本科毕设论文-—全自动灌装机的plc自动控制设计及故障处理

毕业设计（论文）题 目： 全自动灌装机的PLC自动控制设计及故障处理 摘 要传统的继电器控制设备不仅体积大，耗电多、效率低且故障率高，已无法满足现代生产快速反应、精确度高且连续稳定运行时间长的要求。另外灌装液体大多粘度（cps）较高因此普通灌装机无法实现液体自流灌装。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，具有通用性好，可靠性高，安装灵活，扩展方便，性价比高等一系列优点，通过PLC控制伺服电机的升降来精确控制灌装量的多少，主要用于高粘度等液体的灌装。本文主要介绍了基于PLC和伺服系统等机电产品的控制系统可以很好地满足现下各种用户对于灌装设备的使用要求。关键词 PLC 伺服系统 全自动灌装 调试 目 录第1章 全自动灌装机控制系统用户需求及其分析1第2章 电气线路设计 2.1总体功能设计12.2电气产品选型32.3具体实施5第3章 控制模块的程序设计思路及设计3.1PLC与触摸屏的选型63.2PLC的输入输出点位表和接线图73.3PLC与触摸屏通讯模块设置83.4PLC编程要点 3.4.1PLC控制补液电机减少生产环节9 3.4.2PLC控制急停按钮保护设备及操作人员10 3.4.3PLC控制设备清洗次数保持设备清洁12第4章 设计过程中的故障处理及设备调试与维护4.1各类传感器的接线过程出现的问题134.2伺服驱动器与伺服电机及PLC间的通讯问题154.3PLC与触摸屏间通讯问题174.4全自动灌装机调试18第5章 结 论19致谢20参考文献21附录22 第1章 全自动灌装机控制系统用户需求及其分析近几年随着机器设备自动化的不断升级，自动灌装机的维护，操作和保养越来越容易，自动化技术的升级对自动灌装机操作人员的专业技能也没以前那么复杂和那么高了，所以产品灌装的质量直接与自动灌装机的质量水平和先进水平有关。现在我们都知道自动灌装机的种类很多，不同的机械可以满足不同产品灌装要求。目前各类药品，农药，食品等液体粘稠度普遍较高使用老式液体灌装机无法达到灌装精度的有效控制，因此为了达到用户的要求增强液体灌装时的操作精度使用了可编程控制器（PLC），触摸屏等控制精度高,操作简单的电气设备。电气分析如下：老式灌装机大多使用液体的特性自流以达到灌装时的动力。使用高性能的PLC及伺服系统带动钢板控制灌装缸内的活塞以达到控制下料的精度。本机采用（PLC）可编程控制，伺服系统，光电传感，气动执行于一体化的高新技术灌装设备。灌装方法是用定压块，固定流到参数，控制灌料时间来实现的。操作方便，效率高，可适合各种不含气体的液体灌装。1.灌装头不滴漏，灌装量精确；2.容易更换瓶子规格，适合任意形状的灌装瓶；3.适用广泛，降低工序成本。主要参数规格适合粘度：4000CPS以上灌装方式：直线间歇/定位式；灌装误差：小于0.3%（250ml以上容积以上为例）；使用电压：380/220V 50Hz；功率：0.75KW1.5KW；灌装速度参数表1-1（以水计）表1-1灌装速度参数表规格100ml250ml500ml1000ml12头120/分95/分75/分60/分第二章 电气线路设计2.1总体功能设计对于这种全自动生产线的电气设计，必须按照严格的电气设计规则，以规范严格的线路设计排布，保障线路整齐安全，设备能够正常长期，稳定的工作。控制柜所涉及到的电气元器件分成两大部分：电气部分和气动元件部分。电气线路主电路图：（见图1-1）电气部分：对于此类设备的设计要求，要求达到灌装精度高即灌装容量准确，因此我们使用松下1.5kw伺服电机+松下伺服驱动器设计目的：使用伺服电机和与之配套的伺服驱动器是为了提高灌装精度。另外常见的电路保护装置低压断路器，交流接触器，中间继电器，给PLC和传感器供电的100W开关电源，三菱F-1N60MT点PLC，电气设计布局图（见图1-2）气动元件部分：由于灌装机对阀门的开关要求及时准确，因此我在PLC控制下选用电磁阀控制灌装头的开关，气动元件布局图（见图1-3）图1-1电气线路主电路图主电路使用三相四线制布线方式三组220V/50Hz交流电（L，R，S）。一组零线（N）。主线路分别有PLC,开关电源，补液电机，伺服驱动器电源以及输送带电机。控制电路由电源开关，电源指示灯及接触器KM中间继电器常开触点KA接触器KM1组成，通过打开电源开关接通接触器KM导通主电路PLC，输送带电机，开关电源，伺服驱动器得电，指示灯灯亮。图1-2电气设计布局图图1-3气动元件布局图2.2电气产品选型接线端子排，德力西CJ-X1交流接触器，欧姆龙中间继电器，德力西低压断路器，220V/24V交直流变压器，三菱PLC，伺服驱动器，电缆，（亚德克）电磁阀。奥托尼克斯光电传感器，电感式接近开关；亚德客磁性开关，液位开关。OMRON欧姆龙继电器MY4N-J工作DC6V-110V时，耗电为0.9W，AC12-24V时，耗电为1.0-1.2W，AC100-240V时，耗电为0.9-1.1W,4N即表示中间继电器有四组常开常闭触电。德力西CJ-X1交流接触器：CJX1-12定工作电压：380V，额定绝缘电压：660V，约定发热电流：20A，额定工作电流：12A，辅助触电：两组常开两组常闭。德力西低压断路器：见表2-1表2-1低压断路器型号表品牌：DELIXI/德力西型号：DZ47-63极数：1P3P额定频率：50（Hz）额定绝缘电压：220-380（V）脱扣器电流：6-63（A）产品认证：CCC速度：快速型灭弧介质：空气式机械寿命：10（万次）脱扣器电流：16（A）操作方式：产品认证：CCC安装方式：-电磁阀：AIRTAC(亚德客)4V110-06 DC24V4V230C-08 见表2-2表2-2电磁阀型号表品牌：AirTac（亚德客）型号：4V230C-08材质：铝合金连接形式：螺纹公称通径：8（mm）密封形式：软密封型压力环境：常压工作温度：常温标准：IP65流动方向：换向形态：针式零部件及配件：执行器类型(通道位置)：三位五通适用介质：空气用途：控制阀品牌：AirTac（亚德客）材质：铝合金型号：4V110-06类型(通道位置)：二位五通连接形式：内螺纹公称通径：6（mm）适用介质：空气流动方向：单向零部件及配件：执行器用途：控制阀形态：针式压力环境：常压工作温度：高温标准：国标松下伺服电机及伺服驱动器松下MDHH5540-1.5kw系列伺服电机及伺服驱动器A5系列电机的特点：功率： 从常规品种50W5kW规格已扩展到15KW,有各种惯量以良好的匹配机械。 特性改善：速度响应高达2kHZ,适合各种高速定位的工业场合； 极低齿槽转矩（0.5以下）高分解率： 绝对式17bit、增量式20bit小型超轻化： 行业最轻（1kW5kW）耐环境性能升级： IP67构造 A5系列驱动器的特点:电源：单相AC100V、单/3相AC200V控制模式：转矩、速度、位置、全闭环控制。实时自动增益调整达32级，陷波滤波器达4个，极大降低了机械共振。符合欧洲规范的安全钮,增加如编码器温度检测等安全措施。输入/输出脉冲频率可达到4Mpps。控制参数：扩大自动设定范围。与PC通信：对应USB 多语言新软件设定，操作性能升级。FX1n系列PLC是一种普遍选择方案，最多可达128点控制。由于FX1n系列PLC具有对于输入/输出、逻辑控制以及通讯/链接功能的可扩展性，因此它对普遍的解决方案有广泛的适用范围。2.3具体实施电气箱中主线路使用1*1电缆线按照电路图依次连接，控制电路和传感器接线使用0.5*1电缆按照电路设计图依次连接。光电传感器：对于灌装瓶数计数，分别安装在进瓶口和出瓶口，当进瓶个数达到12瓶时，控制灌装机工作的PLC开始工作；当灌装完成时，夹瓶夹松开，开始出瓶，当后光电计数达到5瓶时，前门开，开始进瓶，以此类推，光电不断计数。电感式接近开关（限位开关）：上限位，下限为，最下限位。这类限位开关在PLC控制系统中的作用：伺服驱动器及伺服电机工作的运行状态，当电机控制下的液压平台到达上限位时，PLC停止对伺服驱动器给方向和脉冲信号，此时电机停止工作。当电机控制下的液压平台到达下位时，PLC停止对伺服驱动器给方向和脉冲信号，电机停止工作。最下限为的作用：保证电机及伺服驱动器在异常工作状态下或PLC对伺服驱动器控制失灵时起到保护电机的作用。一般情况下，液压平台不会触碰最下限位，当液压平台到达最下限为时，电机抱死，伺服驱动器报警，此时伺服电机无论是否给信号电机都无法运转。磁性开关：上位，下位，中位。磁性开关在控制系统中，其主要作用是：调节气缸上升或下降的幅度从而保证灌装头上升或下潜的状态。当气缸活塞到达上位时，PLC气缸上升控制部分不工作，只能作下降运动；当气缸活塞到达中位时，PLC气缸控制部分可上升亦可下降;当气缸活塞到达下位时，PLC气缸控制下降部分不工作，只能作上升运动。液位开关：为了能使灌装的全自动化，使用自动补液，设计通过液位开关来控制中间继电器带动交流接触器控制补液泵。当液位低于液位开关最低位时，中间继电器常开触点闭合，交流接触器线圈得电交流接触器吸合补液泵得电工作，达到补液目的；当液位到达液位开关最高位时，中间继电器常开触点断开，交流接触器线圈失电，交流接触器断开，补液泵断电，停止补液。伺服电机要求使用220V交流电作为其供电电源，同时与PLC相连接的X4端使用了24V直流电压，电动电机的XB端使用了U，V，W三项电压为伺服电机供电。其中X4端有四根线与PLC输出端相连，分别是：X0，X1，+24，COM。（见图1-4）图1-5伺服X4接线图第三章 控制模块的程序设计思路及设计3.1 PLC与触摸屏的选型根据本产品使用的灌装头数在1-16之间即PLC输出点数最高要求有24个输出点，三菱F1N-60MT拥有晶体管输入输出点数各为24个适合设备使用要求，价格适中。三菱F-1N 6OMT软元件编号输入继电器X000X043 36点，输出继电器Y000Y027 24点，PLC内部辅助继电器M0M8255，状态S S0S999，定时器T T0T255，计数器C C0C199（16位增计数器）C200C234（32位增减计数器）C235C255（高速计数器），数据寄存器D0D8255。使用人机触摸屏威伦TK6070iH为400MHz CPU，128MB 内存；16:9 宽屏，7 寸，65536 色TFT LCD，分辨率800x480； 2个COM端口，1个USB2.0接口。TK6070iH ：显示液晶面板:7 TFT LCD ；亮度:350 cd/m2 ；色彩:65,536 colors ；对比度:500:1 ；分辨率:800 x 480 ；背光灯:LED ；触摸面板:4线模拟电阻式 ；I/O通讯口:COM1 RS232, COM2 RS485 2W/4W ；USB:USB Client port x 1 ；处理器:32bit RISC CPU 400MHz ；Flash 存储器:128MB ；RAM:64MB DDR2 RAM实时时钟:内建 ；通用规格 ，输入电源:2420% VDC (内建电源隔离器) ，储存环境温度:-2060C (-4 140F) ，使用环境温度:045C (32 113F) ，外形尺寸:200 x 146 x 41.8mm ，开孔尺寸:192 x 138 mm (7.5x5.4) ；重量: 0.8 kg (1.76 lbs) ；编程软件:编程软件:EB8000 V4.4.2 或者更新3.2 PLC的输入输出点位表和接线图 其中输入使用12个输入点，其中分别代表输入为，X0前光电、X1 后光电、X2 手动自动、X3 急停、X4磁性开关上位、 X5中位、X6下位、X7液位（高）、X10 伺服限位开关上位、X11伺服限位开关下位、X12伺服限位开关最下位、X13液位（低）。输出端使用27个输出继电器，分别为：Y0伺服脉冲信号，Y1伺服方向信号，Y4Y17分别代表1#电磁阀12#电磁阀，Y20前门阀，Y21后门阀，Y22夹瓶阀，Y23上升阀，Y24下降阀，Y25接漏阀，Y26补液电机，Y27补液气缸阀。详图见（表3-1）。表3-1PLC输入输出点位表X0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X13前光电后光电手自动急停气缸上气缸中气缸下液位下限位上限位下限位最下液位高Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y10Y11Y12Y13伺服信号伺服方向1#阀2#阀3#阀4#阀5#阀6#阀7#阀8#阀Y14Y15Y16Y17Y20Y21Y22Y23Y24Y25Y26Y279#阀10#阀11阀#12#阀前门阀后门阀夹瓶阀上升阀下降阀接漏阀补液电机补液阀图3-4PLC接线图3.3 PLC与触摸屏通讯模块设置为了方便用户简单的操作本设备，特地使用了威伦6070i的触摸屏，将PLC与触摸屏连接，将大大方便了用户操作。在这两个产品通讯中会出现使用通讯数据线错误，通讯参数设置错误等问题。三菱F-1N60MT与威伦6070i之间使用TK6070H-FX（3M）通讯数据线见（图3-5）。同时在触摸屏及PLC中还要使用对应的程序编写。对于参数设置主要是对应使用配套的PLC，COM端口选择，以及通讯速度(9600)的选择。由于三菱PLC和威伦触摸屏并不是出于一个生产厂家因此两者之间需要使用固定的通讯连接模块（见下图中通讯模块设置图3-6.1和图3-6.2）图3-5 TK6070iH-FX数据线图3-6.1通讯模块设置图 图3-6.2通讯模块设置图3.4 PLC编程要点设备使用了价格昂贵的伺服电机及配套的伺服驱动器及PLC可编程控制器有一下几点优势。3.4.1 PLC控制补液电机减少生产环节首先由手动状态切换到自动状态X2导通，再由液位传感器低液位信号给定PLC输入端的X7导通，导通补液阀Y27。再通过PLC输出端控制补液阀门Y27通过中间继电器常开触点闭合导通KM1线圈使KM1控制的补液电机导通开始工作，同时并联在X2和X7两端的X2，Y27常开触点闭合形成自锁。同时在手动状态下点击触摸屏上补液开关（M27）则会在手动状态下导通补液阀和补液电机。当液位到达高液位时X13时，X13常闭触电断开，补液阀关闭，中间继电器闭合触电断开，接触器KM1线圈失电交流接触器断开补液电机停止工作。在PLC中使用液位传感器的高低液位信号导通/断开中间继电器常闭触电控制KM1接触器线圈得失电来控制补液电机，延长了灌装持续时间提高了生产效率，减少了生产环节，自动化程度也得到了大大的提高。3.4.2 PLC控制急停按钮保护设备及操作人员由于设备在生产中进过短期培训必不能完全理解其中操作流程，同时一些误操作会对操作人员产生意外伤害或无意中的操作会使得设备突然出现错误动作，因此特地在程序中加入了紧急停止（即下文中急停）动作。以上三组程序图解释了在按下急停后会产生的那些动作。1.当在自动生产中按下急停按钮后会出现：首先伺服电机停止运转，注射缸内活塞停止注射，所有下料嘴阀门关闭，下潜气缸上升，当到达下潜气缸最高位时X4导通接漏阀Y25导通，同时夹瓶阀松开，接漏槽伸出，后门打开。2.当设备在清洗状态下时按下急停按钮会出现：首先伺服电机停止运转，注射缸内活塞停止注射，下料嘴中的清洗液停止注射，清洗动作紧急停止。当紧急状况处理完成后，要求重新开始自动灌装，首先松开急停按钮将自动切换到手动后然后伺服电机反转带动注射缸活塞下降直到达伺服限位下。再切换到自动状态点击触摸屏上自动灌装页面启动按钮，则可以开始走瓶灌装或其他动作。3.4.3 PLC控制设备清洗次数保持设备清洁为了适应广泛的日化生产需求，因此在程序中加入了清洗设置。当在自动状态时进入触摸屏清洗界面设置清洗次数按启动后灌装机就会自动清洗；当在手动状态下启动清洗，清洗液会在启动后从注射缸到下料嘴高速喷出，从而带走可能存在的污染物，按下停止清洗停止，使用清洗模块在一定程度上也保持了清洁的工作环境。第四章 设计过程中的故障处理及设备调试与维护4.1 传感器在接线过程出现的问题由于光电传感器、电感式接近开关、磁性开关、液位开关使用的都是DC24V直流电压，因此由变压器24V输出后接到各个传感器之间会出现接触不良等供电不足的情况，所以为了保证各个传感器正常工作，不互相干扰，保持电压稳定。在使用0.5平方左右的电线分别与各传感器电源线相连。对于前后光电使用一组24V电压棕色为正极，蓝色为负极，黑色为负载信号与PLC对应输入端子相连，白色为信号灯电信号。三组电感式接近开关使用一组24V直流电压，棕色为正极，蓝色为负极，黑色为负载信号与PLC输入端相连。三组磁性开关使用一组24V直流电压蓝色为负极，棕色为负载端与PLC输入端相连。液位开关单独使用电烙铁讲一组黑白线相连接到直流电24V负极，黑线为液位开关高液位与PLC高液位输入端相连，白线为低液位与PLC低液位端相连。另外所有接线部分（除与PLC连接部分不适用焊机）都要使用电烙铁焊接起来，外套绝缘套管，最后外面使用胶布固定，这样不但可以保证接线部分牢固不会出现供电不足，各个传感器无法正常工作的情况。传感器接线图见图4-1，图4-2，图4-3，图4-4图4-1电感式接近传感器接线图图4-2光电传感器接线图图4-3磁性开关接线图图4-4液位传感器接线图4.2 伺服驱动器与伺服电机及PLC间的通讯问题全自动灌装机调试对于伺服电机与伺服驱动器的通讯连接会出现（1）、伺服报警。（2）、伺服不报警同时PLC有信号输出，但电机无法旋转电机空转时伺服报警（PR26.0）。对于故障一在保证驱动器有电压情况下（见图4-5），首先检查X6电机编码线(见图4-6）。 图4-5伺服电源接线图图4-6伺服电机X4端编码器接线图然后检查X4端与PLC连接线焊接是否存在虚焊接触不良等情况，其接线图（见图4-7）。图4-7伺服电机X4接线图对于故障二：检查伺服驱动器是否有电，然后检查伺服电机的接线师傅正确，由于伺服电机的特殊性，伺服电机的三相U、V、W不能随意连接，必须一一对应相连。对于伺服电机正反转的调节是通过伺服驱动器的参数设置改动电机相应的正反转。同样为了适应用户的使用要求对应的电机的脉冲比，惯量比，转速等参数也可通过伺服驱动器进行设置，以达到用户对电机的要求。4.3 PLC与触摸屏间通讯问题为了简化设备操作流程，方便用户使用设备采用了触摸屏和可编程控制器相结合的控制操作方式。PLC与触摸屏会出现数据通讯无法连接出现（图4-4）通讯错误的报警。此时应拔下数据线查看通讯手册是否使用了标准TK6070H-FX数据线，如不是，则需更换数据线。若使用数据线型号整确则检查通讯端口设置是否正确，设置如下表（见表4-1）。表4-1通讯端口设置表编号名称位置设备类型接口类型通讯协议站号本机触摸屏本机触摸屏本机TK6070i(800*480)停用N/AN/A本机PLC2MtisubishFX0N/FX2本机MtisubishFX0N/FX2COM2(9600,E,7,1)RS485(4W)0图4-8 PLC无信号图若出现图4-8或图4-9时则是PLC没有信号查看数据线是否连接好；HMI未设置，按照图4-9设置即可。图4-9 HMI未设置图图4-9 HMI设置图4.4 全自动灌装机调试与设备保养将设备安装完成后，首先通电，打开电源开关，电源指示灯亮，触摸屏得电开始工作。当触摸屏进入操作界面后，将手动/自动开关打到手动状态，依次点动电磁阀1#-12#,前门阀，后门阀，夹瓶阀，接漏阀，补液阀，上升阀，下降阀，手动注射，手动回零。当各个动作在手动状态下完成后。将手动/自动开关打到自动状态，使用12个空灌装瓶经过传送带有光电传感器计数后前门关闭，夹瓶阀动作完后，延时后灌装头下降到指定位置，伺服电机带动注射液缸体上升注射指定时间，和指定灌装容量后灌装头上升到气缸最高位时，伺服电机下降到限位开关最低点。瓶夹松开，后门开进过后门光电计数灌装瓶数到指定数量后前门开始进瓶。一、全自动灌装机灌装精度的调整1.灌装误差的产生主要由灌装量，灌装速度，上下阀门的开关速度来确定。上下阀门的开关速度与产品的粘度有关，粘度越大，则阀门开关速度越慢。2.调整阀门的开关速度主要调整阀门的气动压力。气动压力增加，则阀门的开关速度加快，反之则速度减慢。3. 调整阀门的气动压力大小应通过试灌装计量及操作人员的经验来确定。二、自动灌装机安全使用自动灌装机为多头液体灌装机，工作物件为液体，不可用于其它用途。为确保生产安全，注意以下事项：1.本机为无电源设置，正常气源为4-6kg。2.下料嘴若出现溢流现象，按安全急停开关，保证车间整齐。3.拆洗本机时不得用水直接冲洗机身。4.本机电路简单，不得任意拔插电气设备。5.当操作不当引起缸顶出不能退回时，请按手动按钮使之手动回零。三、全自动灌装机设备保养1.全自动灌装机本机机身为不锈铜外壳，请勿用尖、硬的利器刮其表面。2.气缸在出厂时已加好润滑，请不要打开或加任何润滑油。3.在活塞式灌装机清洗之前，应把内的剩余产品清除干净，然后在料桶内灌满柔和清洗液。建议使用温水。如果需要可用肥皂水、酒精或其它清洗液。4.在拆洗活塞时要同时卸下上的固定螺丝，以免在拆第一个时影响到另一个的工艺要求。 第五章 结 论本次毕业设计对于这种全自动灌装机的PLC自动控制设计及故障处理深入的研究了PLC在实际工业控制中的应用，证明了PLC的工业价值。同样在设计过程中，将学到了传感器，交直流调速，PLC，电磁阀知识，电机与电气控制等课外知识充分的结合在一起，实现了工业电气的自动化。通过本次论文和设计我得出了：学习到的是浅显的，只有通过深入到研究和严谨的实验才能得到丰富的实践经验。致谢在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的王恺老师表示衷心的感谢！ 在学校的学习生活即将结束，回顾三年来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!在论文工作中，遇到了许许多多这样那样的问题，有的是专业上的问题，有的是论文格式上的问题，一直得到 王老师的亲切关怀和悉心指导，使我的论文可以又快又好的完成，王老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和他敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我将终生难忘我的王老师对我的亲切关怀和悉心指导，再一次向他表示衷心的感谢，感谢他为学生营造的浓郁学术氛围，以及学习、生活上的无私帮助! 值此论文完成之际，谨向王老师致以最崇高的谢意!最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!参考文献1 陈立定、吴玉香、苏开才编电气控制与可编程控制器华南理工大学出版社20012 胡海清 、刘雪雪 编PLC与自动生产线技术 北京理工大学出版社 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