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啤酒灌装生产线的PLC控制系统pdf
- 2020-10-22 07:29-

  啤酒灌装生产线的PLC控制系统设计 摘要 本次论文设计在现有的啤酒灌装生产线控制系统的基础上,通过对自动控 制系统的研究设计出一套基于PLC与变频器控制的啤酒罐装生产线控制系统。 论文首先说明了课题的意义,国内外发展的状况,课题研究的内容以及关于啤 酒灌装生产线运动的控制要求。接着,根据啤酒的生化特性,设计出适合啤酒 灌装的啤酒灌装机,也对灌装机的灌装过程做了一定简要的说明。然后设计出 一个包含传送带与灌装机的灌装生产线工艺图,再根据控制要求采用PLC作为 控制器设计出实现啤酒灌装生产过程的控制电路。本文对灌装控制过程中涉及 到的各个细节进行了详细的论述,尤其在速度控制调节进行了大量的说明。在 详细的说明了整个灌装控制过程的同时,最后还给出了实现整个控制过程的程 序。程序设计是按照控制实现不同的功能进行分块作为子程序来设计的。由于 啤酒生产线的速度调节没有连接实物,没有速度反馈进行比较调节,无法做到 对速度的恒速控制仿真,在最后章节中仅对啤酒灌装机内液面进行模拟仿真。 关键字:PLC 变频器 生产线设计工艺图 控制线路 程序 仿真he first place, thepaper setsoutthe significanceofthis subject,andthen itsdevelopmentat home and abroad. In addition, the content of this subject and the requirement of canned beer production line’s movement are included in it. According to beer’s biochemical characteristics, the design of a beer filler comes out, with a simple instruction oftheprocess of filling.Next, this paper designs aproduction line chart containing conveyerbelt and filler.Accordingto the controlrequirements, it carries outacontrolcircuitadaptingPLC asthe controller. Except forthe detailedprocess of filling,this paper presents the routine ofprocess and its emulation, especially in speedcontroladjustment.Theroutineisclassifiedbasedondifferentfunctions.Short ofthe physical model and speed feedback,the speedadjustment ofbeer production line can’t carry out a constant-speed control. Therefore, this paper only simulates cylinderofthebeerfillerinthelastchapter. Key Words: PLC The inverter Production line process design Control circuit Theprogram Thesimulation 目录 第一章 绪论1 1.1课题研究的意义1 1.2国内外发展状况1 1.3本课题的研究内容2 第二章 啤酒特性及其灌装原理的分析3 2.1啤酒的物理特性3 2.2啤酒罐装方法选择3 2.3灌装原理分析及灌装机的设计4 2.3.1灌装原理的分 4 2.3.2罐装机的设计4 2.3.3罐装机工作过程5 第三章 啤酒灌装生产线星轮与旋转灌装机同步转动设计7 第四章 啤酒灌装生产线 4.3.1对传送带速度控制的分 11 4.3.2对灌装机旋转速度控制的分 11 4.3.3对液缸内液位控制的分 11 4.3.4控制电路的设计12 4.4输入输出I/O分配14 4.5控制电路设备的端子接线变频器接线的端子接线线 第五章 啤酒灌装生产线啤酒灌装生产线对程序进行向导参数配置21 5.2.1对脉冲输出口Q0.0进行向导配置21 5.2.2对灌装机速度控制PID运算参数设置22 5.2.3对液面高度控制PID运算参数设置22 5.3生产线 第六章 控制系统仿线 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 第一章 绪论 1.1课题研究的意义 随着电力电子技术、计算机技术,自动控制技术的迅速发展,众多工业企业均面临着 传统生产线的改造和重新设计的问题。各行各业的企业、工厂为了提高产品质量,缩短生产 周期,适应产品迅速更新换代的要求,产品生产正朝着缩短生产周期、降低成本、提高生产 质量等方面发展。因此,啤酒厂的自动化灌装生产线中有越来越多的企业在使用先进的灌装 [1] 技术来提高机器的自动化控制水平和生产效率 。课题采用的PLC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,设计啤酒自动灌装生产 线控制系统,通过软硬件的结合实现对啤酒大批量生产的同时,罐装灌装过程更加平稳、灌 装工艺更加严密,次品、废品明显的减少,对实际工业生产产生巨大的作用。具体表现有: (1)提高生产效率。通过啤酒灌装自动化生产线,啤酒生产不需要人工的干预,减少 人力资源,同时生产的速度要远远高出人工操作。 2 ()改善工作的环境。实施自动化控制后,生产现场不再需要人工对每一个环节进行 实时的操作,只需要工作人员在控制室内监测生产线 ()提高管理水平。由于监控系统对整个灌装运行情况进行了历史记录,管理人员可 以随时调出来进行分析,可以逐步的对生产经营进行改善,大大的提高了生产管理的水平。 1.2国内外发展状况 国外啤酒罐装设备发展较为完善,机电一体化、管理与控制相结合是当前国外生产发 展的趋势。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 现了啤酒罐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发展方向是 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。 80 我国建国以后,陆续建立了一些灌装设备生产厂。 年代初,国家开始积极引进国外 先进罐装技术,不少国有、集体企业陆续转行进入灌装机制造行业,他们具备较强的机械制 造、设计能力,但是缺乏灌装机制造行业的专业技术和经验。20多年来,多数企业主要是 通过测绘仿制来研发和生产产品,新产品研发力量薄弱。近几年来,我国啤酒产业得到了迅 速的发展,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。但是,我国的啤酒罐装机械还存在自动 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, 1 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 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进自动化灌装生产线的控 制系统,弥补其不足成为可能。 1.3本课题的研究内容 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 过控制器的控制实现啤酒自动化生产的控制。利用PLC作为控制器,结合传感器、变频 器、变频电机等电气设备在保证啤酒生化特性不变质、变味的情况下严格的按照啤酒灌装的 工艺进行灌装。要求PLC能控制灌装机灌装的速度以及传送带的速度,并且保证传送带输 送啤酒空瓶能准确有效的传送到灌装机的灌装阀下。灌装结束以后,满瓶必须有序地从灌装 机出来,传到传送带上,传送带将灌满的瓶子传给下一道工艺。 2 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 第二章 啤酒特性及其灌装原理的分析 2.1啤酒的物理特性 啤酒以大麦芽、酒花、水为主要原料,经酵母发酵作用酿制而成的饱含二氧化碳的低酒 精度酒。它的基体是水,应遵循流体力学的基本定理,如能量守恒、流体连续和力平衡等。 由于它的主体是微生物和生化反应的代谢物以及某些无机物,其中微生物和代谢物中的 二氧化碳和蛋白质,是啤酒灌装过程中必须正视的主要因素,这也是啤酒灌装区别于其它液 [9] 态食品灌装的难度所在 。啤酒灌装过程中由空气中氧气的进入对啤酒质量的危害是致命性 的,如果瓶内空气不能处理得当,生产出来的啤酒将不适于饮用,甚至变质危害人体的健 康。为此,我们需采取一定的手段,如尽量减少增氧量以减少微生物的生存空间。以下提出 啤酒灌装过程需要注意的事项以及相应措施。 灌装时必须注意以下内容: 1 ()避免啤酒损失,减少浪费,提高经济效益; 2 ()保证额定灌装量,为此必须保证灌装酒料过程速度恒定; 3 ()保持啤酒内在品质,这主要是考虑啤酒的生化特性; 为此必须采取相应的措施: (1)防止啤酒染菌,必须保证灌装工作台、灌装机内部的干净整洁; (2)防止啤酒接触空气而氧化,考虑抽真空以及冲入二氧化碳气体; (3)防止啤酒中的CO2损失,保证灌装阀与啤酒瓶之间压紧。 特别需要注意的是,应尽可能地避免啤酒以任何形式与氧接触,即使是很少的吸氧,都 会极为敏感地影响啤酒的质量和保存期。因此,一定要想方设法将啤酒在灌装过程中的吸氧 量控制在最低限度。 有关设备制造工业部门,采用了各种各样以限制啤酒吸氧为目的的技术手段,如一次或 多次抽真空技术以及其它类似的措施等。所有这些都是为了使啤酒与空气隔绝,以保持啤酒 的原有品质。 2.2啤酒灌装方法的选择 每种饮料的灌装方法不尽相同,针对特定的饮料就需要特定的灌装方法。上一小节已经 说明啤酒是一种经酵母发酵酿造而成的酒料,对空气中气体极为敏感,在灌装过程中需要严 密的控制。只有从它的基本特性考虑,选取合适、正确地灌装方法,才能保证灌装出来的啤 [7,8] 酒能饮用 。 目前,液体常见的灌装方法有以下几种方式: 3 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 (1)常压罐装法。常压法也叫做纯重力法,即在常压下,液料依靠自重流进啤酒瓶 内。大部分能流动的不含气体的液料都用此方法来灌装,例如白酒、果酒、牛奶、酱油,醋 等等。 (2)等压灌装法。这种方法首先对啤酒瓶进行充气,当瓶子和储酒槽之间达到压力平 衡时,啤酒依靠液位差(即自重)自然地流入瓶子中。这种方法普遍应用于含气体的饮料 中,如啤酒、汽水、汽酒等的灌装。此种方法可以减少这类产品中所含有的二氧化碳的损 失,并能够防止灌装过程中过量气泡影响产品对的质量和定量精度。 3 ()真空灌装法。真空灌装时,瓶子内压力为负压。液体因为这一很小的负压而被吸 入瓶内。这种方法通常用来灌装较稀易流动的不含气的饮料,如牛奶,果汁,葡萄酒等 (4)压力灌装法。利用外部的机械压力将液体产品填充到瓶子内,它适用于灌装比较 [8] 粘稠物料,例如牙膏、豆瓣酱、香脂等等 。 经过对啤酒灌装工艺要求进行全面的分析,再结合对啤酒的生化特性做出考虑以后,本 人决定对啤酒灌装采用第二种灌装方法,即利用抽真空、用CO 来背压的等压灌装方法。2 2.3灌装原理分析及灌装机的设计 以上已经对啤酒的生化特性做了具体的分析,也得出了啤酒罐装的方法。在这里,将根 据啤酒灌装所选用的方法对灌装机设计做出说明。以下对灌装原理以及灌装机设计做具体的 分析。 2.3.1灌装原理的分析 灌装是将液缸内液料装入瓶中的过程。根据啤酒罐装的控制要求,这个过程必须保证灌 [3] 装时的严密性 。设计灌装机的方法是采用抽真空、CO 做背压。具体设计思路是:在灌装 2 阀将啤酒瓶压紧密封完好的条件下,抽真空阀打开,在酒瓶与真空通道之间形成一个通路, 瓶中的空气通过这条通路排出酒外,在酒瓶中形成真空,在设定时间达到时,抽真空阀杆关 闭,抽真空结束;接着充气阀打开,在酒瓶与灌装机内气缸的CO2空间形成一个通路,CO2 通过这个通路充进瓶中,在设定时间达到后时瓶内CO 与灌装缸内压力相等,充气阀关 2 CO 闭, 充气完毕;液体阀打开,在酒瓶与罐装缸之间形成一个通路,物料由此通路进入瓶2 中,同时瓶中的CO 以同等的速度经回气管流回灌装缸,直到瓶中物料上升漫过回气管形 2 成压力平衡,瓶中压缩后的CO 封住物料继续流出;灌装完后的瓶子经一定时间静置后, 2 关闭液体阀,切断液料缸与瓶子之间的通路;泄压阀打开,从而在酒瓶与大气之间形成一条 通路,酒瓶中的压力由此得到释放。 2.3.2灌装机的设计 4 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 上一小节对灌装过程分析后,这里做出灌装机的设计。本设计中,设计的灌装机共有4 CO 个灌装阀,灌装机内从上到下按顺序依次是充气 ( )缸、液缸、线 了一个灌装阀,剩余的其他灌装阀设计结构完全相同。 1 定中装置 2 卸压阀 3 线 灌装机设计图 Fig.2.1 ADesigndrawingoffillingmachine 本灌装机中有定中装置,卸压阀,真空阀,液体阀、回气阀等等,定中装置下有位置传 感器,用于检测灌装阀下是否有瓶子。 2.3.3灌装机工作过程 瓶装灌装机采用回转式等压灌装结构,也就是灌装机灌装阀、液缸等组成的旋转设备与 啤酒瓶同步旋转,在旋转的过程中,按时间顺序完成以下操作过程: 1、啤酒瓶经过传送带传送到灌装机灌装阀下定位 2 0.5s 、托瓶盘上升(灌装准备, 到位压紧) 3 0.5s 、真空阀打开(预抽线s 、充气阀打开( 喷冲, 后关闭)2 7 1.5s 、液体阀打开(开始灌装, 后断开) 8、泄压阀打开(卸压,0.5s后断开) 9、托瓶盘下降(灌装完成) 10、满瓶啤酒瓶从灌装机出来经传送带传送给下一道工序。整个灌装生产线设计完成。 (注:以上时间值均是假设值,具体设置要以液体灌装速度来决定,可以做相应的变化,以 上仅作为举例说明使用) 5 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 第三章 啤酒灌装生产线的工艺设计 对啤酒灌装原理详细的介绍完成以后,下面具体的设计灌装生产线的工艺设计示意图。 生产线由传送带,灌装机,星轮等部分组成,均由由三相变频电机带动旋转。 3.1啤酒灌装生产线的工艺设计图 以下对啤酒罐装生产线做简单的工艺设计,每部分具体结构并未在图中详细的标明。 图3.1 啤酒灌装生产线 ADesigndrawingofbeerfillingproductionline 生产线所有设备全部启动,一切设备在试机正常的情况下,空瓶子从洗瓶机出来以后, 按照一定的间隔从上图的左侧传送带有条不紊地进行传送。瓶子到达旋转机器部分以后,由 旋转星轮把瓶子带入回旋式灌装机下进行灌装。灌装结束以后,满瓶由灌装机右侧的星轮传 [7] 送到传送带上,传到下一道包装工序,完成灌装的过程 。 3.2灌装过程俯视平面图 6 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 图中主要由2个星轮,1个灌装机,一条传送带构成。灌装机中每个灌装阀所进行的工 作分别独立的进行,但是工作的内容完全一致。灌装的时间分配在图中标明,其中托瓶盘上 升占用 10%的时间,抽线%的时间,二氧化碳充气占用10%的时间,酒料灌装占 用30%的时间,灌装结束后托瓶盘下降占用10%的时间,剩余的20%作为下一次灌装准备 时间来用。平面图如下: 图3.2 啤酒灌装生产线 Atopviewofbeerfillingproductionline 3.3星轮与旋转灌装机同步转动设计 啤酒瓶传送涉及到星轮与旋转灌装机的速度匹配问题,因为保证了灌装机的线速度和星 轮的线速度是一致,才能保证每个啤酒瓶能准确定位在灌装阀下进行灌装。为了达到灌装机 旋转速度与星轮旋转线速度一致的要求,本人通过齿轮之间的相互协调来完成,因为齿轮之 间相互作用保证了它们之间的线速度一定相同。以下是本人设计出以下的齿轮工作原理图: 图3.3工作台底部齿轮工作示意图 Fig.3.3 Aschematicdiagramofgear 7 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 在灌装机底盘内部安装着与星轮、灌装机半径分别相等的3个齿轮,这三个齿轮分别与 星轮、灌装机同轴固定相连,安装如上图所示。星轮、灌装机的转动,只需要由一台能控制 灌装机底部齿轮 (也就是上图中位于中间位置的大齿轮)运动的电机即可,随着大齿轮运动 将带动两边的小齿轮转动。由于转动的齿轮之间的线速度是相同的,则分别与齿轮半径相同 的星轮及灌装机的线速度也一定相同。通过这种简便的方法,就能保证星轮与灌装机的速度 [3] 一致 。 本论文设计的两个星轮转盘,它们的半径均是灌装机半径的一半,即星轮的周长是灌装 机周长的二分之一。每个星轮有两个凹槽可以传送啤酒瓶,灌装机有四个灌装阀,这样设计 的目的是保证由星轮传送的瓶子的间隔与灌装机上两个灌装阀之间的距离相等,即间隔距离 =1/2 的星轮周长=1/4 的灌装机周长。同时使得星轮下齿轮的齿轮数是灌装机下齿轮数的 1/2,这样灌装机每旋转 1/4周,星轮就旋转了 1/2周。在线速度相同、瓶子间距与灌装阀间 距相同的条件下,只要保证在安装齿轮底盘的过程中确保灌装阀正下方的凹槽与星轮的凹槽 位置相对摆正,在生产线运动工作时,就一定能保证了每一个空啤酒瓶能从传送带上顺利、 有序地传入灌装机的灌装阀下。同样道理,也使得罐满以后的啤酒瓶能从灌装机上顺利的由 右侧星轮传到传送带上,依次有序的传出来,传到下一道工序中去。 8 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 第四章 啤酒灌装生产线 啤酒罐装生产线的控制要求 灌装自动化控制的设计是一个重要环节,要提高啤酒的生产效率,关键在于提高灌装过 程的自动化程度及顺序控制的严密性。本设计要求使用可编程控制器、变频器、电动机、熔 断器、交流接触器、按钮开关等硬件设备,通过利用以上电气设备设计出控制这个灌装的过 程的电路,要求灌装必须完整、有效的进行,且需要注意考虑到啤酒的物理生化特性,以免 影响啤酒的饮用效果。 为了达到以上目的,我采用PLC与变频器配合来控制调节传送带的速度和灌装机旋转 速度,使啤酒罐装过程有条不紊的运行;另外还考虑液缸内液面恒高度的问题,因为液缸内 液面高度与液缸底部的液体压强有关,压强与液体灌装的速度有直接关联。以下是根据控制 要求设计出的基于PLC控制啤酒灌装生产线 PLC控制啤酒灌装生产线 Theprincipleofbeerfillingproductionline 其中,传送带是是由变频电机传动轴直接带动传送带转动,而旋转式灌装机则是由变频 电机带动齿轮旋转从而间接地带动灌装机旋转,液面高度的控制则是通过水泵电机转速来控 制。 啤酒罐装生产线是以PLC作为控制器的,电路设计必须考虑考所需要控制的点数,选 择合适的控制器的CPU单元以及扩展模块,然后再根据执行机构选择合适的电气设备。本 章在后面的小节中将结合灌装控制需求,先设计出整个生产线的主电路图,再根据主电路选 [15] 择出合适的电气设备,设计出合理控制电路图 。 4.2主电路的分析与设计 9 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 在生产线运动驱动设备选择上选择变频器和变频电机,而没有选择伺服驱动器和伺服电 机主要是因为这里本设计中除了灌装机旋转需要比较精确的速度外,其他的并不需要特别精 确;另外,伺服驱动器以及伺服电机的价格要高出普通的变频器和变频电机。 本设计中,对于电动机的控制采用一对一,即一台变频器驱动一台变频电机。变频电机 选择可以变频调速的鼠笼式三相异步电机;变频器则采用日本松下电器公司的VF0变频 器,该变频器能接收由PLC发出的脉冲宽度可调PWM脉冲进行调速,方便于人工点动加减 速对传送带速度的控制。在下面主电路设计过程中共5台变频器,其中第一台控制传送带的 变频器,它直接由Q0.0采用输出PWM脉冲来控制传送带电机;第二台控制灌装机旋转速 度的变频器由CPU224XP基本单元自带的的模拟量输出点AQW0来控制,这里使用CPU 224XP基本单元的主要原因是它自带一路模拟量输出点,这样可以减少使用模拟量输入输出 模块,较少开支,提高经济效益;第三台控制液缸内液面恒定的变频器由扩展输入输出模块 EM235中的模拟量输出端子AQW4来控制。主电路中,另外还用到的两台变频器来控制抽 取空啤酒瓶内空气用的吸气泵电机以及向空啤酒瓶内充入CO 的充气泵电机。吸气泵、充气2 泵都可以看作是真空泵,只是前者用于从真空缸内吸气排到外界,后者从外界吸入的CO 气 2 体向CO 气缸内充气。因为这两台台电机直接由基本操作面板BOP来控,不再需要PLC作 2 控制,所以在本文4.3节的PLC控制电路设计图中,不再画出来。具体对线节作出说明。主电路中使用到的电器元件有断路器、接触器、变频电机、变频器、 熔断器等电气元件,具体如下图所示: 图4.2 主电路设计图 Fig.4.2Adesigndrawingofthemaincircuit 10 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 4.3控制电路的分析与设计 本设计涉及到速度、液位的控制调节,均可以采用,模拟量输入模拟量输出进行PID运 算控制调节。但是为了程序更加的丰富,当然也考虑到控制调节更加适当,本人没有全部采 用模拟量输入模拟量输出的方法进行控制。对传送带速度的调节我直接采用脉冲输出端 Q0.0输出脉冲宽度可调脉冲PWM的方法进行控制,调速过程直接点动进行加减速,直到空 啤酒瓶的传送速度最适合灌装机的速度为止,这样可以人为的对传送带的速度进行任意的调 控,方法简单;对灌装机旋转速度的调节,因为灌装过程需要的时间比较精确,速度调控必 须要相对来说精确一些,我则采用旋转编码器测速与原先速度设定值进行比较,然后进行 PID调控,是一种脉冲量输入模拟量输出的方法;而对液缸内液位的控制,我则直接采用模 , 拟量输入模拟量输出的方法即可[11 14]。 4.3.1对传送带速度控制的分析 在传送带的控制设计中,需要将传送带的速度调节到与灌装机的灌装速度匹配,以免传 送带上出现少瓶或者瓶子堆堵的情况,影响生产效率。为了便于速度的调试,我这里直接采 用手动点动的形式对传送带速度进行控制,点动传送带加速按钮传送带则缓慢加速,点动传 送带减速按钮,则传送带缓慢减速,采用的是脉冲宽度可调PWM脉冲调节控制。当减速、 加速按钮均没有按下时,电动机匀速。在这里,只需要整个生产线设备开始运行时对传送带 的速度做调节,如果整个生产线的瓶流量是正常的,一般不再需要对传送带的速度进行调 节。也就是说,整个生产线在最初时启动时,调试完毕以后,即可进行正常的生产过程。 4.3.2对灌装机旋转速度控制的分析 灌装机的旋转部分速度的控制尤为重要,因为旋转部分的速度如果不适当,或者不稳 定,将会导致灌装不正常,灌装不能实现保质保量最终影响啤酒生产效益。为此,对灌装机 旋转部分速度的控制必须要准确。 为了达到以上目的,我采用半闭环反馈设计,编程方式是脉冲量输入模拟量输出,首先 设置实现要求生产过程的运动速度,该速度转变为单位时间脉冲量,该脉冲量即速度设定 值。然后将旋转编码器(编码器与电动机同轴相连)输出的单相脉冲反馈给控制器PLC,由 PLC进行高速脉冲计数,而速度当前值采用定时中断采样,对运动中速度(脉冲)当前值采 样。然后PLC进行PID运算,最后结果输出成模拟量控制变频器,从而控制电动机的转 速。脉冲输入模式采用工作模式0 (输入I0.0),即单路脉冲输入的内部方向控制加/减制计 [11] 数方式,设置控制字为加计数 。 4.3.3对液缸内液位恒定控制的分析 本设计中,液料的灌装是一个最为核心的问题。在前面已经提到,灌装阀门打开以后, 要使得在瓶子在相同的灌装时间内,灌装的容量相同,必须考虑这个液缸内的酒液料的液面 11 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 是恒定的,也就说,液缸与液料阀直接连通的底部,必须保证它的压强是恒定不变的。因为 只有液缸内液料对液缸底部的压力恒定不变,才能保证灌装的速度是恒定的,只要液料灌装 的速度恒定,在相同时间内,空瓶内的啤酒容积必然是相同的,只有这样才能保质保量。于 是,这里涉及到一个对液缸内液面保持恒定的设计问题。 设计对液面的控制,转换为对压力的一个恒压控制。在液缸的底部安装一个压力传感 器,将传感器反馈回来的模拟量传给模拟量输入输出模块EM235,再由PLC采用PID运算 [11] 控制算法编程控制液位,从而间接地控制了液缸内液面的恒定 。设计的原理框图,如 下: 图4.3 恒液位控制原理图 Fig.4.3 Aschematicdiagramofconstantliquidlevel 在上图中,设定压力SV是工艺要求的设定值,代表了一定的液面高度,这个高度决定 了灌装酒料时的速率,液面越高则压力越大那么灌装速率也会越高。在这里设定的压力值必 须合理,只有这样才能保证啤酒瓶从灌装机内出来以后,保证是属于罐满的状态。液缸内底 PV PLC PID 部安装的压力传感器把压力值 反馈到模拟量输入输出模块的输入端,由 进行 控 E E PV 制。控制运算得出比较的结果 ,如果 为正,说明实际的压力值 是小于最初的设定值 SV PID U 的,那么 的输出 就会增大,变频器的输出也会增大,水泵的转速提升,实际的压 力值PV随着上升,而伴随着PV值得上升,E亦逐渐的减小。当PV等于SV时,水泵电动 机的转速维持在一个恒定值;如果E为负值,则说明情况刚好相反,即设定值SV小于反馈 值PV,那么U、F、N这三个量也会逐渐的减小,直到PV=SV为止。 4.3.4控制电路的设计 本设计中,共采用了数字量输入点15点,数字量输出点25点,模拟量输出点2点。控 制部分PLC采用西门子S7-200中自带一路模拟量输出通道CPU224XP的PLC,然后扩展外 加一个模拟量输入输出单元EM235,这样即可满足2模拟量输出的要求。考虑到CPU224 XP数字量输入输出点位14输入、10输出,还远不能满足数字量输入输出口,于是扩展一个 数字量输入输出模块具备16输入、16输出点的EM223,这样就可以满足设计需求,而剩余 的输入输出点可以备做它用。 12 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 图4.4 PLC控制电路设计图 Fig.4.4AdesigndrawingofthecircuitcontrolledbyPLC 控制电路设计图中,因为需要使用到脉冲输出,所以使用的是晶闸管输出型PLC,输入 输出均采用24V直流电压。上图中因输入输出端口较多,没有图中详细标明各个端口的作 用,具体作用在后面的输入输出分配中做详细说明。以下是控制电路中所使用到的主要电气 元件: 13 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 表4.1主要电气元件 Table4.1 Mainelectricalelements 编号 元件名称 件数 作用 1 可编程控制器PLC 1 控制器 1 输入输出扩展模块EM223 1 扩展数字量输入输出 1 模拟量处理模块EM235 1 模拟量处理 2 松下VF0变频器 5 驱动、控制电机 3 变频电机 5 驱动执行机构 4 熔断器 8 电源、过载保护 5 交流接触器 3 控制变频器电路通断 6 过流继电器 3 电机过电流保护 7 断路器 8 控制电路通、断电 8 编码器 1 测速 9 降压整流器 2 为PLC提供直流电压 4.4输入输出I/O分配 15 25 1 本次设计所使用的数字量输入点共计 点,数字量输出点 点;模拟量输入点 点, 2 模拟量输出点 点。输入输出分配表如下图所示: 表4.2输入端子 Table4.2 Inputterminal 名称 端子号 作用 编码器单路脉冲输入 I0.0 检测灌装阀1下是否有瓶子 灌装阀1位置传感器 I0.1 编码器1反馈脉冲输入端 启动传送带电动机1 I0.2 启动传送带电动机1 停止传送带电动机1 I0.3 停止传送带电动机1 对传送带加速按钮 I0.4 点动对传送带加速 启动灌装机电动机2 I0.5 启动灌装机电动机2 停止灌装机电动机2 I0.6 停止灌装机电动机2 启动所有变频器按钮 I0.7 启动电路图中所有变频器 停止所有变频器按钮 I1.0 停止电路图中所有变频器 对传送带减速按钮 I2.0 点动对传送带减速 灌装阀2位置传感器 I2.1 检测灌装阀2下是否有瓶子 灌装阀3位置传感器 I2.2 检测灌装阀3下是否有瓶子 灌装阀4位置传感器 I2.3 检测灌装阀4下是否有瓶子 液料泵启动按钮 I2.4 启动液料泵 液料泵停止按钮 I2.5 停止液料泵 液缸底部传感器输入 AIW4 压力传感器输入点 14 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 表4.3 输出端子 Table4.3 Outputterminal 名称 端子号 作用 传送带电动机1 Q0.0 控制传送带运动 灌装机电动机2 Q0.1 控制灌装机运动 托瓶盘电磁阀1 Q0.2 托瓶盘得电上升,失电下降 托瓶盘电磁阀2 Q0.3 托瓶盘得电上升,失电下降 托瓶盘电磁阀3 Q0.4 托瓶盘得电上升,失电下降 托瓶盘电磁阀4 Q0.5 托瓶盘得电上升,失电下降 线充气 液体阀1 Q1.0 灌装阀1灌装 泄压阀1 Q1.1 灌装阀1泄压 线充气 液体阀2 Q2.2 灌装阀2灌装 泄压阀2 Q2.3 灌装阀2泄压 线充气 液体阀3 Q2.6 灌装阀3灌装 泄压阀3 Q2.7 灌装阀3泄压 线充气 液体阀4 Q3.2 灌装阀4灌装 泄压阀4 Q3.3 灌装阀4泄压 液料泵电机 Q3.4 控制水泵启动停、止 传送带电机启动 Q3.5 传送带电机正转启动 接触器 Q3.6 控制所有变频器通电 旋转灌装机 AQW0 控制旋转灌装机变频器 液料泵 AQW4 控制液料泵变频器 4.5控制电路设备的端子接线届本科毕业设计说明书 电路中除了使用到西门子PLC 的各种控制单元,还使用到了各种辅助电气设备。前面 已经对CPU单元做了介绍,这里不再详细叙述,仅对编码器,变频器,EM235模块,压力 传感器,做一定简要说明。 4.5.1编码器 编码器采用增量式旋转编码器,套在变频电机的轴上作为测量旋状体的转速来使用。电 动机旋装时,旋转编码器旋转,编码器发出脉冲。在这里本人采用的是单向脉冲入计数,将 编码器A相输出的脉冲接入PLC 的高速脉冲计数器输入端I0.0,利用PLC定时中断计数, 计算出电机转动在单位时间内的脉冲量。在这里,将编码器脉冲反馈值与设定值作比较,然 后利用PID算法,最后输出控制就可以使电机维持在一个稳定的速度。变频电机的转速计算 公式如下[12,13]: N=(m/nT) 60* (4-1) 那么,速度设定值转换为脉冲量就是: m=(N/60) nT* (4-2) T 上式中, 为某段时间内对编码器脉冲输出个数进行计数,假设编码器一周输出脉冲数 n Ts m 为 ,在时间 内输出脉冲数个数为 。 4.5.2变频器接线及其参数设置 电路中使用5个变频器,灌装机的电动机,液料高度,传送带,抽气泵,充气泵。考 虑到本次设计并非大型的生产设备,不需使用大功率,我采用日本松下电器公司的VF0变 200V 230V 0.2 1.5KW 频器,它为单相交流变频器,电压是 ~ ,控制的电机输出功率是 ~ 。松 [2,10] 下VF0变频器主电路、控制电路接线 变频器主电路接线thewiringdiagramOffrequencyconverter’smaincircuit 16 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 图4.5控制电路接线 Aconnectionmethodtocontrolcircuit 变频器的主电路图在连接正确以后,要将PLC输出端子与变频器按照控制要求正确连 接。连接完成以后,需要对各个变频器分别设定参数。设计中,对传送带、灌装机、液面水 泵电动机的控制我采用由控制端子控制的方式,通过PLC对控制端子行进编程控制;而真 空泵则直接由基本操作面板BOP来控制。变频器的参数设置如下: 表4.4传送带变频器参数设置 Table4.4 Theparametersettingofbandcarrierinfrequencyconverte 参数号 参数名称 设定值 说明 P08 选择运行命令 2 选择外控操作 P09 频率设定信号 1 数字设定 P22 选择PWM频率信号 1 有PWM频率信号选择 P23 PWM信号平均次数 1 频率指令平均次数 P24 PWM信号周期 1 PWM输入信号的周期 P66 设定数据清除 1 将所有数据清零 表4.5 灌装机、液缸变频器参数设置 Table4.5 Theparametersettingoffillerandcylindertransduce 参数号 参数名称 设定值 说明 P08 选择运行命令 2 选择外控操作 P09 频率设定信号 4 0~10V电压信号 P66 设定数据清除 1 将所有数据清零 因为灌装机变频器与液缸变频器都是由PLC及其扩展模块的模拟量输出端子控制,采 用类似的接线方法,参数的设置也是一致的。在进行接线、参数设置以后,即可进行系统的 调试。 17 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 4.5.3 EM235的端子接线位数据格式, 其端子及其接线如图所示。RA、A+、A-为第一路模拟量输入端子,RB、B+、B-为第二路 模拟量输入端子,RC、C+、C-为第三路模拟量输入端子,RD、D+、D-为第四路模拟量输 M0 V0 I0 -10 +10V 0 入端子。 、 、 为模拟量输出端子,电压输出大小为 ~ ,电流输出大小为 ~ 20mA。L+、M接EM235的工作电源。如图中第一输入通道为电压信号输入接法,第二输 入通道未作使用。如模拟量输出为电压信号,则接端子V0与M0。本次设计,压力传感器 输出4~20mA 的信号至EM235,所以模拟量信号输入设定为单极性信号,对DIP开关 SW1~SW6分别设定为ON、OFF、OFF、OFF、OFF、ON。对DIP开关的设置,即下图中 右下角的配置开关。EM235模块模拟量输出只有一点,采用电压-10~+10V输出形式。具体 [1,2] 接线输入输出端接线 TheinputandoutputendconnectionofEM235 4.5.4传感器 设计中使用的传感器,包括压力传感器和光电检测开关。压力传感器是工业控制中一 种极为常用的传感器。普通的压力传感器输出的是模拟信号,将工业现场受到的压力转变为 正比的连续电压或者电流,它主要是利用压电效应制造而成的。在本设计中,我采用的是输 出模拟量信号为4~20mA 电流信号的普通压力传感器,作为检测液缸底部压强检测来使 用。 18 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 设计中还使用到光电开关,它也是一种传感器。它是利用被检测物体对光束的遮挡或者 反射,由同步回路选通电路,从而检测物体的有无。本文利用光电传感器来检测灌装阀下是 否有瓶子。 4.5.5真空泵 本设计采用水环真空泵,它属容积式泵,即急用容积大小改变达到吸气、排气的目的。 水泵由泵体、叶轮、前后端盖、前后分配器、轴、前后轴承部件、筏板部件等组成。具体工 作原理是:在泵工作之前,在水泵内注入少量的水,当叶轮旋转时,水受到离心力的作用, 在泵体壁上形成一旋转水环,水环内部表面与轮毂相切,如图顺时针方向旋转,在前半周过 程中,水环表面逐渐脱离轮毂,于是在叶轮之间的叶片内形成逐渐扩大的空间,这样便完成 里吸气过程。而在后半周,水环表面逐渐与轮毂靠近,叶轮之间空隙不断缩小,空间容积改 变一次,水泵如此不断循环,不断的从外界抽吸气体。 图4.7 水环线 Aschematicdiagramofwaterloopvacuum 19 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 第五章 啤酒灌装生产线的软件设计 一个完整的PLC控制系统设计,软件设计部分是它的重点,在这里我详细的介绍了软 件设计的整个过程。本程序涉及到需要控制的部分比较多,只需要一台PLC,但是要同时控 制传送带,灌装机,液缸内液位,所以程序比较复杂。在这里,本人程序设计的思路就是将 [14] 各个控制部分作为一个子程序,独立地设计各个控制部分 。 5.1啤酒灌装生产线程序流程图 本设计全部过程的工艺设计思路,传送带电机、灌装机电机、液料泵启动完成以后,进 行相应的调试,调试结束以后即可进行灌装。具体设计工艺流程图入下图所示: 图5.1基于PLC的啤酒罐装生产线 TheflowchartofbeerfillingproductionlinebasedonPLC 20 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 在这里需要对传送带进行点动加减速,以便人为选择最合适的空瓶传送速度;灌装机的 旋转速度与灌装速率关联,如果灌装未完成,啤酒瓶已经传送到传送带上了,这明显不能满 足要求,所以必须保证灌装机在满足灌装要求条件下保持的速度恒定;需要编码器反馈脉冲 信号给PLC进行恒速控制;同样道理,液缸内液面的恒压,也需要压力传感器反馈信号给 PLC进行恒液面控制。 5.2对程序进行向导、参数配置 5.2.1脉冲输出口Q0.0进行向导配置 控制传送带的速度,因为采用的是脉冲输出的方法对传送带调速,首先需要对脉冲输出 Q0.0 PWM [14] 口 进行 向导配置,配置过程如下 : 图5.2 脉冲数出口Q0.0配置 Fig.5.2 PulsenumberexportconfigurationofQ0.0 21 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 5.2.2灌装机速度控制PID运算参数设置 PID VB200, 9 传送带进行 运算使用的地址偏移量首地址是 共有 个参数,每个参数占用 [2] 4个字节,它的的参数表设置如下 : 表5.1PID运算参数表 Table5.1 PID运算参数表 符号 地址 注释 过程变量当前值PVn VB200 范围在0~1 设定值SPn VB204 范围在0~1 控制量输出值Mn VB208 范围在0~1 增益Kc VB212 采样时间Ts VB216 积分时间Ti VB220 微分时间Td VB224 上一次积分值Mx VB228 上一次过程变量PVn-1 VB232 触摸屏速度设定值 VD40 范围为0~30实数 触摸屏速度显示值 VD50 范围为0~30实数 5.2.3液面高度控制PID运算参数设置 这里我假设灌装机的液缸的高度是400mm,传送带进行PID运算使用的地址偏移量首 [2] 地址是VB200,共有9个参数,它的的参数表设置如下 : 表5.2PID运算参数表 Table5.2 PID运算参数表 符号 地址 注释 过程变量当前值PVn VB300 范围在0~1 设定值SPn VB304 范围在0~1 输出值Mn VB308 范围在0~1 增益Kc VB312 采样时间Ts VB316 积分时间Ti VB320 微分时间Td VB324 上一次积分值Mx VB328 上一次过程变量PVn-1 VB332 触摸屏液位设定值 VD60 范围为0~400实数 触摸屏液位设定值 VD70 范围为0~400实数 22 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 5.3生产线控制画面组态 设计未要求使用触摸屏,但是实际工厂生产中,使用触摸屏将为实际生产操作带来更大 的方便。为此,本人使用北京亚控科技公司设计的组态王软件进行控制画面的组态。在下面 [2] 组态了两个画面如图5.3、图5.4 。 在啤酒灌装生产线控制画面中,生产线总开关,用于控制接通、断开所有变频器的供电 电源。传送带可以进行加、减速控制,灌装机旋转速度可以根据实际设定相应的值,同时可 以监控当前值;液料泵与灌装机旋转速度控制操作一致,具体组态画面如下图5.3。在液缸 液位控制画面中,液体通过画面上的管道经过水泵流入液缸内。同样可以进行液位设置、当 前液位的查看。灌装机内的各个阀门控制,由画面中右上角的PLC传送信号进行控制。具 5.4 体组态画面如下图 。 图5.3 灌装生产线 Thecontrolcenariooffillingproductionline 图5.4 液缸液位控制画面 Fig.5.4 thecontrolscenarioofliquidcylinderandfluidlevel 23 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 第六章 控制系统仿真 本控制系统涉及传送带速度的调节,旋转灌装机速度的调节,灌装过程的调节,液位控 制的调节。但是对速度进行的调节,由于没有连接实际设备进行调试,这里没办法仿真。我 这里,只能对灌装过程、液缸内液位进行简单的仿真。灌装过程是动态画面,只在程序上作 [2,10] 出仿真,本人已将动态过程进行录像。下面,仅是液位控制的模拟仿线 恒液位控制组态仿线 Constantliquidlevelcontrolstatesimulation 仿真过程中,开始先设定液位设定值,随着液位从0开始不断的上升,直到接近设定值 50mm,然后一直在50mm附近维持一个稳定的状态。 24 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 第七章 总结与展望 本设计是基于PLC的啤酒灌装生产线控制系统设计,设计内容主要是通过PLC及其扩 展模块与变频器结合,对啤酒瓶传送、灌装、液位等一些过程的控制。文中我首先对啤酒特 性进行分析,在了解了啤酒的生化特性之后,选择出合适的灌装方法。根据灌装方法设计出 合理的啤酒灌装生产线设计工艺图。在完成以上内容以后,结合对控制要求的分析,我选择 合理的电气器件设计出了啤酒灌装生产线的PLC控制电路图。最后在附录中写出实现控制 灌装自动化的程序。本设计的难点在于如何控制传送带与灌装工作台之间速度的匹配以及液 缸内液位恒定的问题,因为它们决定啤酒瓶是否能有序地传送以及灌装的严密性、饱和度。 在文中我通过对自动控制的理解,采用PID运算控制算法完成了对速度、液位的恒定控制。 本论文在灌装机设计上只是做一简单设计,啤酒灌装的效率不高。为了达到每小时上万瓶的 灌装速度,应当增加灌装机的灌装阀以提高生产效率。当然,另外一个缺陷就是没有对灌装 成品检测这一环节,这也是本设计应当加以研究改进的方向。 通过本次设计,我基本上使用到了专业内的大部分知识,加深了对PLC、变频器、传感 器、电力电子技术等学科知识的理解。在做设计的同时,我有涉及到对伺服电机、步进电 机、触摸屏组态等等内容的学习,对我自身在今后的学习、工作中相信能带来积极的影响。 在本学期将近4个月的时间里,我深深的懂得知识积累的重要性,工业控制涉及到很多 的知识,需要学习很多的课程,只要把专业知识都学习扎实了,才有可能在往后的工作中具 备解决更多实际问题的能力。四年大学的学习生涯到此告一段落,但是真正的社会学习才刚 刚开始。往后的我,将要走上一个属于工控行业的技术岗位,我将努力秉承学校“重德重 能,求实求新 的校训,在工作中学不断学习,将理论知识应用到实际的生产工作中去,不” 断地去提高自身的专业技能。 25 天津理工大学2014届本科毕业设计说明书 参考文献 [1] 高安邦. 西门子S7-200 PLC工程应用设计.机械工业出版社2012.10. 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