《生产线自动化及远程监控系统设计【论文】》8800字

生产线自动化及远程监控系统设计TOC\o"1-3"\h\u45781.绪论 .绪论1.1饮料灌装生产流水线的背景近年来,饮料灌装工业的发展使得市场对产量的需求日趋上升。目前,国外绝大多数灌装和密封饮料的生产线包装设备正朝着高速、多用、更高包装精度的方向进行发展,部分生产线已经可以实现对于不同瓶装容器进行分开处理并包装;像碳酸饮料和非密封的水溶性碳酸饮料这些特殊的饮料种类也可以区别处理。随着国内的现代化工业生产技术的逐年提升，传统的饮料罐装生产已经难以满足如今的需求，在这种背景下，罐装饮料生产线也面临着多种设计问题以及设备改造问题。而PLC在工业设备生产过程和自动化的过程中能将已有的计算机自动化技术与市场上过去经常使用的碳酸饮料继电器自动控制系统相结合，这个全新的技术在现代的工业自动控制领域中发挥着越来越重要的作用。自动化技术在二十世纪相对于传统包装机械设计的普及规模最多只占30%,而现在已经发展到50%以上。生产厂家在采用PLC自动化设计和机电一体化相互配合的控制的技术后机械的生产效率进一步提升,且机械设备的柔性和操作灵活性得到了很大的提升,效率日趋上升。本计量系统正是基于此背景下被设计出来;此套系统主要采用的是饮料储液罐加分装机的计量方法:在对液体流经储液罐所需的时间以及单位时间内能够流入储液罐的总流量进行计算即可确定。对于罐装饮料而言，其计量精度一般由PLC控制装置来确定;对于大、中型饮料而言，其罐装计量装置通常包括传感器技术以及恒压储液罐这两个部分。对于储液罐体部分而言,里面安装有两个传感器,分别对应罐装体积的上限与下限,通过感应液面的高低,传感器可以做到精确的精度计量。目前针对我国国内现有的饮料食品灌装设备生产线的管理控制过程主要是电器与其他机械部件接触的完全自动控制,但发展这种工业技术只会让产品本身的质量和整体的生产效率并不能得到显著的提升[3-4]。自动化信息技术的不断提升,使得PLC自动控制系统技术也将会面临一场技术上的变革。作为先进的微机接触自动控制系统技术与现代传统的继电机械接触自动控制技术相结合的一种新技术产物,它的技术从根本上有效克服原先微机自动控制系统生产过程中的缺点,利用计算机和微处理器的微机控制,直接采用了一套以继电器梯形图为设计基础的简单指令控制形式。这种控制系统技术能广泛地应用于生产工程中,简单易上手,维修方便,只需查看少量的相关资料就能正常操作。对大范围的普及也能起到积极作用。1.2课题的相关研究动态生产材料加工机械流水线是生产型加工机械制造业类的企业最常用的加工形式,流水线生产过程是指生产对象按照一定的生产路线顺序地通过各个工作点位,逐步匀速加工的过程。流水线生产过程具有如下基本特征：（一）顺序性流水线上的任何材料和部件加工后的对象都只能是按照材料流水线生产工艺中所加工的材料,所选用的材料也是在同一条材料流水线上相互应用的材料。（二）工作站专业化程度高每一条流水线只会固定产出少数零件，这样产品的精度能够得到保障;同理,各个工作站只需完成一种或几种作业,这样可以确保完成任务时的精确度和效率。（三）节奏性加工中主要工序生产的对象在各道工序之间按一定的时间和材料直接加工产出,两批相同的主要工序生产出的材料之间也按一定的工序和材料产出,以保持一定的批量生产工作节奏。（四）连续性加工的移动对象在各个用户工作站之间可以直接作为对象平行排列顺序横向移动,最大限度地节省了一些用户等待的工作时间。（五）比例性流水线上各生产单位在每一道工序的生产能力基本保持平衡,即各生产单位每一道工序在各个生产工作站(包括机械设备)的人数同各生产单位每一道工序所要生产的每个单件加工塑料制品的生产质量和所需时间基本保持相等。2.生产线的设计方案2.1设计要求本研究课题主要是对饮料罐装设备相关的生产工艺流水线所包含的软件及硬件进行了介绍，并以宏观的角度对其进行了设计。硬件调试主要是对S7-300PLC外部集成电路进行安装、调试、设计；次要部分主要是设计并安装相关的应用程序并完成软件调试。结合系统的相关设计要求对传感器、电动机、PLC以及相关硬件进行设计，主要的要求是实现以下几点目标:(1)系统模式应当调整至自动模式，借助于启动系统可以确保传送带电机长期处于启动状态，直至下一个瓶子被灌装设备检测或者停止开关动作为止；当饮料瓶被装满以后，电机受到传送带的驱动将会自动启动，并且还会重复以上动作直至停止开关工作或者下一个瓶子被相关设备检测到以后为止；当设备检测到瓶子以后,停1s,灌装设备开始工作,待罐装过程结束后对瓶子上盖,时间为2s;系统处于中断状态时并不会立即停止运行，直至上盖完成以后将会停止运行。整个灌装饮料瓶在连续灌装和饮料瓶上盖的灌装过程中会有明显的报警信号直到待灌装饮料瓶上盖的灌装过程进行完毕后,报警装置停止。(2)产品计数器系统能够自动实现计算,即对单个加工厂需要加工的产品数量进行自动计数。用户可以自行设置手动终止这个过程。2.2系统各模块方案设计饮料自动化生产流水线模型图如图2-1所示。这条生产线由饮料包装瓶的终端传送带和液体存储罐体两部分所组成;传送带由两台高压电动机分别进行高速驱动,可以正、反转;当两台饮料电动机正常运转时,产品依次自动通过4个灌装通道顺序进入灌装工位,这四个工位分别是空瓶工位、灌装工位、满载瓶工位和终端工位。自动操作系统可以用普通的各种自动化生产控制面板来实现,也可以用如H-I(一种人机交互操作界面)等各种自动化生产设备的自动操作系统来进行实现。在复位控制面板中还设立了自动/手动复位选择开关、上位/下位自动选择开关、急停启动按钮、上位急停复位启动按钮/快速启动、故障诊断排除停止复位启动按钮、计数清零停止复位启动按钮同时启动复位指示灯等。为了使上述控制动作能够被完成，还需要借助于可编程控制器控制生产线。图2-1饮料自动化生产流水线模型图2.3可编程控制器的特点(1)抗干扰能力强，系统可靠性高PLC可以借助于软件替代时间继电器以及中间继电器，仅剩余一些参与输出及输入的硬件，从而大量减少因触点接触不良造成的故障。而且PLC内部电路使用的抗干扰技术较为先进，这种技术的可靠性也相对较高。控制系统是由PLC所构成的，因此这种系统出现故障的概率也相对较低。除此之外，对于PLC而言，其所具有的功能还包括自我检测功能，当控制系统出现故障时即可在短时间内向外界发出警报。对于使用者而言，其通过自行编入与检测器件故障相关的程序即可对PLC以外的设备及电路进行检测。(2)硬件配套适用性强，成模块化PLC经过多年的发展，如今已经生成了一系列的不同规模的产品，同时也变得越来越模块化、系列化、标准化，可以结合用户的实际需求为其配备品种不同的硬件装置，还可以方便快捷的组成规模或功能不同的系统，此外其在安装上也较为便捷，可以借助于接线端子对外部不接线进行连接[15];如今所使用的大部分PLC都具有良好的数据运算功能，因此其也被广泛应用至数字控制等领域中。(3)编程方便，易于使用PLC采用梯形图是它作为主要的专业计算机软件编程的基本方法,程序形象直观,指令简单易学,不仅是要求工程技术人员掌握一定专业知识，同时对其技能也有一定的要求。对于一些掌握了工程机械制造工艺以及机械电工相关的知识理论的技术人员而言，其可以快速地掌握该软件编程的使用方法。(4)改造方便PLC借助于存储逻辑替代过去使用的接线逻辑，从而使设备外部所包括的接线减少，从而使建造周期以及控制系统的设计周期显著缩短。但是在一定的情况下也可以通过对程序的调整转变生产过程，因此其也被用于小批量或者多品种的生产场合。2.4任务的设计分析本次数据处理系统自动化设计首要任务及内容是基于PLC驱动数据处理系统，该系统的型号为s7-300，从而实现对嵌入式数据的处理及采集，借助于传感器以及行程开关将饮料罐装生产操作过程中的重要信号处理后反馈给一台PLC处理器,对其中的运算输入输出数据信号由数字处理器直接进行自动数字化处理运算,然后由根据数字处理器的运算输出数据信号参数来直接地自动完成管理自动化生产饮料罐装运输流水线食品生产饮料的过程。该自动化系统的设计总体有如下思路:此系统的生产线为全自动控制的,生产线一旦灌装完成全部安装并且连接上了一台无线电,PLC将可以实现对各种饮料灌装进行全程自动控制,即通过其与继电器连接输出的信号自动控制,继电器的自动控制系统对包装饮料瓶的全部传送带位置实行自动控制使其停转并对所有的需要进行生产的各种种类饮料瓶的全部输送和包装饮料的灌装过程进行一个全程自动控制,显示屏可以实时的显示工作状态，并借助于自动计数器计算生产的产品数量。3.元件的选择3.1PLC的选型 PLC的选型主要考虑以下几点：I/O信号的统计点数:结合目前常用设备所对应的点数对I/O设备的实际点数进行确定，同时还可以对I/O信号所对应的统计点数进行统计,选择一个设备是否需要支持扩展机架的I/O和CPU。网络通信的接口选择和模式:根据控制亚太网络功能要求的各种网络信号通讯传输方式所需要网络接口的数量和各种传输形式,选择一种支持现场总线的亚太网络、工业以亚太总线网络或点到点的方式进行网络通信的亚太网络模式为CPU。如果对亚太网络有总线和端口路由的功能要求,则用户可以直接选择集成了该总线和路由通讯功能的亚太网络模式为CPU。选择端口和输入/输出地址的分配模式以及端口地址所对应的分配方式详情可参考表3-1-1。表3-1-1PLCI/O端地址编号对照表输入信号输出信号名称功能编号名称功能编号SB0启动按钮I0.0KM1传送带电动机Q0.0SB1停止按钮I0.1YV1灌装电磁阀Q0.1ST0行程开关I0.2YV2小瓶封盖Q0.2S0光电传感器I0.3YV3大瓶封盖Q0.3SB4大包I0.4HL4大包Q0.4SB5中包I0.5HL5中包Q0.5SB6小包I0.6HL6小包Q0.6SB7散装I0.7HL7散装Q0.7SB10手动复位I1.0HL10系统上电显示Q1.0HL11灌装过程显示Q1.13.2电动机的选型根据我国目前已有的电动机传送系统可知，传动系统有多种类型[13-14],基于该类型电动机系统的设计和性能要求,本电动机所对应的型号是y1y1y132m-4,该电动机所具有的性能参数详情可参考表3-1-2。表3-1-2Y132M-4型电动机的性能参数电流/A电压/V最大转矩/n.min额定转速/r/min极数频率/Hz额定功率/KW15.43802.314404507.53.3接触器的选型接触器作为自动控制系统中必不可少的低压电器,其主要作用是对电动机进行控制，这里所涉及的接触器共有两种:1)电磁交流接触器,其主要组成包括灭弧保护装置、触头驱动系统、交流电磁机构等。2）电磁直流接触器，这种类型的接触器的主要作用是对直流电气设备进行控制。从结构和动作原理上来看，交流接触器与直流接触器大致相同。在选择接触器的型号时，应当结合其启动额定电流进行选择，起动负载与接触器性能之间往往有着紧密的关联。根据上文的分析不难看出，在本系统中，使用的接触器为CJ10-40接触器：这种接触器的额定电压以及额定电流值分别为380V、40A。3.4热继电器的选型对于热继电器而言，其工作原理是借助于不同膨胀系数的双金属片发生形变，产生推力使控制电路断开从而使接触器失电,实现过载保护。热继承发电器专用零部件系统是一种直接采用双金属控制热功能继电器的元件,动作方式控制继电器机构,常开开闭启动触头和常关断开启动触头,复位继电按钮及自动电压整定器及过载热源电流的自动调节复位旋钮等多种零部件组合构成,由于这种控制器具有成本低、结构简单以及体积相对较小等优点，因此其目前也被广泛的应用至数个领域中,在自动控制电压系统和供电线路中起到了电流过载和电流保护的重要作用。3.5开关电器、熔断器的选型开关电器分为刀开关、组合开关等，在工矿企业的电气控制设备上有应用。熔断器同样利用电流的热效应，当有过载或短路电流通过熔体时，自身发热熔断，从而断开电路,是应用最普遍的保护器件之一。本系统可以使用型号为RL1-15的熔断器，对于熔体而言，其额定电流值大约是30A。3.6传感器的选型在本系统中，需要借助于光电测量传感器对饮料瓶尺寸以及容量大小进行明确，同时对于反射式光电强度传感器而言，其主要是借助于反射原理实现对光电的有效控制。这种传感器的结构以及工作原理可参考图3-1。图3-1反射式光电传感器原理图在本系统中，选择型号为PM2-LF10的反射式光电传感器，这种传感器的性能参数详情可参考表3-3。表3-3PM2-LF10反射式光电传感器的性能参数性能参数感应距离5mm感应方法反射式，聚合输出配置NPN-开路集电极重复精度

(垂直于检测轴)0.08mm以下电源电压5～24VDC±10%消耗电流平均：25mA以下，峰值：80mA以下输出NPN开路集电极晶体管

·最大流入电流：100mA

·外加电压：30VDC以下(输出和0V之间)

·剩余电压：1V以下(流入电流为100mA时)

0.4V以下(流入电流为16mA时)工作温度-10°C~55°C反应时间0.8ms以下4.系统硬件电路实现4.1系统硬件结构框图系统的主要功能组成部分包括它的硬件系统结构和硬件电路关系图(可以再细分为处理接口电路、控制电路、辅助控制电路三个系统主大部分),系统的主要处理电路受到控制电路的直接控制,辅助控制电路和处理接口电路主要控制图像显示,其组织结构以及互动关系详情可参考图4-1:图4-1硬件电路关系图4.2主电路的设计本系统的设计思路是:首先通过过载的传送带用两个电动机接触器km1以及fr1对于电动机过载停止以及电动机运行进行控制。同时还可以借助于热继电器fr1保护电动机m1，避免其出现过载停止的现象。当传送带电源断路器为三相时，其可以借助于qf1、qf2、qf3这三个开关将三相电路的传送带电源断路器直接引入,并为三相的传送带主控制电路提供了电源短路和三相过载停止保护。主控制电路详情可参考图4-2。图4-2主流程图4.3控制电路的设计在本系统中，共涉及了9个输入控制信号开关：传感器开关S0、行程开关ST0、SB10手动复位按钮、SB7散装、SB6小包、SB5中包、SB4大包、SB1停止、SB0启动；还包括10个信号控制电磁，其中包括一个分屏用显示接触器状态以及控制电机驱动的信号电磁阀，对于信号接触器电磁阀而言，其主要作用是用于工作状态是用于不同瓶子的传输、包装及封盖;6个信号接触器电磁阀分别用于对生产线上的每个大瓶和电动机接触器工作状态的接触器进行控制。控制电路结构如软件图4-2所示。图4-2三菱PLC外部接线图4.4操作面板的设计控制面板实施现实相关的控制流程,进行全自动化,智能准确的流程显示。在面板窗口菜单中包括手动启动、手动复位、启动、停止这四个复位顺序按钮，同时还包括四种复位顺序按钮，即在对原料进行选择以后经过灌装得到的散装、小包、中包、大包，还配有显示灯以及上面整个操作过程的图片显示。操作管理流程如下图4-3所示。图4-3操作面板外形图如图4-3所示，通过PLC内部的梯形图中输入口，输入信号，来执行每一步控制要求，通过输出口输出信号来达到控制要求。系统程序的设计5.1控制要求和控制过程分析首先需要将系统调整为自动模式，对于传送带而言，其驱动电机需要保持在启动状态直至有一个瓶子被检测到或停止开关动作为止;假如饮料装满瓶子以后并上盖后传送带驱动电机自动启动,重复上一行为直到又一个瓶子被检测到或停止开关动作;当瓶子定位在灌装设备下时,停1s且灌装设备开始工作,大瓶子罐装8s,小瓶子罐装5s,待罐装过程结束后对瓶子上盖,时间为2s;系统在装罐的过程中并不会立即停止运行。直至完成上盖以后将会停止运转。系统加盖灌装过程功能流程图和电动机顺序计数器的功能流程图分别显示如下图5-1所示。图5-1过程流程图5.2I/O端口分配Y0：启动Z0：驱动电动机转动Y1：停止Z1：灌装饮料Y2：行程开关Z2：小瓶上盖Y3：传感器Z3：大瓶上盖Y4：选择大包包装Z4：显示大包包装Y5：选择中包包装Z5：显示中包包装Y6：选择小包包装Z6：显示小包包装Y7：选择散装Z7：显示散装Y10：手动复位Z10：系统上电显示Z11：灌装和上盖过程显示5.3梯形图5.3.1初始化程序当程序启动以后，将复位按钮按下即可将计数器置零。图5-3顺序功能图5.3.2装箱选择程序已经生产完毕的饮料可以选择对应产品进行装箱方式的选择:x4,x5,x6,x7所有的选择产品对应的饮料装箱方式选择显示按钮为SB3,SB4,SB5,SB6,SB7分别同时显示了适用于饮料进行装箱选择对应饮料包装的两种选择类型:小装大包和大装小包。图5-4顺序功能图5.3.3流水线主控程序图5-5顺序功能图5.3.4闪烁报警程序图5-6顺序功能图5.3.5记数程序图5-7顺序功能图5.3.6数据传送程序将传输数据的时间设定为八小时一次，并对相关的数据通过计数器进行记录，然后将其存储至相关存储器中。图5-8数据传输程序图6.系统实验结果及分析经过对系统的硬件、软件的多次联调、测试及优化,整个系统趋于稳定。为了验证整个控制系统在实际应用中的效果,特别选择了控制系统在工程中已经应用的部分用作实验对象。此系统在自动化设计成功实现后,先对各个测试模块的数据进行了测试,其中采用PLC处理器对测试数据进行了运算,顺利完成一系列运算、运输包装等过程。(1)基本设备检测1.对硬件部分进行检测。a.检测电机是否能够正常运转,型号是否正确,结合系统性能控制相关的要求，对比不同类型的电动机所具有的特点及结构，同时还要考虑到系统以及适用场合等因素。b.检测接触器是否运行正常,除了检测性能外,还要检测此接触器的起动电压是否符合要求。c.检测热继电器是否正常,确认每一部分中的热继电器的类型。d.检测传感器与熔断器的类型是否与系统一致。2.对程序部分进行检测。(1)X4大包、X5中包、X6小包、X7散装，选择不同的按钮会在面板上显示对应的信号。图6-1不同功能的对应信号图(2)X0上电以后Y0上电，然后进行自锁，当传送带处于运行状态时等到X2上电以后，Y0便会失电，此时传送带将会停止，然后Y1上电，在进行五秒钟的加料以后Y1失电，加料自动停止，Y2上电，上盖时间为2秒。图6-2程序运行图在传送带运转时，X2、X3(与光电传感器相对应)在同一时间内上电，表明大瓶被检测，后续灌装加料所需时间大约为8秒。图6-3程序运行图当传送带处于运转状态时，假如X1上电，那么系统将会立即停止工作。图6-4程序运行图在进行灌装加料以及上盖的过程中将停止按钮按下，系统并不会在短时间内停止工作，只有完成待灌装以及上盖以后即可停止运转。图6-5程序运行图(3)系统灌装加料和上盖时,报警器Y11会闪烁报警。图6-6报警程序运行图(4)最后对所装包数进行计数。图6-7计数程序图本章小结本章对设计的饮料自动线控制系统进行了调试，分别调试了自动生产线和操作模板模块功能，其次调试了实验室实物的连接，分析了调试结果及具体过程，由此可以看出本设计能够满足相关的功能需求，设计目标也初步实现。6.监控系统的设计6.1系统设计6.1.1系统设计实施目标 您可以检查一个小型智能视频监控系统的指定区域。1)系统采用友好美观界面，视频监控灵活、人机交互的方式方便。2)录制的视频文件可以选择回放3)完善的系统注册功能。4)系统最大限度地实现易维护性和易操作性6.1.2系统软件设计框架图图6-1系统框图

6.2系统软件流程图图6-2系统软件流程图6.3系统软件预览该系统的软件包括多个程序助理，以下典型形式不同。系统格式显示在用于实现用户分配功能的图中。图6-3系统登录界面主界面如图6-4所示，该窗体用于是实现视频监控和远程控制，多画面监控等功能。图6-4系统主界面系统的功能操作界面如图6-5所示。图6-5操作界面6.4软件运行环境系统开发平台要求是MicrosoftVisualStudio2010，开发语言为C++，在Windows7上运行，运行环境要求是Microsoft.NETFrameworkSDKv3.5，分辨率则1024×768像素为最佳。6.5系统的储存设置系统的储存设置如图6-6所示，我们可以自由根据用户的要求设定功能，包括保留记录的天数，录像文件的长度等等。图6-6系统的储存设置为了满足设计要求，外部视频监控系统的处理能力：（1）根据实际业务量的需求，根据存储记录的长度和并发存储的数量，灵活配置改变存储服务的数量和内存的最大容量；（2）以支持最大传输传输单元的最大数量，主流媒体服务优化算法执行单个分配当前处理功能。（3）平台流服务可以满足每秒1000个请求。对于并发请求。（4）平台的信号响应时间小于0.1秒，通过网络带宽，视频支出时间小于15秒。总结本文主要介绍了设计S7-300PLC型号的饮料生产控制流水线以及设计控制系统的方法及流程