PLC控制的自动灌装机系统设计毕业论文.doc

III四川机电职业技术学院毕业设计PLC控制的自动灌装机系统的设计毕业综合 训练专业班级： 学生姓名： 指导教师： I2四川机电职业技术学院毕业设计PLC控制的自动灌装机系统的设计摘 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，液体物体的灌装机发展很快，早已有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。本设计综合可编程控制器和变频器控制的诸多优点，通过可编程控制器输出来控制变频器的多段速调速，让电动机转速跟随检测的反馈信号而变化，实现对灌装啤酒传送带速度的自动控制，使其与灌装机的速度相匹配，提高工业生产的效率。本次设计将可编程控制器和变频器控制进行了充分的结合运用，将可编程控制器的开关量输出端直接与变频器的开关输入端相连，体现了由新的控制器带来新的控制理念的思想。关键词：继电接触式控制系统。2目 录第一章 绪 论11.1研究背景及课题来源11.2研究现状11.3解决办法2第二章 PLC介绍32.1 PLC的发展32.2 PLC的应用领域32.3 PLC的特点32.4 PLC控制灌装机系统的优点4第三章 设计方案53.1自动灌装机系统方案设计5第四章 罐装传送带调速系统分析94.1 罐装传送带调速系统工艺流程94.2 输入信息分析104.3 输出信息分析11第五章 罐装传送带调速控制系统硬件设计125.1罐装传送带系统总图设计125.2电器元件的选型13第六章 罐装传送带调速控制系统硬件设计146.1编程平台介绍146.2具体设计程序及注释156.3灌装传送带调速监控系统软件19结 论22参考文献23谢 辞2428第一章 绪 论1.1 研究背景及课题来源近几年，由于PET/HDPE塑料瓶被越来越多地应用到液态食品包装领域，扩大了其在液态食品包装领域中的应用范围。据不完全统计，全球每年用于饮料瓶的塑料容器消费量为1000多万吨，并且其产销量正在以每年10%19%的速度增长。茶饮料、果汁饮料以及功能性饮料经过几年的苦心经营，已经成为饮料市场上稳定、成熟的产品，现在高速中温热灌装技术为众多饮料企业提供了最佳的解决方案，既满足了产品的增长率和安全性，又降低了饮料企业的包材成本和运行成本。随着高速中温热灌装机技术的日臻成熟，将为更多的国内大、中型饮料生产企业提供先进、稳定、可靠的饮料灌装机设备，带来更为直接的成本效益。灌装机主要是包装机中的一小类产品，随着我国酒业的快速发展，啤酒、葡萄酒、黄酒、白酒等酒类产量持续增长，我国饮料酒(不含果露酒、发酵酒精)总产量已达2878万千升,同比增长8.2%。有关专家指出，我国饮料行业是高成长性的行业，成熟饮品增长稳定，新的热点和增长点不断涌现，新兴饮品的增长更快。同时，中国包装机械已发展成世界液态食品行业中有重大影响和极大市场占有率行业。因此，液体灌装机市场发展潜力巨大。1.2 研究现状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，在国外我们考察一些灌装机械厂家，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。1.3 解决方法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，空桶传送带和灌装传送带。生产线分为四个工位，这四个工位完成桶的清洗、吹干、灌装、和剔出没有正常完成各个工位操作的桶。生产线启动后，空桶传送带送过来的空桶依次完成上述功能。并进一步通过可编程控制器输出来控制变频器的多段速调速，让电动机转速跟随检测的反馈信号而变化，实现对灌装啤酒传送带速度的自动控制，使其与灌装机的速度相匹配，提高工业生产的效率。本次设计将可编程控制器和变频器控制进行了充分的结合运用，将可编程控制器的开关量输出端直接与变频器的开关输入端相连，体现了由新的控制器带来新的控制理念的思想。第二章 PLC介绍2.1 PLC的发展PLC在60年代末到70年代中期出现，这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。从70年代中期到80年代中后期，微处理器的出现使PLC发生了巨大变化。美国，日本，德国等一些厂家开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。这样，使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。从80年代后期至今，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且,为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化，使PLC的功能更强大。2.2 PLC的应用领域目前，PLC已经广泛地应用于所有的工业部门，随着PLC性能价格比的不断提高，过去许多使用专用计算机控制设备的场合也可以使用PLC。PLC的应用领域不断的扩大，主要有以下几个方面：（1）开关量的逻辑控制；（2）运动控制；（3）闭环过程控制；（4）数据处理；（5）通信联网。并不是所用的PLC都具有上述全部功能，有些小型PLC只具有上述部分的功能，但是价格较低。2.3 PLC的特点（1）编程方法简单，易学；（2）硬件配套齐全，用户使用方便；（3）系统的设计、安装、调试工作量少；（4）可靠性高抗、干扰能力强；（5）通用性、适应面广、使用方便；（6）故障率低、维修方便；（7）体积小、能耗低；（8）具有逻辑运算，计时、计数、顺控等功能。2.4 PLC控制自动灌装机系统的优点将PLC用于对自动灌装机系统的控制，主要是其具有对使用环境适应性强、无故障运行时间长的特性，同时其内部定时器、计时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的自动灌装机系统进行精确控制，罐装传送带控制系统的系统设计目的是利用PLC和变频器控制电动机转动带动皮带传动，然后将要灌装的瓶传送给灌装机，达到瓶流速度和灌装速度的协调，从而提高工作效率。基于PLC的这些好处，所以选择PLC为逻辑控制元件。第三章 设计方案3.1 自动灌装机系统方案设计本设计有分两个步骤，第一个步骤如下，控制要求：灌装生产线有两条传送带，空桶传送带和灌装传送带。生产线分为四个工位，这四个工位完成桶的清洗、吹干、灌装和剔出没有正常完成各个工位操作的桶。生产线启动后，空桶传送带送过来的空桶依次完成上述功能。各个工位的间隔距离相等（大于一个桶的直径），以保证灌装传送带电机运行一次，桶可以在各个工位准确到位。输入：生产线启动、停止信号分别为S1、S2；灌装传送带空桶到位光电开关，14工位的桶到位光电开关依次为B0、B1、B2、B3、B4为1时桶到位，否则为0；2工位的吹干检测传感器B21吹干时为1，否则为0；3工位的灌装完成压力传感器B31灌装完成时为1，否则为0；14工位推杆阀门（13工位用于将不合格的桶推出传送带后推杆收回）开到位信号V11OPENED、V21OPENED、V31OPENED、V41OPENED为1时开到位，否则为0；14工位推杆阀门关到位信号V11CLOSED、V21CLOSED、V31CLOSED、V41CLOSED为1时关到位，否则为0；13工位清洗、吹干、灌装阀门，开到位信号V12OPENED、V22OPENED、V32OPENED、V42OPENED为1时开到位，否则为0；13工位清洗、吹干、灌装阀门，关到位信号V11CLOSED、V21CLOSED、V31CLOSED、V41CLOSED为1时关到位，否则为0。输出：M1、M2分别为空桶传送带和灌装传送带电机的启动、停止输出，为1时启动，为0时停止；14工位推杆阀门V11、V21、V31、V41为1时打开，否则关闭；灌装阀门V12、V22、V32为1时打开，否则关闭。设计方法：本步骤中的灌装传送带的控制流程是这样的：首先按动启动按钮后，灌装传送带空桶位置的光电开关，当没有桶时其输入值为0，假如灌装传送带电机没有运行，则启动空桶传送带电机，知道灌装传送带空桶位置有桶为止，然后停止空桶传送带电机。空桶传送带电机停止后，如果推杆全部收回，灌装传送带空桶为止的光电开关出现上升沿，或者在至少一个工位有桶的情况下，推杆全部收回出现上升沿，则启动灌装传送带电机（当按动启动按钮时，如果灌装传送带空桶位置有桶或至少一个工位有桶，也需要启动灌装传送带电机）。当各个工位的的光电开关有任意一个（由于各个工位间隔距离相等，故灌装传送带上多于一个桶时，各个光电开关会同时检测到桶已经到位）检测桶已经到位时，停止灌装传送带电机，然后进行各个工位的的操作。假如灌装传送带上所有桶都已经灌装完毕，或者空桶传送带送桶不及时，所有光电开关检测不到桶的到位，将会导致电机一直运行下去。为避免这种情况的发生，设置一个延时开型计时器时间设置为8s，8s时间到后停止电机运行，从而启动空桶传送带电机，使空桶能够送过来。这里之所以用8s的时间是考虑到灌装传送带电机正常运行一次不会超过8s的缘故。各个工位的操作流程是这样的，在1工位桶到位后，用推杆将桶推到清洗阀门入口进行桶内的清洗，时间为10s。然后将清洗过的桶，用推杆收回到灌装传送带上。2工位与此类似，只是将桶进行吹干。3工位进行灌装，灌装时间为15s。在2工位还有一个吹干检测传感器，用于吹干后检测桶内是否有水，如果有水则不能进行下一个工位的操作。当到达4工位时将其推出灌装传送带。同样，3工位操作完成后进行桶内的压力检测，如果压力低，则也要在4工位时将其推出灌装传送带。按动停止按钮，则需停止灌装生产线工作，即停止所有电机运行并关闭所有阀门，以便将生产线恢复到初始状态。第一步骤只在此简单叙述，本论文重点介绍第二步骤的设计。要求PLC根据瓶流通过变频器调整输送带的速度，即PLC根据瓶流情况选择多段速控制，做到输送带速度与灌装机速度很好的匹配。由光电检测开关检测瓶流速度，不同的瓶流速度对应变频器的不同速度，由PLC的输出端子去控制变频器的多段速控制端，实现速度的调整，实现与灌装速度相匹配。基本原理：PLC制变频器电动机传输皮带带带光电检测器 反馈控制信号图3.1 方案方框图通过变频器的多功能输入端的设定，即设定多级速度频率，可以实现多级调速运转，并可通过外部信号选择使用某一级速度，本次设计为3级速度频率。用PLC的开关量输入输出模块控制变频器的多功能输入端，以控制电机的正转和转速等，实现有级调速。图3.2 多段速调速连线框图变频器的多段速调速可以通过RH、RM、RL三个输入端子的不同组合来设定7个不同的速度，并且速度多可以单独的通过控制面板在0120HZ之间任意设定，设定范围广。第1、2、3速在出厂时分别设定为50HZ、30HZ、10HZ，第47速未设定，需通过手动进行相关的设定。如果将设定参数P63设定为8：REX（多段15速选择），就可以通过RH、RM、RL、REX四个端子的不同组合来设定15速选择，但此时变频只能单向运转，不能反转运行。表3.1 多段速调速速段分配表REXRHRMRL转速编号010010010200013001140110501016011171000811009101010100111101112111013 多段调速之渐次调解法，即用光电传感器检测瓶流速度并送入PLC与已知的罐装速度做差得到差值电压V，然后对V进行处理，将V与给定值进行比较，若小于一定范围，则速度降级，若大于一定范围，则速度升级，若在一定范围内，则速度级数不变。另外，如果转速超越允许范围而过快，则PLC的Y3端口输出L1灯报警信号;反之如果转速低于允许范围而过慢，则由PLC的Y4端口输出L2灯报警信号，整个转速控制过程由PLC输出以控制变频器的频率控制端，以使变频器改变输出频率驱动电动机，从而实现对电动机的调速即控制瓶流速度与罐装速度一致，达到设计目的。在该方案中，我们还增加了变频器的故障反馈保护系统，由变频器的A端输出，当变频器发生故障时，反馈控制信号经A端传送到PLC的输入控制端口X9端，经PLC逻辑运算后由Y5端输出，控制接触器KM1动作，及时切断变频器的主电源，起到保护作用。 第四章 灌装传送带调速系统分析4.1 灌装传送带调速系统工艺流程 图4.1 系统工艺流程图罐装传送带控制系统的系统设计目的是利用PLC和变频器控制电动机转动带动皮带传动，然后将要灌装的瓶传送给灌装机，达到瓶流速度和灌装速度的协调，从而提高工作效率。本次设计的工艺流程图如图3.1所示，系统启动后按下电机正转开关，若电机出现异常马上切断工作电源进行保护，若电机情况正常则电开始下一步工作。电机开始转动，带动皮带传动，待灌装的瓶子在皮带的传动作用下经过光电传感器，传感器对瓶子进行计数送往PLC进行数据处理，处理后得到的瓶流速度和PLC存储器里面设定的值进行比较，判断是否需要进行调速，如果不需要调速电机按照原来的速度运转，如果需要进行调速，则PLC输出控制信号给变频器多段速调速控制端，变频器接受到PLC传送过来的控制信号后经内部处理，输出特定频率的电压实现对电机的变频调速。变频器异常输出端反馈信号给PLC输入，实现对变频器的保护。 4.2 输入信息分析根据系统的功能需要，本系统的输入信号主要有10个，分别是启动按钮、停止按钮、自动、手动切换按钮、检测频率输入信号端、变频器突发信号进入端。启动按钮用于启动调速系统开始工作，停止按钮用于结束调速系统 ，自动按钮用于控制电机自动调速运转，手动按钮用于手动控制电机转速，频率信号输入端是用于将光电传感器传来的脉冲信号传入PLC，由PLC进行逻辑处理，突发信号进入端用于检测变频器的异常以便于及时进行处理，防止变频器因此而损坏。输入信号表如图4.2所示：表4.1 输入端口列表输入元件符号名称端子号作用SA选择开关X0手动X1自动SB1按钮开关X2启动SB2按钮开关X3停止SB3按钮开关X5高速SB4按钮开关X6中速SB5按钮开关X7低速SB6按钮开关X8停止报警A变频器故障反馈信号X10反馈保护IC光电检测信号X4计数检测 4.3 输出信息分析 根据系统的功能需要，本系统的输出信号主要有7个，其中Y0、Y1、Y2用于设定频率控制信号，控制电动机的低、中、高、速运转。Y3用于实现电动机转速的过快报警，Y4用于实现电动机转速的过慢报警，Y5用于当变频器发生异常故障时断开变频器电源，Y6用于启动电动机的正转运行，PLC输出信号表如表4.2所示：表4.2 输出端口列表输出元件符号名称端子号作用RL低速输入Y0起动低速运行RM中速输入Y1起动中速运行RH高速输入Y2起动高速运行L1报警灯L1Y3过速报警L1L2报警灯L2Y4慢速报警L2KM1接触器Y5变频器反馈保护STF正转输入Y6正转运行 第五章 罐装传送带调速控制系统硬件设计5.1 罐装传送带系统总图设计系统总图如下所示： 图5.1 系统总设计图5.2 电器元件的选型本设计中所使用到的元器件清单如下表所示： 第六章 灌装传送带控制程序设计6.1 编程平台介绍GX developer：三菱可编程控制器FX系列和QA系列的编程软件。主要用于xp系统下的三菱plc编程软件，中文简体；支持三菱最新的fx3u/fx3uc系列plc编程；支持三菱a系列、q系列、Fx系列及运动控制器的编程等。它包括PLC程序设计软件，支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，结构化程序的编写(分部程序设计)，可制作成标准化程序, 在其它同类系统中使用。设计非常方便，本次设计我们就选用了GX developer软件作为编程平台进行设计。6.2具体设计程序及注释公用程序手动控制中速手动子程序手动控制高速手动控制低速启动停止变频器异常断开其电源自动子程序；启动电机正转记X4脉冲个数定20秒为单位时间脉冲个数C0C04C0=44C08脉冲个数C08=C0=12C016取消报警C04则为速度过低，启动报警一4=C0=8时,启动高速20秒后返回继续判断瓶流速度8=c016时则为速度过高启动报警二12=C0=16时,启动低速20秒后返回继续判断瓶流速度 图6.1 所编程序图6.3 罐装传送带调速监控系统软件 MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。MCGS 5.1软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。图6.2 MCGS功能流程图MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程” 。MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（即ifthen脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、定时器、配方操作、多媒体输出等，如图6.1所示，可以由它实现对工业生产的仿真上位监控过程。结 论本次设计主要是利用PLC和变频器控制电动机转动带动皮带传动，然后将要灌装的瓶传送给灌装机，达到瓶流速度和灌装速度的协调，提高生产效率。本次设计的基本思路如下：系统启动后按下电机启动开关，若电机出现异常，则热电流继电器马上切断进行保护，若电机情况正常则电开始下一步工作。电机开始转动，带动皮带传动，待灌装的瓶子在皮带的传动作用下经过光电传感器，传感器对瓶子进行计数送往PLC进行数据处理，处理后得到的瓶流速度和PLC存储器里面设定的值进行比较，判断是否需要进行调速，如果不需要调速电机按照原来的速度运转，如果需要进行调速，则PLC输出控制信号给变频器多段速调速控制端，变频器接受到PLC传送过来的控制信号后经内部处理，输出特定频率的电压实现对电机的变频调速。变频器异常输出端反馈信号给PLC输入，实现对变频器的保护。此设计基本满足设计要求。通过这段时间的准备、查找、思考、整理总结，我终于完成我的PLC技术课程设计。经过这些天的课程设计学习，我认识到PLC技术课程的涉及面非常广，特别是日常生活中，随处可见。课程设计是对我的一次综合性训练，它让我充分综合运用我所学到的PLC技术理论与实践紧密的相结合，培养我独立解决实际问题的能力。这次设计让我觉得自己更加的走进了专业，让我更加了解自己的专业。它告诉了我在今后应该怎样去学习，掌握学习的主动权，怎样充分的去运用学校的教学资源。总之，通过这次设计，让我的学习目的更加明确，掌握了一些新的学习方法，觉得自己有了很大的提高。参考文献1FX2N使用手册EB/OL.工控自动化. http:/www.abchood.com/PLC88.2三菱FX全系列PLC编程手册(中文) EB/OL.http:/www.wellforces.com/.3张万忠.可编程控制器应用技术M.北京：化学工业出版社. 2003.07.4史国生.电气控制与可编程控制器技术M.北京：化学工业出版社. 2004.02.5王兆义.小型可编程控制器实用技术M.北京：机械工业出版社. 1997.07.6郭宗仁，吴亦锋，郭永.可编程控制器应用系统设计及通信网络技术M.北京：人民邮电出版社. 2002.09.7汪仁智. 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