PLC课程设计 灌装生产流水线控制系统的设计

1、课程设计(论文)题 目 名 称 饮料灌装生产流水线控制系统的设计 课 程 名 称 PLC课程设计 学 生 姓 名 刘思思 学 号 1341203056 系 、专 业 电气工程系13级测控班 指 导 教 师 李辉 2015年 11 月 20 日邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业13级测控学生姓名 刘思思学号 1341203056题目名称饮料灌装生产流水线控制系统的设计设计时间2015/11/16-2015/11/29课程名称PLC原理及应用课程编号121200107设计地点数字控制与PLC实验室（306） 一、 课程设计（论文）目的 PLC原理及应用课程设计是电气工程及其自动化专业领域重要的

2、实践环节之一，主要以小型实用性PLC控制系统的软、硬件设计为主。课程设计的目的和任务：全面熟练掌握PLC的硬件组成以及各种指令的应用，使学生掌握小型PLC应用系统设计的步骤，熟悉和掌握PLC开发系统的应用和软件调试过程，通过设计过程中对故障的分析、判断、检修进一步锻炼和培养学生的动手能力。二、 已知技术参数和条件利用PLC设计饮料灌装生产流水线控制系统，系统通过开关设定为自动操作模式：（1）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）当瓶子定位在灌装设

3、备下时，停顿1s，灌装设备开始工作，灌装过程为5s钟，灌装过程应有报警显示，5s后停止并不再显示报警；报警方式为红灯以0.5s间隔闪烁；（3）用两个传感器和若干个加法器检测并记录空瓶数和满瓶数，一旦系统启动，必须记录空瓶数和满瓶数，设最多不超过99999999瓶；（4） 可以手动对计数器清零（复位）3、 任务和要求 1、设计系统的PLC外部接线图 2、系统的操作面板 3、设计好顺序功能图 4、系统的T形图按照要求书写课程设计报告注： 1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设

4、备等） 实验室有EL型PLC实验系统4套， FX2N系列实验装置8台，以及相关的软件。 FX2N系列、S7系列产品说明书； FX2N系列实验装置实验指导书；五、进度安排2015年11月16日-17日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务何要求2015年11月18日-19日：总体方案设计2015年11月20日-22日：外部接线图2015年11月23日-25日：T形图设计2015年11月26日-27日：系统调试改进2015年11月28日：整理书写设计说明书2015年11月29日：答辩六、教研室审批意见教研室主任（签字）： 年 月 日七|、主管教学主任意见 主管主任（签字）： 年 月 日八、备注指

5、导教师（签字）： 学生（签字）：邵阳学院课程设计（论文）评阅表学生姓名 刘思思 学 号 1341203056 系 电气工程系 专业班级 13测控 题目名称 饮料灌装生产流水线控制系统的设计 课程名称 PLC课程设计 一、学生自我总结在整个课程设计的过程中，让我学会了很多，无论做什么是都要有细心与耐心，所以要善于多加练习，熟悉所有可能出现的错误，使自己的整个设计过程都无懈可击，从而让自己的实验水平更加进步，享受成功那一刻的喜悦。此次课程设计当中让我收获了许多，是我真正有机会接触到实物设计，将所学的只是运用起来，更加深入的掌握了各种元器件的基本原理，还锻炼了自己的动手思考能力，培养了自己的科学态度

6、，试一次不可多得的时间机会。本次的课程设计大大的增强了我们的团队合作精神，培养了我们的思考和细心严谨的作风，综上所诉，这次的课程设计给我们上了一堂很有意义的课，在很大程度上提高了我们的综合素质，让我对所学专业更有信心。 学生签名：刘思思 2015年 06月 15日二、指导教师评定评分项目平时成绩论文答辩综合成绩权 重304030单项成绩指导教师评语： 指导教师（签名）： 年 月 日注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。摘要 随着工业自动化水平日益提高，众多工业企业均面临着

7、传统生产线的改造和重新设计问题。PLC（可程序编程控制器）是以微处理器为核心的的工业控制装置，它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业的方面得到普遍的应用。作为通用工业控制计算机，其实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，在世界工业控制中发挥着越来越重要的作用。鉴于此，设计者运用PLC的动能和特点设计出了一款饮料灌装生产流水线控制系统。关键词：可编程控制器；顺序功能图；梯形图；饮料灌装；生产流水线；无人控制 Abstract With the increasing level of industrial automation, many

8、 industrial enterprises are faced with the transformation of traditional production line and re-design problem. PLC (programmable logic controller) is a microprocessor as the core of industrial control devices, it will relay the traditional control system combined with computer technology in recent

9、years in industrial automation, mechanical and electrical integration, the transformation of traditional industries such as generally applied. As a general-purpose industrial control computer, the realization of industrial control wiring logical leap in logic to storage, industrial control in the wo

10、rld is playing an increasingly important role. In view of this, the designers of the use of PLC functions and features designed a beverage filling production line control system. Key Words:Programmable logic controller,Sequential Function Chart,Ladder Diagram,filling lines,Production line,No control

11、目录中文摘要英文摘要1、概述51.1.课题背景51.2.课题内容与要求61.2.1 课题名称61.2.2 课题要求61.2.3 设计任务和要求72、方案与论证72.1 主要设计思想72.1.1 饮料罐装生产流水线总体方案设计72.1.2 饮料灌装流水线的基本结构72.1.3 灌装流水线的工作原理83、 软件设计83.1软件方案设计83.1.1 PLC软件方案设计的方法83.2 控制系统顺序功能图103.3 梯形图113.4 指令表124、 硬件设计134.1 传感器的选择134.2 PLC控制系统外部接线图134.3 输入/输出接口（I/O）功能量145、利用软件PLC编程软件进行仿真运行调试

12、155.1 启动系统155.2 空瓶记数过程155.3 灌装准备过程165.4 灌装过程、满瓶计数器计数及报警过程165.4.1 灌装系统175.4.2 报警系统175.4.3 満瓶记数系统176、设计小结与未来展望187、心得体会18致谢20参考文献21附录221、概述1.1.课题背景 我国的饮料灌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。 PLC（可编程控制器）是一种专门为在工业环境下应用而设计的

13、数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。  随着工业自动化水平日益提高，众多工业企业均面临着传统生产线的改造和重新设计问题。PLC（可编程序控制器）是以微处理器为核心的工业控制装置，它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。作为通用工业控制计算机，其实现了工业控制领域接线逻

14、辑到存储逻辑的飞跃，在世界工业控制中发挥着越来越重要的作用。 几年前，自动化技术只占包装机械设计的30%，现在已占50%以上，大量使用了微电脑设计和机电一体化控制。提高包装机械自动化程度的目的：一是为了提高生产率；二是为了提高设备的柔性和灵活性；三是为了提高包装机械完成复杂动作的能力。  饮料灌装机用于灌装各种各样的瓶装饮料，适合大中型饮料生产厂家，早期的灌装机械大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方法。这些方法存在一些缺点。例如：灌装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。本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。PLC控

15、制具有编程简单、工作可靠、使用方便等特点，在工业自动化控制领域广泛应用。专为PLC应用而实际的触摸屏集主机、输入和输出设备于一体，适合在恶略的工业环境中使用。  鉴于PLC可靠性高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便三大特点，利用PLC技术平台自主开发创新，将机械、电气和自动化等技术有机结合，将传统的继电器接触器控制功能用PLC代替，构成实用、可靠的饮料灌装生产线PLC控制系统。该控制系统可节省大量电气元件、导线与原材料,缩短设计周期,减少维修工作量, 提高加工零件合格率,进而提高生产率，而且程序调整修改方便灵活，提高了设备的柔性和灵活性。具有整体技术经济效益。 目前饮料灌装生

16、产线的控制过程主要是继电器接触控制，但这种电路接线复杂，可靠性低，使得工业生产的效率得不到提高。不过，随着时代的发展，饮料灌装生产线的控制过程正朝着智能化和自动化的方向发展。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少

17、量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。1.2.课题内容与要求1.2.1 课题名称 饮料灌装生产流水线控制系统的设计1.2.2 课题要求（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，罐装过程应有报警显示，5秒后停止并不再显示报警（报警方式为红灯以0.3S时间间隔闪烁）。（3） 用两个传感器和若干个加法器检测并记录

18、空瓶数和满瓶数，一旦系统启动，必须记录空瓶数和满瓶数，设最多不超过99999999瓶。（4） 可以手动对计数值及定时器清零（复位）1.2.3 设计任务和要求（1）设计系统的PLC外部接线图（2）系统的操作面板（3）设计好顺序功能图（4）系统的T行图2、方案与论证2.1 主要设计思想2.1.1 饮料罐装生产流水线总体方案设计 本次设计的任务是以三菱FX1N系列PLC作为处理核心，用行程开关、传感器将生产过程中的信号（如空瓶的运行的位置、饮料瓶是否为空瓶等等）处理后送给PLC处理器，由PLC对数据进行运算，然后输出驱动信号（如接触器、电磁阀等等）来完成饮料罐装生产过程的流水线操作。该系统的总体思路

19、：此生产线为全自动控制的，生产线一旦上电，PLC将通过软件对生产线进行自动控制：通过输出继电器控制传送带的停转和对饮料瓶灌装的控制，实现对系统状态的显示，并且通过PLC内部的计数器对所生产的产品进行计数。2.1.2 饮料灌装流水线的基本结构 饮料灌装流水线的基本结构图2.1所示： 图2.1 饮料灌装流水线的基本结构2.1.3 灌装流水线的工作原理 灌装流水线的运作是通过电机和灌装设备来控制的。通过电动机的运转，带动流水线的工作。而灌装设备的开通则直接控制饮料流通。通过输入PLC软件程序，直接控制电机及流水线的运作.。流水线由传感器实时监控，由PLC控制，控制准确。自动化程度高。3、 软件设计3

20、.1软件方案设计3.1.1 PLC软件方案设计的方法（1）经验法梯形图的经验设计法是比较广泛的一种方法。这种方法没有普遍的规律可以遵循,具有很大的试探性很随意性,最后的结果不是唯一的。该方法的核心是输出线圈。以下是经验设计方法的基本步骤： .了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械的动作情况。 .确定PLC的输入信号和输出负载，画出PLC的外部接线图。 .确定与继电器电路图的中间继电器，时间继电器对应的梯形图中的辅助继电器（M）和定时器（T）的元件号。 .根据前面的对应关系画出梯形图。 （2）逻辑设计法 逻辑设计法的理论基础是逻辑代数。而继电器控制系统的本质是逻辑线路。看一个电气控制线路都会发现,线

21、路的接通和断开,都是通过继电器等元件的触点来实现的,故控制线路的种种功能必定取决于这些触点的开，合两种状态。因此电气控制电路从本质上说是一种逻辑线路,它符合逻辑运算的基本规律。具体步骤如下图3.1所示: 图3.1 PLC逻辑设计步骤图3.2 控制系统顺序功能图根据控制要求，建立饮料罐装生产流水线PLC控制系统的顺序功能图如3.2所示：图3.2 饮料罐装流水线控制系统的顺序功能图 M8002（初始脉冲波）：M8002仅在M8000由OFF变为ON状态时的一个扫描周内为ON，可以用M8002的常开触点来使有断电保持功能的原件初始化复位和清零。 M8013是1s的时钟脉冲。 定时器选择：根据已确定的

22、PLC型号FX2N-16MR-001以及题目要求，该设计中定时器选用T0、T1 计数器选择：控制要求中提到计数器最大计数值99999999，可见必须选择32计数器，再根据已确定的PLC型号FX2N-16MR -001可选择C200、C201。3.3 梯形图根据顺序功能图用STL指令的编程方法画出饮料灌装在生产流水线的梯形图。步进梯形指令简称STL指令，FX系列还有一条使STL指令复位的RET指令。S0-S9用于初始步，S10-S19用于返回原点，S20-S499是通用状态，用他们编制顺序控制程序时，应与步进梯形指令一起使用。使用步进梯形时要注意的是，最后一个电路结束时，一定要使用RET指令，否

23、则程序出错；与STL触点相连的触点应使用LD或LDI指令；使用STL指令可以允许双线圈输出；在没有并行序列时，一个状态的STL触点在梯形图中只能出现一次；STL触点驱动的电路快不能使用MC和MCR指令，但可以使用CJ指令等。梯形图如图3.3所示： 图3.3 梯形图3.4 指令表 LD是常开触点与母线连接的指令；LDI是常闭触点与母线连接的指令；OUT是驱动线圈的输出指令；AND是常开触点串联的指令；ANDI是常闭触点串联的指令；OR是常开触点并联的指令；ORI是常闭触点并联的指令；ORB是电路块并联连接指令；ANB是电路块串联连接指令；MPS，MPP分别是进栈和出栈指令；SET是置位指令，使操

24、作保持的指令；RET是复位指令，使操作保持复位的指令。 指令表如图3.3所示： 图3.4 指令表4、 硬件设计4.1 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。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

25、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4.1所示：敏感元件转换元件接口电路辅助电源电信号非物理量图4.1 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满。4.2 PLC控制系统外部接线图如图4.2所示： 图4.2 饮料罐装流水线控制系统的PLC控制电路硬件接线图4.3 输入/输出接口（I/O）功能量 分析对象的控制要求

26、，确定输入/输出接口（I/O）数量，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置，并绘制PLC控制电路硬件接线图，编制I/O接口功能表。 如下表4.1、表4.2所示： 表4.1 饮料罐装生产流水线控制系统的PLC输入接口功能表序号工位名称文字符号输入口1起动按钮SB1X0002停止按钮SB2X0013空瓶检测传感器开关信号P0X0024瓶子检测传感器开关信号P1X0035满瓶检测传感器开关信号P2X0046空瓶计数器手动复位开关SB3X0057满瓶计数器手动复位开关SB4X006 表4.2 饮料罐装生产流水线控制系统的PLC输出接口功能表序号工位名称文字符号输入口1电机驱动传送带工作KM

27、1Y0002灌装设备工作KM2Y0013灌装过程报警显示灯L0Y002根据确定后的输入/输出接口（I/O）数量，本设计选择的PLC机型为FX2N-16MR-001。5、利用软件PLC编程软件进行仿真运行调试5.1 启动系统当按下启动按钮X0，且空瓶数和满瓶书均未达到设定的99999999瓶，则程序由S0步变换到S20步，图中准确地表示出此时S20变为活动步，并驱动传送带电机运行，而S0则变为不活动步。 图5.1 启动部分5.2 空瓶记数过程当S20为活动步时,Y0启动，则传送带开始工作。当设置位置传感器检测到达预定罐装位置，X2闭合，则计数器C200开始记下空瓶数。如果此时按下手动停止按钮X1

28、，则传送带停止，程序跳转到S0步，系统又回到初始状态。 图5.2 空瓶记数部分5.3 灌装准备过程 当灌装设备下的光电传感器检测到有瓶子到达预定位置时则传送带驱动电机停转，定时器T0定时1s,为灌装做准备。定时器T1定时时间到传送带自动启动。如果此时按下手动停止按钮X1，则传送带停止，程序跳转到S0步，系统又回到初始状态。 图5.3 灌装准备过程5.4 灌装过程、满瓶计数器计数及报警过程 当定时器T1定时5s时间到，或者当传感器检测到为満瓶时，则程序跳转到S20步即实现了传送带自动启动，如果此时按下手动停止按钮X1，则传送带停止，程序跳转到S0步，系统又回到初始状态。 图5.4 灌装过程、定时

29、器T1定时、满瓶计数器计数及报警灯闪5.4.1 灌装系统 当S22为活动步时，Y1启动，系统开始灌装饮料，定时器T1定时，持续时间为5s，5s之后，系统停止灌装饮料。如果此时按下手动停止按钮X1，程序跳转到S0步，则饮料灌装停止，系统又回到初始状态。 图5.5 饮料灌装部分5.4.2 报警系统当S22为活动步时，在饮料灌装的5s过程中，Y1闭合再加上一个1s的脉冲波M8013，则报警系统开始启动，报警的方式为红灯以0.5s间隔闪烁，5s之后，系统自动停止闪烁。如果此时按下手动停止按钮X1，则传送带停止，程序跳转到S0步，系统又回到初始状态。 图5.6 报警部分5.4.3 満瓶记数系统当设置位置

30、传感器检测到达预定罐装位置，X4闭合，则计数器C201开始记下满瓶数。或者是当5s灌装结束后，计数器C201自动加1。如果此时按下手动停止按钮X1，则传送带停止，程序跳转到S0步，系统又回到初始状态。 图5.7 满瓶记数部分6、设计小结与未来展望 本文介绍了基于三菱FX1N-40MR PLC的饮料灌装生产流水线的控制系统的设计。该系统的设计包括硬件设计和软件设计。硬件设计方面，根据系统的控制要求对各硬件设备进行了选型并对三菱FX1N-40MR PLC外部电路接线进行了设计；软件设计方面对软件设计的方法进行了概述，根据要求设计出梯形图并对它进行仿真调试。仿真调试后的控制系统基本上满足以下控制要求

31、：(1)能对空瓶进行运送、灌装的设定；（2）对满瓶进行运送及计数，计数值包括累计计数的设定；（3）能够实现手动复位。 利用PLC良好的自动控制性能，本文所设计的饮料灌装生产流水线的控制系统基本上实现了饮料罐装生产过程的无人控制。但对于大型的生产流水线来说，该系统就无法满足其更加复杂、准确、智能的控制要求。该系统需要在传送速率，次品检测等诸多方面作出改进。 基于PLC的饮料灌装生产流水线的控制系统为饮料罐装生产提供了极大地便利，在各种饮料罐装生产行业迅猛发展。随着生产社会化水平的不断提高，基于PLC的饮料灌装生产流水线的控制系统不仅仅局限于饮料罐装生产行业，它在现代的芯片封装，产品包装等流水线作

32、业生产方面也有着相当广阔的前景。7、心得体会 知道题目时自己没有什么思路和头绪，就只知道一味的查资料，可问题也相继而来，按照网上电路根本就不能成功，后来经过指导老师的提醒，才找准自己的方向，不能盲目的急于求成，这样是没有效果的，要明确自己的目标，并为之奋斗。通过此次的课程设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方向和动手能力方面有了质的飞跃。 通过饮料罐装生产流水线的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

33、，课本上的知识是机械的，表面的。通过努力把课本上的知识变得更为简单，对实验原理也有了更深的理解。通过这次课程设计，使我更为全面系统的了解PLC的构造原理和基本实现方法。把课本的知识变得生动有趣，激发了我们的学习积极性，把学过的原理加以强化，把课堂学过的知识通过自己的设计程序表示出来，加深了对理论知识的理解。现在通过自己的动对手做实验，理论联系实际，对PLC的原理认识更加深刻。在调试时应该很仔细，一步一步调试下来，做到准确无误。 这次课程使我意识到只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才是正确的，才能提高自己动手能力和独立思索的能力。同时对于PLC发展历史、强大功能、应用领域以及系列知识得到了大概的系统认识，也初步了解了一个完整的系统开发的过程，本次课设，对