灌装自动生产线的控制系统设计

灌装自动生产线的控制系统设计摘要：本课题是基于PLC的灌装自动生产线控制系统设计。本系统采用了西门子S7-200SMART，通过PLC自带多种指令，结合灌装机、传送带、光电传感器以及电磁阀等组成了灌装生产线控制系统，满足所需的自动灌装。本设计具有一定的可靠性和安全性，具备必需的保护功能。通过对灌装整体的工艺要求，合理的选择硬件，设计了程序流程图、梯形图和语句表的程序，分配了PLC输入输出，并且进行调试。经测试符合相关设计需求，达到预期的设计目的。实现了灌装系统运行的自动控制，提高了灌装系统的生产效率。关键词:西门子；自动灌装；梯形图

前言随着经济的高速发展，人们生活供给需求发展，对包装机械需求也在高速增长，传统控制方式已经越来越不适应现在这种快速发展的潮流，使得包装技术向高速、准确、多功能化及控制智能化的方向发展，从而使得包装机械在技术和制造水平上需要不断地革新。灌装机主要用于灌装各种各样的瓶装液体，其中包括在食品领域中的饮料、啤酒、乳品、润滑油、葡萄酒和植物油的包装，洗涤类领域中的洗发水、沐浴露，以及工类液体产品中的油漆和农药等化工类液体产品的灌装[1]。在全球包装机械行业中，美国和日本一直是包装行业的领头羊，他们发展至今已具有完备的包装工业体系和管理方法，且无论是在技术、生产或市场都是在国际上处于遥遥领先。由于我国包装机械起步较晚，工业水平较低，在相当长的一段时间内都没有形成一个独立的行业，同发达国家相比还有较大的差距。随着人民生活消费水平不断地提高，灌装产品市场有了前所未有的发展。而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，已经不能满足人们的需求。所以，急需一种简单且优越的控制方式来控制灌装机系统，来提升和发展我们自己的包装工业。本课题就是针对一种快速生产的自动灌装机，系统采用液体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（PLC）确定。由于PLC其抗干扰能力强，通信能力强，可靠性高以及性价比高等优点被广泛应用于各种工业控制领域[2]。利用PLC控制实现对灌装自动系统的控制，编程简单，灵活性强，可以大大缩小调整时间，增加设备的柔性，同时提高运行稳定性，所以广泛应用在现代化工业自动控制领域中。目前，我国自动灌装机械的需求量逐年往上涨。从2014年全球包装市场规模从2009年的4300亿美元增至5300亿美元，每年保持17%左右的增长，可见灌装机械正处于蓬勃发展的时期。面对包装灌装快速发展时期，我国的包装机械行业必须要以国际标准来提升企业标准化，必须要走专业化发展的道路，才能提高产品的技术质量。近年来，国内自动灌装机械只是小型灌装机械而且没有成套灌装机械的，而且设备运行稳定性差、容易受干扰，灌装生产率和质量都很低。现如今，为了满足市场的需求，灌装机械集合光、电、机、气一体化，大多数自动灌装机械普遍采用PLC作为程序控制，使用计算机来控制设备，PLC可靠性高，干扰性强，使得整个灌装技术变得更加精准、高效、可靠，能实现全自动灌装和故障自我诊断，实现了液体灌装机械设备更加智能化。由于起步较晚，工业技术较低，多数的自动灌装机也仅仅是利用PLC简单的逻辑功能，基本上还停留在测试、研制阶段。因此，在我国经济进入新常态的形势下，未来数十年利用PLC的功能研发自动灌装机成为一种趋势，实现产品的高效化、智能化，迎接新一轮的工业革命。本文通过电磁阀来充当开关，控制灌装的开始；利用传送带对瓶子进行自动输送，再输送的过程中可以结合灌装的工艺要求自动启动与停止。整个灌装的工作流体采用的PLC顺序控制逻辑，实现精准的控制每一工艺步骤。除了自动灌装整个工作流程的控制外，还设计了称重系统，对产品的合格进行筛查，免掉了常规的人工检测环节。且对产品进行计数，并计算合格率，对合格率进行实时监控，如超出设定的合格范围系统会报警，提示工作人员进行处理。PLC在整个系统中作为大脑，让每个环节的工作有序进行，比传统的人工灌装，效率更高，产品合格率更稳定。

1.基于PLC灌装自动生产线控制系统分析1.1灌装自动生产线控制系统简介系统包含了灌装机、传送带、光电传感器、电磁阀、电机等。首先由传送带将空瓶准确的运送到灌装工位的正下方，通过电磁阀控制灌液的开始与结束，灌装结束后传送带继续运行，将产品输送至检测区，具体的系统示意图如图1.1所示。图1.1灌装自动生产线控制系统示意图本论文选择灌装控制系统这一类型作为设计对象。灌装自动生产线的控制系统设计，它是将灌装装置以及封盖装置整合在一起，实现液体的快速灌装与上盖，使自动灌装能稳定、高效的完成[3]。1.2灌装自动生产线控制系统的控制要求本次设计主要包含两个部分，分别由PLC下位机的程序控制和上位机软件的远程管理与监控的设计两大部分组成。1.2.1灌装自动生产线控制系统的下位机（PLC控制）控制要求（1）系统可手动启动和停止，设有急停按钮；（2）灌装液位采用开关量传感器检测，重量检测采用模拟量传感器检测；（3）传送带的空瓶由驱动电动机控制，当灌装时间小于2秒时，灌装阀门打开进行灌装；当灌装时间大于2秒时，灌装阀门关闭停止灌装；（4）待灌装过程完毕再对瓶子进行上盖，当灌装完才能进行下一轮的空瓶灌装；（5）采用计数器进行控制，12瓶为一箱，并统计废瓶个数，每10箱统计一次废品率；废瓶率>10%，系统停止并报警。1.2.2灌装自动生产线控制系统的上位机（组态人机界面）控制要求（1）远程控制：要求系统可以远程手动控制系统的启动与停止。并且可以控制传送带、电机的启动与停止，以及远程参数的修改。（2）界面控制：能够显示单独的界面如主界面，灌装界面，重量检测界面，用户界面以及报警界面等以及相关指示灯的情况等等；（3）主界面：观察到整个系统的工作情况，以动画显示反映整个系统的工作过程；（4）灌装界面：观察到整个灌装自动生产线系统的工作情况以动画显示空瓶灌装的过程；（5）重量检测界面：观察到整个灌满瓶子称重的工作情况以动画显示重量大小的过程；（6）用户界面：普通工作人员以及内部人员都需要通过输入账号密码登录系统，并且两者用户级别不同，内部人员才可以修改参数设置以及查阅内部资料；（7）报警界面：观察到废瓶率过高报警时的情况。（8）数据记录与报警：可以保存实时数据、历史数据、检测满瓶重量不合格以及废品率过高时报警的信息等功能；（9）数据报表：可以将选中所需要的数据做成表格。1.3灌装自动生产线控制系统的控制方案1.3.1灌装的控制灌装的控制为本系统控制的核心部分，直接关系到工艺要求。灌装控制的主要元器件有光电传感器与电磁阀。通过光电开关来判断瓶子是否为空瓶，空瓶为灌装开始的前提条件。如果灌装条件满足后，通过控制电磁阀YV1的电，阀门打开，开始灌装。然后PLC内部定时器开始计时，计时时间到，阀门关闭，此时视为灌装结束，传送带开始运输，并进入下一轮的循环灌装。1.3.2产品合格检测控制通过称重传感器进行重量检测，该传感器输入的是模拟量信号，将重量转换成为4-20mA的电流信号。PLC在通过从库内调用数模转换指令，将电流信号换算成重量，当重量等于100克且小于等于150克时，系统判定为合格产品。如果属于不合格产品，PLC会输出底座打开，直接掉入废品区域。同时系统通过计数器进行装箱计数，每12瓶为一箱，然后进行统计得到产品的合格率。1.3.3定位控制传送带定位主要由控制电机的启停，当光电传感器触发后，认为瓶子到位，电机停止运行。系统开始运行后，按下电机启动按钮，如果电机出现异常情况，则热继电器保护立即动作，若电机正常运行则电机开始下一步工作。电机带动传送带转到，灌装结束的瓶子在传送带的转动作用下经过检测限位时，重量传感器对瓶子称重，开始计数，PLC内部进行数据处理。此设计基本满足设计要求。1.4本章小结本章通过对课题的研究确定了灌装自动生产线控制系统的基本构成，控制要求以及控制的方案。2.硬件设计2.1PLC的发展与选择2.1.1PLC的发展PLC发展已有近50年的历史，自从1969年美国DEC公司成功研制出世界上第一台可编程控制之后，其功能和性能不断地发展和实践。随着通信技术和计算机技术的发展，PLC应用领域不断扩大，因为其可靠性高，灵活性强，控制系统结构比较简单等优点使其广泛应用于工业控制领域中，逐渐成为当代主流趋势[5]。目前，中小型PLC在市场上应用比较多，为了满足现代化生产的需求，今后PLC往超大型和超小型两个方向发展。现有的超大型PLCI/0点数可达14336点，其使用32位微处理器，多个CPU并行工作。在新的时代，随着新的工业革命的到来，PLC成为现代自动化的重要组成部分，将会有更大的发展，将在我国工业自动化建设中发挥重大的作用。2.1.2PLC的选择由于PLC种类很多，有西门子和三菱的，但是不同的型号的PLC，其数据容量、性能、编程方法等各不相同，合理的选择PLC，可以提高PLC在控制系统中的作用。S7-200SMARTPLC是一款超小型化的PLC，具有方便操作，可靠性高等优点。S7-200SMARTPLC具有完善的数据运算能力，能和其他可控制器相结合进行使用，符合本系统的控制要求。因此，本系统采用的是S7-200SMART系列PLC进行PLC程序设计[6]。PLC主要由中央处理器CPU、存储器、输入/输出接口和编程器组成。本次自动灌装系统设计共有9个数字量的输入点，8个数字量的输出点，1个模拟量输入点，如表3-1、3-2、3-3所示。因为本次设计的灌装自动生产的控制系统要有预留量的端子数，所以本次系统的CPU选择CPU224XP,模拟量扩展模块选择EMAM03模块。由于CPU224XP共有13个数字量输入点，10个数字量输出点，模拟量扩展模块EMAM03模块共有4个模拟量输入和1个模拟量输出，本系统中需要一个模拟量输入，符合本系统的要求。2.2驱动器件选型对于整个系统而言，充分考虑自动灌装生产线控制的工作情况。本系统中器件的选择要符合以上的工作情况。2.2.1灌装机选型本系统灌装部分采用传送带液体灌装机LFH-04，该型号灌装机适用于饮料、医药液体、洗衣液、乳剂农药等液体的灌装。该灌装机体灌装范围50~1000ml，灌装速度15~25瓶/分钟，灌装精度：±1%，电机功率2.5kw。特点：运行稳定，会自动报警、停机，安全可靠。2.2.2电磁阀选型电磁阀在本系统中的主要功能是充当灌装液体的开关，首先要考虑到工作的稳定性能以及绝缘性良好。本系统选用的24V供电电磁阀，安全可靠，液体工作口径为10mm，可利用快插头安装，方便拔插与更换。考虑到安全与线圈供电时间的长短，所以选择型号为2W025-08-B-S-E/24V。2.2.3传送带电机及接触器选型电机参数为380V、3KW，额定电流为10.5A，接触器一般按照额定工作电流的1.2~1.5倍选择。接触器的吸合线圈直接由PLC的输出控制，所以线圈应该选择DC24V类型的。综上所述最终选择接触器的型号为LC1D13M7C。2.3熔断器和继电器选型2.3.1熔断器选型根据本系统控制设计的要求，当系统中有过流发生，则需要熔断器把电路断开。因此，主电路FU1的型号采用的是RT-18-32型，额定电流为32A，熔体为16A。2.3.2热继电器选型当系统中有过负荷的现象，为了保证系统的正常运行，必须在电机的控制中加入热继电器，自动切断电路，避免造成大的事故发生。根据选定的电动机额定电流为10.5A，所以在本系统选用的热继电器FR1型号为JR16型，该热元件电流为20A，工作电流整定范围为14~22A，工作时将其额定电流调整为15A，符合系统要求。2.4其他器件选型2.4.1光电传感器考虑到本次自动灌装设计的控制要求，分别用于灌装和封盖工位到位检测，本系统选用检测传感器型号为E18-D80NK，该传感器的工作电压为标准24VDC，工作响应时间:<500ms，长度为0.5米[8]。2.4.2称重传感器选型本系统中产品重量的范围为100~150克。因此本系统中重量检测的液位传感器的选择为电阻应变式称重传感器，该传感器的称量范围在几十克至数百吨，计量精准度可达1/1000~10000，工作温度-30～80摄氏度。采用模拟量控制，产品重量将测量的数值转换成4-20mA电流信号输出。特点：可靠性好，精度高。2.5灌装自动生产线控制系统电气原理图总电源通过L1\L2\L3以及N相零线输入，QS是总开关，起着通断设备电源作用。FU1表示熔断器来作过流保护的作用；QF1断路器用于电机系统的开关通断，同时起到电压保护的作用，FR1热继电器，过载触点动作切断控制电机回路。KM1接触器用于电机的接通和通断。具体如图2.1所示。图2.1灌装自动生产线控制系统主电路原理图2.6输入和输出分配表本系统中PLC的数字量输入分配和输出分配，如表2.1，2.2所示。表2.1数字量输入分配表功能PLC内部地址外部编号系统启动I0.0SB1停止I0.1SB2灌装限位I0.2SQ1检测限位I0.3SQ2废品区限位I0.4SQ3手动启动I0.5SB4系统急停I0.6SB5手动灌装I0.7SB6手动抓取I1.0SB7表2.2数字量输出分配表功能PLC内部地址外部编号电机传送带Q0.0KM1灌装阀门Q0.1YV1机械手Q0.2KM2底座打开Q0.3KM3加盖打包Q0.4KM4运行指示灯Q0.5HL1系统报警指示灯Q0.6HL2不合格指示灯Q0.7HL3本系统中PLC的模拟量输入分配和模拟量输出分配，如表2.3中所示。表2.3模拟量输入分配表功能 PLC内部地址重量传感器AIW16根据上述表2.1、2.2、2.3所知，本次自动灌装生产线系统共有9个数字量的输入点，8个数字量的输出点，1个模拟量的输入点，因此本次CPU选用CPU224XP，模拟量扩展模块输入选用EMAM03模块。符合本系统的控制要求。2.7灌装自动生产线控制系统输入与输出接线图本系统根据设定要求，PLC的输入输出接线如下。本系统采用西门子S7-200SMART外接一个模拟量扩展模块EMAM03,供电电源为24VDC[9]。在本系统中选择EMAM03模块，其模拟量输入全量程范围为0~27648，对应的输出范围为0~20mA电流信号，因为本次设计输出的范围为4~20mA，所以模拟量的输入范围为5530~27648。模块中的通道1为接收称重的重量，重量传感器的工作电压均为24V。如图2.2所示。图2.2灌装自动生产线控制系统输入与输出接线图2.8本章小结本章完成了本系统PLC点位的统计和系统所需PLC的选择最终确定了本次系统PLC的型号，根据系统的工作要求画出系统工作的原理图，最后完成了输入输出分配表和输入输出接线图的绘制。3.硬件设计3.1灌装自动生产线控制系统的内部使用地址根据系统功能要求确定了内部部分地址，如表3.1中所示。表3.1内部使用地址表名称地址产品重量VD20系统运行标志M1.0灌装标志M1.1检测标志M1.2合格标志M1.3装箱标志M1.4重量检测阶段M1.53.2灌装自动生产线控制系统程序流程图系统启动时，选择控制方式，系统默认为自动模式。传送带开始运行，当光电传感器检测到空瓶时，传送带立即停止，并自动灌装，定时器开始计时，灌装时间为2S，并对灌装结束的瓶子加盖，然后机械手抓取放置在传送带运行到检测限位，开始重量检测，系统判断重量是否在100-150g范围之内，如果在范围内开始装箱计数，不在范围内底座打开进入废品区域，开始循环灌装程序，然后进行10箱计数，废品率大于10%，系统报警并停止运行。当选择手动控制方式时，依次打开传送带运送瓶子，打开电磁阀门进行灌装，打开机械手抓取瓶子进行称重。系统的控制流程图如下图3.1所示。图3.1灌装自动生产线控制系统程序流程图3.3梯形图程序3.3.1系统初始化程序当按下系统启动按钮后，系统开始运行，I0.0常开触点闭合，触发上升沿，将0传送到新存储单元VW0中。如图3.2所示。图3.2系统初始化梯形图3.3.2系统的启动与停止当按下系统的启动按钮SB1后，系统开始启动并进入自动模式，I0.0常开触点闭合，则M1.0线圈得电，接着Q0.5线圈得电，系统启动运行。若M1.0常开触点闭合，形成自锁。按下停止按钮SB2，I0.1常闭触点立即断开，或者当按下系统急停按钮I0.6，系统报警灯Q0.6亮起时，M1.0线圈失电，Q0.5线圈失电，系统停止。如图3.3所示。图3.3系统启动与停止梯形图3.3.3系统自动灌装程序当灌装标志M1.1常开触点得电，检测标志M1.2常闭触点始终接通，定时器T37开始计时灌装时间2s，线圈Q0.1得电，灌装阀门打开，进行灌装。如图3.4所示。图3.4系统自动灌装梯形图3.3.4系统手动灌装程序当按下手动灌装按钮I0.7，定时器T37开始计时手动灌装2s，线圈Q0.1得电，系统开始灌装。当灌装结束，T37常闭触点得电断开，线圈Q0.1失电，灌装阀门关闭。如图3.5所示。图3.5系统手动灌装梯形图3.3.5产品重量检测控制当进行重量检测阶段时M1.5得电，产品的重量在100到150克之间，M1.3常开触点就开始闭合，合格标志开始闪烁。如果不在此范围，线圈Q0.7得电，不合格指示灯开始闪烁，定时器T38开始计时1秒起延时保护。如图3.6所示。图3.6产品重量检测控制梯形图3.3.6合格产品打包控制当M1.3常开触点得电，线圈Q0.4开始接通，开始加盖打包。如图3.7所示。图3.7合格产品打包制梯形图3.3.7装箱计数程序当合格标志M1.3常开触点得电时，计数器C0开始装箱计数，C0常开触点得电时触发上升沿，计数器C1开始计数。如下图3.8所示。图3.8装箱计数梯形图4.3.8合格率统计报警当C1常开触点得电，程序中调用比较指令，如果废品率超过10%时，线圈Q0.6得电，系统报警灯就会闪烁。如图3.9所示。图3.9合格率报警梯图4.3.9模拟量采集程序该段程序为模拟量采集程序，通过SM0.0常开触点进行接通调用，此段程序主要的功能是将4~20mA的模拟量信号转换为0-150克的数字量信号，给后面的合格品计算用。称重重量的模拟量输入为AIW16，模拟量转为数字量输出为VD20。Isl为模拟量换算的最低采样值5530,Ish为模拟量换算的最高采样值27648。Osl为最低量程为0，Osh为最高量程150g。其中Iv为换算对象，Ov为换算的结果，模拟量的输入输出转换公示如下。O代入公式得VD20=[（AIW16-5530）/（27648-5530）]×150.0。假设产品的最高重量150g时模拟量转数字量的程序如下。如图3.10所示。图3.10模拟量采集梯形图重量传感器将信号传入EMAM03模拟量模块的AIW16通过MOV_W指令变成为模拟量VW200，然后VW200通过I_DI指令将整数转成双精度整数VD0。再将VD0通过D_IR指令将双精度整数转换成实数VD4。通过减法SUB_R指令用VD4减去5530.0得到输出VD8，再将减法指令27648.0减去5530得到VD12，VD12与150.0通过除法DIV_R指令相减得到VD16，最后用乘法指令MUL_R把VD16与VD8相乘得到输出VD20，VD20得到的值就是最终实际的重量。如图3.10所示。4.4模拟在线运行调试当系统启动按钮I0.0处于运行状态，系统进入自动模式。停止按钮I0.1处于断开状态，急停按钮I0.6处于常闭状态，并系统报警灯Q0.6没有接通时，系统进入自动模式，传送带开始运行，运行指示灯Q0.5常亮，此时灌装限位M1.0开始检测。如图3.11所示。图3.11系统启动模拟梯形图当灌装限位M1.0检测到空瓶时，则灌装标志M1.1接通，定时器T37开始计时2s，此时灌装阀门打开，并开始灌装。如图3.12所示。图3.12系统灌装模拟梯形图当系统检测标志M1.2接通时，定时器T39开始计时3s，机械手Q0.2开始动作，当定时器T39计时结束，T39常开触点接通，置位M1.5且复位M1.2，此时说明系统传送带运行并开始进入重量检测阶段。如图3.13所示。图3.13机械手动作模拟梯形图当开始重量检测时，定时器T38计时1s，如果产品称重重量不合格，此时T38常开触点接通，不合格指示灯Q0.7接通，不合格指示灯开始报警。如图3.14所示。图3.14产品称重重量不合格报警模拟梯形图当系统运行时，当不合格指示灯Q0.7接通，底座开关Q0.3接通时，说明产品检测到不合格时瓶子运行到废品区限位区域，然后底座打开产品进入废品区。如图4-15所示。图3.15系统废品的控制模拟梯形图当系统运行时，废品区限位I0.4接通，此时开始废品数计数。如图3.16所示。图3.16系统废品数计数模拟梯形图4.5本章小结本章完成了程序的设计和仿真程序的调试任务，对PLC程序的梯形图进行分段说明，并对程序的工作情况进行了解释。结论通过不断地查阅S7-200SMART程序的设计和组态王软件等各种资料，以及了解控制生产过程当中需要注意的事项和研究方法，最终确定了灌装自动控制系统的设计方案，然后在老师和同学们的帮助下完成了本次灌装自动生产线控制系统的设计。需要熟悉系统相关的仪器设备，如灌装机、电机、电磁阀等硬件。想要完成一个工程，不仅仅是通过了解硬件就可以的，而且必须要通过相应的软件设计相结合才得以实现。然后学习程序制作过程当中所需要的软件，例如S7-200SMART和组态王软件。通过S7-200SMART程序仿真和组态王模拟实验，用梯形图来显示系统的程序运行，通过改变这个系统变量的参数，使得系统输出变化，可以将灌装的产品的重量通过称重传感器来读取数据并转化输出，从而得到相应的产品的重量，以判断产品是否合格。在设计过程中，由于课题是针对工业现场的设计。所以我们不