基于GE装瓶流水线的PLC控制课程设计综述

1、电气控制与PL（课程设计课题：装瓶流水线的PLC控制系 别：电气与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化姓 名：学 号：指导教师：河南城建学院2016年6月17日目录1 系统概述 11.1设计的目的 11.2设计的内容和要求 11.3 实现的目标 22 方案论证 32.1 方案设计 32.2方案选择 32.3 方案的实现 43 硬件设计 83.1 PLC的系统原理图83.2 系统设计的主电路 93.3 I/O分配表93.4 I/O 接口图 103.5 元器件选型 104 软件的设计 124.1 主流程图设计 124.2 梯形图设计 135 调试过程及结果 16设计心得 16参考文献 171

2、 系统概述1.1 设计的目的工业的技术工艺和自动化水平，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争 力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。随着我国瓶装生产设备市场的迅猛发展，与 之相关的生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。了解国内外装瓶设备生产技术 的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分 关键。目前我国流水线生产的自动划水平现状不容乐观，国家大力支持企业的自动化应用于产 品生产以避免生产企业不按生产工艺生产、规避监管，潜在不安全因素。二是在非GMP流水线厂房生产产品。同类产品、同样配置的设备往往要比国内组装的价格高出60左右，维修费用

3、要高出 5 一 10 倍，且维修周期要比国内产品的长 1020 倍以上，设备投资较大，投 资同收期较长，这无疑限制了自动化瓶装的使用 . 如果想改变此现状，要着力消除问题隐 患，从生产环节入手，采用自动化生产，自动装瓶机解决了生产中的许多问题。在瓶装行业中，包装机械产品种类丰富，产品的形状、性质、包装要求等差异很大，且 产量大。因此，自动装瓶机品种众多，目前饮料包装设备中，大瓶、规则形状的瓶子自动包 装技术已经非常成熟，国内外均有相关设备，但针对异型瓶、异型结构等包装技术则较为有 限。PLC通过USS通信协议直接控制电机，不仅能够实现对装瓶机方式运行的控制，而且能够 根据需要灵活控制装罐时间

4、,达到节约电能 ,降低成本,提高生产质量的目的。1.2 设计的内容和要求有A1A10选瓶、装瓶、盖盖、贴签、传送（A5-A8）、成品入库（A9）生产线操作工 序，用 10 盏灯来模拟；并有启动 / 停止、移位（移位到下一工序）、复位按钮（复位到第一 道工序）进行操作，如下图所示。采用 PLC进行控制，实现自动装瓶流水线工序控制。每 5 秒一道工序。工序：按下启动按钮，电机启动，传送带开始工作，当传感器检测到有空瓶 （选瓶） 时传送至装瓶位，利用 5 秒时间装瓶，传送至盖盖位，盖瓶盖，传送至贴标签位，贴标签， 标签，继续传送至成品库。一个工作循环结束。即 A5 , A1 （传送，选瓶）；具体流程

5、20如图所示图1-1瓶装流水线的过程A1OA2OA3OA4OA5A6 A7A8eA9令图1-1瓶装流水线的过程A6, A2（传送，装瓶）；A7, A3（传送，盖盖）；A8, A4（传送，贴标签）；A9（传送）；A10 （入库）；1.3实现的目标（1）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罐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）当瓶子定位在罐装设备下时，停顿 1秒，罐装设备开始工作，罐装过程为 5 秒钟。（3）可以手动对计数值及定时器清零（复位）为了达到

6、方案要求，本设计采用模块法设计，把各个控制部分模块化，再逐个解决 各个模块问题。瓶装流水线基本可分为四个动作机构：主传动机构，自动供瓶机构和自动供盖封盖 机构和自动贴签机构。通过以上 4个机构的联动实现包装产品传动、选瓶、自动供盖封 盖和自动帖签等功能。生产中，主传动机构作为整个生产过程的运输链，连接所有的动 作。供瓶、帖签、供盖封盖这三个生产过程都将在这条主传动机构上完成。其中供瓶机 构为：从供瓶源头通过主传动传至光电检测其，通过光电检测器检验是否产生检测信号，依次进入装瓶程序，装瓶系统中有三组气缸联动，保证瓶子在设计时间内以正确的方向进入主传动链，之后运送到封盖机构。瓶子到了封盖机构后，开

7、始自动封盖。计数圆盘在步进电机带动下转动所设计的角度，从封盖系统产生封号盖得瓶子，装有实物的的瓶 子继续被传动链带至帖签机构。盖子通过传送带和震动器、震动通道依次进入等待区域， 钳盖用气缸组将盖子钳起，由步进电机带至瓶子瓶上方，然后由该气缸组与压盖气缸组 配合完成整套动作动作。高速自动装瓶机的自动控制必须满足以下要求： 装瓶速度280瓶/min ;（2） 人机界面友好，方便自动控制检测，在一定范围内，可通过输入参数调节生产 速度和装瓶的个数；（3） 各动作连贯协调，保证生产顺利；2 方案论证2.1 方案设计根据分析和结合实际，提出了以下两种方案：（ 1 ）手动控制方式1. 装瓶流水线控制系统有

8、 10 道操作工序，用 10 盏灯来模拟。即：A5, A1 （传送，选瓶）-A6, A2（传送，装瓶）-A7, A3（传送，盖盖）-A8, A4（传送, 贴签）-A9（传送）-A10（入库）。2. 启动,停止,移位为控制输入,控制系统的工作状态；3. 按下启动按钮,手动移位完成一道操作工序,循环两次；4. 按下复位按钮,系统回到第一道工序；5. 按下停止按钮,系统停止工作。（ 2）自动控制方式1. 装瓶流水线控制系统有 5 道操作工序,用灯来模拟。即：A5, A1（传送，选瓶）-A6, A2（传送，装瓶）-A7, A3（传送，盖盖）-A8, A4（传送， 贴签）-A9（传送）-A10 （入库）

9、。2. 启动,停止,移位为控制输入,控制系统的工作状态；3. 按下启动按钮，每5S完成一道操作工序，循环两次；4. 按下复位按钮,回到初始工序,重新开始运行；5. 按下停止按钮，系统停止工作。2.2 方案选择通过对以上两种方案的的优缺点的分析和考量，结合现在国内与国际的基本情况，在保证瓶装质量，瓶装损耗，自动化水平要求，和经济，装罐控制的灵活性，即投入与 产出比等因素，现在多元化的产品和市场要求可能在产品包装中需要能够处理模拟量的控制系统，如精确可调或连续的位置量、参量等。PLC的功能同样可以处理模拟量的控制。因此，该系统的通用性和可扩展性相当不错。且自动控制方式有以下特点：（1）人机界面友好

10、，方便自动控制检测，在一定范围内，可通过输入参数调节生产速度和装瓶瓶数；（2）各动作连贯协调，保证生产顺利；（3）系统出现故障或需要添加瓶、盖、帖时，能自动报警和提示。（4）安全可靠：全自动瓶装流水线由电脑按设计程序控制全过程的操作，完全能够 避免人工操作引起的人身，设备事故。（5）快捷高效：手动：装瓶一般为40S/瓶全自动装瓶为25S/瓶，它极大的提高 了装瓶程序的工作效率。（ 6）装瓶质量可靠精确：全自动装瓶机由程序控制，采用仿形超软装瓶工具，能排除人为因素，保证瓶装质量综上考虑，最终确定选择方案 2 即自动控制方式2.3 方案的实现2.3.1 可编程控制器的介绍可编程控制器是以微处理器为

11、基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而 展起来的一种新型工业控制装置，它将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者 的优点结合起来成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备，并已跃居工业生 产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。可编程控制器（简称PLC是在继电器控制和计算机技术的基础上开发了出来， 并逐 渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种新 型工业控制装置。可编程控制器以其可靠性高，组合灵活，编程简单，维护方便等独特优势被日趋广 泛应用于国民经济的各个控制领域，它的应用深度和广度已成为一个国家工业先进水平 的

12、重要标志。由于早期的可编程控制器只是用来取代继电器控制执行逻辑运算、计时、计数等顺序控制功能，因此人们称之为可编程序逻辑控制器（ Programmable Logic Controller ） 简称 PLC 国际电工委员会（International Electro Technical Commission）在 1985年颁布的可编程控制器标准草案第二稿修改的基础上，于 1987年 2月进一步完善了 PLC 的定义，也就是目前被大家认同并且所接受的定义：可编程控制器是一种数字运算操作 的电子系统，专为工业环境下的应用而设计，它采用可编程的存储器，用来执行内部的 逻辑运算、顺序控制、定时、计数或

13、算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式输出， 控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其相关的外围设备，都是按照易与工 业控制系统联成一个整体、易于扩充的原则而设计。由此可知，可编程控制器 PLC的本质就是一台为实现机械工业或生产过程而专门设 计的、具有独特功能的软硬件系统的电子计算机。它是基于电子计算机，但不是普通的 计算机，普通的计算机进行输入输出信息的变换，只考虑信息的本身，信息的输入输出， 只要人机界面友好，如使用多媒体就可以了，而 PLC则重点考虑输入输出信息的可靠性、 实时性，以及信息的实际应用，另外还必须考虑所使用的环境、便于安装维护、抗干扰 等问题。PLC的产生源于继电器

14、装置，在继电器控制电路之后，出现过可编程序逻辑控制器、 顺序控制器。在 20 世纪 60 年代，将小型电子计算机通过改变程序（软件）用来做机械 工作或生产过程的逻辑控制，但是逻辑控制器综合较难，实现复杂，特别是时序、逻辑 关系处理复杂，顺序控制的编程功能靠硬件实现，无法在大规模的集成电路上应用，而 基于小型电子计算机的逻辑控制编程复杂，要求编程人员有非常高的编程水平，对工作 环境的要求也非常高，无法普及到工控及生产过程中，并且造价昂贵。1968年，美国通用汽车公司（GM为适应汽车工业的生产发展的需要，提出了一种 新型的控制器代替传统的继电器控制系统的设想，并提出了 1 0条指标：1 ）编程简单

15、，可在现场修改程序；2）维护方便，最好是插件式；3）可靠性高于继电器控制；4）体积小于继电器控制柜；5）可将数据直接送入到管理计算机；6）在成本上可与继电器竞争；7）输入可以是交流115V（美国市电）；8）输出为交流 115V, 2A. 以上，能直接驱动电磁阀和接触器等；9）在扩展时，原有的系统只需做很小的变更；10）用户程序存储器容量至少能扩展到 4K。以上10条，就是著名的GM10条，实际上它说明了现在可编程控制器最基本的功能：1 ）用计算机系统代替继电器控制装置；2）用软件程序代替硬件接线；3）输入输出信号可以直接和外界设备相连；4）结构易于扩展。1969年，美国数字设备公司（DEC制成

16、了世界上第一台可编程控制器（PLQ,并且 在美国通用汽车公司生产线上成功使用，从此，开创了PLC的新时代。1971年和1973年，日本和欧洲开始生产可编程控制器。目前，世界上有成百家公司生产可编程控制器， 竞争激烈，PLC的规格、品种和数量都得到了高速的发展。现在，PLC已经广泛应用在生产中。2.3.2 PLC 的选型1）西门子PLC简介德国西门子（ SIEMEN）S 公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶 金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（ SIEMENS公司的PLC产品包括LOGO S7-200, S7-300, S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。

17、 西门子S7系列PLC 体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求 的 PLC （如 S7-400）等。2）三菱FX系列PLC简介FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱 公司原F、F1、F2系列PLC产品。其中FX2是1991年推出的产品，FX0是在FX2之后推 出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S FX1SFX0N FX1N FX2N FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用

18、广泛。它们采用整 体式和模块式相结合的叠装式结构。3）Ge Fanuc 产品概况GE从事自动化产品的开发和生产已有数十年的历史。其产品包括在全世界已有数十万套安装业绩的PLC系统，包括90-30 , 90-70 , VersaMax系列等。近年来，GE在世界 上率先推出PAC系统，作为新一代控制系统，PAC系统以其无以伦比的性能和先进性引 导着自动化产品的发展方向。从紧凑经济的小型可编程逻辑控制器（PLQ到先进的可编程自动化控制器（PAC和开放灵活的工业PC GE有各种各样现成的解决方案，满足确 切的需求。并且这些灵活的自动化产品与单一的强大的软件组件集成在一起，该软件组 件为所有的控制器、运

19、动控制产品和操作员接口 / HMI提供。经过对几家公司生产的PLC主要从应用、价格、可靠性和对现场工作环境及设计资 金等各个方面因素的考虑，GE公司生产的PLC具有体积小，控制灵活，性价比高等优点， 可与普通电脑编程通信等。本控制系统选用Ge Fanuc PAC Systems RX3i型可编程控制器。在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求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

20、、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。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，通常根据童年估 计的输入输出点数，再增加10%20%勺可扩展。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 方法故本课题的I/O点数为输入5点，输出5点。存储器容量是可编程序控制器本身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存储单元的大小，因此程序容量小于存储容量。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，需在程序调试后才知道。 为了设

21、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代替。存储器内存储量的估算没固定的公式，许多文献资料中给出了不同的公式，大体上 都是按数字量I/O点数的10-15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2000条梯形图，这样才能在以后的该着中有足够的空间。3硬件设计3.1 PLC的系统原理图工可编程控制器1输 出- 模 块接触器匚电磁阀区指示灯向电源按钮开关限位开关电源La输 入 模 块CPU模块图3.1 PLC的系统原理图PACSystem$RX3i能统一过程控制系统，有了这个

22、可编程自动化控制器 解决方案，可以更灵活、更开放地升级或者转换。PACSystemsRX3i价格并不昂贵、易于集成， 为多平台的应用提供空前的自由度。在Proficy Mach ine Editi on的开发软件环境中，它单一的控制引擎和通用的编程环境能整体上提升自动化水平。PAC Systems RX3i模块在一个小型的、低成本的系统中提供了高级功能。PLC主要由CPU莫块、输入模块、输出模块和编程设备组成。大部分PLC还可以配备 特殊功能模块，用来完成某些特殊任务。PLC的主要特点：它采用可编程序的存储器，用 来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算操作命令，并通过数字式、

23、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。3.2系统设计的主电路瓶装流水线基本可分为四个动作机构：主传动机构，自动供瓶机构和自动供盖封盖 机构和自动贴签机构。通过以上 4个机构的联动实现包装产品传动、选瓶、自动供盖封 盖和自动帖签等功能。肾;Vrt1 VD CLL N4-3匸疋3匚3匚3 L C虾性KM1 KM2VV KM3图3.2装瓶流水线的主电路机构图3.1中断路器QF1 QF2、QF3、QF4、QF5将三相电源引入，同时QF1 QF2、QF3 QF4、QF5为电路提供短路保护。电动机的过载保护分别由三个继电器提供。3.3 I/O分配表装瓶流水线控制的I/O分配表如下所示:输入功能

24、输出功能I1自动启动按钮 SB1Q1选瓶操作工序KM1I2移位按钮SB2Q2装瓶操作工序I3复位按钮SB3Q3盖盖操作工序 KM2I4手动启动按钮SB4Q4贴签操作工序 KM3I5停止按钮SB5Q5传送工序KM4I6启动按钮SB6Q6成品入库表3-3装瓶流水线控制的I/O分配表3.4 I/O 接口图其I/O接口图如图3-4装瓶流水线的I/O接口图SB1/2/SB3/SB4/SB5/SB6/11QI12Q厂13Q314Q415Q516Q6 1GE FANUCRX3iCOMCOM图3-4装瓶流水线的I/O接口图KM1L!KM2KM36143.5 元器件选型3.5.1传感器的选择在设计瓶装流水线的过

25、程中，还需要一检测装置，来检测初始信号，此时就需要传 感器来作为检测装置提供信号。瓶装传感器的作用是来检测监测空瓶子是否到来。传感器的类型有很多，又压力传感器，热传感器，光电传感器等等。查阅相关资料 和电气手册，并结合工业现场现状分析，选择光电传感器是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，具有灵敏度高等一系列优点。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。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。 随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，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

26、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。外界进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后 的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该 工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。成形后的信号随后转换成数字 信号，并输入到微处理器。传感器的组成如图2-2所示:非物理量图3-5传感器组成针对本课题的控制要求，在设计中我选用了两个光电传感器（空瓶检测传感器、灌 装设备处的有无瓶传感器）用来检测有无饮料瓶通过；还选用了一个重量传感器来检测 瓶子是否灌

27、满。位置的检测有多种方案，可以用光电传感器、摄像头、电阻传感器等，但这些传感 器易受环境影响，且自身精度不好控制瓶装装监测传感器选型为：光电传感器（热型红外线传感器）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。4软件的设计4.1主流程图设计其实现功能的如下:间隔五秒驱动电机循环图4-2主程序流程图停止4.2梯形图设计如图4-1装瓶流水线的梯形图所示InfoVtewer MAINco 補handinfoviewerhandMAINE00002QDDOOLw-UPCT*UPCTBQ00004EOOOOIUFCTRQ00005

28、THE SECM0011FME SECROOD2I5- PV CV -Q0NQ4Q0Q005M0QQQ4Q0C004图4-1装瓶流水线的梯形图5 调试过程及结果在程序写完之后我们就去实验室进行仿真检查程序是否有误，在纸上的程序逻辑都 是对的，那是因为我们还有很多软件上的逻辑不知道或者是看不出来。所以去实验室仿 真运行才发现，程序出现了好多逻辑上的错误，比如说，中间线圈重复，延时器的地址 有误，等等。在做了一系列的基础修正之后，我们的仿真可以基本的运行了。首先我们 进行的是手动工序的仿真，进行手动仿真时，没有出现太大的问题，基本功能都能实现。 接下来进行的是自动仿真，由于现实中，有很多需要传感器来完成，但是在实验室我们 用的只是开关和灯，所以自动传感器环节我们都用定时器来实现的，在自动仿真过程中， 出现了一些问题，运行时才发现有的线圈没有设复位，还有就是通电延时继电器断电时 不能自动复位，出现这种情况我们都傻眼了，我们又进行了逻辑检查，并且修改了一部 分程序之后终于实现了自动控制。这次的实验非常成功。