饮料罐装生产流水线电气控制..pdf

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1、摘要：文章探讨了如何利用德国西门子PLC S7-200 进行饮料灌装生 产流水线的 控制，重点分析了系统软硬件设计部分，并给出了系统硬 件接线图、 PLC 控制 I/O 端口分配表以及整体程序流程图等，实现 了饮料灌装的 自动化，提高了生产效率，降低了劳动强度。 关键词：PLC ；自动化饮料灌装生产线； ；系统硬件接线图； I/O 端口 分配表 传统的饮料罐装生产线的电气设备控制系统是传统的继电器接 触器控制方式 , 在使用的过程中，生产工效低，人机对话靠指示灯+ 按钮+讯响器的工作方式，响应慢，故障率高，可靠性差，系统的工 作状态、故障处理、设备监控与维护只能凭经验被动的去查找故障点。 且在

2、生产过程中容易产生二次污染，造成合格率低，生产成本增加。 而自动化生产线在众多领域应用得非常广泛，其控制部分常常采用 PLC 控制，它使自动化生产线运行更加平稳，定位更加准确，功能更 加完善，操作更加方便。为适应发展，故提出下面的PLC 控制技术改造现有生产 线。本文介绍了德国西门子PLCS7- 200 在自动化饮料罐装生产线控 制系统中的应用，并从硬件和软件两方面进行了分析和研究。 目录 一、设计任务 2 1、课题内容 2 2、控制要求 2 3、课题要求 2 二、总体设计方案 2 1、饮料灌装流水线的基本结构 2 2、选择电器元件 4 3、流水线灌装的工作原理 6 4、系统流程图 7 三、电

3、气控制电路设计 8 1、电控系统与原理图设计 8 四、PLC设计 9 1、选择 PLC 9 2、I/O 点的编号分配和 PLC外部接线图 10 3、控制面板图 11 4、梯形图 12 5、指令表 15 五、调试过程及结果 18 六、总结 18 参考书目 20 一、系统概况 饮料灌装生产流水线 是指按一定控制要求将有关驱动电机、电气控制 装置、检测装置等组合为一体的多功能自动控制装置。 本系统电镀生产线采用了传送带，传送带用一台电动机控制， 同时用 变频器对电机平滑调速。 1、生产工艺及流程 该罐装生产线为人工 / 自动操作的工作程序，由2 只电磁阀控制 托瓶架的升降， 2 只电磁阀控制压盖的行

4、程。驱动部分有：清水泵、 无菌泵、清洗输送、灌装输送、灌装泵。 1.1 、手动控制工作状态 将操作台上旋钮置手动，各工位工作状态如下： （1）按启动按钮，传送带把洗过的空瓶送到托瓶架上；托瓶架启动， 把洗过的空瓶送到罐装机的罐装口；罐装泵启动，罐满后自动停止； （2）按停止按钮，传送带停止。 1.2 、自动控制工作状态 （1）启动：按下自动按钮后，生产线进入自动工作状态，具备工作 条件后，瓶子随着传送带进入工序。 （2）罐装：当瓶子随着输送带平稳的进入托瓶架时，托瓶架的限位 开关信号送给 PLC ，翻瓶架的一组气动电磁阀打开，汽缸开始工作， 将瓶子送到罐装口的下部，这时汽缸上限信号送入PLC

5、，罐装泵开始 启动，在罐装的过程中翻瓶架自动落下，罐装到一定的时间 （及罐满） 后自动停止（罐装时间3/5 加仑的设定时间不同），罐装结束后，经 过一定的延时时间，罐装输送带开始启动。 一、设计任务 1、课题内容 饮料罐装生产流水线梯形图控制程序设计并画出电气接线图。 2、控制要求 （1） 系统通过开关设定为自动操作模式、手动操作模式，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， 传送带驱动电机必须自动启动，并保持到又 检测到一个瓶子或停止开关动作。 （2） 当瓶子定位在罐装设备下时，停顿1.1 秒，罐装设备开始工作，

6、罐装 过程为 5 秒钟，罐装过程应有报警显示，5.1 秒后停止并不再显示报警。 （3） 用两个传感器和若干个加法器检测并记录空瓶数和满瓶数，一旦系统 启动，必须记录空瓶数和满瓶数，设最多不超过99999999瓶。 （4） 可以手动对计数值清零（复位） 。 3、 课题要求 （1） 根据课题的控制要求完成设计 （2） 对电机、传感器、到位开关选型并列出选型依据 （3） 画出电气连线图，写出程序流程图及代码 （4） 完成课程设计说明书 二、总体设计方案 1、饮料灌装流水线的基本结构 整个灌装流水线的基本结构如图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

7、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 灌装流水线基本结构图 图 2 灌装流水线基本结构图 图 3 灌装流水线的基本结构图 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 ，

8、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，保证安全运行。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。 断路器选用原则； 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

9、等于负载最大峰值电流（负载短路时电流 值达到脱扣器整定值时， 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 1422A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

10、整定范围为0.452A 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 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高低不同而异。接受天线接收到的功率 0 P 为 0 P dS GGP tt 44 2 0 2 式中， tP 为发射天线的发射功率； t G 为发射天线的增益； 0 G 为接收天线 的增益； d 为两天线与被测表面间的垂直距离。 当发射功率、波长、增益均恒定时，上式可改写为 2 2 1 2 2 0 2 0 4 4 44dK

11、 K d S GGP P tt 图 4 微波液位仪原理图 式中， 1 K为取决于发射功率、天线增益与波长的常数； 2 K 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 0 P ，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0.93 m ）。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

12、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 4 1 M2 灌装装置电动机Y90S 4 1 QF1 断路器NS100N 1 QF2 断路器NS80N 1 QF3 断路器NS80N QF4 断路器NS20N 1 QF5 断路器NS10N 1 FR1 热继电器JR16 1 FR2 热继电器JR10-10 1 FR3 热继电器JR10-10 1 SB1 SB3 按钮LA10-1K 3 SB5 SB7 按钮LA10-1K

13、3 3、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 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 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 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 SB3 灌装饮料 饮料灌满 松开 SB3 结束 自动手动 否 是 是 否 是 是 否 否 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

14、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 1、电控系统与原理图设计 图 6 中断路器 QF1 、QF2 、QF3 、QF4 、QF5将三相电源引入，同时QF1 、QF2 、 QF3 、QF4 、QF5为电路提供短路保护。电动机的过载保护分别由三个热继电器提 供。 图 6 电气控制原理图 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，则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

15、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

16、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的寄存器值加 一，同时，

17、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寄 存器中。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 1、选择 PLC 三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一。该公司的生产的 N FX2系列机型， 属于高性能叠装式机型，是三菱公司上网典型产品， N FX2系列 PLC具有数十种 编程元件。 N FX2系列 PLC编程元件的编号分为两部分：第一部分是代表功能的 字母。如输入继电器用“X”表示、输出见电器用“Y”表示。第二部分为数字， 数字为该类

18、器件的序号。根据所需的用户输入输出设备及I/O 点数，选择 FX2N 16MR 001型 PLC就可以满足控制系统的要求。 图 7 PLC 外部接线示意图 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 2 I/O点的编号分配表 输入输出 定位传感器 SB0 X000 手动/ 自动切换 SB1 X001 手动传送带 SB2 X002 手动灌装 SB3 X003 自动启动 SB 5 X005 停止 SB 6 X006 复位 SB 7 X007 传送带电动机 KM1 Y000 灌装电动机 KM2 Y001 报警灯 KM3 Y002 下降电磁阀 YV1 Y003

19、上升电磁阀 YV2 Y004 灌装电磁阀 YV 4 Y006 PLC的外部接线图如图8 所示。 图 8 PLC 的外部接线图 3、控制面板图 根据设计要求及考虑到工人工作的要求，设计控制面板布置情况如图9 所 示。 图 9 控制面板图 4、梯形图 5、指令表 根据梯形图所得指令表如下： 0 LD M8002 1 OR X007 2 SET M2 3 MOV K0 D100 8 LD M2 9 MC N0 M2 12 LD X005 13 OR M1 14 ANI X006 15 ANI X007 16 OUT M1 17 LD M1 18 ANI M30 19 ANI M60 20 OUT M

20、10 21 LD X000 22 OR M30 23 ANI T4 24 OUT M30 25 OUT T0 SP K10 28 OUT M50 29 LD T0 30 MPS 31 ANI TI 32 OUT M11 33 MRD ANI T1 35 OUT M12 36 MPP 37 OUT T1 SP K50 40 LD T1 41 OUT T4 SP K10 44 OUT M40 45 MCR N0 47 LD M3 48 MC N1 M3 51 LD X002 52 ANI M31 53 ANI M60 54 OUT M20 55 LD X003 56 OR M31 57 ANI T

21、5 58 OUT M31 59 OUT T2 SP K10 62 OUT M51 63 LD T2 64 MPS 65 ANI T3 66 OUT M22 67 MRD 68 ANI T3 69 OUT M21 70 MPP 71 OUT T3 SP K50 74 LD T3 75 OUT T5 SP K10 78 OUT M41 79 MCR N1 81 LD X001 82 SET M3 83 RST M2 84 LD M30 85 OR M31 86 OUT C200 K99999999 91 ADDP D101 K1 D101 98 LD X004 99 ADDP D100 K1 10

22、6 SUBP C200 D100 113 SET M60 114 LD M60 115 OUT T6 SP K10 118 LD T6 119 RST M60 120 LD M20 121 OR M10 122 OUT Y000 123 LD M30 124 OR M31 125 OUT Y001 126 LD M12 127 OR M22 128 OUT Y002 129 LD M11 130 OR M21 131 OUT Y006 132 LD M40 133 OR M41 134 OUT Y004 135 LD M50 136 OR M51 137 OUT YOO3 138 LD M60

23、 139 OUT Y005 140 OUT Y007 141 LD X007 142 OR C200 143 RST M3 144 RST C200 146 END 结论 1) 该控制系统将恒酒位控制变为恒压力控制, 从而节省了投资 , 简 化了控制 , 装酒误差为 013 mm; 2) 实现了对装酒速度任意调节和设定以及整个生产线的加? 减速和 恒速控制 , 灌装速度为 0 180 瓶 ?m in; 3) 系统还具有手动? 自动转换功能 , 实现了对整个生产线工艺流程 的顺序控制。 参考文献 1 李道霖电气控制与PLC 原理及应用 M 电子工业出 版社， 2006， （7） 2 孙海维 SIMATIC 可编程控制器及应用 M 机械工业 出版社， 2005， （1） 3 廖常初可编程控制应用技术M 重庆大学出版社， 2002， （3） 4 冯立明电镀工艺与设备化学M 北京工业出版社， 2005， （6） 5 孙平可编程控制器原理及应用M 高等教育出版社， 2004， （8）