基于plc的饮料自动灌装机

基于plc的饮料自动灌装机 唐山工业职业技术学院 毕业设计说明书 题目 基于PLC的自动 饮料灌装机控制系统设计 系别 自动化系 班级 12电气99 姓名 马先生 学号 129999999 指导教师 陈先生 2015年 3月 10日 目 录 摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 关键字„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 一、概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 1.1 课题意义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 1.2 设计任务„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 二、功能需求分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 2.1 技术背景与现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 2.2 功能需求分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.3 功能需求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 三、具体设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 3.1 系统设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 3.2 设备选型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 3.3 I/O分配„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 3.4 工作流程图设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 3.5 顺序功能图设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.6 程序设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 四、总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 基于PLC的自动饮料灌装机控制系统设计 摘 要 本次课设主要介绍全自动灌装生产线的基本概念。全自动灌装生产线是由数台自动灌装机械经控制系统进行集中控制,并按照各自功能完成一定任务进行顺序、连续生产的一系列机器组合。通过对饮料罐装自动控制的介绍,使我们对灌装这个行业有了更深的了解,也对自动化这个名词有了进一步的了解。我国的饮料罐装自动化相对于西方发达国家来讲还有很大的差距。设备陈旧,技术落后,成为阻碍我们灌装行业发展的一个严重问题。鉴于这些问题,我国企业不断发展自身的实力,逐步朝着生产高速化、设备结构合理化、设备的多功能化、设备的绿色化、控制的智能化等方向发展。推出适合自己需求的产品来。本次课设就是朝着这个方向进行研究和设计。 关键词:可编程控制器,PLC, 灌装机 自动化 智能化 一、概述 1.1 课题意义 随着全球经济的迅速发展，人们在日常生活中对包装品的需求越来越大，而且与传统包装工业相比，精确、节约、高效成了现代包装技术的发展方向，从而使得包装机械不论在制造水平还是技术上都需要不断的创新。 美国和日本在包装机械上无论是技术、产品或者市场占有情况的诸多方面在世界上都是名列前茅的。世界工业的领头羊—美国，其包装工业起步较早，发展到现在已具又完备的包装工业体系。其包装设备通常都以高、精、尖著称，而且由于可编程控制器(PLC)技术比其他国家领先，所以可编程控制器(PLC)在工业中的使用和普及比其他国家都早，可编程控制器(PLC)被广泛应用于包装机械中较早地形成了自动化控制生产模式。日本与美国相比，起步虽然相对较晚，但60年代至90年代，日本包装业大量引进先进技术，并在此基础上消化吸收而且取得了非常显著的成果，使其包装工业的制造水平能持续快速的发展。日本小型和微型电子技术较为成熟，所以其包装工业虽然起步较晚，但在消化他国技术中，将其擅长的微电子技术应用其中，为包装工业的发展提供了更多的空间，至今仍影响着包装机械的走向。 我国制造工业还处在低谷时，美国和日本等发达工业国家却在告速发展工业，而且我国都是在新中国成立之后才开始发展包装机械与其他工业产品，包装工业发展期主要是改革开放之后。随着我国经济开始迅速发展，人们的消费水平也大大提高，从而使的生产设备特别是包装机械的需求变得空前紧缺。这就逼迫我们要提高包装工业的技术水平，其中不乏通过进口国外的先进技术和生产线，回来慢慢研究消化吸收并改良，发展自己的包装工业。 我国的饮料包装设备还存在自动化程度低、速度慢、破瓶率高、系统运行不稳定等缺陷。随着集散控制系统的日益完善，PLC在工业控制领域应用的日益广泛，使我们利用先进控制技术改进自动饮料灌装机的控制系统，弥补其不足成为可能。 目前进口一台全自动液体灌装生产线大概需要400万元人民币，这大大提高了成本，根据这一状况，我们参照国外全自动液体灌装机的先进机型和技术结合国内液体灌装的实际情况，独立开发设计并制造出新型全自动液体灌装生产线，并根据测算，与国外同类产品相比价格仅是进口设备的35%并完全可以代替进口同类产品，具有良好的价格性能比，所以开发优质的灌装成套设备取代进口设备，在医药、饮料和酒类等灌装也具有很深远的意义和广阔的前景。 1.2设计任务 本设计主要完成以下任务: (1)、深入了解自动饮料灌装机的工作原理，运行过程及控制要求。 (2)、控制系统设计: 包括PLC的选择，各种硬件模块的介绍，软件设计编程方法。 (3)、列出I/O地址分配表。 (4)、画出PLC外部硬件接线图。 (5)、绘制自动饮料灌装机工作流程图。 (6)、根据控制流程设计出顺序功能图、梯形图。 二、功能需求分析 2.1技术背景与现状 近几年，由于PET/HDPE塑料瓶被越来越多地应用到液态食品包装领域，扩大了其在液态食品包装领域中的应用范围，据不完全统计，全球每年用于饮料瓶的塑料容器消费量为1000多万吨，并且其产销量正在以每年10%,19%的速度增长。茶饮料、果汁饮料以及功能性饮料经过几年的苦心经营，已经成为饮料市场上稳定、成熟的产品，现在 高速中温热灌装技术为众多饮料企业提供了最佳的解决，既满足了产品的增长率和安全性，又降低了饮料企业的包材成本和运行成本。随着高速中温热灌装机技术的日臻成熟，将为更多的国内大、中型饮料生产企业提供先进、稳定、可靠的饮料灌装机设备，带来更为直接的成本效益。灌装机主要是包装机中的一小类产品，随着我国酒业的快速发展，啤酒、葡萄酒、黄酒、白酒等酒类产量持续增长，我国饮料酒(不含果露酒、发酵酒精)总产量已达2878万千升,同比增长8.2%。有关专家指出，我国饮料行业是高成长性的行业，成熟饮品增长稳定，新的热点和增长点不断涌现，新兴饮品的增长更快。同时，中国包装机械已发展成世界液态食品行业中有重大影响和极大市场占有率行业。因此，液体灌装机市场发展潜力巨大。 要把灌装机产品国产化，要走相当一段的路程，国内现状是“互仿”--互相仿造，在国内仿造，也叫做“内仿”。水平大概一致，今天你有的，明天别人就仿去了。一个灌装机行业也就那么几家有自己的机械设计能力来开发新产品。其他的制造商就跟进过来。所以在互联网上我们查找灌装机会看到很多产品，但大多雷同。相比较而言，在国外的一些灌装机械厂家，他们的产品不论是在外观还是的设计原理上都有比较大的区别。这就是很多国内一些想创新的厂家努力去学习国外产品的原因，操作方法是到国外参加展会，拍些设备图片或直接购买一个设备样品，拿来仿造就可以了。这就是“外仿”，仿造国外的。不管是“内仿”还是“外仿” 都是在仿造。自己没有太多的创新和设计。产品就会一直在跟进，跟着别人前进。 我国的饮料罐装自动化相对于西方发达国家来讲还有很大的差距。设备陈旧，技术落后，成为阻碍我们灌装行业发展的一个严重问题。鉴于这些问题，我国企业不断发展自身的实力，逐步朝着生产高速化、设备结构合理化、设备的多功能化、设备的绿色化、控制的智能化等方向发展。推出适合自己需求的产品来。我国企业参照国外全自动液体灌装机的先进机型和技术结合国内液体灌装的实际情况，发现国内外灌装机械制造商都在致力于产品结构的优化，不断的在对老产品进行优化的同时开发出新的产品以适合市场的变化。一方面是零部结构的优化，设备可靠性的提高，另一方面则围绕设备成本降低，以及操作方便和可维护性进行研究，并独立开发设计并制造出新型全自动液体灌装生产线，并根据测算，与国外同类产品相比价格仅是进口设备的35%并完全可以代替进口同类产品，具有良好的价格性能比，所以开发优质的灌装成套设备取代进口设备，在医药、饮料和酒类等灌装也具有很深远的意义和广阔的前景。 2.2功能需求分析 根据要求和目前生产线的具体情况，并结合目前先进装配系统的设计方案，确定了以下总体设计思路。采用可编程控制器(PLC)作为控制系统的主控制元件，传感器作为检测元件构成生产、控制系统。整条自动饮料灌装机控制系统由一台PLC、灌装机以及 次品捡出器和指示灯等其它元件构成。同时生产线上的各种检测状态传感器全部接入到PLC中，由PLC根据传感器的检测状态通过编制好的程序控制整个系统工作。 系统采用的饮料分装计量是通过时间和单位时间流量来确定的，计量精度由可编程控制器(PLC)控制确定。并且在本系统还具有数据统计和故障报警功能，能够准确的将生产情况告知用户，使用户能灵活的调整生产方式和方便的了解到设备的即时运行状态。 操作时，在PLC上编制好的程序作为系统工作的条件。通过PLC上的开关和指示灯等进行对系统功能的操作和监控系统的工作过程。 2.3功能需求 系统采用了国际上较为先进的灌装设备—直线型全自动灌装机。设计的灌装过程是:洗瓶机将瓶子的里外洗净并经检查后，由传送带送入自动灌装机的限位机构，根据规定的要求按一定的距离排列好，限位机构准确地将瓶送入灌料传送带。灌料口检测设备准确地将瓶子送入灌料设备下灌料，灌料完成后，灌料传送带将瓶子送入正品检测设备，正品检测设备检测是正品，则送入正品传送带，反之是次品，则送入次品传送带。 三、具体设计 3.1系统设计 3.1.1工作原理 自动饮料灌装机工作原理:本机通过光电传感器检测空瓶到达，开启灌装传送带电机，传送空瓶至灌料口位置，通过泵机灌装饮料，完成后，传送至正品传送带或次品传送带。通过传感器控制电动机运行，自动检测正、次品并分拣出次品，全程自动控制无需人工干预。 3.1.2运行过程 按下启动按钮之后，灌装传送带等待空瓶检测检测到空瓶时启动，空瓶通过传送带到达灌料检测口时停止1S，1S后灌装机启动，开始灌装时间为1S，1S后停止，传送带启动将灌装的饮料送至正、次品检测口，正品则启动正品传送带，传送至压盖检测口时停止1S,1S后压盖机压盖时间为1S,1S后启动传送带，传送至正品到达检测位置，计数，计数24瓶整箱，计数完成报警。检测为次品则通过推进装置，推至次品传送带并启动传送带，送至次品到达检测位置，停止并计数，计数10瓶，计数完成报警(见下图3-1、 3-2、3-3、3-4)。 3.1.3控制要求: (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)系统设有故障启动、故障停止按钮，当设备遇到故障时或停电的事故时可以启动故障启动无需空瓶检测，即可启动。 (3)用两个传感器检测并记录次品瓶数和正品瓶数，一旦启动系统后，当正、次品传送过来之后记录瓶数，瓶数完成后报警。(图3-2、图3-3) (4)系统在灌料设备和压盖设备上加有料不足检测报警设备(图3-1、图3-2)。 (5)可以手动、自动对计数值清零(复位)。 灌 装 报警 设 提示 备 空瓶到来检测 灌料口检测 M 灌 装 传 送 带 图3-1 灌装工作示意图 压 盖 报警 设 提示 备 正品检测 正品计数检测 压盖口检测 M 正 品 传 送 带 图3-2 压盖工作示意图 次品计数检测 正品检测 推动装置 M 次品传送带 图3-3 次品工作示意图 次品 空瓶 正品检测传感器 推进装置 置于瓶子上端 图3-4 分拣工作示意图 3.2设备选型 3.2.1 PLC的选择 PLC的特点作为工业生产过程控制的专用计算机，与通常在实验室环境下使用的微机不同。由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行的长期连续性，使PLC在设计上有许多明显的特点。可靠性高、编程直观简单、通用性强、适应性好、接口能力强、模块化结构、体积小、结构紧凑、安装维修方便等。 目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的PLC生产厂家主要有美国的AB、通用(GE)、日本的三菱(MITSBISHI)、欧姆龙(OMRON)、德国的西门子(SIMENS)、法国的TE、韩国的三星(SUMSUNG)、LG等。 本文选择的是德国的西门子公司生产的S7–200PLC， S7–200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此它一经推出，即受到了广泛的关注。特别是S7–200CPU22*系列PLC，由于它具有多种功能模块可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC 网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，其速度快，具有极强的通信能力，几乎可以完成任何功能的控制任务。 (l)S7-200CPU S7-200CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序和存储数据以便对工业自动控制任务或过程进行控制。 1)输入和输出是系统的控制点:输入信号来自现场的各种传感器及检测开关(模拟量及开关量)，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。 2)电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。 3)通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或其他一些设备连接起来。 4)状态信号灯显示了CPU的工作模式，本机I/O的当前状态，以及检查出的系统错误。 5)通过扩展模块可增加CPU的I/O点数。通过扩展模块可提供其通讯性能。一些CPU具有内置的实时时钟，其他CPU则需要实时时钟卡EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。 6)通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。 (2)扩展模块 S7-200CPU模块提供了一定数量的本机I/O，扩展模块提供了附加的输入输出点。 (3)CPU22*系列PLC它有如下五种不同结构的配置单元: 1)CPU221，它具有6输入/4输出，I/O共计10点，无扩展能力; 2)CPU222，它具有8输入/6输出，I/O共计14点，并可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展; 3)CPU224，它具有14点输入/10点输出，I/O点数共计24点，它有七个扩展模块，有内置时钟; 4)CPU226，它具有24输入/16输出，I/O共计40点，与CPU224相比，它增加了通信口的数量，通信能力大大增强; 5)CPU226XM，这是西门子公司后推出的一种增强型主机，它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU226相同。 本系统具有13点输入/10点输出，采用西门子PLCS7-200系列的CPU226型。饮料灌装系统的PLC外部接线，应将PLC先接入220V交流电源，再将启动)停止按钮、报警指示灯以及各个传感器开关通过24V直流电源连接到PLC的输入端口上，如图3-4所 示。 注:PLC的选择同型号中分为AC和DC两种，不能选错，否则会因电压过大而烧毁PLC造成损失。 图3-5 PLC外部接线图 3.2.2传感器的选择 信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件。广义地说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。它获得的信息正确与否，直接关系到整个系统的精度。 通过对各个传感器的工作环境和用途的分析确定各个传感器的型号为，灌装监测传感器选型为:光电传感器(欧姆龙E3JK-5M3型)、光纤传感器(松下D203通用型等)。 采用红外线传感器来监测空瓶子的到来后动作，起到接通开关的作用。它是利用被测物体热辐射引起敏感元件温度的变化进行测量。常温下工作稳定且价格更便宜，不受可见光的影响。 3.2.3电机的选择 电动机M1型号为Y132M-4，额定电压为交流380V，额定电流为15A，频率为50HZ，功率为7.5KW，转速为1440r/min。 电动机M2型号为Y90S-4，额定电压为交流380V，额定电流为2.8A，频率为50HZ，功率为1.1KW，转速为1440r/min。 电动机M3选与电动机M2一样的型号即可。 注:M1电机是灌料传送带驱动电机，M2电机是正品传送带驱动电机，M3电机是次品传送带驱动电机。 3.3 I/O分配表 表3,1 I/O分配表 3.4工作流程图设计 开始 启动 停止 检测到空瓶 次品传送到位 灌装传送带启动 启动次品传送带 灌料检测口检测 输入 输出 是 次品 正常启动 I0.0 灌料传送带 Q0.0 正常停止 I0.1 正品传送带 Q0.1 灌装机灌装 空瓶检测 I0.2 次品传送带 Q0.2 灌料口检测 I0.3 灌料 Q0.3 正品检测 I0.4 压盖 Q0.4 分拣 压盖检测 I0.5 推杆电磁阀 Q0.5 正品到达检测 I0.6 灌料料不足报警 Q0.6 次品到达检测 I0.7 压盖料不足报警 Q0.7 是 正品 灌料不足检测 I1.0 正品完成报警 Q1.0 压盖料不足检测 I1.1 次品完成报警 Q1.1 推杆到位 I1.2 启动正品传送带 故障启动 I1.3 故障停止 I1.4 压盖检测口检测 压盖机压盖 图3-6 工作流程图 3.5顺序功能图设计 SM0.1 I0.4 M0.0 M1.3 Q0.5 Q0.2 M3.0 99 M0.1 I1.0 99 99 M1.4 Q0.2 I0.2 I0.7 Q0.0 M0.2 99 99 C2计数器 C2 M1.5 I0.3 99 C2 M0.3 T40 99 M1.6 Q1.1 T44 T40 99 T44 M0.4 Q0.3 T41 99 清零 M1.7 T41 99 M0.5 Q0.0 99 I0.4 图3-7 顺序功能图 3.6程序设计 见附录 四、总结 经过了这一段的学习和工作，我终于完成了《基于PLC的饮料罐装生产流水线控制系统设计》的毕业设计。从开始接到毕业设计题目到系统的实现，再到毕业设计文章的完成，每走一步对我来说都是自己所学知识的尝试与挑战，这也是我在大学期间完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，从对PLC控制自动化系统的设计所需技术和知识很不了解的状态，我开始了独立的学习和试验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩的作品一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获，每一次试验的成功都是对我不断努力的肯定。从中我也充分认识到了PLC在工业现场应用的重要性，以及它为我们生活带来的便利。 虽然我的设计作品不是很完善，还有一些不足之处，但我可以自豪的说，这里面的每一段程序，都是自己不懈努力成果。当我看到自己的程序，能够稳定的通过调试。我 相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。 这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫设计了。希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步 用PLC控制饮料灌装生产流水线，考虑了工业现场的环境，性能较稳定，极大地提高了设备的可靠性，而且程序调整修改方便灵活。以上程序可根据控制要求的改变很方便地做出调整与扩充，能适应控制要求的不断更新变化，具有良好的应用前景。近年来，饮料工业发展迅猛，碳酸饮料、果汁饮料、蔬菜汁饮料、含乳饮料、瓶装饮用水、茶饮料等品种不断丰富，产量上的“飘红”使得对设备市场的需求也呈“牛市”。因此，这方面的计术还要进一步发展和完善，以适应现代工业的需要。 自动化工程系 2015-01-31 参 考 文 献 [1]张万忠.可编程控制器应用技术[M].北京,化学工业出版社. 2003.07. [2]史国生.电气控制与可编程控制器技术[M].北京,化学工业出版社. 2004.02. [3]郭宗仁,吴亦锋,郭永.可编程控制器应用系统设计及通信网络技术[M].北京,人民邮电出版社. 2002.09. [4]汪仁智. XML和OPC将为工业自动化控制系统集成提供新途径[J]. 世界仪表与自动化,2001. [5]廖常初.FX系列PLC编程及应用[M].北京,机械工业出版社.2008. [6]刘姗姗,宋秋红.屋顶包饮品纸盒灌装机气动理盖机构的设计研究[J]. 食品工业.2007.05. [7]丁毅,贾向丽,李国志.基于ADAMS的润滑脂灌装机的设计[J].包装与食品机械.2007.06. [8]赵大民.FGZ-10负压灌装机的设计[D].大连交通大学.2007. [9]周仁龙,姚鲜华.上海隆歆开发出袋装水全自动灌装机成套设备[N].中国食品报.2006.6.12. [10]蒋欢. 全自动软包装液体灌装机,中国,200910100132.0[P]. 2009.06.23. [11]张聪.灌装机的安装调试及维护[J]. 《自动化食品包装机》. 2003. [12]王红军,邹湘军,刘昌余,陈佳鑫.虚拟环境下模块化灌装机建模与设计研究[J]. 装备制造技术. 2010. [13]张延明,雒亚洲,王菲菲.无菌包装在康美包无菌灌装机中的应用[J]. 机电产品开发与创新 . 2010 附录 程序代码