饮料灌装生产流水线的PLC控制设计

饮料灌装生产流水线的PLC控制摘要文章探讨了如何利用日本三菱PLC FX2N 进行饮料灌装生产流水线的控制，重点分析了系统软硬件设计部分，并给出了系统硬件接线图、PLC 控制I/O口分配表以及整体程序流程图等，实现了饮料灌装的自动化，提高了生产效率，降低了劳动强度。关键词:PLC 饮料灌装生产线流水线 系统硬件接线图目 录摘要1前言2一、PLC概况31、PLC基本概念32、PLC发展历史33、PLC技术发展动向3二、系统概况5三、饮料灌装生产线流水线控制要求71、手动工作状态72、自动工作状态7四、硬件设计81、PLC选型82、I/O口分配93、外部接线图104、相关寄存器说明115、变频器参数12五、软件设计131、流程图132、梯形图143、调试过程17结束语18参考文献19前言以往的饮料罐装生产线的电气设备控制系统是传统的继电器控制方式,在使用的过程中，生产工效低，人机对话靠指示灯+按钮+讯响器的工作方式，响应慢，故障率高，可靠性差，系统的工作状态、故障处理、设备监控与维护只能凭经验被动的去查找故障点。且在生产过程中容易产生二次污染，造成合格率低，生产成本增加。而自动化生产线在众多领域应用得非常广泛，其控制部分常常采用PLC 控制，它使自动化生产线运行更加平稳，定位更加准确，功能更加完善，操作更加方便。为适应发展，故提出下面的PLC控制技术改造现有生产线。本文介绍了日本三菱FX2N PLC 在自动化饮料罐装生产线控制系统中的应用，并从硬件和软件两方面进行了分析和研究。一、 PLC概况1、PLC基本概念可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。2、PLC发展历史起源：1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器 PDP14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。1969年，美国研制出世界第一台PDP-141971年，日本研制出第一台DCS-81973年，德国研制出第一台PLC1974年，中国研制出第一台PLC发展：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，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。3、PLC技术发展动向(1)产品规模向大、小两个方向发展 大：I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。 小：由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。(2)PLC在闭环过程控制中应用日益广泛 (3)不断加强通讯功能 (4).新器件和模块不断推出 高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。 (5)编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化 有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统 (6)发展容错技术 采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。 (7)追求软硬件的标准化。二、系统概况饮料灌装生产流水线是指按一定控制要求将有关驱动电机、电气控制装置、检测装置等组合为一体的多功能自动控制装置。该罐装生产线为人工/自动操作的工作程序，由2只电磁阀控制托瓶架的升降，2只电磁阀控制压盖的行程。驱动部分有：清水泵、无菌泵、清洗输送、灌装输送、灌装泵。本文重点对灌装过程进行分析,通过PLC实现其执行步骤的控制,同时用变频器对电机平滑调速。系统通过电机驱动传输带，传输带将空瓶送到灌装设备下，灌装设备通过光电传感器检测到空瓶时，电机停止，开始灌装，灌满后电机自动启动，直到检测到下一个空瓶才停止;系统具有空瓶和满瓶检测传感器，通过其检测空瓶和满瓶。现场设备模拟图如图1所示, 系统框图如图2所示。图1 现场设备模拟图图2 系统组成框图三、饮料灌装生产线流水线控制要求1、手动工作状态（1）按手动启动按钮，传送带开始启动把洗过的空瓶送到灌装机的灌装口开始罐装，灌满后自动停止。（2）按停止按钮，传送带停止。2、自动工作状态（1）系统通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或灌装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止；瓶子装满饮料后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。 （2）当瓶子定位在灌装设备下时，停顿 1s ，灌装设备开始工作，灌装过程为 5s 钟，灌装过程应有报警显示， 5s 后停止并不再显示报警；报警方式为红灯以 0.5s 间隔闪烁。 （3）用两个传感器分别检测空瓶数和满瓶数，用计数器记录空瓶数和满瓶数，一旦系统启动，即开始记录空瓶数和满瓶数。（4）若每 24 瓶为一箱，记录产品箱数。 （5）每隔 8 小时将空瓶及满瓶计数器的当前值转存至其他寄存器，然后对计数器自动清零，重新开始计数。（6）具有复位按钮，按下复位按钮寄存器和计数器全部清零在工作过程中，有自动和手动两种工作方式选择，操作方便。在多数情况下选择自动工作方式，在维修和特别处理情况下选择手动工作方式。四、硬件设计1、PLC选型三菱FX2N系列PLC是PLC FX家族中最先进的系列。它最大范围的包容了标准特点、程序执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 该系统选择该型号的最为适宜，不仅能够快速完成当前功能，还可以进行扩展，适合各个厂家的使用，控制灵活，功能齐全。 PLC 为此系统的控制核心，此系统的输入信号有两部分，一部分是启动、停止等面板控制按钮，另一部分是多种行程开关，这些面板按钮信号和传感器信号作为PLC 的输入变量，经过PLC 的输入接口输入到内部数据寄存器，然后在PLC 内部进行逻辑运算或数据处理后，以输出变量的形式送到输出接口，从而驱动电机来控制传输带的运行。2、I/O口分配根据系统的控制要求给出I/O分配表，如表1所示。表1 I/O分配表X0启动按钮Y0传输带驱动电机X1手动启动Y1RHX2自动启动Y2RLX3减速传感器Y4灌装电磁阀X4灌装准备传感器Y5灌装指示灯X5空瓶检测传感器X6满瓶检测传感器X7停止按钮X10复位按钮3、外部接线图根据控制要求及I/O分配表，画出PLC硬件接线图如图3所示。图3 外部接线图4、相关寄存器说明表2 相关寄存器功能表TO1S灌装准备C1满瓶计数器T15S灌装过程C3一箱计数器T2 T30.5S脉冲D0箱数寄存器T4 C28小时计时D1空瓶寄存器C0空瓶计数器D2满瓶寄存器5、变频器参数表3 变频器参数表参数号设定值功能Pr.150上限频率Pr.20下限频率Pr.350基底频率Pr.450高速Pr.620低速Pr.72加速时间Pr.83减速时间Pr.2050加、减速基准频率Pr.792外部运行模式五、软件设计饮料灌装生产流水线的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式主要指连续操作方式。手动操作是指用按钮对系统进行一个周期的执行。连续操作是指从原点开始，按一下启动按钮，系统将自动地、连续不断地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，系统将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。具体要求如下:1、流程图 根据控制要求画出程序流程图，如图4所示。图4 程序流程图2、梯形图根据系统控制要求设计PLC梯形图如图5所示。图5 梯形图3、调试过程(1)手动:启动按钮X0按下后,按下手动按钮X1，程序执行一个周期即停止。 (2)自动:系统启动按钮X0按下后,按下自动按钮X2,程序开始自动循环，直到按下停止按钮才停止。按下启动按钮X0，M0接通，M0的常开触头闭合自锁，此时程序才能够启动，此时按下自动启动按钮X2，接通M0，MO常开触头闭合自锁为循环做准备，同时Y0得电，Y0常开触头上升沿触发置位Y1，电动机以频率50HZ启动，带动传输带启动，当传输带上的空瓶移动到空瓶检测传感器X5下时，空瓶检测传感器X5动作一次，空瓶计数器C0计数一次，当空瓶到达减速传感器X3时，减速传感器X3上升沿触发复位Y1，同时置位Y2，电机以20HZ的速度运行，当空瓶移动到灌装设备下时，传感器X4接通，传输带停止，T0延时1S后Y3开始放饮料，T2延时6S后关闭灌装设备，并重新接通Y0电机，传输带重新移动。在灌装设备Y4启动时，报警灯Y5也接通并通过T2和T3构成的0.5秒脉冲程序实现闪烁，灌装结束后停止闪烁。当装满的瓶子通过满瓶检测传感器时X6接通一次，满瓶计数器C1计数一次，当满瓶检测传感器检测到满瓶达到24瓶时，C3常开触点闭合，送入一个上升沿脉冲使寄存器D0加1表示一箱，C3并自行复位。程序一启动即开始由定时器T4和计数器C2开始计时，8小时后通过C2的常开触头将空瓶计数器C0和满瓶计数器C1里的数值分别加到寄存器D1和D2中，并将C0和C1里的值清零重新计数。(3)停止：按下停止按钮X7可以停止工作，按下复位按钮X10可以复位寄存器里的值。 4、总结归纳由于本人学习有限，考虑到的缺陷在下面叙述，在往后的工作学习中，会对此慢慢的完善，弄懂。(1)I/O分配表输入输出X11上空瓶高度传感器Y5报警灯X12下空瓶高度传感器X13上灌装时高度传感器X14下灌装时高度传感器X15上满瓶高度传感器X16下满瓶高度传感器(2)梯形图 结束语PLC 应用于自动化灌装生产线，提高了生产效率，降低了劳动强度，为了适应多种不同灌装的工艺要求，还可编入多套工艺流程，系统的灵活性和通用性强，设计周期短。此控制系统经过几年的实际运行，具有可靠性高，易操作，易维护等优点，已取得了很好的经济效益，有着广泛的应用前景。此程序还可以通过组态软件来实现其监控，空瓶和满瓶的显示，使管理更加方便，能够更加直观的反映出现场设备的工作情况，还能对其进行远程控制，提高了其工作效率和产品的质量。参考文献1、孙平可编程控制器原理及应用M高等教育出版社，2004，（8）2、廖常初可编程控制应用技术M重庆大学出版社，2002，（3）3、李道霖电气控制与PLC 原理及应用M电子工业出版社，2006，（7）4、曲非非. PLC应用技术200例.2003 （2）5、胡学林主编可编程控制器应用技术.高等教育出版社.2000，（4）- 18 -