控制系统集成技术专题设计

1、天津理工大学自动化学院专题设计报告课程名称：控制系统集成技术专题设计 啤酒线灌瓶机控制系统设计班 级 12-自动化卓越二班 姓 名 常涛 学 号 指 导 教 师 贾超 自动化学院 2015年12月一、课程设计目的、意义通过学习啤酒线控制系统集成技术，结合和利时LM系列PLC和组态控制软件，特别是啤酒线酿酒工艺流程，培养自动化专业学生的独立思考和动手能力，使学生对控制系统集成技术有基本的认识，掌握系统设计的方法、步骤、设备选型、电气原理、工艺文件、调试方法等方面的基本技能。二设计任务1. 了解啤酒线生产的工艺流程。2. 设计啤酒线生产控制电气原理图3. 掌握啤酒线酿造过程参数的整定和设置方法。4

2、. 掌握和利时LM系列PLC建立工程和编程的步骤。5. 掌握啤酒线罐装工艺流程的控制方法。三、设计进度计划序号日期计划完成内容1第13周布置课程设计任务和分组，完成控制系统电气原理设计2第14周编写PLC设计程序3第15周编写计算机组态画面4第16周撰写设计报告和课程设计答辩课程设计正文1 总体设计方案 1、啤酒线生产的工艺流程 自动化啤酒罐装部分是指在不直接进行人工处理的情况下,自动地完成啤酒的理瓶、洗瓶、灌装、旋盖、贴标的系统,它以传送带和伺服电机机械手为主体,以成套灌装设备为基础,是集自动控制技术、通信技术、机电技术于一体的高效率、大容量灌装机构。自动化啤酒罐装的出现,实现了啤酒罐装功能

3、从多人工、长工时向高效率，高质量的转变。用PLC控制的自动化啤酒罐装生产线达到灌装技术的全面自动化。啤酒罐装部分基本由以下部分组成:理瓶机:主要用于对杂乱摆放的啤酒瓶进行整理，并使其有次序有方向的排列在输送带上，高速高效的经传送带输送到下一个工段。冲瓶机:通过成套冲瓶机设备，由电机带动通过机械方式对空瓶进行翻转冲洗，然后空行滴定，排除瓶内的残留水分。灌装机:灌装机通过贮液缸内的压力高于瓶中压力即压力差的原理，使液体靠压差流入啤酒瓶内。旋盖机:主要用于对灌装好的啤酒瓶进行旋盖或者压盖，本次毕业设计是采用安全可靠地瓶口带螺纹的塑料瓶进行啤酒罐装，所以采用旋盖方式进行封装。贴标机:主要用于对灌装旋盖

4、好的啤酒瓶进行圆周贴标，是啤酒罐装部分的最后一道工序。输送带系统:是啤酒灌装部分重要的外围设备，负责将啤酒瓶运送到各个单独工段。输送机种类非常多，常见的有履带输送机，辊道输送机，链条输送机，升降台，分配车，提升机，皮带机等。自动控制系统:驱动啤酒罐装部分各设备的自动控制系统。目前以采用现场总线方式为控制模式为主。组态控制系统:通过对控制系统进行组态，能够实现对自动化设备和过程进行监视和控制。它能从自动化过程和设备中采集各种信息，并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示，将重要的信息以各种方式传给有关人员，对信息进行有关的存储和处理，并发出控制指令。 2、灌装部分设计基本步骤 啤酒灌装部分系统

5、设计与调试的主要步骤，如下图1所示：在啤酒罐装部分控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：1.深入了解和分析啤酒罐装部分的工艺条件和控制要求。2.确定I/O设备。根据啤酒罐装部分控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。4.分配I/O点，分配PLC的输入输出点。5.设计啤酒灌装部分系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个啤酒罐装部分系统控制设计的核心工作。6.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。图1 灌装部分系统设计流程图二设计内容（1）分析当前啤酒生产线灌装部分的理论发展状况，国内外灌装控制

6、设备的整体建设状况以及在啤酒灌装部分的应用情况；(2)掌握PLC的使用方法，熟悉PLC编程工具1；(3)基于实物建立灌装工段的模型，采用恰当的控制方法，设计灌装部分的控制策略；(4)根据设计的灌装部分控制策略编制该部分的控制程序，并编制用于显示和控制的组态界面，完成灌装部分控制系统的实际运行。并实现与啤酒生产线灌装部分的联动运行。三实验结果和分析1、灌装机介绍 灌装机:啤酒灌装机采用等压灌装方式，灌装精度高、速度快。全程实现自动化，适用于塑料瓶和玻璃瓶的灌装啤酒。各部分的适用调整轻松自如，简便快捷。本灌装机采用和利时LM系列PLC进行控制实现自动运行，以及整条生产线的自动化控制。该工段的原理是

7、瓶子从洗瓶机出来进入灌装机的进瓶螺杆，经分瓶星盘送至回转台的托平气缸上，升高瓶口在定位装置的到乡下紧压灌装阀的下料口形成密封。瓶子再被抽真空后贮液缸内的背压气体二氧化碳被冲入瓶中当瓶中气体压力与气缸压力相等时，阀门在弹簧的作用下开启。此时啤酒通过回气管上伞型反射环的导向作用下自动灌入瓶内，瓶内的二氧化碳被回注到贮液缸内。当瓶内达到一定高度并将回气管封闭时，自动停止下酒。然后将液阀和气阀关闭，排掉瓶颈部位的压力气体以防止带气酒液在瓶子下降时喷涌溢出。这便完成了整个灌装部分。具体见图2图2 灌装机实际图2、系统控制面板 为了便于接线和以及系统硬件调试和啤酒罐装部分整体联调，本次毕业设计没有采取传统

8、的硬件控制柜的形式，而是采取了前端控制面板的形式，这样的设计形式既方便系统调试，又便于实际演示且能很好的控制成本，所有硬件设计能一目了然。具体见图3图3 系统控制面板3、 灌装工段硬件接线电气原理图 根据实验室设备的具体链接图，找出线编号的连接方式绘制草图，最后采用CAD软件绘制硬件接线图。 灌装工段硬件接线电气原理图如图4所示图4 灌装工段硬件接线电气原理图4、 PLC选型 在PLC系统设计时，首先应该根据工艺要求确定控制方案的可行性，其次的工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的要求以及特点还有应用是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制

9、任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统2。1输入输出（I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。根据估算的方法故本次毕业设计的啤酒罐装部分每个工段的I/O点数为输入30点，输出21点。2存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的

10、存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储5000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。3控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等

11、特性的选择。根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。（1）控制功能 PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。（2）编程功能 离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描

12、周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。（3）诊断功能 PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断

13、是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。 PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。4机型的选择(1)PLC的类型 和利时LM系列可编程控制器主机分为14、24、40点三档，对应的每档都有继电器输出和晶体管输出。同时还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加I/O点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了成本投入。本课题设计的啤酒罐装部分控制系统有输入信号40个，输出信号21个。其中，外部输入元件包括：检测元件、按钮、取、送、急停、限位开关、超限位保护等等；输出有伺服电机的正反向、动作指示、错误显示等等。

14、按照上述配置，所选I/O点不得低于61点，结合实际情况，所选I/O点为80点。因此我所选型号为和利时LM系列的LM3106A。LM3106A是和利时专门为涉及运动控制的用户设计的一款小型PLC，该PLC有14点数字量输入（DC24V）,10点数字量输出（晶体管型）。LM系列PLC具有独特的掉电保护功能，可以实现用户程序和掉电保持区数据永久保存，彻底消除由于掉电而导致数据丢失的现象；同时支持五种国际化编程语言，适合不同编程人员的需要；LM系列应用领域广泛，有良好的用户基础，所以可靠性高，安全系数高3。（2）经济性的考虑 选择PLC时，应考虑性能价格比。在考虑经济性的时候，应同时考虑应用的可扩展性

15、、可操作性、投入产出比等重要因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意可靠的产品。 输入输出点数对价格有直接影响。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。本课题所设计的啤酒生产线灌装部分属于小型控制系统，结合经济性的考虑因此选择整体型PLC。5、 灌装机软件设计（和利时编程软件特点） PowerPro 软件是和利时公司专为LM系列PLC所开发的基于Windows的编程工具。PowerPro软件具有控制方案的编辑和仿真调试功能，是LM系列PLC的硬件配置和软件编

16、程的标准软件包。PowerPro与传统的PLC编程软件相比，有如下一些特点和功能：（1）程序语言标准化 在上世纪90年代中后期，IEC发布了自动化行业程序语言的国际标准。先是IEC1113-3标准，后来修订为IEC61131-3标准，以帮助PLC、NC及DCS等自动化行业统一编程语言，促进编程技术的进步4。PowerPro是完全符合IEC61131-3标准的编程软件，具有IL、LD、ST、FBD、SFC、CFC等多种语言编程方式。（2）内部器件变量化 LM系列PLC没有常规PLC那么多的内部器件，如定时器、计数器等，取而代之的是变量。变量是PowerPro 特有的一个概念，类似于高级语言的形式

17、。这些变量按需要声明，使用多少，就声明多少。变量名还可按其功用命名，比起器件编号更便于辨认。变量还可分为全局与局部、输入与输出、掉电保持与不保持等多种类型。同时，利用PowerPro强大的计算功能，还可以定义多种的数据类型。不仅包括布尔型、字节型、字型、双字型，而且还包括指针、枚举、多维数组、单精度浮点数等类型。（3）程序组织模块化 PowerPro对程序的组织是完全模块化的。PowerPro提出POU的概念，POU（Program Oginization Unit）即为程序组织单元。PowerPro 的程序组织单元包括程序、函数和功能块。这三者共同完成了一个工程。PowerPro对程序的组织

18、，都是主程序通过对其他POU的调用来实现的。这既便于多人参与编程，又便于程序重用、阅读、调试，还可节省内存，确保程序安全。同时，PowerPro是一个开放的系统，用户可以根据需要，开发出适合自己的指令。（4）模块设定软件化 PowerPro是一个开放的系统。一方面，读者可以根据需要开发自己的指令；另一方面，PowerPro将PLC的许多参数和模块设定通过指令的形式开放给用户，用户可以根据自己的需求，在程序中完成设定，诸如：串口通讯参数的设定等。（5）编程监控一体化 PowerPro 软件有独特的视图和报警功能，可以在运行和调试时提供一个可视化的界面。另外，PowerPro还提供有非常强大的仿真

19、和调试功能，可以更方便地检查程序逻辑的正确性5。图5 PLC设计页面6、 I/O清单开关量输入信号： AT %IX0.0: (*液位低*)AT %IX0.1: (*液位高*)AT %IX0.2: (*主机故障*)AT %IX0.3: (*进液泵故障*) AT %IX0.4: (*输送故障*)开关量输出信号：AT %QX0.0: (*主机*)AT %QX0.1: (*进液泵*)AT %QX0.2: (*进水电磁阀*)AT %QX0.3: (*进酒电磁阀*)AT %QX0.4: (*排气电磁阀*)AT %QX0.5: (*进气电磁阀*)AT %QX0.6: (*输送*)模拟量输入信号： AT %M

20、D600: (*备用*) AT %MD604: (*备用*) AT %MD608: (*备用*) AT %MD612: (*备用*)模拟量输出信号： AT %MD616: (*备用*) AT %MD620: (*备用*)7、程序控制（DI）X000AT%IX0.0:BOOL;(液位低)X001AT%IX0.1:BOOL;(液位高)X002 AT%IX0.2:BOOL;(主机故障) X003 AT %IX0.3: BOOL;(进液泵故障)X004 AT%IX0.4:BOOL;(输送故障)(DO)Y000AT%QX0.0:BOOL;(主机)Y001AT%QX0.1:BOOL;(进液泵)Y002AT

21、%QX0.2:BOOL;(进水电磁阀)Y003AT%QX0.3:BOOL;(进酒电磁阀)Y004AT%QX0.4:BOOL;(排气电磁阀)Y005 AT %QX0.5:BOOL;(进气电磁阀)Y006 AT %QX0.6:BOOL;(输送)(中间点)M000 AT %MX500.0:BOOL; (主机启动)M001 AT %MX500.1:BOOL; (主机停止)M002 AT %MX500.2:BOOL; (进液泵进水电磁阀启动)M003 AT %MX500.3:BOOL; (进液泵进水电磁阀停止)M004 AT %MX500.4:BOOL; (进酒进水选择)M006 AT %MX501.0

22、:BOOL; (进酒排气电磁阀打开)M007 AT %MX501.1:BOOL; (进酒排气电磁阀关闭)M008 AT %MX501.2:BOOL; (输送启动)M009 AT %MX501.3:BOOL; (输送停止)M010 AT %MX501.4:BOOL; (进气电磁阀打开)M011 AT %MX501.5:BOOL; (进气电磁阀关闭)YM000 AT %MX10.0:BOOL; (主机启动)YM001 AT %MX10.1:BOOL; (主机停止)YM002 AT %MX10.2:BOOL; (进液泵进水电磁阀启动)YM003 AT %MX10.3:BOOL; (进液泵进水电磁阀停

23、止)YM004 AT %MX10.4:BOOL; (进酒进水选择)YM006 AT %MX11.0:BOOL; (进酒排气电磁阀打开)YM007 AT %MX11.1:BOOL; (进酒排气电磁阀关闭)YM008 AT %MX11.2:BOOL; (输送启动)YM009 AT %MX11.3:BOOL; (输送停止)YM010 AT %MX11.4:BOOL; (进气电磁阀打开)YM011 AT %MX11.5:BOOL; (进气电磁阀关闭)DCSCTR AT %MX12.0:BOOL; (DCS控制) 该段为灌装机顺序功能图主程序：远程控制时按下开阀TM002和DCS控制按钮，逻辑结果都为1

24、，触发器置位，进液泵启动。本地控制时，按下开阀M002，DCS不动作为0，取非结果为1，则与逻辑输出为1，触发器置位，进液泵启动。TON为通电延时定时器，当低液位传感器动作时，延时10S，然后当PT和ET相等时输出，进酒电磁阀动作，延时10S后，二者同时输出，然后触发器置位，进液泵启动。远程控制时，按下关阀YM003和DCS，触发器复位，进液泵关闭。本地时，按下M003，DCS取非为1与M003同为1，使触发器复位，进液泵停止。同时当液位高时也使触发器复位，进液泵停止。8、灌装工段的上位机监控（1）在“工具箱”中选择“圆角矩形”，单击，在顶部按住鼠标左键，拖动到想要的长宽，然后松手，这样就画出

25、了一个矩形区域。（2）单击 “工具箱”按钮，选中文本，谈后在中间位置添加文字“基于plc的灌装机控制”然后单击旁边，文本添加完毕。（3）选择“工具箱”内的“按钮”按钮，在想要的位置按住鼠标左键拖动到想要的长宽然后松开，这样就生成了一个显示为文本的按钮，选中刚生成的按钮，点击鼠标右键，在弹出的对话框中选择文本替换，将文本替换成想要的文字，按照这个方法我依次添加了“PLC控制”、“DCS控制”、“进水、“进酒”。（4）按照上述方法，我将整个画面的文字和按钮添加到了界面中，整体效果如图6所示 灌装工段主要包括灌装机控制、进液泵控制、进酒排气控制、进气电磁阀控制、输送控制等几个部分。主要用到了16个按钮，包括：进水、进酒、手动、自动、DOS、PLC以及各控制部分的启动、停止等按钮6。图8 灌装工段的上位机监控界面四结论 通过啤酒罐装生产流水线的PLC控制课程设计，掌握了什么是设计程序，设计程序工作的基本过程及各阶段的基本任务，熟悉了设计程序总流程图，加深了对PLC的理解，课本上的