自動灌裝技術論文.doc

摘要摘 要隨著工業(yè)自動化水平日益提高，眾多工業(yè)企業(yè)均面臨著傳統(tǒng)生產(chǎn)線的改造和重新設計問題。PLC（可編程序控制器）是以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與計算機技術結合在一起，近年來在工業(yè)自動控制、機電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到普遍應用。本文詳細論述了飲料灌裝機控制系統(tǒng)的設計步驟，本系統(tǒng)設計中完成了飲料灌裝機控制系統(tǒng)的硬件的配置和軟件方面的設計，實現(xiàn)了飲料灌裝機控制系統(tǒng)的自動化。對勞動生產(chǎn)率的提高，對飲料的質(zhì)量和產(chǎn)量的提高都具有深遠的意義。利用PLC控制飲料灌裝生產(chǎn)過程，可有效提高灌裝生產(chǎn)效率，并顯著增加控制系統(tǒng)的可靠性和柔性。 關鍵詞：可編程控制器；自動化；灌裝；生產(chǎn)線AbstractAbstractWiththeincreasinglevelofindustrialautomation,manyindustrial enterprisesarefacewiththetransformationoftraditionalproduction lineandre-designproblem.Thispaperinvolvesthedrinksfillingautomation productionlineadoptsPLCcontrol,Thisdesignco-mpletesthedrinks productionlinehardwareconfigurationandsoftwaredesign ,toachieve automationofthecarbonateddrinksfillingmachine.Notonlyimprovethelaborproductivitybutalsohasfar-reachingsignificanceoftheimprovem-entofqualityandyield.PLCcontroloftheuseofbeveragefillingprodu-ctionprocess,whichcaneffectivelyimprovetheproductionefficiencyoffilling ,andsignificantlyincreasethereliabilityof controlsystems and flexible.Keywords:Programmablecontroller；Automation Filling；Productionline河北工程大學畢業(yè)設計論文目錄摘要IAbstractII概述2第一章 總體設計方案3 1.1 系統(tǒng)框圖3 1.2 飲料灌裝結構圖4 1.3 項目目標6 1.3.1 電動機6 1.3.2 灌裝機7第二章 系統(tǒng)硬件設計8 2.1 PLC基礎8 2.1.1 PLC的產(chǎn)生和定義9 2.1.2 可編程控制器的特點10 2.1.3 設計PLC基本原則13 2.1.4 PLC的選擇S720015 2.2 電機的選擇16 2.4 傳感器的選擇16 2.4.1 光電傳感器18 2.4.2 壓力傳感器26 2.4.3 液位傳感器30 2.4.4 接近開關31 2.5 原件明細表32第三章 系統(tǒng)程序的設計33 3.1系統(tǒng)原理圖33 3.2系統(tǒng)流程圖34 3.3 I/O分配表35 3.4 梯形圖36致謝詞42參考文獻43概述一課題研究背景 幾年前，自動化技術只占包裝機械設計的30%，現(xiàn)在已占50%以上，大量使用了微電腦設計和機電一體化控制。提高了包裝機械自動化程度的目的：一是為了提高生產(chǎn)率；二是為了提高設備的柔性和靈活性；三是為了提高包裝機械完成復雜動作的能力。本設計的目的是利用“PLC”技術平臺自主開發(fā)創(chuàng)新，將機械、電氣和自動化等技術有機結合，構成實用的飲料灌裝生產(chǎn)線模擬系統(tǒng)。二課題研究意義本設計鑒于PLC可靠性高、耐惡劣環(huán)境能力強、使用極為方便三大特點，利用PLC技術平臺自主開發(fā)創(chuàng)新，將機械、電氣和自動化等技術有機結合，將傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制功能用PLC代替，構成實用、可靠的飲料灌裝生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可節(jié)省大量電氣元件、導線與原材料,縮短設計周期,減少維修工作量, 提高加工零件合格率,進而提高生產(chǎn)率，而且程序調(diào)整修改方便靈活，提高了設備的柔性和靈活性。具有整體技術經(jīng)濟效益。三設計要求系統(tǒng)主要基于PLC-200，主要功能是完成飲料灌裝生產(chǎn)過程，明確裝瓶，傳送，蓋蓋，檢測過程，并可以啟動，移位，復位按鈕進行操作，實現(xiàn)手動，自動全過程。四題研究方法步驟如下：1.控制系統(tǒng)總體設計：分析控制要求，了解系統(tǒng)工作過程。2.控制系統(tǒng)硬件的設計：PLC型號、相關元器件的選擇以及外部接口電路的設計。3.控制系統(tǒng)軟件設計：利用STEP 7軟件編制出相應的梯形圖程序。4.系統(tǒng)調(diào)試：實驗室中連接硬件線路，模擬運行，完成程序的調(diào)試。第一章 總體設計方案1.1 系統(tǒng)框圖按鈕：提供操作信號熱繼電器：過載保護 傳感器：檢測到的信號輸入PLC電源：給PLC提供工作電源PLC:通過輸入、輸出控制中間繼電器的通斷中間繼電器：控制交流接觸器交流接觸器：保護與通斷作用電動機：帶動機械設備運行，完成加工工作指示燈：灌裝報警信號電磁閥：控制流量 1.2 飲料灌裝結構圖如圖1，圖2，圖3所示1.3 項目目標整個流水線由主傳送帶（M1）、次品傳送帶（M2）、灌裝裝置、次品推動裝置、光電傳感器（定位）、壓力傳感器等組成。流水線的實時監(jiān)控，由傳感器檢測。電動機的啟動和停止，灌裝裝置的灌裝，次品的檢測、推動和計數(shù)由PLC控制。按下啟動按鈕后，生產(chǎn)線進入自動工作狀態(tài)，具備工作條件后，瓶子隨著傳送帶進入灌裝工序，灌裝完成后傳送帶繼續(xù)啟動運行。當瓶子隨著主傳送帶平穩(wěn)的進入灌裝架時，灌裝架的光電傳感器信號送給PLC，主傳送帶停止1秒，并且夾瓶裝置固定，一秒后，罐裝架的電磁閥打開，汽缸啟動并罐飲料，罐裝到5S（及罐滿）后自動停止，灌裝過程中有報警提示，罐裝結束后，主傳送帶開始啟動，通過壓力傳感器檢測是否滿瓶，沒裝滿的由推桿推入次品傳送帶。檢測滿瓶過程中計數(shù)（正品與次品分別計數(shù)）。1.3.1 M1主傳送帶電動機 （1） 功能：帶動主傳送帶運行。 （2） 控制要求： 一旦啟動，M1主傳送帶驅(qū)動電機啟動并保持到停止開關動作或者灌裝設備下的傳感器檢測到一個瓶子時停止，瓶子裝滿飲料后，傳送帶驅(qū)動電機M1必須自動啟動，并保持到又檢測到一個瓶子或停止開關動作。 通過交流接觸器實現(xiàn)失壓。欠壓保護。 通過熱繼電器實現(xiàn)過載，欠相保護。 M2次品傳送帶電動機 （1） 功能：帶動次品傳送帶運行 （2） 控制要求：一旦啟動，則M2次品傳送帶驅(qū)動電機啟動，并保持到停止開關動作。通過交流接觸器實現(xiàn)失壓。欠壓保護。通過熱繼電器實現(xiàn)過載，欠相保護。 M3灌裝電動機 （1） 功能：保持料箱液位 （2） 控制要求：當料箱中下陷位傳感器動作時，M3啟動給飲料注入原料，當上限位傳感器動作時，M3停止。通過熔斷器實現(xiàn)短路保護。通過交流接觸器實現(xiàn)失壓。欠壓保護。通過熱繼電器實現(xiàn)過載，欠相保護。 1.3.2 灌裝機 （1） 功能：在設定時間里定量灌裝。 （2） 控制要求： 當瓶子定位在灌裝設備下時，停頓1S，灌裝設備開始工作，灌裝過程為5S，灌裝過程應有報警顯示，5S后停止灌裝并不再顯示報警。 保護 （3）實現(xiàn)方法：電磁閥灌裝：電磁閥灌裝閥的開關由電磁閥控制，灌裝精度更高，計時恒壓定量灌裝原理，可使灌裝的誤差在千分之五以下。電動定量灌裝系統(tǒng)及電磁閥控制計量裝置，可進行精確灌裝，減少浪費。在恒壓儲液罐灌液中，里面有上限位和下限位傳感器，他們被淹沒時是1狀態(tài)。液面低于下陷位液面是恒壓儲液罐為空。飲料通過進液電磁閥流入恒壓儲液罐，液面到達上限位時進液電磁閥斷電關閉，使液位保持穩(wěn)定。恒壓儲液罐下面是灌裝頭部分，夾瓶裝置由汽缸1驅(qū)動下降，下降到位后，夾瓶裝置由汽缸2加緊定位，定位夾緊后，灌裝頭由汽缸3驅(qū)動下降，到位后灌裝頭電磁閥打開，開始灌裝，延時5秒電磁閥關閉，灌裝頭上升，夾瓶裝置放松上升，傳送帶電機啟動。第二章 系統(tǒng)硬件設計2.1 PLC基礎可編程序控制器，英文稱Programmable Logic Controller，簡稱PLC。但由于PC容易和個人計算機（Personal Computer）混淆，故人們?nèi)粤晳T地用PLC作為可編程序控制器的縮寫。它是一個以微處理器為核心的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數(shù)和算術運算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)主要存在以下兩個缺點，一是可靠性差，排除故障困難，因為它是接觸控制，所以當觸點發(fā)生磨損和斷裂等損壞情況時很難做出相應處理；二是靈活性差，總體成本較高。繼電器本身并不貴，但是控制柜內(nèi)部的安裝，接線工作量極大，工藝發(fā)生變化時相應的改動更是復雜。因此當市場需要適應新的變化時，PLC就應運而生了。PLC是微機技術與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術相結合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學；調(diào)試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應用于生產(chǎn)實踐。 可編程序控制器一直在發(fā)展中，所以至今尚未對其下最后的定義。國際電工學會（IEC）曾先后于1982年、1985年和1987年發(fā)布了可編程序控制器標準草案的第一，二，三稿，并在1987年2月對PLC作了如下定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關的外圍設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。定義強調(diào)了PLC是：1 數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)也是一種計算機；2 專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計；3 面向用戶指令編程方便；4 邏輯運算、順序控制、定時計算和算術操作；5 數(shù)字量或模擬量輸入輸出控制；6 易與控制系統(tǒng)聯(lián)成一體；7 易于擴充。2.1.1 PLC的產(chǎn)生和定義可編程控制器的縮寫為PLC（Programmable Logical Controller），是將計算機技術、自動化技術和通信技術融為一體，專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的控制設備。20世紀60年代，生產(chǎn)過程及各種設備的控制主要是繼電器控制系統(tǒng)。繼電器控制簡單、實用，但存在著明顯的缺點：設備體積大，可靠性差，動作速度慢，功能少，難以實現(xiàn)較復雜的控制特別是由于它是靠硬連線邏輯構成的系統(tǒng)，接線復雜，一旦動作順序或生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，就必須進行重新設計、布線、裝配和調(diào)試，所以通用性和靈活性較差。生產(chǎn)上迫切需要一種使用方便靈活、性能完善、工作可靠的新一代生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂破饕恢痹诎l(fā)展中，所以至今尚未對其下最后的定義。國際電工學會（IEC）曾先后于1982年、1985年和1987年發(fā)布了可編程序控制器標準草案的第一，二，三稿，并在1987年2月對PLC作了如下定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關的外圍設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數(shù)宇公司研制出了第一代可編程序控制器，它具有邏輯運算、定時、計數(shù)等順序等功能。20世紀80年代后，由于計算機技術的迅猛的發(fā)展，PLC采用通用微處理器為核心，具有了函數(shù)運算、高速計數(shù)、中斷技術、PID控制等功能，稱為PC(Programmable Controller) 即可編程控制器。但由于PC（Personal Computer）已成為個人計算機的代名詞，為了不與之混淆，人們習慣上仍將可編程控制器稱為PLC。經(jīng)過短短的幾十年發(fā)展，可編程控制器已經(jīng)成為自動化技術的三大支柱（PLC、機器人和CAD/CAM）之一。1982年，國際電工委員會（IEC）制定了PLC的標準，在1987年12月頒布的第三稿中，對可編程控制器的定義是：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計?！?.1.2 可編程控制器的特點(1)可靠性高，抗干擾能力強工業(yè)生產(chǎn)一般對控制設備要求很高，應具有很強的抗干擾能力和高的可靠性，能在惡劣的環(huán)境中可靠地工作，平均故障間隔時間長，故障修復時間短。這是PLC控制優(yōu)于微機控制的一大特點。例如日本的三菱公司F1、F2系列平均故障間隔時間長達30萬h，而A系列的可靠性比F1、F2系列更高。在PLC設計中，可以從硬件和軟件兩方面采取措施，防止以上故障的發(fā)生，以提高其可靠性。主要措施有：硬件措施有：屏蔽:對電源變壓器、CPU編程器等主要部件，采用導電、導磁良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。濾波:對供電系統(tǒng)及輸入/輸出線路采用多種形式的濾波，如LC式型濾波網(wǎng)絡，以消除高頻干擾和削弱各種模塊之間的相互影響。電源的調(diào)整與保護:對微處理器這個核心部件所需的+5V電源，采用多級濾波，并用集成電壓調(diào)整器進行調(diào)整，以適應交流電網(wǎng)的波動和過電壓、欠電壓影響。隔離:在微處理器與輸入/輸出電路之間，采用光電隔離，有效地隔離輸入/輸出間電的聯(lián)系，減少故障和誤動作的可能。聯(lián)鎖:所有輸出模塊都受開門信號控制，而這個信號只在規(guī)定的各種條件都滿足時才有效，這樣就有效地防止了產(chǎn)生不正常輸出的可能性。采用模塊式結構:這種結構有助于故障情況下短時修復。設置環(huán)境檢測和診斷電路:這種分電路與軟件配合，可以實現(xiàn)靈活保護與故障指示等功能。軟件措施有：故障檢測:軟件定期地檢測外界環(huán)境，對諸如掉電、強干擾信號等情況能及時進行處理。信息保護和恢復:對偶發(fā)性故障只要故障條件出現(xiàn)時，不破壞PLC內(nèi)部的信息，一旦故障條件消失，就可恢復正常，繼續(xù)原來的工作。設置了警戒時鐘WDT:如果程序每循環(huán)執(zhí)行時間超過了WDT規(guī)定時間，預示了程序進入死循環(huán)，立即報警。加強對程序的檢查和檢驗:一旦程序有錯，立即報警并停止執(zhí)行。對程序及動態(tài)數(shù)據(jù)進行電池后備:停電后，利用后備電池供電，有關狀態(tài)及信息就不會因此而丟失。這樣，PLC的可靠性、抗干擾能力大大提高。例如美國通用電氣公司制成的PC控制模塊平均無故障率可達1千萬小時之多，組成系統(tǒng)后的平均無故障率可達4至5千萬小時。（2）編程簡單，使用方便這是PLC優(yōu)于微機的另一個特點。目前大多數(shù)PLC采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”，即有傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又適合電氣技術人員的讀圖習慣和微機應用水平，易于接受，與常用的匯編語言相比，更受歡迎。這了進一步簡化編程，當今的PLC還針對具體問題設計了諸如步進梯形指令、功能指令等。PLC是為車間操作人員而設計的，一般只要很短時間的訓練即能學會使用。而微電腦控制系統(tǒng)則要求具有一定知識的人員操作。當然，PLC的功能開發(fā)，需要有軟件專家的幫助。（3）控制程序可變，具有很好的柔性在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)線設備更新的情況下，不必改變PLC的硬設備，只要改變程序就可以滿足要求。所以PLC取代繼電器控制，而且具有繼電器所不具備的無可比擬的優(yōu)點。因此PLC除應用于單機控制外，在柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS），以至工廠自動化（FA）中也被大量采用。（4）功能完善現(xiàn)代PLC具有數(shù)字和模擬量輸入輸出、邏輯和算術運算、定時、計數(shù)、順序控制、功率驅(qū)動、通信、人機對話、自檢、記錄和顯示功能，使用設備水平大提高。 （5）擴充方便，組合靈活PLC產(chǎn)品具有各種擴充單元，可以方便地適應不同工業(yè)控制需要的不同輸入輸出點及不同輸入輸出方式的系統(tǒng)。為了適應各種工業(yè)控制需要，除了一些小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各個模塊連接起來，系統(tǒng)的模塊和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。（6）減少了控制系統(tǒng)設計及施工的工作量由于PLC采用軟件編程來達到控制功能，而不同于繼電器控制采用接線來達到控制功能，同時PLC又能率先進行模擬調(diào)試，并且操作化功能和監(jiān)視化功能很強，這些都減少了許多的工作量。（7）豐富的I/O接口模塊為了實現(xiàn)與工業(yè)生產(chǎn)過程控制中的各種工業(yè)現(xiàn)場設備的相互連接，PLC除具有普通計算機的基本部分（如CPU，存儲器等）外，還有豐富的I/O接口模塊。對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號（交流或直流，開關量或模擬量，電壓或電流，脈沖或電位，強電或弱電），設計有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備直接連接。由于PLC是工業(yè)控制的專用計算機，其結構緊密、堅固、體積小巧，并由于具備很強的抗干擾能力，使之易于裝入機械設備內(nèi)部，因而成為實現(xiàn)“機電一體化”較理想的控制設備。由于PLC具備了以上特點，它把微計算機技術與繼電器控制技術很好地融合在一起，最新發(fā)展的PLC產(chǎn)品，還把直接數(shù)字控制（DDC）技術加進去，并具有監(jiān)控計算機聯(lián)網(wǎng)的功能。因而它的應用幾乎覆蓋了所有的工業(yè)企業(yè)，既能改造傳統(tǒng)機械產(chǎn)品成為機電一體化的新一代產(chǎn)品，又適用于生產(chǎn)過程控制，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、節(jié)能與降低成本。Keyene的PLC是基于工業(yè)自動化的生產(chǎn)要求，專業(yè)對應生產(chǎn)需要而研發(fā)的PLC。它的每一款產(chǎn)品都對應一類工況，在這種工況下，它的PLC可以實現(xiàn)非常好的使用性能。Keyence是從傳感器和光學元件起家，在軟件研發(fā)上的投入非常大，因此它的PLC在數(shù)據(jù)采集處理，通信連接，自動化管理上非常突出，而且使用性能可靠。針對一些特殊的生產(chǎn)環(huán)境，它的產(chǎn)品在外型上做到盡量緊湊，模塊連接非常方便，這就是擴充變得很簡單。2.1.3 設計PLC基本原則設計PLC控制時，應遵循以下基本原則(1) 最大限度地滿足被控對象的控制要求充分發(fā)揮PLC的功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設計PLC控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設計中最重要的一條原則。這就要求設計人員在設計前就要深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，收集控制現(xiàn)場的資料，收集相關先進的國內(nèi)、國外資料。同時要注意和現(xiàn)場的工程管理人員、工程技術人員、現(xiàn)場操作人員緊密配合，擬定控制方案，共同解決設計中的重點問題和疑難問題。(2) 保證PLC控制系統(tǒng)安全可靠保證PLC控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定運行，是設計控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設計者在系統(tǒng)設計、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠。例如：應該保證PLC程序不僅在正常條件下運行，而且在非正常情況下（如突然掉電再上電、按鈕按錯等），也能正常工作。(3) 力求簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便一個新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，但新工程的投入、技術的培訓、設備的維護也將導致運行資金的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設計者不僅應該使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護方便、成本低，不宜盲目追求自動化和高指標。(4) 適應發(fā)展的需要由于技術的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會不斷地提高，設計時要適當考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。這就要求在選擇PLC、輸入/輸出模塊、I/O點數(shù)和內(nèi)存容量時，要適當留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進。實際上PLC控制系統(tǒng)的設計，按照國外發(fā)達國家的標準：首先考慮的是系統(tǒng)的安全性、可靠性設計，然后才是根據(jù)控制工藝要求進行控制流程設計，然后就是編寫切實可行、高效的PLC程序，這里在安全性、可靠性設計要求的前提下，編寫相應的PLC程序非常重要，硬件上保證的安全性，以及軟件PLC程序中的安全考慮應該同步進行。(5) PLC的應用由于PLC自身的特點和優(yōu)勢，PLC已經(jīng)在工業(yè)控制中得到大量廣泛的應用，包括機械，冶金，化工，電力，建筑等，應用范圍也在不斷擴大。PLC的主要應用領域包括以下幾個方面。1. 邏輯控制邏輯控制是PLC最基本的應用，它可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制裝置，可實現(xiàn)組合邏輯控制，定時控制和順序邏輯控制等功能。PLC的邏輯控制功能已相當完善，可用于單機控制，也可用于多機群控制及自動生產(chǎn)線控制，其應用領域已普及各行各業(yè)。2.運動控制 PLC使用專用的運動控制模塊，可對直線運動或圓周運動的位置，速度和加速度進行控制，實現(xiàn)單軸，雙軸和多軸位置控制，并使順序控制和運動控制有機結合在一起。3. 閉環(huán)過程控制過程控制是指對溫度，壓力，流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。PLC通過其模擬量I/O模塊，及數(shù)據(jù)處理運算功能，實現(xiàn)對模擬量的閉環(huán)控制?，F(xiàn)代的大中型PLC一般都有PID閉環(huán)控制功能，這一功能可以用PID子程序或?qū)Ｓ玫腜ID模塊進行控制。4.數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算，數(shù)據(jù)傳送轉換排序和查表功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集分析處理等操作。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值進行比較，也可以用通信功能傳送到其他智能裝置，或?qū)⑺麄兇蛴≈票怼?. 通信網(wǎng)絡PLC的通信包過主機與遠程I/O之間的通信，多臺PLC之間的通信，PLC與其他智能設備之間的通信。PLC與其他智能設備一起可以組成“集中管理，分散控制”式的分布式控制系統(tǒng)。2.1.4 PLC的選擇S7200PLC的選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。S7-200系列PLC是西門子公司20世紀90年代推出的整體式小型可編程控制器。早些時候稱為CPU21X，其后的改進型稱為CPU22X。其結構緊湊、功能強，具有很高的性能價格比，在中小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)中應用廣泛。S7-22X系列PLC可提供5種不同的基本單元和多種規(guī)格的擴展單元。其系統(tǒng)構成除基本單元、擴展單元外，還有編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。表2-1給出了22X系列CPU的基本配置。從表中可以看出，22X系列CPU具有很強的功能，如自帶高速計數(shù)器、通訊口、具有脈沖輸出功能、實時時鐘、能進行浮點運算等。此外，S7-200系列PLC允許在程序中立即讀寫輸入、輸出口，允許在程序中使用中斷，允許設定通訊任務的處理時間，允許設置停止模式數(shù)字量輸出狀態(tài)，可以由用戶自己定義存儲器的掉電保護區(qū)，可以允許數(shù)字量時間，允許設置停止模式數(shù)字量輸出狀態(tài)，可以由用戶自己定義存儲器的掉電保護區(qū)，可以允許數(shù)字量及模擬量輸入加濾波器，還具有窄脈沖捕捉功能，為復雜的工業(yè)控制提供了方便。 表2-1 22X系列CPU的基本配置特性CPU221CPU222CPU224CPU226CPU226XM外型尺寸/mmmmmm908062908062120.5806219080621908062程序存儲區(qū)2048字2048字4096字4096字8192字數(shù)據(jù)存儲區(qū)1024字1024字2560字2560字5120字掉電保持時間/h5050190190190本機I/O6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出24入/16出擴展模塊數(shù)量02777高速計數(shù)器單相雙相4路30KHZ2路20KHZ4路30KHZ2路20KHZ6路30KHZ4路20KHZ6路30KHZ4路20KHZ6路30KHZ4路20KHZ脈沖輸出（DC）2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ模擬電位器11222實時時鐘配置時鐘卡配置時鐘卡內(nèi)置內(nèi)置內(nèi)置通訊口1RS-4851RS-4851RS-4852RS-4852RS-485 在飲料灌裝生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)中我們只用了11個輸入8個輸出,和簡單的邏輯和計數(shù)功能，配置基本單元就可以滿足要求，即選用CPU224的西門子S7-200系列PLC作為控制器構成飲料灌裝生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)。結構描述：S7-200 CPU將一個微處理器、一個集成電源和數(shù)字量I/O點集成在一個緊湊的封裝中，從而形成了一個功能強大的小型可編程邏輯控制器。CPU結構如圖2-1所示：2.2 電機的選擇電動機M1型號為Y132M-4，額定電壓為交流380V，額定電流為15A，頻率為50HZ，功率為7.5KW，轉速為1440r/min。銘牌：型號：Y132M-4 功率：7.5KW 頻率：50HZ 電壓：380V 電流：16.4A 接法： 轉速：1440r/min 電機上一般有這樣的銘牌，用來表示電機參數(shù)。介紹一下Y132M-4，Y表示三相異步電動機；132表示機座中心高；M機座長度代號（分為SML短中長），4為磁極個數(shù)（2P磁極對數(shù)）。如表2-2所示表2-2 電機磁極個數(shù)及轉速磁極個數(shù)2極4極6極8極P（磁極對數(shù)）1234轉速300015001000750 p電機旋轉磁場的極對數(shù)。（實際上，由于轉差率的存在，電機.實際轉速略低于旋轉磁場的轉速）銘牌所標的為磁極個數(shù)，即幾極電機，對應對數(shù)和轉速。電機轉速與頻率的公式n=60f/p上式中n電機的轉速（轉/分）；60每分鐘（秒）；f電源頻率（HZ）；在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，根據(jù)公式n=60f/p可知：改變頻率f就可改變轉速降低頻率f，轉速就變?。杭?60 f / p = n增加頻率f，轉速就加大： 即 60 f / p = n表2-3 物理量與單位物理量符號基本單位單位符號公式功W焦耳（焦）JW=Fs=Pt功率P瓦特（瓦）WP=W/t=Fv電流I安培（安)AI=U/R=W/R電壓U伏特（伏）VU=IR 電阻R歐姆（歐）R=U/I=W/II 電功W焦耳（焦）JW=UIt=Wt電功率P瓦特（瓦）WP=W/t=UI=IIR 電動機M2型號為Y90S-4，額定電壓為交流380V，額定電流為2.8A，頻率為50HZ，功率為1.1KW，轉速為1440r/min。電動機M3選與電動機M2一樣的型號即可。電動機的轉速要盡量小，設計要求轉速為盡量小，綜合考慮到工作環(huán)境以及經(jīng)濟效益方面，暫選電動機為Y90S-4.轉速1400r/min ,效率為78%，功率1.1kw，質(zhì)量23kg.我們采用三角形的接法，接法如圖2-2所示2.4 傳感器的選擇本設計需要用多個傳感器，有檢測空瓶的光電傳感器，檢測產(chǎn)品質(zhì)量的壓力傳感器與檢測飲料罐液位的液位傳感器。2.4.1 光電傳感器光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的，它的基本結構如圖6，它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號.光電傳感器一般由光源,光學通路和光電元件三部分組成.光電檢測方法具有精度高,反應快,非接觸等優(yōu)點,而且可測參數(shù)多,傳感器的結構簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛. 圖7 光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關系，來達到測量目的的，因此光電傳感器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個恒光源，電源穩(wěn)定性的設計至關重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測量的準確性，常用光源有以下幾種： 1、發(fā)光二極管 是一種把電能轉變成光能的半導體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應快、機械強度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設備中。 2、絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構成傳感器時可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。 光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，如圖9所示。由于光敏電池即使在強光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖9（a）所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個電阻?；蛘呦髨D9（b）所示的那樣利用鍺二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V，而導通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖10（c）所示。 半導體光電元件的光電轉換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度，如圖11（a）所示。當光照產(chǎn)生的光電流為時，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個負電壓。圖11（b）給出硅光電池的光電轉換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關系，因此將它接在運放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的 特點，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓 由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關)式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測量轉換成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)方法可分為透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻檔)三大類.所謂透射式是指被測物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上，如測液體、氣體透明度和混濁度的光電比色計等;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測物體表面反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計和光照度計等;所謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測物體在光路位置有關，如振動測量、工件尺寸測量；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳感器中，光電元件接受的光信號是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號，多用于光電計數(shù)和光電式轉速測量等場合。 光電傳感器的原理：光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢姽廪D換成某種電量的傳感器。光敏二極管是最常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負載電阻相串聯(lián)，當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小（A），稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時集電結反偏，發(fā)射結正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+）Icbo（很小），比一般三極管的穿透電流還?。划斢泄庹諘r，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流Ic=（1+）Ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度光電傳感器應用：光電傳感器是一種小型電子設備，它可以檢測出其接收到的光強的變化。早期的用來檢測物體有無的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設備，發(fā)射器帶一個校準鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個小的白熾燈做為光源。這些小而堅固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。LED（發(fā)光二極管）發(fā)光二極管最早出現(xiàn)在19世紀60年代，現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設備上看到這些二極管做為指示燈來用。LED就是一種半導體元件，其電氣性能與普通二極管相同，不同之處在于當給LED通電流時，它會發(fā)光。由于LED是固態(tài)的，所以它能延長傳感器的使用壽命。因而使用LED的光電傳感器能被做得更小，且比白熾燈傳感器更可靠。不象白熾燈那樣，LED抗震動抗沖擊，并且沒有燈絲。另外，LED所發(fā)出的光能只相當于同尺寸白熾燈所產(chǎn)生光能的一部分。（激光二極管除外，它與普通LED的原理相同，但能產(chǎn)生幾倍的光能，并能達到更遠的檢測距離）。LED能發(fā)射人眼看不到的紅外光，也能發(fā)射可見的綠光、黃光、紅光、藍光、藍綠光或白光。經(jīng)調(diào)制的LED傳感器：1970年，人們發(fā)現(xiàn)LED還有一個比壽命長更好的優(yōu)點，就是它能夠以非常快的速度來開關，開關速度可達到KHz。將接收器的放大器調(diào)制到發(fā)射器的調(diào)制頻率，那么它就只能對以此頻率振動的光信號進行放大。我們可以將光波的調(diào)制比喻成無線電波的傳送和接收。將收音機調(diào)到某臺，就可以忽略其他的無線電波信號。經(jīng)過調(diào)制的LED發(fā)射器就類似于無線電波發(fā)射器，其接收器就相當于收音機。人們常常有一個誤解：認為由于紅外光LED發(fā)出的紅外光是看不到的，那么紅外光的能量肯定會很強。經(jīng)過調(diào)制的光電傳感器的能量的大小與LED光波的波長無太大關系。一個LED發(fā)出的光能很少，經(jīng)過調(diào)制才將其變得能量很高。一個未經(jīng)調(diào)制的傳感器只有通過使用長焦距鏡頭的機械屏蔽手段，使接收器只能接收到發(fā)射器發(fā)出的光，才能使其能量變得很高。相比之下，經(jīng)過調(diào)制的接收器能忽略周圍的光，只對自己的光或具有相同調(diào)制頻率的光做出響應。未經(jīng)調(diào)制的傳感器用來檢測周圍的光線或紅外光的輻射，如剛出爐的紅熱瓶子，在這種應用場合如果使用其它的傳感器，可能會有誤動作。如果一個金屬發(fā)射出的光比周圍的光強很多的話，那么它就可以被周圍光源接收器可靠檢測到。周圍光源接收器也可以用來檢測室外光。但是并不是說經(jīng)調(diào)制的傳感器就一定不受周圍光的干擾，當使用在強光環(huán)境下時就會有問題。例如，未經(jīng)過調(diào)制的光電傳感器，當把它直接指向陽光時，它能正常動作。我們每個人都知道，用一塊有放大作用的玻璃將陽光聚集在一張紙上時，很容易就會把紙點燃。設想將玻璃替換成傳感器的鏡頭，將紙?zhí)鎿Q成光電三極管，這樣我們就很容易理解為什么將調(diào)制的接收器指向陽光時它就不能工作了，這是周圍光源使其飽和了。調(diào)制的LED改進了光電傳感器的設計，增大了檢測距離，擴展了光束的角度，人們逐漸接受了這種可靠易于對準的光束。到1980年，非調(diào)制的光電傳感器逐步就退出了歷史舞臺。紅外光LED是效率最高的光束，同時也是在光譜上與光電三極管最匹配的光束。但是有些傳感器需要用來區(qū)分顏色（如色標檢測），這就需要用可見光源。在早期，色標傳感器使用白熾燈做光源，使用光電池接收器，直到后來發(fā)明了高效的可見光LED?，F(xiàn)在，多數(shù)的色標傳感器都是使用經(jīng)調(diào)制的各種顏色的可見光LED發(fā)射器。經(jīng)調(diào)制的傳感器往往犧牲了響應速度以獲取更長的檢測距離，這是因為檢測距離是一個非常重要的參數(shù)。未經(jīng)調(diào)制的傳感器可以用來檢測小的物體或動作非?？斓奈矬w，這些場合要求的響應速度都非?？?。但是，現(xiàn)在高速的調(diào)制傳感器也可以提供非?？斓捻憫俣?，能滿足大多數(shù)的檢測應用。超聲波傳感器：聲波傳感器所發(fā)射和接收的聲波，其振動頻率都超過了人耳所能聽到的范圍。它是通過計算聲波從發(fā)射，經(jīng)被測物反射回到接收器所需要的時間，來判斷物體的位置。對于對射式超聲波傳感器，如果物體擋住了從發(fā)射器到接收器的聲波，則傳感器就會檢測到物體。與光電傳感器不同，超聲波傳感器不受被測物透明度和反光率的影響，因此在許多使用超聲波傳感器的場合就不適合使用光電傳感器來檢測。光纖：安裝空間非常有限或使用環(huán)境非常惡劣的情況下，我們可以考慮使用光纖。光纖與傳感器配套使用，是無源元件，另外，光纖不受任何電磁信號的干擾，并且能使傳感器的電子元件與其他電的干擾相隔離。光纖有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一層金屬外皮。這層金屬外皮的密度比光芯要低，因而折射率低。光束照在這兩種材料的邊界處（入射角在一定范圍內(nèi)，），被全部反射回來。根據(jù)光學原理，所有光束都可以由光纖來傳輸。兩條入射光束（入射角在接受角以內(nèi)）沿光纖長度方向經(jīng)多次反射后，從另一端射出。另一條入射角超出接受角范圍的入射光，損失在金屬外皮內(nèi)。這個接受角比兩倍的最大入射角略大，這是因為光纖在從空氣射入密度較大的光纖材料中時會有輕微的折射。光在光纖內(nèi)部的傳輸不受光纖是否彎曲的影響（彎曲半徑要大于最小彎曲半徑）。大多數(shù)光纖是可彎曲的，很容易安裝在狹小的空間。玻璃光纖：玻璃光纖由一束非常細（直徑約50m）的玻璃纖維絲組成。典型的光纜由幾百根單獨的帶金屬外皮玻璃光纖組成，光纜外部有一層護套保護。光纜的端部有各種尺寸和外形，并且澆注了堅固的透明樹脂。檢測面經(jīng)過光學打磨，非常平滑。這道精心的打磨工藝能顯著提高光纖束之間的光耦合效率。玻璃光纖內(nèi)的光纖束可以是緊湊布置的，也可隨意布置。緊湊布置的玻璃光纖通常用在醫(yī)療設備或管道鏡上。每一根光纖從一端到另一端都需要精心布置，這樣才能在另一端得到非常清晰的圖像。由于這種光纖費用非常昂貴并且多數(shù)的光纖應用場合并不需要得到一個非常清晰的圖像，所以多數(shù)的玻璃光纖其光纖束是隨意布置的，這種光纖就非常便宜了，當然其所得到的圖像也只是一些光。玻璃光纖外部的保護層通常是柔性的不銹鋼護套，也有的是PVC或其他柔性塑料材料。有些特殊的光纖可用于特殊的空間或環(huán)境，其檢測頭做成不同的形狀以適用于不同的檢測要求。玻璃光纖堅固并且性能可靠，可使用在高溫和有化學成分的環(huán)境中，它可以傳輸可見光和紅外光。常見的問題就是由于經(jīng)常彎曲或彎曲半徑過小而導致玻璃絲折斷，對于這種應用場合，我們推薦使用塑料光纖。塑料光纖：塑料光纖由單根的光纖束（典型光束直徑為0.25到1.5mm）構成，通常有PVC外皮。它能安裝在狹小的空間并且能彎成很小的角度。多數(shù)的塑料光纖其檢測頭都做成探針形或帶螺紋的圓柱形，另一端未做加工以方便客戶根據(jù)使用將其剪短。邦納公司的塑料光纖都配有一個光纖刀。不像玻璃光纖，塑料光纖具有較高的柔性，帶防護外皮的塑料光纖適于安裝在往復運動的機械結構上。塑料光纖吸收一定波長的光波，包括紅外光，因而塑料光纖只能傳輸可見光。與玻璃光纖相比，塑料光纖易受高溫，化學物質(zhì)和溶劑的影響。對射式和直反式光纖玻璃光纖和塑料光纖既有“單根的”對射式，也有“分叉的”直反式。單根光纖可以將光從發(fā)射器傳輸?shù)綑z測區(qū)域，或從檢測區(qū)域傳輸?shù)浇邮掌?。分叉式的光纖有兩個明顯的分支，可分別傳輸發(fā)射光和接收光，使傳感器既可以通過一個分支將發(fā)射光傳輸?shù)綑z測區(qū)域，同時又通過另一個分支將反射光傳輸回接收器。直反式的玻璃光纖，其檢測頭處的光纖束是隨意布置的。直反式的塑料光纖，其光纖束是沿光纖長度方向一根挨一根布置。光纖的特殊應用：由于光纖受使用環(huán)境影響小并且抗電磁干擾，因而能被用在一些特殊的場合，如：適用于真空環(huán)境下的真空傳導光纖（VFT）和適用于爆炸環(huán)境下的光纖。在這兩個應用中，特制的光纖安裝在特殊的環(huán)境中，經(jīng)一個法蘭引出來接到外面的傳感器上，光纖和法