飲料灌裝流水線控制

1、前 言目前，飲料廠的自動化灌裝生產(chǎn)線中已經(jīng)有越來越多的機器在使用先進的灌裝技術(shù)來提高機器的自動化控制水平和生產(chǎn)效率，而應(yīng)用PLC完成電氣部分的控制是工業(yè)自動化電氣控制的主要發(fā)展方向。紅牛飲料公司新上市的72000罐/小時的自動化灌裝生產(chǎn)線便是先進的灌裝技術(shù)。1.多功能   同一臺設(shè)備，可進行茶飲料、咖啡飲料、豆乳飲料和果汁飲料等多種飲料的熱灌裝；均可進行玻璃瓶與聚酯瓶的灌裝，盡量減少企業(yè)的生產(chǎn)成本。  2.高速度、高產(chǎn)量  碳酸飲料灌裝機的灌裝速度最高達2000灌/分，德國H&K公司、SEN公司、KRONES公司，其灌裝機的灌裝閥分別達到165頭

2、、144頭、178頭。非碳酸飲料灌裝機的灌裝閥50-100頭，灌裝速度最高達1500灌/分。  3.技術(shù)含量高、可靠性高  全線的自控水平高和全線效率高。在線檢測裝置和計量裝置配套完備，能自動檢測各項參數(shù)、計量精確。集機、電、氣、光、磁為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。PLC編程簡介體積小，重量輕，耗電少，接線編程簡單，可靠性高，反應(yīng)快?？删幊炭刂破?Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼

3、電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC 梯形圖是目前最為廣泛，最受歡迎的一種編程語言，采用串行工作方式，具有簡單，直觀等特點，它采用敞開接點、常閉接點構(gòu)成組合邏輯電路驅(qū)動各類軟器件線圈或功能指令實現(xiàn)一定的邏輯運算、算術(shù)運算或數(shù)據(jù)的傳送、變換與外部輸出等。在梯形圖中各類軟器件用于內(nèi)部編程的常開、常閉接點使用次數(shù)不受限制。而普通的繼電器線路為并行工作方式，而且受硬件條件限制，各類軟器件用于內(nèi)部編程的常開、常閉接點

4、使用次數(shù)是受限制的。現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運算、計時、計數(shù)、順序控制等功能，還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅(qū)動、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺生產(chǎn)機械、一條生產(chǎn)線，又可控制一個生產(chǎn)過程。目前，大多數(shù)PLC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形圖語言的編程元件的符號和表達方式與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。通過閱讀PLC的用戶手冊或短期培訓(xùn)，電氣技術(shù)人員和技術(shù)工很快就能學(xué)會用梯形圖編制控制程序。同時還提供了功能圖、語句表等編程語言。PLC在執(zhí)行梯形圖程序時，

5、用解釋程序?qū)⑺g成匯編語言然后執(zhí)行（PLC內(nèi)部增加了解釋程序）。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，執(zhí)行梯形圖程序的時間要長一些，但對于大多數(shù)機電控制設(shè)備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。由于PLC采用了軟件來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，控制柜的設(shè)計安裝接線工作量大為減少。同時，PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調(diào)試，更減少了現(xiàn)場的調(diào)試工作量。并且，由于PLC的低故障率及很強的監(jiān)視功能，模塊化等等，使維修也極為方便PLC是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)緊湊，堅固，體積小，重量輕，功耗低。并且由于PLC的強抗干擾能力，易于裝入設(shè)備內(nèi)部，是實

6、現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。目錄前 言1第一章 設(shè)計任務(wù)41.1 課題內(nèi)容41.2 控制要求41.3 課題要求4第二章 總體設(shè)計方案52.1 系統(tǒng)流程圖52.2 流水線灌裝的工作原理62.3 飲料灌裝流水線的基本結(jié)構(gòu)62.4 選擇電器元件7第三章 電氣控制電路設(shè)計113.1 自動操作模式113.2 手動操作模式113.3 報警123.4 計數(shù)過程12第四章 PLC設(shè)計134.1 選擇PLC134.2 I/O點的編號分配和PLC外部接線圖144.3 控制面板圖154.4 梯形圖154.5 指令表18第五章 調(diào)試過程及結(jié)果21總結(jié)22參考文獻23評價飲料灌裝流水線控制242424第一章 設(shè)計任務(wù)1

7、.1 課題內(nèi)容飲料灌裝生產(chǎn)流水線梯形圖控制程序設(shè)計并畫出電氣接線圖。1.2 控制要求（1） 系統(tǒng)通過開關(guān)設(shè)定為自動操作模式、手動操作模式，一旦啟動，則傳送帶的驅(qū)動電機啟動并一直保持到停止開關(guān)動作或灌裝設(shè)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)動電機必須自動啟動，并保持到又檢測到一個瓶子或停止開關(guān)動作。（2） 當(dāng)瓶子定位在灌裝設(shè)備下時，停頓1.0秒，灌裝設(shè)備開始工作，灌裝過程為5秒鐘，灌裝過程應(yīng)有報警顯示，5.0秒后停止并不再顯示報警。（3） 用兩個傳感器和若干個加法器檢測并記錄空瓶數(shù)和滿瓶數(shù)，一旦系統(tǒng)啟動，必須記錄空瓶數(shù)和滿瓶數(shù)，設(shè)最多不超過99999999瓶。（4） 可以手

8、動對計數(shù)值清零（復(fù)位）。1.3 課題要求（1） 設(shè)計說明書（2） 工程圖紙：原理圖，布局圖，接線圖。（3） 程序流程圖（4） 元器件清單（5） 地址分配表（6） 思考題第二章 總體設(shè)計方案2.1 系統(tǒng)流程圖開始自動/手動按下起動按鈕SB1按下起動按鈕SB2傳送帶運行到達灌裝處延時1.1秒灌裝飲料灌裝時間到傳送帶運行按下停止按鈕SB0結(jié)束檢測到飲料罐松開SB2、按下SB4灌裝飲料飲料灌滿松開SB4結(jié)束自動手動否是是Y否是Y是Y否否圖 1 系統(tǒng)流程圖2.2 流水線灌裝的工作原理 灌裝流水線的運作是通過電磁閥和電動機來控制的電磁閥采用比例電磁閥，其原理是利用比例電磁鐵的輸出電磁力，使液流壓力和流量連

9、續(xù)地、按比例跟蹤控制信號而變化。直動式電磁閥 ，通電時，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉。 特點：在真空、負(fù)壓、零壓時能正常工作，但通徑一般不超過25mm。 流程圖說明：系統(tǒng)分自動和手動兩種模式，在手動模式下，由SB2按鈕控制啟動主傳送帶電動機，到達灌裝位置后，松開SB2，再按下按鈕SB3，灌裝裝置開始動作；再自動模式下按下按鈕SB5啟動主傳送帶電動機，當(dāng)定位傳感器檢測到飲料瓶后，主傳送帶停止，灌裝裝置開始動作，定時時間到達以后，灌裝裝置自動停止，住傳送帶再次運動。2.3 飲料灌裝流水線的基本結(jié)構(gòu)整個灌裝流水線的基本結(jié)構(gòu)如圖

10、3、圖4、圖5所示。整個流水線由主傳送帶、次品傳送帶、灌裝裝置、次品推動裝置、定位傳感器、次品檢測傳感器等組成。電動機的啟動和停止，灌裝裝置向上、向下移動和灌裝，次品的檢測、推動都是由PLC控制的。流水線由傳感器實時監(jiān)控，由PLC控制，控制準(zhǔn)確，自動化程度高。圖3 灌裝流水線基本結(jié)構(gòu)圖圖4 灌裝流水線基本結(jié)構(gòu)圖圖5 灌裝流水線的基本結(jié)構(gòu)圖2.4 選擇電器元件（1）電動機的選擇電動機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(zhuǎn)速為1440r/min。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

11、，功率為1.1KW，轉(zhuǎn)速為1440r/min。電動機M3選與電動機M2一樣的型號即可。（2）斷路器的作用：斷路器的作用是切斷和接通負(fù)荷電路，以及切斷故障電路，防止事故擴大，保證安全運行。而高壓斷路器要開斷1500V，電流為1500-2000A的電弧，這些電弧可拉長至2m仍然繼續(xù)燃燒不熄滅。故滅弧是高壓斷路器必須解決的問題。 吹弧熄弧的原理主要是冷卻電弧減弱熱游離，另一方面通過吹弧拉長電弧加強帶電粒子的復(fù)合和擴散，同時把弧隙中的帶電粒子吹散，迅速恢復(fù)介質(zhì)的絕緣強度。 斷路器選用原則：1）空開額定工作電壓大于等于線路額定電壓2）空開額定電流大于等于線路負(fù)載電流3）空開電磁脫扣器整定電流大于等于負(fù)載

12、最大峰值電流（負(fù)載短路時電流值達到脫扣器整定值時，空開瞬時跳閘。一般D型代號的空開出廠時，電磁脫扣器整定電流值為額定電流的8-12倍。）也就是說短路跳閘而電機啟動電流是可以避開的。 根據(jù)三個電動機的額定電流，選擇斷路器QF1、QF2、QF3的型號如表 所示。并根據(jù)PLC和變壓器選擇QF4和QF5的型號。（3）熱繼電器FR1、FR2、FR3主電動機M1的額定電流15A，F(xiàn)R1可以選用JR16，熱元件電流為20A，電流整定范圍為1422A工作時將額定電流調(diào)整為15A。同理，F(xiàn)R2可選用JR10-10型熱繼電器，熱元件電流為2A，電流整定范圍為0.452A工作時將額定電壓調(diào)整為1.1A。FR3的型號

13、和FR2相同。（4）微波液位儀微波液位儀原理圖如圖2所示：相距為S的發(fā)射天線和接收天線，相互構(gòu)成一定角度。波長為的微波從被測液面反射后進入接受天線。接收天線接收到的微波功率將隨著被測液面的高低不同而異。接受天線接收到的功率； 為發(fā)射天線的發(fā)射功率；為發(fā)射天線的增益；為接收天線的增益；d為兩天線與被測表面間的垂直距離。當(dāng)發(fā)射功率、波長、增益均恒定時，計算 圖2 微波液位儀原理圖式中， 為取決于發(fā)射功率、天線增益與波長的常數(shù)；為取決于天線安裝方法和安裝距離的常數(shù)。由上式可知，只要測到接收功率，就可得到被測液面的高度。（5）紅外發(fā)光二極管常用的紅外發(fā)光二極管（如SE303·PH303），其

14、外形和發(fā)光二極管LED相似，發(fā)出紅外光（近紅外線約0.93 m ）。當(dāng)紅外線接收管受到紅外線的照射時，其本身的電阻很小，呈低阻值，電路導(dǎo)通。當(dāng)紅外發(fā)射頭與接收頭中間沒有物品擋住時紅外接收到紅外線照射，呈現(xiàn)低電阻，發(fā)出一個高電平信號。當(dāng)有物體經(jīng)過紅外發(fā)射與接收的中間時，由于紅外線被擋住，紅外接收管呈現(xiàn)大的阻值，電路斷開，這時紅外接收管發(fā)出一個低電平信號。當(dāng)物體過完之后又回到原來的狀態(tài)。電器元件及其型號如表1所示。表 1 電器元件明細(xì)表符 號名 稱型 號數(shù) 量M1主傳送帶電動機Y132M41M2灌裝裝置電動機Y90S41M3次品傳送帶電動機Y90S41QF1斷路器NS100N1QF2斷路器NS80

15、N1QF3斷路器NS80NQF4斷路器NS20N1QF5斷路器NS10N1FR1熱繼電器JR161FR2熱繼電器JR10-101FR3熱繼電器JR10-101SB1SB3按鈕LA10-1K3SB5SB7按鈕LA10-1K3第三章 電氣控制電路設(shè)計圖6中斷路器QF1、QF2、QF3、QF4、QF5將三相電源引入，同時QF1、QF2、QF3、QF4、QF5為電路提供短路保護。電動機的過載保護分別由三個熱繼電器提供。圖 6電氣控制原理圖系統(tǒng)通過按鈕設(shè)定為自動操作模式和手動操作模式。3.1 自動操作模式 一旦啟動，則傳送帶的驅(qū)動電機啟動并一直保持到停止開關(guān)動作或灌裝設(shè)備下的傳感器檢測到一個瓶子時停止；

16、瓶子裝滿飲料后，傳送帶驅(qū)動電機自動啟動，并保持到又檢測到一個瓶子或停止開關(guān)動作。3.2 手動操作模式手動模式下，由SB2按鈕控制啟動主傳送帶電動機，到達灌裝位置后，松開SB2，再按下按鈕SB3，灌裝裝置開始動作，通過定時器控制灌裝時間，灌裝時間到達后，整個流水線停止，直到再次按下啟動按鈕，流水線才運作。手動模式可以用于自動模式啟動前的系統(tǒng)調(diào)整。3.3 報警當(dāng)灌裝裝置開始灌裝飲料時，報警裝置得到PLC輸出信號，此時，報警燈亮，開始報警，5秒鐘以后，灌裝結(jié)束，同時報警結(jié)束。3.4 計數(shù)過程計數(shù)過程需記錄滿瓶數(shù)和次品瓶數(shù)，主要是以紅外發(fā)光二極管和微波液位計作為傳感器，記錄所有瓶數(shù)的技術(shù)原理是當(dāng)紅外線

17、接收管受到紅外線的照射時，其本身的電阻很小，呈低阻值，電路導(dǎo)通，當(dāng)紅外發(fā)射頭與接收頭中間沒有物品擋住時紅外接收到紅外線照射，呈現(xiàn)低電阻，發(fā)出一個高電平信號，計數(shù)裝置計一次數(shù)。當(dāng)有物體經(jīng)過紅外發(fā)射與接收的中間時，由于紅外線被擋住，紅外接收管呈現(xiàn)大的阻值，電路斷開，這時紅外接收管發(fā)出一個低電平信號。當(dāng)物體過完之后又回到原來的狀態(tài)。計數(shù)裝置由8個十進制計數(shù)器組成，當(dāng)計數(shù)到99999999時，再計數(shù)一次，計數(shù)器溢出。計數(shù)最多不超過99999999。記錄次品瓶數(shù)的技術(shù)原理是當(dāng)檢測到有次品時，微波接受裝置發(fā)出信號給PLC，PLC的寄存器值加一，同時，所有瓶數(shù)減去次品瓶數(shù)便得出了可滿瓶數(shù)，把滿瓶數(shù)也放入另一

18、個寄存器中。這就是記錄滿瓶數(shù)和次品瓶數(shù)的技術(shù)原理。電路設(shè)置了手動復(fù)位按鈕，計數(shù)器正常計數(shù)時是低電平，按下復(fù)位按鈕后，復(fù)位端變成高電平，使計數(shù)器復(fù)位，實現(xiàn)手動對計數(shù)器清零。第四章 PLC設(shè)計4.1 選擇PLC- SIMATIC S7-200可編程序控制器是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合以用于擴展。-系統(tǒng)組成： 中央處理單元 (CPU) 各種CPU 有各種不同的性能，例如，有的CPU 上集成有輸入/輸出點，有的CPU上集成有PROFI- BUS-DP通訊接口等。 信號模塊 (SM) 用于數(shù)字量和模擬量輸入/輸出 通訊處理器 (CP) 用于連接網(wǎng)絡(luò)和點對點連接 功能模塊 (FM)

19、用于高速計數(shù)，定位操作 (開環(huán)或閉環(huán)控制) 和閉環(huán)控制。- SIMATIC S7-200的大量功能支持和幫助用戶進行編程、啟動和維護 高速的指令處理 浮點數(shù)運算 方便用戶的參數(shù)賦值 人機界面 (HMI) 診斷功能 口令保護 操作方式選擇開關(guān)輸入輸出硬件接線圖4.2 I/O點的編號分配和PLC外部接線圖I/O點的編號分配如表2所示。表 2 I/O點的編號分配表輸入輸出瓶子傳感器 I0.3手動清零 I0.7 手動傳送帶 I0.4手動灌裝按鈕 I0.5次品檢測傳感器 I0.6自動按鈕 I0.1 手動按鈕 I0.2手動清零 I0.8傳送帶電動機KM1 Q0.0灌裝電動機KM2 Q0.1報警燈 Q0.8

20、下降電磁閥YV1 Q0.2上升電磁閥YV2 Q0.4次品推動電磁閥YV3 Q0.6灌裝電磁閥YV4 Q0.3次品傳送帶電動機KM3 Q0.5PLC的外部接線圖如圖4-2所示。如圖4-2所示：圖4-2 飲料罐裝流水線控制系統(tǒng)的PLC控制電路硬件接線圖4.3 控制面板圖根據(jù)設(shè)計要求及考慮到工人工作的要求，設(shè)計控制面板布置情況如圖9所示圖 9 控制面板圖4.4 梯形圖4.5 指令表第五章 調(diào)試過程及結(jié)果 在電腦上安裝STEP7 MicroWIN V4.0SP3軟件，程序編好后，將程序輸入STEP7 MicroWIN V4.0SP3軟件中，在電腦上進行初步仿真調(diào)試。1、先將PLC程序傳入程序控制器中。

21、2、對各個輸入I/O口給信號處理，看各個輸出口是否有相應(yīng)的輸出，如果沒有按照設(shè)計要求輸出，對程序進行更改，直到各輸出口有相應(yīng)的輸出。3、如果有條件的話，用編程軟件將程序輸入PLC中，在確認(rèn)PLC的電源、外部接線和程序輸入無誤的情況下，接通電源，按照流程圖的順序?qū)ο到y(tǒng)進行調(diào)試，最后使整個系統(tǒng)能準(zhǔn)確、可靠的工作。 總結(jié)在設(shè)計的當(dāng)初，只考慮到運用自動灌裝程序來控制灌裝過程，但在工廠車間的實際操作中，有些特殊的灌裝過程也需要手動操作，所以為了適應(yīng)多層次的要求，在程序中又增加了手動操作部分的PLC程序，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)控制兩種工作方式的轉(zhuǎn)換，報警指示燈用來顯示灌裝過程的運行?，F(xiàn)在企業(yè)的經(jīng)營理念都是本著節(jié)約成本，縮小生產(chǎn)過程中的必要勞動時間，以此來賺取更高的利潤，運用此PLC程序控制生產(chǎn)流水的運行，能夠更快更有效的提高產(chǎn)品的灌裝速度。程序運用上升沿加法處理指令和減法處理指令，經(jīng)根據(jù)檢測到的信號自動計算空瓶數(shù)與滿瓶數(shù)，記錄到相應(yīng)的存儲器中，整個過程簡便快捷，為企業(yè)節(jié)約勞動力，降低生產(chǎn)成本。設(shè)計的程序穩(wěn)定可靠，適應(yīng)于工作環(huán)境惡劣的生車間，減少惡劣因素對人體健康的危害,可靠性高，抗干擾性強；編程簡單容易掌握，很受廣大現(xiàn)場技術(shù)人員和操作者的歡迎；此外功能性強，通用性也很好，安裝簡單，維修方便。 對于此套灌裝生產(chǎn)線，選用一個小型的PLC便足以控制整個過程，I/O