓶子将洗涮完毕时，后一个待洗的瓶子已进入导辊待推。

清洗的专用设备由不锈钢水泵、高压喷头、电器箱等组成。

该机采用高压反冲喷洗，瓶壁的杂物能及时脱离掉入水箱中。

在对瓶子内部进行清洗时所用的洗瓶机主要由洗瓶夹、上转盘、导轨、分水盘、防护罩、喷水装置、接水盘等组成。

动作过程为：

洗瓶夹随上转盘旋转，与进瓶星轮交接时靠弹性变形张开瓶口夹，夹持灌装瓶颈，依导轨作一百八十度翻转，瓶口朝下进行清水冲洗然后滴干，再翻转180°，瓶口朝上由出瓶星轮带出；防护罩可防止冲洗水溅出；分水盘将清洗水由静止件送至旋转件。

洗瓶机的特点有：

⑴传动全程为夹瓶口，方便不同瓶型的切换。

⑵可根据要求进行多道清洗。

⑶无瓶不冲洗。

⑷如果水压降低，安全系统会使机器停止运转。

⑸如果机器停止运转，洗瓶机进瓶处会有一个电磁阀阻止瓶子继续进入。

⑹冲瓶机夹头带有快速插头，由食品级橡胶制成，一个带开口的收集器，装在转台的中心，该收集器主要收集冲洗液，其表面为玻璃钢或者不锈钢涂层，防止清洗液喷射到外面。

洗瓶机的工作原理为：

瓶子装入特制的瓶盘中，特制瓶盘由瓶盘和盖板组成并由瓶盘的带孔子分隔定位。

由人工送入第一工位，循环水喷淋注水满江后，下沉至超声波槽进行超声波粗洗；随后瓶盘上升推入第二工位，瓶口朝下喷淋水冲洗外瓶，把针头插入瓶中一次清洗（注射用水）、二次清洗（注射用水）、三次气冲、甩干。

洗瓶机的清洗工序图如图3—1所示。

图3—1洗瓶机清洗工序图

洗瓶机的优势有：

⑴结构简单、性能稳定、操作容易、维修费用低。

⑵多规格、多用途。

⑶可联动使用，也可单机使用。

⑷采用气动系统，无污染。

⑸采用PLC控制操作洗瓶工艺，超声波清洗时间可自由设定。

⑹具有残水去除装置。

⑺和平盘式清洗方式实现了洗瓶低破损率。

⑻装满安瓿瓶的瓶盘可直接进下灭菌烘箱，不需要翻盘。

⑼清洗质量符合GMP规范要求。

⑽可为用户节省水资源。

3.2灌装机构

纯净水灌装机构主要由：

灌装桶、灌装阀、导轨、提升装置、卡瓶升降装置等组成，其结构图如图3—2所示。

它的动作过程为：

待灌装瓶清洗完毕之后由星轮传动Ⅱ的卡瓶板送入灌装机，灌装卡瓶板托住瓶颈，随灌装桶等一起旋转，并依导轨随升降导杆上升打开灌装阀灌装，灌装完后，下降脱离灌装阀，灌装阀自行关闭。

瓶随星轮传动Ⅲ的卡瓶板送出灌装机。

图3—2纯净水灌装机结构图

1.电元分配器组件2.防转架3.灌装桶4.灌装阀5.托瓶装置6.提升导轨7.环形管8.齿轮轴承9.中央分配器10集合加油组件

灌装阀结构：

等压快速灌装阀，包括排气阀体、排气阀、灌装头、提升机构，等压快速灌装阀安装在液体缸体上，其特征在于液体缸体上安装阀座，在阀座下面安装灌装头，灌装阀缸体安装在阀座上，在灌装阀缸体内部的下部安装开关阀，在上部安装阀塞，提升机构固定在液体缸体上，阀塞与提升机构通过连接件连接，排气阀体安装在灌装阀缸体、阀座和灌装头中心部位，排气阀体中间部位制成排气通道，下端制成排气管，在与灌装头配合处制成与灌装头配合的锥体面，在排气阀体中部制出凸台，排气阀安装在排气阀体的排气通道内，在灌装头上部与阀座内部安装弹簧支承排气阀体，阀座顶端制成液体流通孔，灌装阀缸体底部制出液体流通孔，在上部侧壁制出液体流通孔，提升机构上的拨叉与排气阀配合安装。

其结构如图3—3所示。

图3—3灌装阀结构图

1.密封环2.密封垫3.定位套4.O型密封圈19x3.555.垫块一、二、三6.滑动体7.阀芯8.弹簧9.导向环10.孔用方形圈11.阀腔12.接头13.O型密封圈14x1.8

3.3封盖机构

封盖机构由上盖器和旋盖机及理盖器三大部件组成。

瓶子灌装完毕之后由星轮Ⅲ带出并传送至星轮Ⅳ。

与此同时，瓶盖由理盖器整理至同一方向后经下盖槽传至上盖器，上盖器轻轻固定瓶盖并倾斜。

当星轮Ⅳ带动待封盖瓶转动至上盖器下时，待封盖瓶的瓶口触碰到上盖器上瓶盖的内壁，并将瓶盖带下，完整的套盖在瓶盖上。

套好盖的瓶由星轮Ⅳ传至旋盖器，旋盖卡瓶板托住瓶颈。

此时，旋盖头在齿轮带动下绕自身轴线旋转将盖拧紧在瓶口上，并保持恒定的旋盖力矩。

盖好盖的瓶由旋盖器传至传动带上带出灌装机。

理盖器和下盖槽、上盖器、旋盖机等相连接，通过几种运动的有机组合，即可完成送瓶、送盖、上盖、旋盖的过程。

旋盖头的结构：

用于旋封容器盖的旋盖头，由传动轴及旋盖器等组成，在传动轴和旋盖器之间有一个由弹簧复位的单作用气缸，气缸的缸筒和活塞杆分别与传动轴和旋盖器固定联接，活塞杆与气缸或气缸盖通过滑动键或滑动销联接，因而传动轴的旋转运动可以传递给旋盖器，同时在传动轴轴向不动的情况下，气缸可以驱动旋盖器升降。

在旋盖时，不需要容器或整个旋盖头升降，因此旋盖机结构明显简化，成本大为降低。

其结构如图3—4所示。

此处用到的气动控制是由压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀和逻辑元件、传感元件和气动铺件连接起来即可组成“气动控制系统”，该系统对“气动系统”的“压力、流量”的调节过程既是气动控制，该系统式气动系统的一部分。

在气动系统中，气动发生装置一般为空气压缩机，它将原动机供给的机械能转换为气体的压力能；气动执行元件则将压力能转化为机械能，完成规定动作；在这两部分之间，根据机械或设备工作循环运动的需求、按一定顺序将各种控制元件（压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀和逻辑元件）、传感元件和气动铺件连接起来。

图3—5旋盖头结构示意图

1.轴2.传动齿轮3.旋盖底座4.旋盖形板5.旋盖星轮6.护瓶板7.卡瓶板8.连接套9.旋盖上座10.旋盖下安装板11.固定齿轮12.环连接板13.单列圆锥滚子轴承14.齿轮吊杆15.旋盖臂16.旋盖凸轮17.顶板

3.4星轮传动机构

星轮传动结构：

主要功能是使装备机械上的加速器、减速器、调速器、变速器的体积变小、功能增强，并减少进口。

其结构如图3—6所示。

图3—6星轮传动结构示意图

3.5纯净水灌装机的技术特点分析

主要特点：

⑴本机结构紧凑，控制系统完善，操作方便，自动化程度高；

⑵变换瓶形只需更换旋盖部分星轮，弧形导板即可实现；

⑶与物料接触之零件均采用优质不锈钢制造，无工艺死角，易清洗；

⑷采用高速灌装阀，液位准确无液损，确保灌装工艺要求；

⑸封盖头采用磁力恒扭矩装置，确保封盖质量，并且不会损坏瓶盖；

⑹采用高效的理盖系统，具有完善的自控与保护装置；

⑺设有完善的过载保护装置，能有效的保护设备及操作者的安全。

进瓶机构主要特点：

⑴风送道与进瓶拨轮直连的进瓶方式。

⑵进瓶拨轮采用创新设计的具分瓶功能的瓶口夹持机构，取消了进瓶螺杆及输送链，更换瓶形无须更换及调整任何零件。

冲瓶机主要特点：

⑴大型平面带齿轴承，运转平稳、可靠。

⑵采用翻转式瓶夹，瓶夹卡住瓶颈部位，避免了传统瓶夹上的橡胶夹块对瓶口螺纹部位造成的可能污染。

瓶夹采用不锈钢，卫生、耐用。

⑶采用高效喷雾喷嘴，冲瓶水呈设定角度喷出，可冲洗到瓶子内壁任何部位，冲洗彻底并节约冲瓶用水。

⑷采用冲瓶喷嘴升降机构，喷嘴插入瓶中进行冲洗，使冲洗效果达到最佳，同时最大程度的减少冲瓶用水量，更适应大瓶的生产需求。

灌装机主要特点：

⑴旋转盘全部采用不锈钢制造，卫生、耐用。

⑵大型平面带齿轴承，运转平稳、可靠。

⑶灌装方式为重力灌装。

⑷高精度、高速液位灌装阀。

⑸采用环型液缸，并配备CIP（SIP）循环通道，液缸液位由浮球控制。

⑹采用提升气缸瓶升降机构，并采用卡瓶口瓶夹夹住瓶口，变换瓶形无须更换及调整任何零件。

⑺灌装机动力由机架内传动系统通过齿轮传递。

旋盖机主要特点：

⑴磁性恒扭矩旋盖头，旋盖效果稳定可靠。

⑵落盖导轨上设有防止反盖通过及反盖取出机构，同时装有一组光电开关，当落盖导轨上无盖时会自动停止机器运转，可以有效的避免无盖瓶的出现。

⑶设有旋盖机进瓶检测开关，与落盖导轨和拨盖盘连接处的锁盖气缸连锁控制瓶盖的排出，保证无瓶时停止喂盖，减少盖子的损耗。

⑷高效离心式理盖方式，盖磨损小。

⑸理盖器设有缺盖检测机构，用于控制瓶盖提升机启停。

第四章PLC相关知识

4.1PLC的历史和发展

世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。

20世纪70年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。

20世纪70年代中期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术己全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中己获得了广泛的应用。

20世纪末期，可编程控制器的特点是更加适应于现代工业控制的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机;从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。

这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。

加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。

PLC的联网通信有两类：

一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。

为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。

在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。

除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。

多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。

4.2PLC的特点与应用

PLC是一种专门为了在工业环境下应用而设计的数字运算操作装置。

它采用一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，控制各类型的机械或生产过程。

PLC及有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。

PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。

目前，PLC在国内己广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类:

⑴开关量的逻辑控制。

这是PLC最基本最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控及自动化流水线.

⑵数据处理。

PLC可以用于对直线运动或圆周运动的位置速度和加速度的控制。

⑶运动控制。

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/0模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

⑷过程控制。

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业