基于PLC的罐装系统设计

下载原文可修改文字和底色颜色查看原文题目：基于PLC的罐装系统设计目录摘要 I第1章绪论 11.1课题研究背景及意义 11.2课题研究的内容 11.3课题研究的思路 1第2章灌装控制系统的总体设计 32.1灌装控制系统的工艺分析 32.2系统方案的选择 32.3PLC的介绍及选型 52.3.1PLC的简介 52.3.2PLC的特点 52.3.3PLC的应用场合 62.3.4PLC的原理分析 72.3.5PLC的型号选择 82.4光电传感器的选型 82.5限位开关的选型 92.6传输带电机的选型 102.7系统总体方案的确定 10第3章灌装控制系统的硬件设计 123.1硬件设计的思路分析 123.2主电路及控制电路的设计分析 123.3可编程控制器电路的设计分析 143.4电气元件选型的设计分析 15第4章灌装控制系统的软件设计 184.1I/O分配设计 184.2程序流程图的设计 194.3编程软件的介绍 204.4程序的设计及分析 20第5章灌装系统的组态设计 265.1组态软件的介绍 265.2组态王6.55在设计中的应用 275.3运行调试 31致谢 33参考文献 34摘要本设计按照设计工艺，需要实现的灌装系统的功能包括：(1)能对空瓶进行运送、灌装，灌装量可根据空瓶大小设定；（2）对满瓶进行运送及计数；（3）能够实现自动运行。该系统主要运用了西门子S7-200可编程控制器、传感器、电磁阀、行程开关和电动机等器件，利用PLC良好的自动控制性能，实现饮料罐装生产过程的无人控制。按照以上的功能进行饮料灌装控制系统的设计，采用西门子S7-200可编程控制器进行了系统设计。按照设计的思路对硬件设计进行了分析设计，包括可编程控制器接线图，主电路接线图以及控制电路接线图设计。在软件编程部分，主要进行了工艺流程的分析，并且对可编程控制器的I/O点进行了分配设计，介绍了编程软件的功能和设计方法。在程序设计中，主要对各个功能的实现进行了详细的说明。通过本设计，实现了系统设计的工艺要求，本系统设计逻辑思维强，思路清晰，结构简单可靠，运行比较稳定，为后期系统升级预留扩展余量，满足了设计的要求。关键词可编程控制器；硬件设计；灌装系统第34页第1章绪论1.1课题研究背景及意义我国的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。可编程控制器广泛应用在工业现场，为工业现场各种各样的复杂工艺提供自动化控制的应用。可编程控制器主要是由数字运算的操作系统组成，包含处理器，存储器等。其内部软件程序可以实现常用的定时功能、计数功能、数据处理和运算功能、逻辑控制功能和现场模拟量信号的处理运算功能等。根据以上功能实现了现场所有系统控制的各种要求，可编程控制器按照工艺设计的要求，将现场的数字量信号及模拟量信号进行反馈采集，按照用户程序的运算结果，将输出结果传送到现场，进行控制。本课题设计对灌装系统进行自动化设计，包括传输带控制，灌装动作流程控制以及各种限位检测控制。采用可编程控制器进行程序的编写和仿真设计。对大学所学课程进行全面的复习和巩固，对后期的工作打下基础。1.2课题研究的内容本课题对灌装系统的设计，硬件设计包括西门子S7-200外部电路的设计与安装；软件部分包括程序的设计与调试。根据系统的要求对PLC、电动机、传感器等外部设备进行选型。设计好的灌装控制系统能够实现以下目的：（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待灌装的饮料瓶被传送至灌装设备下时停止；瓶子装满饮料并上盖后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到下一个待灌装的饮料瓶被传送至灌装设备下或停止开关动作；（2）当瓶子定位在灌装设备下时，灌装设备开始工作，待灌装过程完毕再对饮料瓶进行上盖；（3）对正品进行包装，对次品也进行包装；（4）通过正品检测和次品检测，对灌装系统进行控制。1.3课题研究的思路按照灌装控制系统设计的工艺要求，经过工艺的详细分析和了解，提出设计研究方案，灌装控制系统的设计研究方案一般为继电器控制系统方案，单片机控制系统方案，可编程控制器控制系统方案等，对以上方案进行比较选择，结合系统实际设计要求，选择最优的方案进行设计。按照最优方案设计要求，进行系统的工艺功能分析，对动作流程和控制需求进行整理。按照设计要求进行控制单元原理分析及型号选择，以及相应的其他电气设备的原理介绍及选型，最后确定系统设计的总体方案。在硬件设计部分，首先对系统的硬件需求进行分析，对系统的接线图进行详细设计，对元件选型部分进行说明。在软件设计部分，主要对程序设计的流程图进行分析和设计，并且对I/O进行分配设计，I/O分配设计的目的是为了后期的程序设计提供方便和依据。最后进行程序的设计和分析，进行程序运行调试的步骤方法说明，提供程序仿真的解决方案。按照控制的要求，以及工艺分析，本系统在设计中，需要按照以下思路进行设计：（1）详细了解灌装控制系统的工艺流程，特别是动作要求以及实现的控制目的，查询参考文献，了解最新设计成果，为后期设计提供依据；（2）按照工艺流程的分析及动作流程，对系统进行方案的比较和选择，并且选择主控制器的型号，对相应的电气设备进行型号选择，确定最终的系统设计方案，分析设计思路；（3）在硬件设计部分，先对硬件设计需求进行分析，并且设计主控制器的接线图，主电路接线图以及其他电路接线图等；（4）在软件设计部分，对软件设计的程序流程进行详细分析，介绍编程软件的功能及实际应用，对系统的输入输出点进行分配设计，对程序进行详细设计和分析说明。（5）按照硬件设计结果和软件设计结果，对程序进行仿真，按照仿真设计步骤，完成程序的验证和修改。第2章灌装控制系统的总体设计2.1灌装控制系统的工艺分析本系统设计的灌装控制系统工艺主要包括以下方面：（1）通过外部的按钮对系统进行启动和停止，当系统启动后，传输带运行；（2）对饮料瓶到达装盖处，将有信号进行检测，并启动装盖上行和装盖下行动作，通过限位开关检测装盖上行及下行是否到位；（3）对装盖后的产品进行正品和次品检测，当检测到次品后，输入检测信号，程序通过运算进行检测次品输出动作；当检测到正品后，输入检测信号，程序通过运算进行检测正品输出动作；（4）对产品进行装箱，将正品产品装箱，对次品产品也进行装箱。（５）当传输带报故障后，进行故障反馈处理。图2.1灌装系统流程示意图按照以上的工艺分析，本系统设计的工艺输入部分主要包括：外部启动和停止按钮、外部限位开关输入信号、检测信号、故障报警信号；输出部分主要包括传输带运行输出、装料阀运行输出、装盖上行和下行运行输出、正次品检测输出、装箱输出以及指示输出等。2.2系统方案的选择在本系统设计中，按照设计的工艺要求，进行系统的方案设计，该系统的方案设计有四种方案可供选择，分别为继电器控制方案、单片机控制方案、可编程控制器控制方案、可编程控制器+上位机设计方案。对以上四个方案进行比较如下：（１）继电器控制方案根据继电器电路控制的原理进行系统设计，该电路线图复杂，故障率高，排查故障困难，而且电器元件比较多，更换比较频繁，很多功能输入手动状态，无法实现自动运行。需要操作人员现场观察系统的运行状态，并且根据当前的状态进行主观判断，操作相应的按钮。特别在污染环境比较大的现场，对操作人员的身体伤害比较大。现场控制主观性强，对系统的把控往往不够精确，可靠性比较差，操作人员的培训比较困难，也需要一直守在现场进行实时控制，工作效率比较低。该方案不适合本系统设计的方案。（２）单片机控制方案单片机控制有优点也有缺点。单片机控制的精度比较高，对现场的自动化算法比较灵活精确，性价比比较高，可以根据现场的实际情况进行参数调准。但是该方案对现场的要求比较高，不能受到信号干扰。程序设计的周期比较长，而且一旦程序固化后，很难再进行扩展，程序修改很不方便。不利于后期的系统升级和改造。特别是现场环境恶劣，单片机容易损坏。（3）可编程控制器方案可编程控制器通过程序编译实现现场的自动化控制，它结合了最新的计算机技术，自动化控制理论，现场通讯技术等，是一种专用于工业自动化的控制产品。可编程控制器性能比较优越，可靠性高，抗干扰能力强，对现场的适应性很好，能够适应各种恶劣的工业环境。可编程控制器通讯功能强大，可以与现场其他控制单元或者上位机进行通讯。可编程控制器的设计为模块化设计，可以按照现场的具体要求进行各种模块设计，比如高速计数模块，模拟量输入输出模块，通信模块，以及其他数字量输入输出模块等。可编程控制器使用极为方便，当现场工艺发生改变时，只需要修改程序，并重新下载即可。在设计时，往往留有足够的余量，为后期的系统设计和扩展提供方便。（4）可编程控制器+上位机控制方案在可编程控制器实现自动控制的基础上，通过上位机和可编程控制器之间的通讯，来实现现场的系统实时监控，操作人员可以根据现场的上位机系统进行当前系统的状态监控，并且对相关的参数进行调准，达到最佳控制的工艺目的。根据以上系统的方案分析，本系统设计选择可编程控制器+上位机控制方案，通过该方案，可以实现控制系统的智能化，自动化控制的要求，能够最好的适应控制工艺的要求。2.3PLC的介绍及选型2.3.1PLC的简介可编程控制器广泛应用在工业现场，为工业现场各种各样的复杂工艺提供自动化控制的应用。可编程控制器主要是由数字运算的操作系统组成，包含处理器，存储器等。其内部软件程序可以实现常用的定时功能、计数功能、数据处理和运算功能、逻辑控制功能和现场模拟量信号的处理运算功能等。根据以上功能实现了现场所有系统控制的各种要求，可编程控制器按照工艺设计的要求，将现场的数字量信号及模拟量信号进行反馈采集，按照用户程序的运算结果，将输出结果传送到现场，进行控制。其主要应用情况主要表现在下面几个方面：（1）现场使用的逻辑控制开关量数量比较多，其控制规模比较大，使用的大型可编程控制器的场合比较多。（2）根据现场的复杂程度，研发出各种各样的适合现场应用的功能模块，比如温度模拟量控制模块、通讯模块、高速计数模块以及伺服控制模块等。（3）可编程控制器的使用比较开放，以前的可编程控制器制造厂家都采用各自的设计标准，系统相互不兼容，这为后期的带来很多麻烦，现在许多厂家都注意这些，开始进行系统的开放设计。（4）按照可编程控制器的发展，对程序的处理功能越来越丰富，能够实现各种复杂工况下的程序设计，可以进行程序的监控和修改控制。（5）根据现场总线通讯的技术发展，可编程控制器和驱动单元、现场仪表以及上位监控人机界面等通讯实现。按照以上的描述，可编程控制器的使用在工业现场可以实现自动化控制，而且能够进行现场的智能化控制以及信息化。可编程控制器在运动控制系统方面以及模拟量信号处理控制方面有着比较广泛的使用，成为该控制器的优点。在我国，可编程控制器采用国外优秀品牌，借鉴国外先进的技术，通过借鉴开发出属于我国的可编程控制器。我国也在自主研发可编程控制器，研发的前景和空间很好，也取得了阶段性的进步。2.3.2PLC的特点（1）可靠性高，对现场抗干扰的能力比较强对于电气设备的使用，可靠性要好，这样才能保证现场的系统安全，并且根据各种复杂的现场情况，对现场抗干扰的能力也是很重要的指标。可编程控制器在制造的过程中，特别重视系统的可靠性能，对现场的抗干扰能力加强设计。确保可编程控制器在使用过程中可靠性能，现场使用时，对现场的干扰能力也有所抑制。（2）功能比较完善，并且配套的功能块齐全根据现场各种复杂多变的功能实现，可编程控制器需要研发出更多功能的模块来应对现场复杂多变的工艺要求，从而研发出适合现场的各种功能模块，按照具体使用条件的要求，选用不同的功能模块实现现场的控制。对一些逻辑控制功能和现场的其他复杂的应用场合，都有相应的功能模块进行实现。（3）体积小巧，重量小，使用能耗低经过集成电路的研究发展和广泛应用，可编程控制器的系统使用容量比较小，功耗比较低。2.3.3PLC的应用场合（1）PLC开关量的逻辑控制对于现场的开关量控制是可编程控制器最基本的使用功能，现场的开关量逻辑控制工艺包括顺序控制工艺、条件控制工艺、以及各种控制逻辑的实现。开关量逻辑控制最初的设计是根据我们常用的继电器控制系统演化而来，梯形图的设计和继电器控制系统电路的设计有很多相似的地方。逻辑控制功能广泛应用在各种工业控制场合，比如注塑行业、造纸行业、机床行业等。（2）PLC模拟量控制在实际生活中，经常遇到连续量，比如水位，温度，光照度等等，这些模拟量需要进行现场的标准信号处理，转换为标准信号输入到可编程控制器，然后可编程控制器进行AD处理，转换为数字量，然后根据数据的处理，包括滤波处理，限幅处理，数值转换处理等，在PID应用场合，对设定值和反馈值之间进行比较运算输出，控制现场的各种执行机构。（3）PLC数据处理对现场的各种模拟量进行数据的转换处理是可编程控制器的一个重要应用部分，可以通过现场的复杂工艺进行数学模型分析，建立数学公式进行程序编写，对数据进行各种各样的运算处理，达到控制的要求。（4）PLC过程控制过程控制在工业环境下，应用比较多。对现场的各种信号进行检测，将检测的信号转换为标准的模拟量信号进行反馈，可编程控制器根据现场的各种工艺控制要求和方法进行数据处理，达到现场过程控制的目的。特别是现场的PID控制算法的建立和应用，为过程控制提供了更加便捷的使用功能。在现场对模拟量进行控制，往往要用到PID控制的功能，达到现场模拟量的恒定要求。（5）PLC通信及联网可编程控制器的通讯功能比较强大，对各种现场总线系统设计都适应，应用比较多的是以太网通讯，现场总线DP通讯，可编程控制器的生产厂家都比较重视通讯功能的使用。可编程控制器根据下图所示，分为输入部分、逻辑计算部分和外部输出部分。2.3.4PLC的原理分析可编程控制器的输入接口主要包含外部的输入逻辑命令和数据通道等。外部输入部分通常由外部按钮信号、旋钮信号、限位开关信号、继电器信号等组成，模拟量部分主要由外部的仪表输入标准的模拟量信号输入。可编程控制器通过内部硬件结构，按照控制原理，将外部采集的信号进行储存，并且按照循环扫描的原理，进行数据的读取和调用。首先通过循环扫描，将该输入信号进行程序扫描，接通或断开。程序扫描过程中，按照用户的程序设计，对信号进行程序的计算和处理，并且将计算的结果传送到输出映像寄存器。进而控制外部的输出信号通常包括指示灯、继电器、接触器、电磁阀等。模拟量输出信号将转换成标准的模拟量信号，输出至变频器、调节阀等外部执行单元。所谓编程工具，就是通过电脑、编程器等工具对可编程控制器进行软件设计。在计算机上安装好该可编程控制器的编程软件，通过编程软件进行系统的硬件组态设计，I/O分配设计和程序设计，并且可以通过在线通讯连接，对程序进行监控和修改，达到使用的工艺要求。可编程控制器进行在线监控的时候，可以通过外部的信号输入，观察程序的运行情况，容易发现错误所在，并且进行在线修改，这些是可编程控制器工程师需要具备的技能。目前国内外生产的可编程控制器品牌比较多，型号各种各样，需要根据该可编程控制器的具体品牌和具体型号，安装适用于该型号的编程软件。并且要对这些软件的编程方法进行学习，主要了解编程软件的使用，指令的学习，硬件组态设计的学习以及程序编写的方法等。我们在实际应用过程中，首先要对系统的工艺进行分析，通过总体分析有个明确的思路，对外部的I/O信号进行统计和分配设计，画出设计的工艺流程图，根据流程图进行程序的编写。程序编写一般分为经验设计方法，顺序设计方法和功能块图设计方法等。目前使用比较频繁的编程语言是梯形图编程语言、语句表编程语言和功能块图编程语言等。在设计程序的时候，对系统进行功能划分，可以采用模块化设计方法，主程序进行功能模块的调用，达到模块功能的实现。简易编程器，是各个可编程控制器生产厂家研发的编程器面板，可以通过编程器面板进行程序的设计，在编程器面板上，我们可以看到各种功能输入的按键，包含具体的指令按键，地址分配按键和输出按键等，通过外部的指示灯可以判断编程是否错误。显示屏上可以显示出具体的编程指令，并且能进行功能调试。在具体编程过程中，首先要对各种指令熟悉，查询相关手册进行详细的学习，在编程过程中要思路清晰明确，并且对修改部分进行记录，以便后续调试和更改。在编程的时候，必须首先对外部的输入输出部分的分配明确，不能混淆。按照手册的编程方法和工艺进行程序的修改。如果修改完毕，将通过外部通讯线进行下载程序，并且可以在线监控程序，修改程序。2.3.5PLC的型号选择在控制系统开发和应用中，西门子S7-200系列可编程控制器使用比较广泛，收到各行各业研发人员的广泛关注。西门子S7-200系列可编程控制器属于小型的可编程控制器，该产品在结构设计上比较紧凑，性价比高，对现场实现的功能比较强大而且全面，特别适合对现场较简单的控制系统进行程序开发和硬件设计，是本系统设计的最佳选择。西门子S7-200系列可编程控制器系列的型号比较多。可编程控制器内部的中断程序多达4个。具有丰富的功能，比如PID调节功能、高速计数器功能、通讯功能以及数据处理功能等。能和上位机进行通讯。本系统根据实际的工艺分析和外部输入输出的统计，选用S7-200CPU224可编程控制器进行程序的设计。2.4光电传感器的选型传感器的作用是对灌装系统的正次品进行检测，本系统的设计按照要求采用欧姆龙的产品，查询型号为EE-SPY402凹槽型传感器。该传感器通过光源的发射，如果感应到回收的光源，表面光源发射位置处有物体，传感器将输出信号。该信号传送到可编程控制器进行程序运行。按照本系统的设计，光电传感器的电源为直流24V供电，输出的信号也为24V，这样在可编程控制器内能够接收到相同电压的信号，不会损坏可编程控制器。按照该传感器的型号查询，该传感器的时间图和输出的回路如下图图2-1所示。图2-１反射式传感器的时间图和输出回路图按照上图的描述，光电传感器的接线共三根，电线颜色分别为红色线，红色线为该传感器的电路正极；蓝色线为该传感器的信号输出线；黑色为该传感器的电源负极线。在传感器的运行中，如果有物体挡住光束，传感器将接收到返回的光束，那么输出为高电平；如果输出的光电传感器光束没有被物体挡住，传感器将无法接收到返回的光束，那么输出为低电平。按照资料查询，该传感器在使用过程中，光束的距离可调，最大可调为4米，最小可调为0.3米。2.5限位开关的选型所谓限位开关，就是安装在现场某一固定的位置，对控制系统的控制起到现场信号反馈的作用。限位开关主要分为接触式限位开关和非接触式限位开关，接触式限位开关结构主要包括机械部分的结构和电气触头结构。接触式限位开关的种类比较多，主要不同的部分是机械部分的结构，机械部分的设计主要按照现场具体安装的位置和接触方式进行选择和设计。非接触式限位开关内部安装的是磁感应头，当外部物件到达感应区域时，限位开关内部产生动作，进一步触发触头动作，产生状态输出。限位开关在电气控制系统中的主要作用是检测执行机构或者产品的具体位置，当达到该限位开关安装的位置时，限位开关触发信号给控制单元，控制单元依据限位开关的信号，进行逻辑控制动作的运算，进而对现场的执行元件进行控制输出。本系统的设计依据现场的安装要求，选用接触式的限位开关，该限位开关的型号为YBLX-X1/111，产品为正泰电器生产，比较适合本系统的使用要求。2.6传输带电机的选型电动机的选型必须考虑两点，首先是电动机的输出转矩是否满足设备的额定转矩要求，其次是电动机的额定功率是否满足设备的额定功率要求。（1）电动机的功率如果选型过小，就出现了电动机长期过载运行的现象，在长时间的过载运行情况下。电动机的绝缘会被破坏，从而烧毁电动机。（2）电动机的功率如果选型过大，该电动机的输出功率将不能得到充分利用，对于电网的功率因数和工作效率影响比较大，对用户和电网都产生不利的影响，并且造成电动机选型浪费和电能的浪费。在实际的设计选型中，要正确选择电动机的功率和输出额定转矩。一般经过以下的计算进行选型：（1）对于在恒定负载并且连续工作的工况下，首先要知道设备负载的功率，也就是机械轴上的功率大小，按照公式P(kw)：P=P1/n1n2，进行计算，该公式中n1为设备的机械效率；n2为电动机的工作效率，根据此公式就可以计算出设备所选的电动机容量的大小，然后根据此容量进行电机型号的选择。（2）对于在短时间工作的工况下，该工况和连续恒定负载相比较，启动转矩大，短时间的工作电流也比较大，要根据短时工作的负载进行电动机型号的选择。（3）对于断续工作的工况下，该功率的选择要根据负载的持续时间和大小来决定，选用专用的断续工作电动机。负载持续串Fs％的计算公式为FS％＝tg/(tg+to)×100％。式中tg为工作时间，t为停止时间min；tg十to为工作周期时间min。本文根据该系统设备机械部分的设计思路及功率计算，结合电动机的性能，选用Y系列电动机，为全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，具体型号Y100L-4，额定功率3KW,额定转速1440r/min。这款电动机有效、节能、性能好、振动小、噪声低、寿命长、可靠性高、维护方便、起动转矩大等优点。2.7系统总体方案的确定按照系统的方案设计，进行了型号的选择，选用的可编程控制器为S7-200，CPU224。选用的传感器为EE-SPY402凹槽型传感器，此传感器专门检测是否为正品，选用的限位开关为正泰生产的YBLX-X1/111，该限位开关专门检测动作是否到位，或者产品是否到位。选用的传输带电机为Y100L-4，额定功率3KW，额定转速1440r/min。按照系统的工艺分析，输入部分主要包括：外部启动和停止按钮、外部限位开关输入信号、检测信号、故障报警信号；输出部分主要包括传输带运行输出、装料阀运行输出、装盖上行和下行运行输出、正次品检测输出、装箱输出以及指示输出等。系统控制方案原理框图如下。图2.2控制系统方案确定框图第3章灌装控制系统的硬件设计3.1硬件设计的思路分析依据控制系统的工艺设计分析，结合系统的主控单元选型和电动机及传感器选型，对系统的硬件分析设计如下：（1）本系统的硬件设计分为可编程控制器接线图设计，主电路接线图设计和控制电路接线图设计。（2）在可编程控制器的接线图设计中，要充分考虑输入和输出的动作数量，并统计系统设计的I/O点数分配，对于本系统设计来说，输入部分主要外部启动和停止按钮、外部限位开关输入信号、检测信号、故障报警信号；增加备用的输入，以备后期的扩展需要。输出部分主要包括传输带运行输出、装料阀运行输出、装盖上行和下行运行输出、正次品检测输出、装箱输出以及指示输出。在可编程控制器的电源部分，要充分考虑电源的电压，以及电源电压的来源处理。（3）对主电路部分的设计，主要按照工艺流程控制，对系统使用的电动机或加热器进行控制设计，本系统的设计主要采用自锁电路设计，对传输带进行电机的启动运行控制，主电路的设计，要考虑接触器、断路器等的选型，对接触器控制信号的来源处理等。（4）为了系统设计的安全，及其他辅助功能，在控制电路设计中，要设计系统的电压表和电流表，为了保护可编程控制器，需要设计隔离变压器，为了方便调试，需要设计插座，以供电脑使用，为了表示当前的系统状态，需要设计电源指示状态等，为了检修方便，需要设计柜内照明灯。按照以上的硬件思路分析，结合系统的工艺流程和总体设计方案，对系统电路接线图进行设计。3.2主电路及控制电路的设计分析主电路部分的设计主要对传输带电机进行主电路设计，电动机采用断路器、接触器、热继电器进行设计。断路器的主要作用是接通或断开电动机以及其他执行元件的电源，该断路器使用较为频繁，断路器分为电动机保护断路器和普通断路器。本系统使用的断路器选用正泰电器的DZ47-60系列断路器。当电动机接通或断开时，需要采用接触器进行主触点的通断，接触器有灭弧保护功能，本系统选用的接触器为正泰电器的CJX2系列接触器。当电动机在运行时，难免发生过载现象，当电动机发生过载时，将延时一定时间，热继电器动作，保护电动机。热继电器的常闭触点一般串联于系统控制电路中，在可编程控制器线路设计中，热继电器辅助触点将接入PLC输入端子，用于保护电动机热过载。本系统选用的热继电器为正泰电器的JRS系列热继电器。图3.1主电路及控制电路的接线图控制电路图是系统的辅助功能，是系统使用安全，维修调试方便的保证。在控制电路设计中，首先要考虑本系统的可编程控制器的使用安全，以及现场主令电器元件及执行元件的电压等级。按照规定设计，控制电路的设计主要包括电压表、电流表、互感器、隔离变压器、开关电源、插座、柜内照明、电源指示等。本系统设计的电压表主要检测当前的实时电网电压，电流表主要检测当前系统的实时电流，和互感器配套使用，互感器和电流表的变比选择，主要根据系统最大电流进行设计。在设计中，隔离变压器的主要作用将电网的380V电压变为隔离后的220V电压，这样做的目的是为了保护系统，不受电网的谐波干扰。由于现场电网环境复杂，如果不使用隔离变压器，往往会导致控制单元烧毁。开关电源的使用将AC220V变为DC24V，开关电源的额定电流选择，主要根据系统容量的计算确定。本系统设计中，所有的输入输出点都采用DC24V开关电源供电。系统设计的开关电源，将可编程控制器的电源输入，采用单独的开关电源进行供电，而输入部分和输出部分采用另一个单独的开关电源供电。为了方便调试，需要设计调试插座，电源指示灯，以及照明。3.3可编程控制器电路的设计分析可编程控制器电路的设计，主要为三部分的设计，首先对可编程控制器的电源进行设计，按照本系统的设备选型，可编程控制器的电源采用直流24V进行供电，在进行电源设计时，要注意直流24V不能接错，否则会引起设备损坏。24V电源输入之前要有断路器，该断路器是分断可编程控制器的开关。其次是可编程控制器的输入部分设计，该输入部分设计的公共线为DC24V正极线，所有的按钮，开关等的一端需要接入DC24V的正极线，另一端接入可编程控制器的输入端子。当外部按钮，开关等闭合时，输入端子的指示灯亮，表示该路信号接通。第三部分是可编程控制器的输出部分，在输出部分的公共线为DC24V的负极，在所有输出线圈或指示灯的一端接入DC24V的负极，另一端接入可编程控制器的输出端子，当可编程控制器的输出端子灯亮时，该执行元件将通电，执行某一动作。本系统的设计输入部分和输出部分的24V电源采用开关电源供电，PLC的电源采用另一开关电源供电，这样做的目的是不互相干扰，保护可编程控制器。图3.2可编程控制器电路接线图3.4电气元件选型的设计分析在系统设计中，电器元件主要包含隔离开关，断路器，热继电器，熔断器，接触器，以及电动机，电磁阀等。（1）隔离开关的电气符号用QS表示，隔离开关将外部的电源和系统进行接通和断开，该开关一般情况下不频繁使用，系统设计选用正泰电器的NM1系列隔离开关。（2）断路器的电气符号用QF表示，断路器的主要作用是接通或断开电动机以及其他执行元件的电源，该断路器使用较为频繁，断路器分为电动机保护断路器和普通断路器。本系统使用的断路器选用正泰电器的DZ47-60系列断路器。（3）熔断器的电气符号用FU表示，熔断器主要是防止线路短路，如果线路短路，熔断器将快速熔断，这样将保护设备和人员安全。本系统选用的熔断器为正泰电器的HT系列熔断器。（4）热继电器的符号用FR表示，当电动机在运行时，难免发生过载现象，当电动机发生过载时，将延时一定时间，热继电器动作，保护电动机。热继电器的常闭触点一般串联于系统控制电路中，在可编程控制器线路设计中，热继电器辅助触点将接入PLC输入端子，用于保护电动机热过载。本系统选用的热继电器为正泰电器的JRS系列热继电器。（5）接触器的符号用KM表示，当电动机接通或断开时，需要采用接触器进行主触点的通断，接触器有灭弧保护功能，本系统选用的接触器为正泰电器的CJX2系列接触器。（6）M：该电气符号为交流电动机符号。对主要电气元件的选型如下：(1)断路器的选型断路器的电气符号用ＱＦ表示，断路器主要是防止线路过流，这样将保护设备和人员安全。对于断路器的额定电流选择是断路器型号选择的关键参数。对于保护电动机的断路器选型，该电流的计算按照下式进行计算：上式中的IN为该保护电动机的铭牌额定电流值。断路器的选型依据主要按照负载的短路电流和设备安装的条件进行计算，熔断器对电路短路保护起到很好的作用。如果电动机发生了过流现象，断路器将会在一定时间内进行跳闸，安全的保护电动机。按照断路器的选型原则，该电流计算如下式所示：式中：为该设备最大容量的三相异步电动机铭牌额定电流值；是该设备其他小容量的三相异步电动机的额定电流值之和。通过本系统的设计电动机，以及按照以上公式的计算，本系统设计的电动机的额定电流值要大于６A，所以按照选型要求和型号查询，选用的ＱＦ型号为ＮＭ１－６３/３３００１６Ａ，该型号的额定断开电流值为１６A。(2)交流接触器的选型接触器的符号用KM表示，当电动机接通或断开时，需要采用接触器进行主触点的通断，接触器有灭弧保护功能。交流接触器在具体型号选择的时候，需要考虑两个参数，首先是该接触器主触点承受的额定电压值和额定电流值；其次要考虑交流接触器线圈的电压等级，以及交流接触器使用的环境等。对交流接触器的型号选择，有两个条件必须要满足，首先是该主触点的额定电流值必须大于或等于该电动机的额定电流值；其次该主触点的额定电压值必须大于或等于负载的额定线电压，通过以上的两个条件描述，对交流接触器的选型根据公式的计算，如下所示：在上式中，为该选择接触器的主触点额定电压；为该设备的运行额定线电压；为该选择接触器主触点的额定电流；为该选择接触器的触点电流；为该设备的额定功率值；为该设备的额定电压值；为计算使用的常数；取1~1.4。交流接触器的吸引线圈电流种类和额定电压值：交流接触器的线圈吸合较为频繁，对于线圈的额定电压选择需要根据控制电路的设计要求和安全维护要求进行考虑。一般情况下采用交流电压进行选择，如果使用的场合比较特殊，将需要充分考虑该额定电压等级。对辅助触点的应用主要在控制电路中实现自锁控制，或者发送接触器状态信号等使用。根据本系统的设计，对电动机的使用采用交流接触器进行控制，按照电动机的额定电流，主触点的电流为6A左右，所以选用CJX2-09型接触器，该交流接触器的额定电流为9A。升降电机启动、停止交流接触器的额定电流大于7.2A到9A所以选用CJX2-9，其额定电流为9A。第4章灌装控制系统的软件设计4.1I/O分配设计根据灌装控制系统的设计要求，对可编程控制器进行分配设计的主要目的是，可以在程序设计时，方便参考和动作的查询，这样可以大大简化程序设计的时间，并且减小出错的概率。其次在进行程序的调试时，可以根据I/O分配设计，进行程序的输入判断和输出判断，按照程序设计的工艺要求，进行某个输入点的接通，可以通过输出判断确定程序动作是否正确。再次在进行故障排查时，可以根据I/O分配设计进行参考，明确输入指示灯是否亮，才能准确快速判断输入部分是否正常，如果输出灯亮，而执行单元未动作，说明执行单元接线错误。一般情况下，对于I/O分配设计需要留够余量，为了后期的扩展需要，以及后期升级过程中，设备功能的添加和完善。以上都可以通过I/O的地址分配进行快速准确的判断。本系统的I/O数据记录如下，如表4.1所示。表4.1I/O点的分配表序号定义点功能1I0.0启动按钮2I0.1停止按钮3I0.2装料位置限位开关4I0.3正品信号输入5I0.4次品信号输入6I0.5装盖手下限位开关７I0.6装盖手上限位开关８I0.7装盖限位开关９I1.0装盖手回原位10I1.1传感器检测限位开关11I1.2正品装箱限位开关12I1.3次品装箱限位开关13I1.4传输带故障14Q0.0传输带运行15Q0.1装料阀运行16Q0.2装盖下行17Q0.3装盖上行18Q0.4检测正品输出19Q0.5检测次品输出20Q0.6检测闪烁提示21Q0.7产品装箱22Q1.1次品装箱4.2程序流程图的设计程序流程设计如下图所示。图4.1程序流程设计框图灌装控制系统能够实现以下目的：（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待灌装的饮料瓶被传送至灌装设备下时停止；瓶子装满饮料并上盖后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到下一个待灌装的饮料瓶被传送至灌装设备下或停止开关动作；（2）当瓶子定位在灌装设备下时，灌装设备开始工作，待灌装过程完毕再对饮料瓶进行上盖；（3）对正品进行包装，对次品也进行包装；（4）通过正品检测和次品检测，对灌装系统进行控制。4.3编程软件的介绍本系统设计采用西门子S7-200专用的编程软件STEP7-MICRO/WIN32，该软件主要对S7-200可编程控制器进行软件程序的设计开发。该软件可以采用梯形图设计、语句表（STL）设计、功能图（FBD）设计。软件可以进行符号表设计、数据块和系统快设计、通信设计。可以添加高速计数器功能导向、PID功能导向、配方导向及文本显示器导向等。该软件的指令比较丰富，可以适应各种运算和逻辑控制，在模拟量控制部分，应用比较多的是计算指令、数据转换指令、传送指令及程序控制指令等。软件功能丰富，可以进行在线监控功能。采用该编程软件，可以方便快捷的完成程序的开发设计。按照该软件的使用功能，可以对现场工工艺进行程序的设计和编写，满足现场工艺设计的要求。（1）通过该软件进行项目工程的创建，对可编程控制器的型号进行选择，可以按照工艺要求添加功能导向。在符号表内可以对变量进行定义，按照工艺流程进行程序的设计编写，程序编写完成后，可以直接下载到可编程控制器。下载程序时，首先安装好驱动程序，需要对通讯地址和波特率进行设置。（2）在线情况下，可以进行程序的下载和上传，在程序设计中，可以对程序进行加密处理。（3）程序设计完成后，需要进行程序的编译检查，编辑检查的为语法错误等，按照家产的结果进行程序的修改，达到准确无误的要求。（4）可以对用户程序进行加密，防止核心信息泄露，起到保护知识产权的作用。（5）在设备故障处理过程中，可以通过该软件进行程序监控，发现问题所在，及时处理。4.4程序的设计及分析（1）系统启动，当按下外部启动按钮后，系统开始启动；当按下外部停止按钮后，系统停止运行。（2）当系统运行后，如果装料位置限位开关输入，表示有瓶子要装料，装料阀开始输出，当检测到瓶内的液位VWO大于100时，表示装满，装料阀停止输出。在装料过程中，进行液位计算，SMO5为时间脉冲继电器，每次响应，VWO将会加5。（3）当装料满后，进行加盖，当加盖限位开关碰触后，将进行加盖下行动作，当碰到装盖下限位开关后，加盖下行动作结束，当执行装盖上行时，如果碰触带装盖上限位开关，加盖上行动作结束。（4）当检测到正品后，将输出正品电磁阀，当检测到次品后，将输出次品电磁阀。正品电磁阀和次品电磁阀互为连锁。（5）当检测位置检测出产品后，将进行指示灯输出。指示灯输出为闪烁输出。（6）最后对产品装箱，产品装箱分为正品装箱和次品装箱。并且完成产品的计数功能。程序编写如下。第5章灌装系统的组态设计5.1组态软件的介绍组态王是应用比较广泛的监控组态软件，目前比较流行，该软件主要用来创建和设计适合工业环境上位机系统的画面设计，通讯设计等。组态王软件可以在Windows环境下使用，对于工程的监控系统设计、现场数据的采集显示、和其他智能设备之间的通讯等都有独特的应用。通过在上位机上制作画面，以动画或者流程的形式显示当前的系统状态，对重要的数据进行实时曲线设计及历史曲线设计，可以对数据进行报表打印，按照用户的工艺流程设计画面，尽力切合现场可视化管理，给用户提供解决现场实际问题的最佳化管理方案。组态王软件和微软公司研发的操作系统之间可以完美兼容，组态王设计过程中，简单方便，通俗易懂，入门快，功能丰富，可以通过驱动程序进行大多数智能设备的联网通讯，在自动化现场应用方面很受欢迎，值得大力推广和学习。组态王软件的应用比较广泛，是大多数研发者喜爱的软件，该软件的研发成果是依据计算机控制技术和控制理论技术相互结合，该软件的问世，标志着自动化技术上了一个大台阶。在该软件设计中，主要是按照现场工业自动化控制的工艺流程，对现场的必要参数进行信号采集，将采集的信号转换为模拟量信号输入到控制单元，然后显示在上位机，对这些数据进行控制和监控，在组态软件中，可以将这些数据进行历史曲线设计和报表设计处理，通过报警动画来反映现场异常情况，此软件可以代替人工现场管理，节省了生产管理成本，并且能够根据现场监控的数据准确做出决策，对日常的生产管理效率大大提高。按照现代化工业的发展趋势，自动化控制将来无处不在，将代替大量的人工操作，完成某个生产工艺流程的过程。自从组态软件的问世和现场应用，现场控制的工艺管理将大大方便。按照目前工业发展趋势，为了提高产品质量，提高效率，工厂自动化控制将起到很大的作用，市场对自动化产品的需求量也很大，而且在质量上要求更高。所以在自动化产品方面，组态王软件的应用满足了现代工业的所有上位机设计要求，操作界面简单实用，按照当前的工艺要求达到人性化管理的目的，对数据的监控和控制可靠稳定，开发周期比较短。系统的扩充能力比较强。本文的设计，按照控制系统的工艺要求，进行组态王上位机的设计，达到自动化控制的目的。5.2组态王6.55在设计中的应用按照控制系统设计的要求，采用组态王6.55系列的软件进行系统设计，实现系统可视化控制的目的，通过画面设计，变量设计及通讯设计等方法，实现控制系统的自动化控制。设计过程如下所示：1.画面的制作（1）建立工程文件打开“组态王6.55”软件，通过“新建”启动新建工程导向，按照新建工程的导向要求，设置保存路径，项目名称等。设定完毕后，通过确认，项目就建立成功。如下图5-1所示。图5-1新建工程向导（2）进入工程文件按照工程设计的流程，选择当前工程进行开发，打开开发系统，进行编译。开发系统包括系统参数设置、变量设计、站点通讯设计、画面设计、数据库编译、系统配置设置等。详细见下图5-2。图5-2工程浏览器（3）创建组态画面在画面设计中，首先进行画面新建，对画面进行名称编译，画面的风格编译，以及画面的位置和大小编译等。通过以上的编译，完成画面的设置，编译完成后，按下“确定”按钮。对话框如下图5-3。图5-3新建画面按照上面的对话框设定好画面后，打开画面，如下图5-4所示。在画面编译设计中，可以看到工具箱，通过工具箱可以完成画面的绘制，文字的输入，属性的设置，颜色的设计，以及画面保存。特别是工程图片的打开，可以看到多种类型的工程图片，可以调用这些图片，完成画面的美观设计。图5-4开发系统按照当前的画面设计，根据系统设计的工艺流程和要求，进行画面设计，画面设计尽量满足工程实际流程，人性化设计及合理化编译。2.定义I/O变量对变量设计部分，I/O变量需要通过与可编程控制器互相通讯才能完成，通过组态王的组态设计，可以建立系统和下位机之间的驱动程序，完成驱动程序的编译，设置好波特率和地址，根据系统的实际要求和需要，完成驱动设置如图5-5所示。图5-5设备配置向导3.构造数据库数据库的编译时组态王软件最重要的一部分，通过数据库的编译，建立和可编程控制器之间通讯的变量，变量的建立主要包括对变量名称的设置，数据类型的设置，连接设备和连接地址的设置，以及变量初始值的设置等。按照变量对话框进行每个变量的设计，完成所有变量的设置。如下图5-6所示。图5-6定义变量4.创建动画连接动画连接的目的是将画面的图形按照变量的状态进行变化。动画连接可以对各种图形，文字，管道等按照变量的变化进行状态的变化。动画连接一般包含线属性、填充属性、文本色属性、闪烁动画、隐含动画、流动动画等等。如图5-7所示。图5-7动画连接对话框5.3运行调试（1）首先要进行系统的常规检查，该部分检查主要包括可编程控制器的线路检查，主电路的线路检查，对主要控制模块的电源部分注意正负极不能接错，而且保证在DC24V电源里，不能有AC220V电源接入，否则容易烧坏模块。（2）系统调试时，首先检查通讯是否正常，当通讯正常后即可下载程序，系统使用STEP7软件进行程序的开发，需要进行程序的下载。程序运行后，开始进行自诊断处理，当诊断错误，将报警显示，根据诊断内容进行问题排查和解决。在进行调试时，首先通过手动控制，进行各个功能的调试，当发现问题，分析程序部分是否错误，对程序进行修改。在进行上位机调试时，进行地址的设置，保证上位机和PL