基于PLC矿泉水灌装系统设计

基于PLC矿泉水灌装系统摘 要随着时代的发展，科技的进步，越来越多的行业正在向着自动化的方向发展。1913年，汽车大王福特在他的工厂里设置第一条自动化生产线。之后自动化生产线的生产模式被迅速推广，医药、汽车、食品等行业争相使用高效率、低成本的生产自动化生产线。在饮料行业，自动化生产线的生产方式是推广的最普及的一种生产模式，它促使灌装的速度大幅提升，同时也使得灌装精度更高，给企业带来了不可小觑的生产力。本文所涉及的矿泉水灌装自动化生产线采用PLC控制，流量计计量，确保了灌装的速度和精度。本设计采用三菱FX系列PLC及多电动机控制，对自动化生产线的喷头、传送带以及拦截杆进行多动作的操作。从我国基本国情的角度出发，国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国自动化生产线综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国自动化生产线关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现自动化生产线的跨跃式发展。关键词：自动控制、PLC、灌装、传感器、生产线目 录 摘要.3关键词.4前言.5第一章 课题概述.5 1.1本课题设计的内容.5 1.2本课题设计的目的和意义.5第二章 方案总体设计.7 2.1控制方案设计.7 2.2计量控制设计.8 2.3传送带电气控制设计.9第三章 硬件设计.11 3.1PLC的选择.11 3.2流量计.11 3.3电磁阀选型.12 3.4微型电动机.12 3.5传感器选择.13 3.5.1行程开关.13 3.5.2光杆传感器.14 3.6硬件清单.15 3.7PLC I/O的分配表设计.15 3.8PLC外部接线图.16第四章 软件设计.17 4.1控制系统流程图设计.17 4.2控制功能图设计.18 4.3程序设计.19 4.3 PLC程序.19第五章 系统维护与常见故障分析.20第六章 结论与展望.22结束语.22参考文献.23 前 言目前，就我国发展形势而言，自动化生产线的引进和快速发展是不可避免的。商品的快速消耗，使我国必须加快商品生产的步伐并提高产品的质量。自动化生产线的发展，促使了我国的供求走向的健康有序的发展，也必然会慢慢渗透到我国的各个行业中。据调查统计表明，饮料行业自引进自动化生产线设备以来，生产力得到了大幅的提升，其产能大致提升为未引进前的3-5倍。其中，灌装精度更是手工灌装所无法比拟的。由此可见，自动化生产线的引进必然是大大的利于行业的发展和进步。自动化生产线的发展前景是不容小视的，就我国目前各大领域来说，依然有很多行业还未触及到自动化生产线，也就是说，其产能还未得到有效的开发。那么，现在落实自动化生产线的普及和开发是当务之急，也与针对邓小平同志所提出的“科学技术是第一生产力”相呼应。第一章 课题概述1.1本课题的设计以PLC控制为核心，采用电动机、流量计等辅助手段来完成矿泉水自动灌装设计。内容及要求：1、利用PLC编程软件设计程序，对整个自动化生产线电路进行控制。2、设计拦截杆的电路图。（主要为电机的正反转以及延时动作电路）3、设计流量计的接线图，根据流量计来执行对拦截棒及传送带的开停。以PLC控制为核心，采用电动机、流量计等辅助手段来完成矿泉水自动灌装设计。1.2本课题设计的目的和意义通过此次设计，是对我专业学习的总结和考验，也是学习成果的真实体现和自身能力的提高，并且在这次综合的研究课题中又是一个新的学习过程，同时加强我的实际动手能力和操作能力。首先让我了解了灌装矿泉水自动化生产线基本构造、原理和运行过程，使自己对PLC的程序控制有了初步的认识和后续工作的设想。通过对灌装矿泉水自动化生产线的设计，让我融汇贯通我所学的理论知识和实践知识，以及综合分析问题、解决问题的能力有极大的提高和促进。在制作过程中能够把所学的知识系统的、有条理的连接起来，并能在自己的脑海中得以巩固，还加强了我对系统各部分内在关系的认识，这能培养我们适应新器件、新技术不断更新的能力，从而开发我们的创新能力。它是一座由校园到社会的桥梁，从一个按课本听课写作业的学生转变为一个在岗位工作的技术人员，这是一个突变，往往会面临许多的新问题，带来许多的不适应，所以在这次课题设计中的种种问题和生活中的常规工作，对我能够平稳过度这一阶段有着非常重要的意义，将为以后的工作打下扎实的基础。第二章 方案总体设计2.1控制方案的设计本次灌装矿泉水自动化生产线是根据四口灌装矿泉水自动化生产线的原理来设计的。其工作流程及原理如下：首先，人工将矿泉水瓶放置在自动化生产线上（自动化生产线的宽度仅够一个瓶身通过，且两端空隙不超过2毫米，瓶与瓶之间无空隙），启动机器，传送带将瓶子往前移，移至光电传感器下端时，传感器自动计数。瓶子前端有一铁杆拦住所有瓶子，当光电传感器计数至4个时，传感器此时传输信号给PLC，PLC控制后拦截杆，后拦截杆拦截第五个瓶子。延时2S后，传送带停止工作。PLC传输信号给气缸上的电磁阀，电磁阀开通，气泵对气缸充气，下压喷口到瓶口内，行程开关打向另一侧，传输信号给PLC，PLC传输信号给喷口上的电磁阀，电磁阀开通，椭圆齿轮流量计开始计算流量，喷口注水。灌装至流量计显示流量达成（一般为1L），此时，流量计传输信号给PLC，PLC关断电磁阀，喷口停止灌水。之后PLC传输信号给气缸电磁阀，喷口上抬置顶，行程开关复位。而后PLC控制主电机带动传送带。前一铁杆收回，而后拦截杆不收回，让前面四个瓶子继续传送，第五个瓶子不传送。延时4S后，前拦截杆伸出，而后拦截杆杆收回，光电传感器继续计数，第五个瓶子继续往前传送至第一个铁杆，而后往复此循环。如图2.1所示。图2-1控制系统结构示意图2.2计量控制设计本设计的重点在于利用椭圆齿轮流量计控制PLC以达到计量控制的目的。在这一步中，当喷口下压到底，PLC控制电磁阀打开出喷口，椭圆齿轮流量计开始计数，流量计计数至1L的时候（椭圆齿轮流量计的工作原理及二次仪表的选择见3.2.1和3.2.2），流量计传输信号给PLC，PLC马上关断电磁阀，接下来才能进行下一步骤。如图2.2 图2-2计量系统工作流程图2.3传送带电气控制设计传送带主电路为简单的正反转控制电路（如图2.3），传送带的要求的速度为匀速。如果速度过快，则水瓶在急停时容易出现瓶身跌倒，致使液体外泄。传送带过慢同样不可取，因为过慢影响工作效率，将对工厂的产量产生影响。图2-3主电机电路接线图第3章 硬件设计3.1PLC的选择本自动化生产线共有个输入以及各输出，结合实际需求与成本控制故采用三菱FX2N-48MR-001 型PLC(如图3.1.1)。该款PLC价格适中，性能稳定，适用于本设计。图3-1 FX2N-48MR-001 内置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16K CPU运算处理速度0.08S/基本指令 在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块3.2流量计3.2.1椭圆齿轮流量计的特点流量测量与流体的流动状态无关，这是因为椭圆齿轮流量计是依靠被测介质的压头推动椭圆齿轮旋转而进行计量的(如图3.2)。粘度愈大的介质，从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的量愈小，因此核测介质的粘皮愈大， 泄漏误差愈小，对测量愈有利。椭圆齿轮流量计计量精度高，适用于粘度较高的介质流量的测量，但不适用于含有固体颗粒 的流体(固体颗粒会将齿轮卡死，以致无法测量流量)。如果被测液体介质中夹杂有气体时，也会引起测量误差。图3-2 椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计是容积式流量计的一种，用于精密的连续或间断的测量管道中液体的流量或瞬时流量它特别适合于重油、聚乙烯醇、树脂 等粘 度较高介质的流量测量。3.2.2椭圆齿轮流量计的安装椭圆齿轮流量计在安装前应清洁管道若液体内含有固体颗粒，则必须在管道上游加装过滤器；若含气体应安装排气装置。椭圆齿轮流量计对前后直管段没有一定的要求。它可以水平或垂直安装。安装时，应使流量计的椭圆齿轮转动轴与地面平行。3.2.3椭圆齿轮流量计的使用按照要求正确安装后的椭圆齿轮流量计，使用时即可保证足够的精度，通常累计值的精度可达0.5级，是一种较为准确的流量计量仪表。但是，如果使用时被测介质的流量过小，仪表的泄漏误差的影响就会突出，不能够保证足够的测量精度。因此，不同型号规格的椭圆齿轮流量计对最小使用流量有对应的允许值，只有当实际被测流量大于该下限流量允许值时，测量精度才能得到保证。其次，使用椭圆齿轮流量计时注意被测介质的温度不能过高，否则不仅会增加测量误差，而且有使齿轮发生卡死的可能。为此，椭圆齿轮流量计在仪表所规定的使用温度范围内使用。长期使用后的椭圆齿轮流量计，其内部的齿轮会被腐蚀和磨损，从而影响测量精度。因此，要经常注意观察，并定期拆下进行检查，若条件允许最好定期进行标定3.3电磁阀的选型国内外的电磁阀从原理上分为三大类(即：直动式、分步直动式、先导式)，而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类(直动膜片结构、分步膜片结构、先导式膜片结构、直动活塞结构、分步活塞结构、先导活塞结构) 。 本设计主要采用的是直动势电磁阀。直动式电磁阀 图3-3 电磁阀原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧力把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但一般通径不超过25mm。3.4微型电动机图3-4 微型电动机体积、容量较小，输出功率一般在数百瓦以下的电机和用途、性能及环境条件要求特殊的电机。全称微型特种电机，简称微电机。常用于控制系统中，实现机电信号或能量的检测、解算、放大、执行或转换等功能，或用于传动机械负载，也可作为设备的交、直流电源。微特电机门类繁多，大体可分为直流电动机、交流电动机、自态角电机、步进电动机、旋转变压器、轴角编码器、交直流两用电动机、测速发电机、感应同步器、直线电机、压电电动机、电机机组、其他特种电机等13大类。微特电机在结构上大体可分为3类 ：电磁式。基本组成与普通电机相似，包括定子、转子、电枢绕组、电刷等部件，但结构格外紧凑。组合式。常见的有两种：上述各种微电机的组合；微电机与电子线路的组合。例如直流电动机与传感器的组合，X方向与Y方向直线电动机的组合等。非电磁式。外形结构与电磁式一样，如旋转类产品作成圆柱形，直线类产品作成方形，但内部结构因其工作原理不同而差别很大。3.5传感器的选择 3.5.1行程开关行程开关又称限位开关或位置开关。它是一种根据运动部件的行程位置而切换电路工作状态的控制电器。行程开关的动作原理与控制按钮相似，在机床设备中，事先将行程开关根据工艺要求安装在一定的行程位置上，部件在运行中，装在其上撞块压下行程开关顶杆，使行程开关的触点动作而实现电路的切换，达到控制运动部件行程位置的目的。3.5.2光电传感器本设计采用的是欧姆龙的光电传感器(光电开关),E3JK-5M3,直流正负12240V,交流24240V。该光电传感器的特点：检测距离长图3-5 光电传感器如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等） 无法离检测。对检测物体的限制少由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定 在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。分辨率高能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。 可实现非接触的检测可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。 可实现颜色判别 通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合 而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。 便于调整 在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。3.6硬件清单表3-6 硬件清单名称型号数量备注PLCFX2N-48MR-0011流量计LWGY4椭轮式附二次仪表电磁阀BS12C10直动式行程开关DCA1-5C106微型电动机TY83301三相AC 380V 50Hz光电传感器E3JK-5M31可视光束对射式3.7 PLC I/O分配表设计根据控制要求所得的PLC输入输出情况，经过合理的选择与分配得出最佳的I/O分配表3-7 I/O分配表输入输出X0 SB1启动按钮Y0 KM1传送带电机X1 SB2 停止按钮Y1 CT1 前挡杆伸出电磁阀X2 SQ1 喷头上限位Y2 CT2 前挡杆收回电磁阀X3 SQ2 喷头下限位Y3 CT3后挡杆伸出电磁阀X4 SQ3 1号喷头信号Y4 CT4 后挡杆收回电磁阀X5SQ42号喷头信号Y5 CT5 1号喷口电磁阀X6 SQ53号喷头信号Y6CT62号喷口电磁阀X7SQ64号喷头信号Y7 CT73号喷口电磁阀X10 SQ7前挡杆前限位Y10 CT84号喷口电磁阀X11 SQ8 前挡杆后限位Y11 CT9 喷头下压电磁阀X12 SQ9后挡杆前限位Y12 CT10喷头上抬电磁阀X13 SQ10后挡杆后限位X14LD 光电开关3.8 PLC外部接线图图3-8 PLC外部接线图第四章 软件设计4.1控制系统流程图设计图4-1 控制流程图4.2控制功能图设计图4-2 控制功能图第 22 页 共 25 页4.3程序设计图4-3 PLC程序第五章 系统维护与常见故障分析5.1自动化生产线的保养自动化生产线是企业的中枢，也是整个企业中最为重要的组成部分。在日常维护中，除了必要的检修外，对自动化生产线进行日常保养也很重要。润滑油的添加对于机组的正常运行也是非常重要的，在机组运行后必须对自动化生产线的关键部位涂抹相对应的润滑油，并对其污浊处加以清理和擦拭，这样才能使整条自动化生产线的使用寿命和准确率得到保障。自动化生产线的保养关键问题是对传送带的擦拭确保干净。如果，传送带有油渍或者水渍，这将造成传送带和其传送的物料打滑，致使灌装不准确或者错误灌装。所以，确保传送带的清洁没有油渍是每日的保养例行工作。对于水箱的清理也是每周必须的工作，因为常年的灌装，水箱底部会有部分的沉淀物。这些沉淀物的存在会导致水箱的容量下降，导致一次性加满后灌装数量减少，更严重的就是造成喷口的堵塞，致使自动化生产线瘫痪。所以，定期对水箱进行清洁，也是必做的一份保养工作。5.2自动化生产线常见故障常见故障的原因及处理方法。 一、 输送带的打滑及解决办法 输送带在运行中,打滑的原因是多方面的,常见的原因及解决办法有： 1、 初张力太小。输送带离开滚筒处的张力不够造成输送带打滑。这种情况一般发生在启动时,解决的办法是调整拉紧装置,加大初张力。 2、 传动滚筒与输送带之间的摩擦力不够造成打滑。其不要原因多半是输送带上有水或环境潮湿。解决办法是在滚筒上加些松香末。但要注意不要用手投加,而应用鼓风设备吹入,以免发生人身事故。 3、 尾部滚筒轴承损坏不转或上下托辊轴承损坏不转的太多。造成损坏的原因是机尾浮尘太多,没有及时检修和更换已经损坏或转动不灵活的部件,使阻力增大造成打滑。 4、 启动速度太快也能形成打滑。此时可慢速启动。如使用鼠笼电机,可点动两次后再启动,也能有效克服打滑现象。 5、 输送带的负荷过大,超过电机能力也会打滑。此时打滑有利的一面是对电机起到了保护作用。否则时间长了电机将被烧毁。但对于运行来说则是打滑事故。 克服输送带打滑现象,首先要找到打滑原因,方可采取有效解决措施。 二、 输送带的跑偏及其处理 带式输送机运行时输送带跑偏是最常见的故障之一。跑偏的原因有多种,其主要原因是安装精度低和日常的维护保养差。 安装过程中,头尾滚筒、中间托辊之间尽量在同一中心线上,并且相互平行,以确保输送带不偏或少偏。另外,带子接头要正确,两侧周长应相同。 在使用过程中,如果出现跑偏,则要作以下检查以确定原因,进行调整。输送带跑偏时常检查的部位和处理方法有： 1、检查托辊横向中心线与带式输送机纵向中心线的不重合度。如果不重合度值超过3mm,则应利用托辊组两侧的长形安装孔对其进行调整。具体方法是输送带偏向哪一侧,托辊组的哪一侧向输送带前进的方向前移,或另外一侧后移。 2、检查头、尾机架安装轴承座的两个平面的偏差值。若两平面的偏差大于1mm,则应对两平面调整在同一平面内。头部滚筒的调整方法是：若输送带向滚筒的右侧跑偏,则滚筒右侧的轴承座应当向前移动或左侧轴承座后移；若输送带向滚筒的左侧跑偏,则滚筒左侧的轴承座应当向前移动或右侧轴承座后移。尾部滚筒的调整方法与头部滚筒刚好相反。 3、检查物料在输送带上的位置。 物料在输送带横断面上不居中,将导致输送带跑偏。如果物料偏到右侧,则皮带向左侧跑偏,反之亦然。在使用时应尽可能的让物料居中。为减少或避免此类输送带跑偏可增加挡料板,改变物料的方向和位置。第六章 结论与展望自动化生产线的应用不但给传统饮品行业带来了革命性的变化，使饮品业生产力得到了空前的提升，而且随着自动化生产线技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国民生产的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上自动化生产线技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：高速、高精度技术及装备的新趋势，效率、质量是先进自动化生产线的主体。高速、高精度技术可极大地提高效率，提高产品的质量和精度，缩短生产周期和提高市场竞争能力。世界上各个国家都非常重视它的开发与研究。智能化、简易化、网络化成为当代自动化生产线系统发展的主要趋势、重视新技术标准、规范的建立。从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国自动化生产线综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国自动化生产线发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现自动化生产线技术的跨跃式发展。PLC与自动化生产线的有机的连接起来。本次设计中由于本人所掌握的知识有限，经验不足，并且初研究这种复杂的设计， 过程中难免存在一些疏漏和不足，恳请老师们给予宝贵意见与建议，我将虚心接受并积极改正。结束语本次毕业设计是在张俊老师精心指导下完成的，导师严谨求实的教学态度、兢兢业业的工作精神、正直坦荡的为人风范使我受益匪浅。谨在此向我的导师致以崇高的敬意和衷心的感谢。 在本课题的选题和研究的过程中，不仅有导师精心的指导，而且还得到了其他老师和同学的帮助。在此，对其他给予帮助的老师们和同学们表示我真挚的谢意和衷心的感谢。参考文献1戴焯.传感与检测技术J.武汉理工大学出版社,20072杨为民,邬齐斌.过程控制系统及工程J.西安电子科技大学出版社,20073戚新波.检测技术与智能仪器M.电子工业出版社,20064汤自春.PLC原理及应用技术J.高等教育出版社,20055许晓峰.电机及拖动J.高等教育出版社,20076王卫兵.高俊山.韩剑辉. 可编程控制器原理及应用M. 北京:机械工业出版社.20007廖常初. 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