啤酒灌装生产线控制系统设计

毕业设计[论文]题目：学院：专业：姓名：学号：指导老师：完成时间：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，设计者利用PLC的功能和特点设计出了一款啤酒灌装生产流水线控制系统。文章刚开始介绍了PLC的相关知识，接着以啤酒灌装流水线为例，采用三菱公司的FX系列可编程序控制器，介绍了PLC在啤酒灌装流水线中的应用，给出了详细的程序设计过程。利用PLC控制啤酒灌装生产过程，传送带调速系统，可有效提高灌装生产效率，并显著增加控制系统的可靠性和柔性。最后提出了用控制方面较为成熟的PID算法来控制全自动灌装压盖机贮液缸内液位和压力的想法。关键词:可编程控制器；灌装流水线；顺序功能图；梯形图；PID调节AbstractWiththeincreasinglevelofindustrialautomation,manyindustrialenterprisesarefacedwiththetransformationoftraditionalproductionlineandre-designproblem.PLC(programmablelogiccontroller)isamicroprocessorasthecoreofindustrialcontroldevices,itwillrelaythetraditionalcontrolsystemcombinedwithcomputertechnologyinrecentyearsinindustrialautomation,mechanicalandelectricalintegration,thetransformationoftraditionalindustriessuchasgenerallyapplied.Asageneral-purposeindustrialcontrolcomputer,therealizationofindustrialcontrolwiringlogicalleapinlogictostorage,industrialcontrolintheworldisplayinganincreasinglyimportantrole.Inviewofthis,thedesignersoftheuseofPLCfunctionsandfeaturesdesignedabeveragefillingproductionlinecontrolsystem.

ThearticleintroducedthePLCbeginningoftherelevantknowledge,andthentodrinkbottlinglineasanexample,theuseofMitsubishiFXseriesprogrammablelogiccontroller,PLC,introducedinthebeveragebottlinglineintheapplication,givenadetailedprogramdesignprocess.PLCcontroloftheuseofbeveragefillingproductionprocess,whichcaneffectivelyimprovetheproductionefficiencyoffilling,andsignificantlyincreasethereliabilityofcontrolsystemsandflexible.andtakeouttheideaofcontrolthelevelandpressureinfullyautomatedfillingGlandwithamorematurePIDalgorithminthefieldofcontrolfinally.Keywords:fillinglines;LadderDiagram；PIDregulation1绪论1.1啤酒包装工业的开展现状众所周知，从1979年至今，我国的啤酒工业经历了二次增长高潮。第一次是在1979年～1988年，其间啤酒厂由70多个开展到80多个，啤酒产量由40～50万吨增加到880万吨；第二次从1990年到现在，啤酒厂进一步增加了100余个，1998年啤酒产量到达1987.67万吨，居世界第二。啤酒生产企业中也不乏涌现出了年产量80万吨的大型啤酒生产企业〔燕京啤酒集团〕。由于我国人口众多，人均啤酒消费量只有世界的1/2，大大低于世界平均消费水平。预计今后数年，我国啤酒增长率仍会维持在一个较高的水平上。2001年啤酒产量为2274万吨，2002年啤酒产量到达2386万吨，首次超过美国成为世界第一个啤酒生产大国。根据食品工业部门预测，啤酒今后几年增长率维持在8%左右。1.1.1国内啤酒包装设备的开展状况我国啤酒包装设备的生产厂家在60年代初到70年代末只有几家，其生产能力处于一种引进国内设备并加以仿制的阶段，如70年代末，广州轻工业机械设计研究所消化吸收西德、意大利、美国、日本等过的进口设备，开发出8000瓶/每小时的啤酒洗瓶、灌瓶、压盖、贴标生产线。到80年代，国内普及包装设备的生产厂家有几十个，但制造水平、设备性能与国外先进水平相比差距较大，在1987年上半年我国从西欧、东欧、日本等过引进200多条灌装线。大90年代啤酒饮料加工设备的成套与配套生产企业接近600家。然而，这些生产企业主要还是靠引进国外的生产线并在国内加以仿制，或者消化吸收了西德.意大利等国的先进技术开发国内的包装设备。引进的生产线需消耗大量资金不说，还存在许多弊端，如：设备的局部元件属于专用元件，万一发生故障，而国内没有相应的元件替代，以至于花重金引进的先进设备成了库房内的一堆废物。在啤酒生产旺季，引起损失是不可估量的。所以研制开发先进的啤酒包装设备被提到日程上来。现有的啤酒包装生产线大多采用单机操作，生产能力较低〔据统计，我国目前约有480家啤酒厂，而年生产能力在10万吨规模的企业缺乏10%〕。根据食品工业对啤酒饮料的开展预测，啤酒饮料加工规模将向大型化开展，其加工设备必须趋向大型化，以高速、高产、高性能、低消耗、操作方便、直观、便于调试为特点，以采用集散控制。全线自动化为开展方向。1.1.2国外啤酒包装设备的控制和管理情况国外的啤酒包装设备开展较为完善，机电一体化、管理与控制相结合是当前啤酒灌装生产开展的最重要的一个趋势。如美国的HiranWaller公司、德国的Gerrokaise公司和日本的小森机械公司都实现了啤酒包装生产线的全面计算机控制与管理。当前啤酒、饮料包装计算机化的开展方向是CIM〔ComputerIntegratedManufacturing〕，CIM是一个采集、管理和处理、发送各类数据的综合系统，它有效地将机器人技术、自动操作系统、监视系统、自动分叉技术和计算机协调中心等高尖端技术应用技术应用于整个啤酒包装领域，国外啤酒的计算机控制正走向成熟和完善阶段，而我国根本上还处于机械化和自动化时期，计算机的应用只限于局部工艺和设备。因此，在这方面还有许多工作有待于包装工作者去探索与研究。1.1.3啤酒的包装工艺玻璃瓶作为啤酒的包装在绝大多数人心目中占有传统习惯性优势。据统计，到目前为止，玻璃瓶包装仍占我国啤酒包装的九成以上。然而，纵观国际啤酒包装市场，啤酒成品包装的多样化。系列化已成为不争的事实。除了国内常见的玻璃瓶包装之外，还有国人难得一见的槽车装啤酒和PET材料多型瓶啤酒。在国际化啤酒包装趋势下，国内的啤酒包装业将改变玻璃瓶啤酒“一枝独秀〞的局面，向多样化、系列化、平安。经济型转化。啤酒作为一种含气的液体饮料，其包装容器有玻璃瓶、易拉灌、聚醋瓶等，在此我们以玻璃瓶为例来介绍其包装工艺：废瓶剔除废瓶剔除压盖灌装空瓶检测洗瓶供瓶压盖灌装空瓶检测洗瓶供瓶装箱成品检测喷码贴标杀菌装箱成品检测喷码贴标杀菌废品剔除废品剔除图1-1啤酒包装工艺过程新瓶或回收瓶由全自动洗瓶机的理瓶机构将瓶子顺序地送入洗瓶机，其洗瓶工艺是：〔a〕进行初洗，即将瓶子内外外表易除掉的污物用废水喷淋并使之排空。〔b〕在热水或碱液中将内外外表的污垢及瓶标洗掉。〔c〕残留在瓶内外外表上的污垢在热水中泡软并依次用碱液、热水、温水及清水喷洗瓶子的内外外表并排空。〔d〕后将瓶子倒立排空0.5~1分钟。瓶子在机器内洗净，时间为6~22分钟，碱液处理约为占52~65%，其中浸泡时间为49~63%，喷冲时间为2.8~15%。最适合的洗瓶温度为60~85度范围之内，碱液的浓度为1.0~2.5%。洗瓶之后由卸瓶机构将干净的瓶子送出，经传送带将瓶子送入全自动灌装压盖机，灌装、压盖完毕后，压好盖的瓶子直接通过旋转机构进入杀菌机进行杀菌，啤酒一般采用热喷淋连续杀菌机，其喷淋的过程分为假设干温区，其温度实现自动控制，各温区的温度随操作时间的延长，其温度由低~高~低，最高温度为69℃。由杀菌机送出的瓶子，经输送链送入贴标机贴标，一般要贴颈标和身标。最后，瓶装产品进入装箱机械。在啤酒的包装过程中最为重要的一个环节就是灌装，所谓灌装就是将液体产品装入瓶、灌、桶等包装容器内的操作。由于啤酒属于含气饮料，在其灌装过程中一般采用等压灌装法，即先向清洗干净的玻璃瓶中充入气体，使瓶内压力与贮液缸内的压力相等，再将贮液缸内的啤酒灌入玻璃瓶内的过程。1.2可编程序逻辑控制器〔PLC〕的现状及特点PLC〔programmablelogicalcontroller，可编程序逻辑控制器〕是以微处理器为根底，综合了计算机和自动化技术而开发的新一代工业控制装置，按照IEC〔国际电工协会〕国标标准定义是，可编程序控制器又称PC或PLC，它是以微型计算机为根底的一种为用于工业环境而设计的数字式电子系统，这种系统用可编程序存储面向用户指令的内部存放器，完成规定的功能，如：逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等，通过数字量的输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC产品在抗电磁、噪声干扰、有害废气的腐蚀、高温、粉尘等方面有很高的能力，能直接和现场各种单元、部件连接，巩固耐用，可靠性方面PLC的平均无故障时间可达5万小时以上，操作与维修十分方便，功能日益扩大。因此，PLC广泛的应用于许多工业领域，当然技术的日新月异、突飞猛进是PLC迅速扩展市场的根本原因。我国应用PLC还处于初级阶段，而且局限于钢铁、化工、汽车、机床、煤炭、电站等领域，其他行业的应用尚未普及，中国尚有广阔的应用领域等待开拓。我国90%的PLC市场由国外占领，中、大型PLC中，几乎100%是国外产品，以美国MODICON公司、GE公司、西德SIEMENS，日本三菱公司为主。我国的饮料包装设备在许多方面采用了PLC，并取得了非常好的效果。如1996年中国轻工业机械总公司南京轻工机械厂在烟台啤酒厂成功设计制造出了3.6万瓶/小时的啤酒灌装线。该灌装线消化吸收了德国先进技术，其输瓶控制系统采用中央电脑统一控制，局局部散管理模式，其控制器件就选用了德国西门子的S5-115U型PLC943中央处理单元和ET100远程终端。在啤酒灌装线中，通过控制程序、控制变频装置和其它电机、电磁阀等执行元件，使输瓶系统在统一协调管理下，分别跟踪洗瓶机、灌装机、杀菌机和贴标机等不同的运行速度，实时处理供瓶量，使整条生产线输瓶系统始终处在最正确的供瓶状态。1.3本章小结近几年来，我国啤酒产业得到了迅速的开展，出现了年产80万吨的大型啤酒生产企业〔燕京啤酒集团〕。大型啤酒企业对啤酒灌装线的自动化程度和速度都提出了更高的要求。而经过为期几次的参观，对我国啤酒饮料生产厂家蓝马啤酒和青岛啤酒渭南分公司的情况进行了较深的了解。正如前面章节所述，我国的啤酒包装机械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良自动化灌装生产线的控制系统，弥补其缺乏成为可能。本课题的目的就是采用现代流行的先进控制技术，设计啤酒自动生产线的控制系统，通过PLC的控制实现啤酒自动化生产线的控制。2啤酒灌装生产线总体设计方案2.1啤酒罐装传送带调速系统要求要求PLC根据瓶流通过变频器调整输送带的速度，即PLC根据瓶流情况选择多段速控制，做到输送带速度与灌装机速度很好的匹配。系统构成如下列图所示。由光电检测开关检测瓶流速度，不同的瓶流速度对应变频器的不同速度，由PLC的输出端子去控制变频器的多段速控制端，实现速度的调整，实现与灌装速度相匹配。PLC变频器PLC变频器光电光电灌装机灌装机瓶子瓶子电动机电动机图2.1系统构成图在灌装速度不变的情况下，瓶流速度必须和灌装速度保持一致，为了保持一致，需要用一个光电传感器把检测到的瓶流脉冲输入到PLC，由PLC控制变频器多段速调速。2.1.1方案比拟方案一：无级调速根本原理：变频器控制中间处理单元PLC控制变频器控制中间处理单元PLC控制传输皮带电动机传输皮带电动机变送器〔光电传感器.传输电路〕变送器〔光电传感器.传输电路〕图2.2方案一方框图由于变频器的频率指令信号可以从变频器的模拟输入端子送入，进行变频器的无级调速，且其模拟端子的输入信号可以是0~10V、-10V~+10V、4~20mA。因而我们将用光电传感器检测瓶流速度反响信号送入PLC与的罐装速度信号做差得到差值电压V，然后对V进行处理，将处理结果经中间处理单元〔D/A转换器、电平匹配处理单元等〕处理后变为连续的电信号输入变频器的模拟信号输入端，从而控制变频器的频率连续变化，让变频器改变输出频率驱动电动机，实现对电动机的调速控制即控制瓶流速度与罐装速度相匹配。使用该方法需要注意两点：一是必须根据变频器的输入阻抗来选择PLC的模拟输出模块，二是必须选择PLC的模拟输出模块与变频器的输出信号范围相一致。方案二：多段速调速根本原理：变频器PLC控制变频器PLC控制电动机传输皮带电动机传输皮带光电检测器光电检测器图2.3方案二方框图通过变频器的多功能输入端的设定，即设定多级速度频率，可以实现多级调速运转，并可通过外部信号选择使用某一级速度，本次设计为3级速度频率。用PLC的开关量输入输出模块控制变频器的多功能输入端，以控制电机的正转和转速等，实现有级调速。Y0Y1Y0Y1Y2Y3Y4X6X7PCOMLCOM1CCOM2STFSTRRHRMRLABCSDSD图2.4多段速调速连线框图变频器的多段速调速可以通过RH、RM、RL三个输入端子的不同组合来设定7个不同的速度，并且速度多可以单独的通过控制面板在0～120HZ之间任意设定，设定范围广。第1、2、3速在出厂时分别设定为50HZ、30HZ、10HZ，第4～7速未设定，需通过手动进行相关的设定。如果将设定参数P63设定为8：REX〔多段15速选择〕，就可以通过RH、RM、RL、REX四个端子的不同组合来设定15速选择，但此时变频只能单向运转，不能反转运行。REXRHRMRL转速编号010010010200013001140110501016011171000811009101010100111101112111013图2.5多段速调速速段分配表用此方法可以有两种根本算法：算法一：多段调速之一次调解法，即用光电传感器检测瓶流速度并送入PLC与的罐装速度做差得到差值电压V，然后对V进行处理，得出需要调解的速度段数，由PLC输出以控制变频器的频率控制端，变频器改变输出频率驱动电动机，实现对电动机的调速即控制瓶流速度与罐装速度相一致，到达设计目的。算法二：多段调速之渐次调解法，即用光电传感器检测瓶流速度并送入PLC与的罐装速度做差得到差值电压V，然后对V进行处理，将V与给定值进行比拟，假设小于一定范围，那么速度降级，假设大于一定范围，那么速度升级，假设在一定范围内，那么速度级数不变。另外，如果转速超越允许范围而过快，那么PLC的Y3端口输出L1灯报警信号;反之如果转速低于允许范围而过慢，那么由PLC的Y4端口输出L2灯报警信号，整个转速控制过程由PLC输出以控制变频器的频率控制端，以使变频器改变输出频率驱动电动机，从而实现对电动机的调速即控制瓶流速度与罐装速度一致，到达设计目的。在该方案中，我们还增加了变频器的故障反响保护系统，由变频器的A端输出，当变频器发生故障时，反响控制信号经A端传送到PLC的输入控制端口X11端，经PLC逻辑运算后由Y5端输出，控制接触器KM4动作，及时切断变频器的主电源，起到保护作用。2.1.2方案选择与方案论证方案二的算法一调解速度比拟迅速，但有时调解的速度级差较大，会对电动机有伤害，影响电动机的寿命；方案一的算法二调解速度较慢，虽然调解速度的级差较小，但比拟平滑，有利于保护电机，而且接线简单，抗干扰能力强，使用方便，可靠性高，同用模拟信号进行速度给定的方法相比，这种方式的设定精度高，本钱低，也不存在由飘移或偏差过大带来的各种问题。且方案二能够对变频器起到很好的保护作用，能够及时防止变频器因为故障而损毁。方案一为无级调速，调速精度高，控制效果好，平滑性好，但由于在中间处理单元中出现了模拟信号，就会存在温漂、信号电压差等误差影响，且算法较复杂，在选择PLC时还要求根据变频器的输入阻抗来选择PLC的模拟输入模块，同时还要让PLC的模拟输出模块与变频器的输入信号范围相一致，对于精度要求不高的系统，本钱和效益比拟差。另外在多段调速中，系统的控制信号为数字信号，所以频率设定值比拟准确，不会受温漂的影响。且调速实现比拟简单，易于实现，对于精度要求不高的场合非常适用。因此，综合考虑各方面因素及要求，选择方案二的算法二作为本次设计的设计方案，经实验论证后也是完全可行的。2.2灌装机灌装方法的选择由于液料的物理化学性各有差异，对灌装也就有不同的要求。液料由储料缸灌入包装容器，常有如下几种方法：(1)常压法灌装常压法灌装，是在大气压力下依靠被灌液料的自重流入包装容器内的灌装方法。常压灌装的工艺过程为：a.进液排气，即液料进入容器，同时容器内的空气被排出。b.停止，即容器内的液料到达定量要求时，进液自动停止。常压法主要用于灌装低粘度、不含气的液料，如牛奶、白酒、果汁等。(2)等压法灌装等压法灌装，是利用储液箱上部气室的压缩空气，给包装容器充气，使二者的压力接近相等，然后被灌液料靠自重流入该容器内的灌装方法。等压灌装的工艺过程为：a.充气等压b.进液回气c.停止进液d.释放压力，即释放瓶颈内残留的压缩气体至大气内，防止瓶内突然降压引起大量冒泡，影响包装质量和定量精度。等压法适用于含气饮料，如啤酒、汽水等的灌装，可减少其所含二氧化碳气体损失。(3)真空法灌装真空法灌装是低于大气压力的条件下进行灌装的方法。即让储液罐内部处于常压状态，只对包装容器内部抽气，使其形成一定的真空度，液料依靠两容器内的压力差，流入包装容器并完成灌装。真空法灌装的工艺过程为：a.瓶抽真空b.进液排气c.停止进液d.余液回流，即排气管中的残液经真空室回流至储液箱内。真空法使用于灌装粘度低一些的液料，如油类、糖浆等。(4)压力法灌装压力法灌装是借助机械或气液压等装置控制活塞往复运动，将精度较高的液料从储料缸吸入活塞内，然后再强制压入待灌容器中。由于能够借助较大外力，放可大大提高灌装速度。由于啤酒属于含气饮料，在其灌装过程中一般采用等压灌装法，即先向清洗干净的玻璃瓶中充入气体，使瓶内压力与贮液缸内的压力相等，再将贮液缸内的啤酒灌入玻璃瓶内的过程。定量灌装在现代灌装生产线的生产作业中，必须要保证定量灌装的高精确性，使灌装量的误差保持在合理的水平。现行的定量灌装方式主要有量筒式灌装、称重式灌装、电磁阀灌装、电磁感应式灌装。量筒式灌装主要以机械设备为主，与机械制造和加工有很大的关系，灌装速度较慢，产品维修率高；称重式灌装可以到达很高的精度，但由于其称重比拟复杂，因而速度较慢；电磁感应式灌装原理较复杂，当今生产线上推广应用较少，还处于研发阶段；比拟可行的方法是采用电磁阀灌装。电磁阀灌装机的灌装阀的开关由电磁阀控制，灌装精度更高，计时恒压定量灌装原理，可使灌装量的误差在千分之五以下。电动定量灌装系统及电磁阀控制计量装置，可进行精确的灌装，减少浪费。2.2.2啤酒灌装流水线的根本结构整个灌装流水线的根本结构如图3.1、图3.2、图3.3所示。整个流水线由主传送带、次品传送带、灌装装置、次品推动装置、定位传感器、次品检测传感器等组成。电动机的启动和停止，灌装装置向上、向下移动和灌装，次品的检测、推动都是由PLC控制的。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。2.2.3瓶子的输送此灌装生产线的宽度仅够一个瓶身通过，且两端空隙不超过两毫米，瓶与瓶之间无空隙，使瓶子保持一条笔直的直线。瓶子从理瓶机出来后，进入主传送带，由传送带送到灌装区。2.2.4次品的别离当灌满的瓶子从灌装区出来后进入次品检测区，当有次品通过次品检测区时，次品检测接近开关发给PLC一个信号，并由此启动次品推动装置及次品传送带，别离出次品后，主传送带恢复运行。3啤酒灌装传送带调速系统设计3.1系统概述近年来，社会的开展和进步对各行各业提出了越来越高的要求。机械化加工企业为了提高生产效率和市场竞争力，采用了机械化流水线作业的生产方式，对不同的产品分别组成了自动流水线。产品不断地更新换代，也同时要求相应的控制系统随之改，提高产品生产的效率。在这种情况下，硬连接方式的继电接触式控制系统就不能满足经常更新的要求了。这是因为，一是本钱高，二是周期长。在早期还出现过矩阵式顺序控制器和晶体管逻辑控制系统，由于这些装置体积大，功能少，本身存在很多缺乏，虽然在能够提高控制系统的通用性和灵活性，但均未得到广泛应该。随着大规模集成电路和微处理器的开展和应用，在上世纪60年代出现了能够以软件手段来实现各种控制功能的革命性控制装置—可编程逻辑控制器〔PLC〕。它把计算机的功能完备、通用性和灵活性好等优点和继电接触式控制系统的操作方便、简单易懂、价格低廉等优点结合起来了，因此它是一种能够完全适应于工业环境的通用控制装置。PLC和原来的控制系统相比，增加了算术运算、数据转换、过程控制、数据通信等功能，能够很方便的完成大型而复杂的任务。可编程序控制器作为工业自动化的支柱之一，在工业自动控制领域占有十分重要的地位。众所周知，变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。在工业生产领域中，变频调速是异步电动机控制的一种比拟合理和理想的调速方法，它通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都能可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，能够很好地提高工业生产的效率。在许多工业控制中，由于对生产效率的需要，要求电动机能够调速。过去由于交流电动机调速困难，调速性能要求高的场合一般都采用直流调速，而直流电冬季结构复杂，体积大，维修困难，因此随着变频调速技术的成熟，交流调速正逐步取代直流调速，往往需要进行矢量控制和直接转矩控制，来满足各种生产工艺的要求。利用变频器拖动电动机，起动电流小，可以实现软起动、多段速调速和无级调速，方便的进行加减速控制，是电动机获得高性能，大幅度地节约电能，因而变频器在工业生产和生活中得到了越来越广泛的应用。随着电力电子元件的迅速开展，变频调速的应用己越来越广泛，而且中、小功率的变频器都有定型产品，无需用户进行主回路参数计算，即可以按机械设备的工艺要求直接选用变频器。如能正确使用，其寿命可达10年以上,消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量，应用变频器节电率为20%～50%，效益显著。综合上述可编程控制器和变频器控制的诸多优点，我们将二者结合起来，通过可编程控制器输出来控制变频器的多段速调速，让电动机转速跟随检测的反响信号而变化，实现对灌装啤酒传送带速度的自动控制，使其与灌装机的速度相匹配，提高工业生产的效率。本次设计将可编程控制器和变频器控制进行了充分的结合运用，将可编程控制器的开关量输出端直接与变频器的开关输入端相连，表达了由新的控制器带来新的控制理念的思想。3.2罐装传送带调速系统工艺流程图3.1系统工艺流程图启动开始状态启动开始状态手动选择速度档位光电开关检测瓶流速度进入PLC计数低速报警L2高速报警L1启动低速启动高速启动中速切断电源是否大于16是否在区间12-16内是否在区间4-8内是否在区间8-12内变频器是否故障是否小于4模式选择YYNNNNYYYY罐装传送带控制系统的系统设计目的是利用PLC和变频器控制电动机转动带动皮带传动，然后将要灌装的瓶传送给灌装机，到达瓶流速度和灌装速度的协调，从而提高工作效率。本次设计的工艺流程图如图3.1所示，系统启动后按下电机正转开关，假设电机出现异常马上切断工作电源进行保护，假设电机情况正常那么电开始下一步工作。电机开始转动，带动皮带传动，待灌装的瓶子在皮带的传动作用下经过光电传感器，传感器对瓶子进行计数送往PLC进行数据处理，处理后得到的瓶流速度和PLC存储器里面设定的值进行比拟，判断是否需要进行调速，如果不需要调速电机按照原来的速度运转，如果需要进行调速，那么PLC输出控制信号给变频器多段速调速控制端，变频器接受到PLC传送过来的控制信号后经内部处理，输出特定频率的电压实现对电机的变频调速。变频器异常输出端反响信号给PLC输入，实现对变频器的保护。3.3输入信息分析根据系统的功能需要，本系统的输入信号主要有10个，分别是启动按钮、停止按钮、自动、手动切换按钮、检测频率输入信号端、变频器突发信号进入端。启动按钮用于启动调速系统开始工作，停止按钮用于结束调速系统，自动按钮用于控制电机自动调速运转，手动按钮用于手动控制电机转速，频率信号输入端是用于将光电传感器传来的脉冲信号传入PLC，由PLC进行逻辑处理，突发信号进入端用于检测变频器的异常以便于及时进行处理，防止变频器因此而损坏。输入信号表如图3.2所示：输入元件符号名称端子号作用SA选择开关X0手动X1自动SB按钮开关X2启动SB按钮开关X3停止SB按钮开关X5高速SB按钮开关X6中速SB按钮开关X7低速SB按钮开关X10停止报警A变频器故障反响信号X11反响保护IC光电检测信号X4计数检测图3.2输入端口列表图3.4输出信息分析根据系统的功能需要，本系统的输出信号主要有7个，其中Y0、Y1、Y2用于设定频率控制信号，控制电动机的低、中、高速运转。Y3用于实现电动机转速的过快报警，Y4用于实现电动机转速的过慢报警，Y5用于当变频器发生异常故障时断开变频器电源，Y6用于启动电动机的正转运行，PLC输出信号表如表3.2所示：输出端口列表输出元件名称名称端子号作用RL低速输入Y0起动低速运行RM中速输入Y1起动中速运行RH高速输入Y2起动高速运行L1报警灯L1Y3过速报警L1L2报警灯L2Y4慢速报警L2KM1接触器Y5变频器反响保护STF正转输入Y6正转运行图3.3输出端口列表3.5灌装生产线系统硬件设计罐装传送带系统总图设计系统总图如下所示：图4.1系统总设计图4用PLC实现灌装压盖机的自动控制1、饮料灌装流水线的根本结构整个灌装流水线的根本结构如图1、图2、图3所示。整个流水线由主传送带、次品传送带、灌装装置、次品推动装置、定位传感器、次品检测传感器等组成。电动机的启动和停止，灌装装置向上、向下移动和灌装，次品的检测、推动都是由PLC控制的。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。图1灌装流水线根本结构图图2灌装流水线根本结构图图3灌装流水线的根本结构图2、选择电器元件〔1〕电动机的选择电动机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。〔2〕断路器的作用：断路器的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证平安运行。而高压断路器要开断1500V，电流为1500-2000A的电弧，这些电弧可拉长至2m仍然继续燃烧不熄灭。故灭弧是高压断路器必须解决的问题。吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离，另一方面通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度。断路器选用原那么；1〕空开额定工作电压大于等于线路额定电压2〕空开额定电流大于等于线路负载电流3〕空开电磁脱扣器整定电流大于等于负载最大峰值电流〔负载短路时电流值到达脱扣器整定值时，空开瞬时跳闸。一般D型代号的空开出厂时，电磁脱扣器整定电流值为额定电流的8-12倍。〕也就是说短路跳闸而电机启动电流是可以避开的。根据三个电动机的额定电流，选择断路器QF1、QF2、QF3的型号如表所示。并根据PLC和变压器选择QF4和QF5的型号。〔3〕热继电器FR1、FR2、FR3主电动机M1的额定电流15A，FR1可以选用JR16，热元件电流为20A，电流整定范围为14~22A工作时将额定电流调整为15A。同理，FR2可选用JR10-10型热继电器，热元件电流为2A，电流整定范围为0.45~2A工作时将额定电压调整为1.1A。FR3的型号和FR2相同。〔4〕微波液位仪微波液位仪原理图如图4所示：相距为S的发射天线和接收天线，相互构成一定角度。波长为λ的微波从被测液面反射后进入接受天线。接收天线接收到的微波功率将随着被测液面的上下不同而异。接受天线接收到的功率EQ为EQ式中，为发射天线的发射功率；EQ为发射天线的增益；为接收天线的增益；d为两天线与被测外表间的垂直距离。当发射功率、波长、增益均恒定时，上式可改写为EQ图4微波液位仪原理图式中，为取决于发射功率、天线增益与波长的常数；为取决于天线安装方法和安装距离的常数。由上式可知，只要测到接收功率，就可得到被测液面的高度。〔5〕红外发光二极管常用的红外发光二极管〔如SE303·PH303〕，其外形和发光二极管LED相似，发出红外光〔近红外线约0.93m〕。当红外线接收管受到红外线的照射时，其本身的电阻很小，呈低阻值，电路导通。当红外发射头与接收头中间没有物品挡住时红外接收到红外线照射，呈现低电阻，发出一个高电平信号。当有物体经过红外发射与接收的中间时，由于红外线被挡住，红外接收管呈现大的阻值，电路断开，这时红外接收管发出一个低电平信号。当物体过完之后又回到原来的状态。电器元件及其型号如表1所示。表1电器元件明细表符号名称型号数量M1主传送带电动机Y132M—41M2灌装装置电动机Y90S—41M3次品传送带电动机Y90S—41QF1断路器NS100N1QF2断路器NS80N1QF3断路器NS80N１QF4断路器NS20N1QF5断路器NS10N1FR1热继电器JR161FR2热继电器JR10-101FR3热继电器JR10-101SB1～SB3按钮LA10-1K3SB5～SB7按钮LA10-1K33、流水线灌装的工作原理灌装流水线的运作是通过电磁阀和电动机来控制的。4、系统流程图开始开始自动/手动按下起动按钮SB1按下起动按钮SB2传送带运行到达灌装处延时1.1秒灌装饮料灌装时间到传送带运行按下停止按钮SB0结束检测到饮料罐松开SB2、按下SB4灌装饮料饮料灌满松开SB4结束自动手动否是是Y否是Y是Y否否图5系统流程图流程图说明：系统分自动和手动两种模式，在手动模式下，由SB2按钮控制启动主传送带电动机，到达灌装位置后，松开SB2，再按下按钮SB3，灌装装置开始动作；再自动模式下按下按钮SB5启动主传送带电动机，当定位传感器检测到饮料瓶后，主传送带停止，灌装装置开始动作，定时时间到达以后，灌装装置自动停止，住传送带再次运动。三、电气控制电路设计系统通过按钮设定为自动操作模式和手动操作模式。〔1〕自动操作模式一旦启动，那么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，传送带驱动电机自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。〔2〕手动操作模式手动模式下，由SB2按钮控制启动主传送带电动机，到达灌装位置后，松开SB2，再按下按钮SB3，灌装装置开始动作，通过定时器控制灌装时间，灌装时间到达后，整个流水线停止，直到再次按下启动按钮，流水线才运作。手动模式可以用于自动模式启动前的系统调整。〔3〕报警当灌装装置开始灌装饮料时，报警装置得到PLC输出信号，此时，报警灯亮，开始报警，5秒钟以后，灌装结束，同时报警结束。〔4〕计数过程计数过程需记录满瓶数和次品瓶数，主要是以红外发光二极管和微波液位计作为传感器，记录所有瓶数的技术原理是当红外线接收管受到红外线的照射时，其本身的电阻很小，呈低阻值，电路导通，当红外发射头与接收头中间没有物品挡住时红外接收到红外线照射，呈现低电阻，发出一个高电平信号，计数装置计一次数。当有物体经过红外发射与接收的中间时，由于红外线被挡住，红外接收管呈现大的阻值，电路断开，这时红外接收管发出一个低电平信号。当物体过完之后又回到原来的状态。计数装置由8个十进制计数器组成，当计数到99999999时，再计数一次，计数器溢出。计数最多不超过99999999。记录次品瓶数的技术原理是当检测到有次品时，微波接受装置发出信号给PLC，PLC的存放器值加一，同时，所有瓶数减去次品瓶数便得出了可满瓶数，把满瓶数也放入另一个存放器中。这就是记录满瓶数和次品瓶数的技术原理。电路设置了手动复位按钮，计数器正常计数时是低电平，按下复位按钮后，复位端变成高电平，使计数器复位，实现手动对计数器清零。四、PLC设计2、I/O点的编号分配和PLC外部接线图I/O点的编号分配如表2所示。表2I/O点的编号分配表输入输出定位传感器X12手动/自动切换SB1X13手动传送带SB2X14手动灌装SB3X15次品检测传感器X16自动启动SB5X17停止SB6X20复位SB7X21传送带电动机KM1Y7灌装电动机KM2Y10报警灯Y11下降电磁阀YV1Y12上升电磁阀YV2Y13次品推动电磁阀YV3Y14灌装电磁阀YV4Y15次品传送带电动机KM3Y16PLC的外部接线图如图8所示。图8PLC的外部接线图5全自动啤酒灌装压盖机贮液缸液位控制啤酒属于溶气的液体饮料，它采用的灌装方法是在装料容器中预加压到气体相应饱和溶解压力下的等压灌装法。灌装机的贮液缸内存在等压的气相区和液相区，贮液缸内液位的变化会直接影响到机器的正常运转和机器的生产能力，以致影响啤酒的质量和产量。而灌装机贮液缸内液位能否自动、精确控制有时衡量灌装机质量好坏的关键环节。所以灌装机贮液缸内液位的自动调节是灌装机自动控制局部的一个重要环节。因此，研究贮液缸内液位的控制显得尤为重要。在这一章里着重探讨全自动灌装压盖机贮液缸内液位的控制5.1全自动啤酒灌装压盖机贮液缸液位PID控制5.1.1全自动啤酒灌装压盖机贮液缸液位控制现状传统的啤酒灌装机采用浮子式液位控制器来控制贮液缸内液位的高度，使之保持稳定。它采用间歇送料的方式，即保持在相等的一段时间内流入贮液缸内的啤酒Q入等于灌装入瓶内的啤酒的量，即从贮液缸内流出的量Q出，而不能保持送酒与灌装出酒的实时性。就其工作原理来讲，浮子式液位控制器随着啤酒液位高度的变化而改变其行程，从而控制送料阀的开闭。实际上，浮子式液位控制器不仅受到啤酒浮力的作用改变其行程高度，同时也受到供酒管中流出液料的冲力作用，致使贮液缸内液面波动幅度为5～10mm，这是精确灌装所不允许的。现在较为先进的液位控制是利用了贮液缸是密闭容器这一特点，用压力变送器、过程控制器和阻液阀组成的系统控制贮液缸内的液位，此方法具有测量精确、控制精度高、反响速度快等特点。但该系统对贮液缸内压力的稳定性很敏感，缸内压力过高那么液位过低，液体容量缺乏以满足灌装要求，压力过低那么易产生满缸，导致无法灌装，甚至会发生爆瓶危险。5.1.2PID控制思想的提出啤酒灌装控制系统的实现，需要现场I/O站提供大量的数据，尤其是全自动啤酒灌装压盖机贮液缸内液位、压力的实时数据要在灌装生产监测画面上有效的显示出来，那么需要贮液缸内的液位和压力值要以数字信号的形式进行传输。鉴于上述原因，寻求一种方便、可靠、控制精度的、可以实时监控液位的方法成为必然。随着啤酒包装线自动化、柔性化要求的提高，大局部灌装机都使用了PLC实现了无瓶不开阀，输瓶、灌装的变频调速。为了充分利用PLC控制的优势，解决灌装过程中在某一时刻流入贮液缸内的啤酒量Q入与从贮液缸内流出的量Q出的精确数学模型难以建立的问题，提出了采用计算机控制系统较为成熟的控制方法——PID〔比例、积分、微分〕调节来控制液位的方法。PID调节由于其简单、稳定性好、可靠性高、为普通设计人员所熟悉等特点，在控制理论和技术飞速开展的今天，仍有强大的生命力。特别是在应用PLC控制的工业领域，更是得到广泛应用。PID控制全称是比例〔Proportional〕、积分〔Integral〕、微分〔Derivative〕控制，是过程控制中应用最广泛的一种控制法，特别是在被控对象的精确数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论的分析—综合的解析方法代价过大，而不能获得预期效果时，往往根据对被控对象的动、静态特性的定性分析，对于具有一阶或二阶惯性特性的，以及具有输入输出单调性的高阶系统采用PID控制算法。在实际的控制过程中，由于储能元件的存在，造成系统对外加作用的影响有一定的惯性，这种惯性可以用时间常数来表征。另外，在能量和信息的传输过程中由于管道和长线等原因引入了一些时间滞后，使系统响应变差。因此，仅依据偏差进行比例调节很难获得理想的效果。为了改善系统的调节品质，在系统中引入微分和积分调节以消除系统惯性的影响。PID控制中积分调节可以消除静差，微分调节可以改善系统的动态响应速度。比例积分微分三者结合起来可以满足不同的控制要求。PID调节方法无论是在速度、位置等快过程，还是在温度化工合成等慢过程，都能得到满意的控制效果。PID调节之所以在工业控制中得到广泛应用，是因其具有三方面的特点：〔a〕设计简单，可根据不同的要求组成比例积分微分控制系统，具有较强的适应性和灵活性。〔b〕参数调整方便，易于到达满意的控制效果。〔c〕程序设计简单，没有繁琐的数字运算，工程上易于实现。在实际运行中说明，这种控制算法对于大量的工业对象过程控制，能够到达符合原那么的控制性能指标。5.2PID液位控制器的设计随着可编程控制器运行速度的不断提高，运行功能的不断加强，智能模块的不断增加，它已可以用来完成啤酒包装过程的闭环控制。在设计PID调节功能时要尽量根据原有控制系统可编程序控制器〔即已经用于阀开启、灌装阀控制等控制要求的可编程控制器〕的性能，充分利用其模块可以扩充的功能，兼顾系统的其他控制需要，在增加投入最小的情况下实现液位的精确控制，以得到最大的性能价格比。假设原有可编程控制器带有PID功能模块，那么在硬件上只需扩展一块模拟量模块，在软件上，只需一条指令即可完成。假设原有可编程控制器没有这种特殊智能功能，那么可以通过软硬件结合〔主要通过软件〕的方式来实现。目前生产的PLC根本上都带有PID调节模块功能，这就大大方便了工程人员的设计，可以缩短调试周期。5.2.1PID液位反响控制原理贮液缸内液位反响控制原理图如图4—1所示。因为在系统稳定的情况下，对应某一阀芯的节流面积在贮液缸内有一相应的液位高度，但由于灌装速度的改变或者灌装过程中出现破瓶、缺瓶现象，导致贮液缸内流出的液体随时间变化而有所不同。在这种情况下，假设保持送液阀开度不变那么贮液缸内液位会出现波动，以保持贮液缸液位的稳定。由于贮液缸内流出的液量不易确定，所以要想确定比例阀的开度，必须通过测定贮液缸内液位的变化来加以调整。模拟量输出模块PID调节给定值模拟量输出模块PID调节+-模拟量输入模块闭环比例放大器模拟量输入模块闭环比例放大器液位传感器贮液缸闭环比例阀液位传感器贮液缸闭环比例阀用PID实现贮液缸液位控制的被控制的被控对象是控制送入贮液缸内酒量大小的送酒阀的开度，也就是图中闭环比例阀的开度。液位高度0～250mm〔这里假定贮液缸内液位的最大高度是250mm〕经液位传感器转变为相应的1～5V的电压信号，送往PLC控制器的模拟量输入模板，经模拟量输入模块〔A/D〕转换为计算机可以识别的数字量，并由程序将系统已经设定的液位的数字量与之比拟，然后根据偏差大小按PID调节规律计算出校正量，通过其模拟量输出模块〔D/A〕输出模拟量，再通过闭环比例放大器的作用转化为0～10V的电压信号来控制闭环比例送酒阀的开度，以消除贮液缸内液位与设定值之间的偏差。参考文献[1]中国期刊网，武少斌殷际英陈卫《中国科技博览》2023年第36期《自动化生产线中的啤酒灌装技术》。[2]中国期刊网，国外啤酒灌装机械的新趋势，《轻工机械》2023年第6期。[3]中国期刊网《国外啤酒灌装机现状为我国灌装机指明开展方向》《中国包装工业》2023年第9期相关文献。[4]张振国，方承远《工厂电气控制技术》第三版。[5]求是科技.《PLC应用开发技术与工程实践》.北京：人民邮电出版社，2005年[6]秦曾煌.《电工学》.北京：高等教育出版社，2004年[7]漆汉宏.《PLC电气控制技术》.北京：机械工业出版社，2006年[8]董爱华.《袖珍通用电工手册》.北京：中国建筑工业出版社，2001年[9]李道霖，电气控制与PLC原理及应用[M]。北京:电子工业出版社，2004。[10]张万忠，可编程控制器应用技术[M]。北京:化学工业出版社，2001。[11]张万忠，可编程控制器入门与应用实例，北京：中国电力出版社，2004。[12]台方，可编程序控制器应用教程。北京：中国水利水电出版社，2001。结束语通过啤酒灌装生产线的PLC控制毕业设计，掌握了什么是设计程序，设计程序工作的根本过程及各阶段的根本任务，熟悉了设计程序总流程图，加深了对PLC的理解，课本上的知识是机械的，外表的。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。通过这次毕业设计，使我更为全面系统的了解PLC的构造原理和根本实现方法。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。在设计的过程中我还得到了指导老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。做事要学思结合。通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体工程、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和INTERNET成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。现在企业的经营理念都是本着节约本钱，缩小生产过程中的必要劳动时间，以此来赚取更高的利润。运用此PLC程序控制生产线流水的运行，能够更快更有效的提高产品的灌装速度，同时软件设计中可考虑自动黏贴标示的控制，无需人工对此进行操作。程序运用上升沿加法处理指令和减法处理指令，经根据检测到的信号自动计算空瓶数与满瓶数，记录到相应的存储器中，整个过程简便快捷，为企业节约劳动力，降低生产本钱。毕业设计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开展历史、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，毕业设计对于创造思维的培养和开发能力的锻炼有很大的帮助。在编程过程中，领略到了熟能生巧的含义。编程不仅要求有良好的根底，而且要求对各种程序有深刻的了解，同时深切感受到团队合作的重要性，尤其是在查资料的过程中，人多力量大，大家一起努力，