国家开放大学论文-机械设计制造及其自动化专业

国家开放大学题目：饮料灌装机重力灌装控制系统缺陷分析及改善分部：学习中心：专业：机械设计制造及其自动化入学时间：学号：姓名：指导教师：论文完成日期:论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文原创性声明的法律责任由本人承担。作者签名：日期：论文版权使用授权声明本人完全了解国家开放大学关于收集、保存、使用论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其他手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务，以及出版论文；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以营利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。作者签名：日期：目录摘要 一、绪论1、研究背景及意义1.1研究背景传统的饮料灌装机通常采用继电器控制系统，但这种控制方式相对落后，随着PLC（可编程逻辑控制器）在工业控制领域的广泛应用，采用PLC来控制饮料灌装系统可以显著提高企业的生产效率，对整个行业的发展产生了积极的推动作用。在国内，为了满足不断增长的市场需求，饮料灌装机正朝着全自动化的方向发展。这涉及到巨额的投资成本，因为目前全自动灌装机的引入成本大约在450万元人民币，这样的价格对许多企业来说是一个不小的负担。而生产不同产品设备的适应度不够，通常需要外国技术团队进行改造，这不仅耗费时间，也增加了成本。目前国内饮料灌装机通常使用重力灌装机，但是大部分重力灌装机未配备灌装阀的流量计，导致产品高速灌装时候由于各灌装阀的电磁阀、气动阀组、膜片等在开关动作上存在个体差异，导致灌装阀在统一的设定的时间内灌装出的产品液位高低不一，生产中为了保证平均装量和避免个别阀低液位满足装量要求，通用的处理办法是延长灌装时间或停机更换灌装膜片等，导致灌装阀提升脱离瓶口时阀片未彻底关闭满口溅料产生瓶残占比较多，引起市场投诉，同时废次品还可能引起原料浪费和环境污染。这些问题导致了成本的增加和对环境的潜在伤害。1.2研究的意义该问题在食品饮料生产中具有重要的现实意义。首先，饮料生产行业是我国国民经济的支柱产业之一，饮料生产的工艺自动化水平对产品质量和生产效率具有直接影响。而饮料灌装控制系统的缺陷将影响产品的灌装精度、速度和稳定性，直接影响产品质量和生产效率。其次，饮料生产涉及的产量大、生产效率要求高，要求灌装机在高速运行中保持较高的生产精度，控制系统的缺陷将直接影响到生产的稳定性和成本控制。因此，对饮料重力灌装机灌装控制系统的缺陷进行分析和改善具有现实重要意义。本论文将通过分析已有文献和案例，采用实验方法、并落实到生产实际等方法，深入挖掘饮料灌装机重力灌装控制系统的缺陷，并提出改善方案。采用PLC（可编程逻辑控制器）控制灌装机灌装时间可以有效解决这些问题。PLC是一种高度自动化的控制设备，以其安全性和可靠性著称，这些特性在其他行业已经得到了验证。在灌装行业中，PLC可以充分利用其稳定性和可靠性优势，实现高水平的自动化控制。PLC不仅提高了设备的保护水平，减少了二次污染的风险，还在一定程度上减轻了对周边环境的影响，具有较高的社会和经济价值。2、国内外研究现状国内研究现状部分主要围绕饮料灌装机的灌装控制系统展开，目前国内对于饮料重力灌装机灌装控制系统缺陷分析及改善的研究较少，主要集中在灌装机的性能参数优化、自动化程度提高以及智能化控制方面的研究。国外研究主要集中在使用先进的传感器和控制器，比如采用压力传感器和流量计来实现对灌装过程的高精度控制，从而提高了生产效率和产品质量。同时，国外学者对于灌装控制系统的故障检测与诊断也有较为深入的研究，提出了一些先进的诊断方法和算法，能够快速准确地识别出系统中的故障并给出解决方案。国外在系统可靠性与稳定性方面的研究也较为成熟，他们提出了一些提高系统可靠性的方案和策略，有效地降低了系统运行中的风险。因此，国外在饮料灌装机灌装控制系统方面的研究成果可以为本文的研究提供宝贵的借鉴和参考，有助于提高本文研究的深度和广度。通过对比和分析国内外研究现状，可以更清晰地认识到国内研究的不足之处，并能够借鉴国外先进的研究思路和方法。3、本课题的工作及研究内容本课题在介绍液体灌装机、控制原理及灌装原理的基础上，重点通过对饮料重力灌装机灌装控制系统目前存在缺陷进行研究、并通过对缺陷分析制定完善措施。通过在对程序修改实现单个灌装阀增加控制时间、在允许范围内对灌装阀的进料孔改善增加灌装阀流量截面积，提升灌装速度从而增大控制时间范围，提升设备灌装的稳定性、自动化程度等方面，促进实际生产效率的提升。具体为：1）对灌装的进料孔由4.5毫米改进为6毫米，有效增加灌装进料截面积流量，提升灌装时间调整范围；2）对plc主程序灌装阀控制程序重新编写，实现每个灌装阀都增加一个时间变量，可以单独设定时间控制灌装时间；3）增加人机界面设计，实现70个灌装阀的灌装时间的时间变量，保证每个阀灌装时间调整可以单独设定。设计技术路线：通过对饮料重力灌装机的缺陷分析→整理出缺陷项→通过对缺陷进行分析制定整改任务项目→对灌装阀进行改造、进料孔由4.5毫米改进为6毫米、满足不同产品调节时间→对plc主程序灌装阀控制程序重新编写、实现每只灌装阀灌装时间单独设定控制→增加人机界面设计、实现触摸屏快捷设置→改善实践后依据实测数据得出改善结论。二、灌装机简介2.1液体灌装机的原理及分类液体灌装机是一种用于将各种液体产品（如水、饮料、化妆品和清洁剂等）灌装到容器中的设备。它具有高效、自动化的特点，广泛应用于食品、制药、化工等行业。液体灌装机的灌装原理基于重力或压力，可以分为以下几类：1、重力灌装原理：重力灌装机利用物体受重力作用下的压力差来进行灌装。液体通过一个容器顶部的储液罐流入灌装头，然后通过重力进入待灌装的容器。这种原理适用于较低粘度的液体产品。3、压力灌装原理：压力灌装机利用气压差推动液体进入容器。液体被储存在一个密封的储液罐中，罐内注入压缩空气，形成一定的压力。当容器与灌装头连接时，压力将液体推入容器中。这种原理适用于较高粘度的液体产品。3、流量计量灌装原理：流量计量灌装机通过测量液体的流量来控制灌装量。液体通过一个流量计或称重传感器，确保准确的灌装量。这种原理适用于需要非常精确控制灌装量的产品，如药品或高价值液体。4、正压灌装原理：正压灌装机利用环境的正压来进行灌装。液体被储存在一个密封的储液罐中，灌装头下部有一个活塞。当灌装头与容器连接时，活塞上升，将液体推入容器中。这种原理适用于高粘度和易起泡的液体产品。根据自动化程度和灌装方式的不同，液体灌装机还可以分为多个分类：1、手动灌装机：操作人员手动控制液体的进出，适合小规模生产或研发试验。2、半自动灌装机：液体进出由机械设备完成，但放置容器和启动灌装过程仍由操作人员完成。适合中小型生产。3、全自动灌装机：整个灌装过程由机械设备自动完成，包括容器供应、灌装、封口等。适合大规模连续生产。4、直线式灌装机：液体按直线方向流动，适用于高速生产线。5、旋转式灌装机：容器在旋转平台上旋转，灌装头固定不动，适用于较低速度要求和较大容器。6、柱塞式灌装机：液体通过柱塞的运动进行灌装，适用于高粘度液体和流量计量。液体灌装机的选择应根据产品性质、要求的灌装量和自动化程度来确定。不同的灌装原理和分类都有各自的优势和适用范围，本论文仅讨论饮料重力灌装机灌装控制系统缺陷分析及改善。2.2重力灌装控制原理2.2.1重力灌装机组成重力式灌装机是一种利用压力差原理将被灌装物质从储液罐流入灌装瓶中的自动化灌装设备。依据其自身构造和物料的特点，重力式灌装机一般由灌装瓶夹手装置、灌装头系统、液位控制器、提升和下降装置、电气控制系统等部分组成。图2.1旋转灌装机(70支灌装阀)图2.2灌装机剖面示意图图2.3灌装机剖面各部位名称及数量2.2.2重力灌装机工艺步骤重力式灌装机的工艺原理是利用重力和物料自身的压差使其自流灌装，通过灌装控制实现整个过程，并自动输送到封盖机封盖后推出。图2.4重力灌装机工艺流程图具体工艺步骤如下：=1\*GB3①将高温杀菌后的液体、粘稠体积物用泵通过管道输送到灌装机的上储液罐中；=2\*GB3②灌装瓶经由传递星轮夹手送到灌装机机夹手、进入灌装头下方；=3\*GB3③灌装头通过凸轮装置下降到灌装瓶中密封并顶开灌装阀触发灌装；=4\*GB3④液位控制器控制开关使液位控制器启动灌装，将液体、粘稠体积物注入灌装瓶中；=5\*GB3⑤灌装角度完成后灌装阀关闭、灌装头上升并回到原始位置，等待下一个灌装瓶。2.2.3重力灌装机控制原理其控制原理框图如图所示：图2.5总控制原理框图框图控制系统以S7-300PLC为控制核心，其输入端与传感器、行程开关等相连接，并将采集到的信号发送到PLC。可编程控制器把采集到的信号转化成数字或模数，并把它们传送给执行装置，例如气缸、电磁阀、气动阀组等。图2.6控制系统工作原理图2.2.4废次品剔除灌装的残次品在灌装机出口通过剔除装置专用设备剔除，示意图如下：图2.7废次品剔除示意图三、灌装阀结构及控制原理3.1灌装阀结构及零部件组成灌装阀主要由料液阀芯块、接头、气动截止阀块、密封垫、顶压弹簧、回流管、灌装针等部件组成，料液进入灌装机灌装缸后，在重力作用下经由灌装阀进料管进入料液阀芯块、并通过气动截止阀控制流入灌装针，瓶子顶开灌装针下部密封垫后料液进入瓶内，无瓶则经由密封圈侧进入回流管，回流至下部回流缸内，完成整个流程。图3.1灌装阀剖面图图3.2灌装阀拆解零件图3.2灌装阀工作状态料液进入灌装机灌装缸后，在重力作用下经由灌装阀进料管进入料液阀芯块、并通过气动截止阀控制流入灌装针，瓶子顶开灌装针下部密封垫后料液进入瓶内，无瓶则经由密封圈侧进入回流管，回流至下部回流缸内，完成整个流程。灌装状态分为自回流状态、灌装初始状态、灌满回流状态、灌装结束状态。图3.3自回流状态图3.4灌装初始状态图3.5灌满回流状态图3.6灌装结束状态四、控制系统的缺陷分析4.1重力灌装机改善前现状3月1日灌装机灌装茶制品：速度24000B/H、灌装产品500毫升，灌装缸液位650毫米、液位110毫米、各灌装阀总体灌装设定时间6.8S。品控部工程师现场检测生产线的产品，检出瓶口料液残留（瓶口残留导致微生物滋生、内容物变质）所占比例16.7%，每班灌装机导致的液位不足（浅量）废次品2.5%，总不合格品19.2%。在线抽检高液位产品，瓶口料液残留比例更高，主要表现为瓶口端面和螺纹存在明显残留。图4.1装量偏多图4.2装量浅量图4.3灌装参数设置生产车间及品控部3月1日至5日每4小时抽检70瓶、12小时浅量废次品挑选，连续生产数据搜集，灌装机速度24000B/H、总产量2681510瓶、最高平均装量515毫升、瓶残比例16.71%、浅量总数67047瓶、比例为2.5%。具体详见统计表：图表4.4改善前5日数据搜集表4.2原因分析操作人员为了保证设备机械效率，同时兼顾70支灌装阀减少满口和浅量，只能整体设置各项参数。瓶口残留及液位不足（浅量）主要：=1\*GB3①灌装阀进料孔截面积偏小，导致在设定时间内无法到达设定液位导致浅量；=2\*GB3②由于各灌装阀的电磁阀、膜片等在开关动作上存在个体差异，导致灌装阀在统一的设定的时间内灌装出的产品液位高低不一；=3\*GB3③生产中为了保证平均装量和避免个别阀低液位满足装量要求，通用的处理办法是延长灌装时间或停机更换灌装膜片等，导致灌装阀提升脱离瓶口时阀片未彻底关闭满口溅料，导致高液位及瓶口残留。五、缺陷改善5.1改善工作推进3月5日针对缺陷项进行分析后，3月6日开始对缺陷项目逐一进行落实改进，由于采购备件进度影响，整项工作3月16日全部完成并试机。5.2缺陷改进措施明确了满口瓶残和浅量原因后，针对灌装机70个灌装阀只有统一的灌装时间设置，只要将每个灌装阀的灌装时间进行定制即可认为灵活调整装量。因此考虑在改进灌装阀进料孔缩短灌装时间满足在灌装角度能提前完成灌装后，同时增加单个调节灌装阀的灌装时间变量可以人工设定，从而较为精准控制装量在支撑环附近，降低瓶口残留。1）改进灌装阀的进料孔由4.5毫米改进为6毫米；2）修改plc程序，每个灌装阀都增加一个时间变量，可以单独设定控制；3）增加界面设计，增加70个灌装阀的灌装时间的时间变量，实现每个阀灌装时间的操作调整单独设定。5.3灌装阀进料孔改善改进70只灌装阀的进料孔由4.5毫米改进为6毫米，按照速度换算每只灌装阀一圈需要24000/60/60=6.67S,增加截面积（6-4.5）/4.5=33%，提升灌装孔单位截面积灌装速度30%左右，加大所有灌装阀灌装速度、满足不同容量的灌装产品速度需求，减少浅量的发生，增大灌装时间调整范围；图5.1灌装阀节流孔实物图5.2灌装阀改造图5.4.控制系统完善5.4.1控制程序修改新增plc程序，每个灌装阀都增加一个时间变量，可以单独设定控制（见图5-6）；图5.31#灌装阀控制程序图5.4新增数据块DB15.4.2I/O分配表5.5数字量I/O地址表5.4.3PLC的外部接线图图5.6PLC外部接线图5.5灌装阀5.5.1灌装阀气路图图5.7气路图5.5.2气缸的动作程序本装置由多个灌装阀气缸组成，并有相同的计算步骤和计算方式。以1#灌装阀气缸为例，编写程序如下图：DB1.DBW0为灌装1#阀的灌装时间设定值，当Network2的条件满足时，1#灌装阀Q128.0开始灌装，当灌装时间到达DB1.DBW0的值后停止灌装。图5.8气缸的动作程序（以气缸一为例）5.6灌装时间控制人机界面设计新增触摸屏界面，在界面中，1-70个灌装阀分别对应各自的变量，如1#灌装阀显示“000”，它对应的变量就是定义为DB1.DBW0,2#灌装阀对应DB1.DBW2,以此类推，这些变量在STEP7里面已编好程序。触摸屏程序画面如下图所示。图5.91#--22#灌装阀时间设定图5.1023#--46#灌装阀时间设定图5.117#--70#灌装阀时间设定六、编程组态6.1软件的概述西门子的S7-300系列一般采用模块式结构，用搭积木的方式来组成系统，模块式PLC由机架和模块组成。S7-300是模块化的中小型PLC，适于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。当系统规模扩大和更为复杂时、可以增加模块，对PLC进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。

S7-300的CPU模块（简称CPU）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个CPU都有一个编程用的RS485接口，有的还带有集成总线PROFIBUS-DP接口或PtP(点对点)串行通信接口，S7-300不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI（多点接口）网络，如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一个DP网络，还有的有以太网接口。

6.2数据块的建立图6.1新增时间变量数据参数表七、系统的运行调试（通信连接）在线测试时，上位机、编程设备（PG）、通过交换机与PLC的以太网接口连接，打开Step7编程软件，通过SetPG/PCinterface按钮，选择以太网连接方式，使PLC和PG编程设备顺畅的进行通信。见图6.1：图7.1PLC与PG通过以太网连接后在线显示图7.2PLC通讯连接设置八、改善成果展示8.1界面介绍在配置程序开始时，这个界面将会第一时间出现在系统的首页上。要进入主要工作页面，请点击“进入系统”，系统启动操作者登录后自动启动各控制换面及灌装时间控制人机界面，可以依据需求进行选择功能和设置操作人员级别的各项参数，通过对灌装阀控制时间的调整，使灌装控制系统操作便捷和控制更加方便和可靠。图8.1欢迎进入画面图8.2增加灌装阀灌装时间设置界面8.2改善后取得的经济价值1、生产车间及品控部3月17日至21日每4小时抽检70瓶、12小时浅量废次品挑选，连续生产数据：灌装机速度24000B/H、总产量2701460瓶、最高平均装量506毫升、瓶残比例0.33%、浅量总数0瓶、比例为0%。具体详见统计表：搜集统计表：图表8.3改善后5日数据搜集表通过以上改进后，操作人员对单个灌装阀依据生产实际灌装液位、通过修改灌装时间变量对装量进行有效调整，保证各瓶型产品的液位控制在支撑环附近，大大降低了瓶口残留问题，目前瓶口残留比例为0-0.33%之间，从而保证了产品质量，降低瓶残投诉（市场投诉导致的有形和无形成本均较高）。每班灌装机导致的液位不足（浅量）废次品基本为0，总不合格品0-0.33%。料液按照每瓶满口改进为支撑环以下节约6-8克、24000B/H速度测算，每小时可以节约料液：24000*16.7%*0.007=28.06Kg、浅量等废次品24000*2.5%*0.05=300Kg，合计节约料液为：28.06+300=328.06Kg。具有较高的经济价值。结论通过以上改进后，操作人员通过对单个灌装阀依据实际灌装液位、通过修改灌装时间对装量进行有效调整，保证各瓶型产品的液位控制在支撑环附近，大大降低了瓶口残留比例为0-0.33%之间、保证了产品质量，降低瓶残投诉。每班灌装机导致的液位不足（浅量）废次品基本为0，总不合格品0-0.33%。每小时节约料液328.06Kg。PLC（可编程逻辑控制器）控制灌装机灌装时间有效解决了这些问题。PLC是一种高度自动化的控制设备，以其安全性和可靠性著称，这些特性在其他行业已经得到了验证。在灌装行业中，PLC可以充分利用其稳定性和可靠性优势，实现高水平的自动化控制。PLC不仅提高了设备的保护水平，减少了二次污染的风险，还在一定程度上减轻了对周边环境的影响。具有较高的社会和经济价值。通过这次毕业设计的锻炼，我学到了很多宝贵的知识，经历了一次深刻的成长和转变。我的毕业设计任务是对饮料灌装机重力灌装控制系统缺陷的分析和改进，尽管这个领域对我来说是全新的，即便它涉及到我相对熟悉的机械制图和PLC技术，我一开始还是感到有些不安。但是，在曾老师的鼓励与大力指导下、在公司同事的帮助下，我克服了困难，结合企业的灌装机生产设备实际情况，完成了毕业设计任务，我对组态软件的使用已经变得较为熟练，而在项目之前，我甚至从未真正全过程涉及或完善过一个项目。现在，我基本能够利用AUTOCAD制图软件设计绘制零部件，比较熟练的连接PLC上下载程序，并对一些不足进行完善和修改。在本次设计中，我使用了西门子公司提供的S7-300系列PLC，相应的编程软件是STEP7。通过使用这些工具，我掌握了一定的编程技术，并对之前不太熟悉、较为薄弱的模拟环节有了较深入的理解，这标志着我的进步。我只要坚持不懈，就没有做不到的事情。仅有信念是不够的，有了信念作为支撑，我们才能在面对困难和挑战时坚持下去，无论前方的路多么坎坷，只要我们不放弃，成功就会更加触手可及。参考文献参考文献[1]张柯,张琦.饮料食品定量灌装智能控制系统设计[J].食品工业,2020,41(11):229-232.[2]张鸣.基于WinCC的饮料灌装生产线控制系统设计[J].黄河水利职业技术学院学报,2020,32(04):43-49.[3]蔡振宇.可编程控制器在饮料灌装流水线装箱包装设备改造中的应用[J].机电信息,2020(12):53-55.[4]JFoo,SRamrattan.Direct,Clean,Quiescent,CounterGravityFillingforAluminumCastin