飲料灌裝生產(chǎn)流水線PLC控制.doc

飲料灌裝生產(chǎn)的PLC控制摘要：文章探討了如何利用德國西門子PLC S7-200 進行飲料灌裝生產(chǎn)流水線的控制，重點分析了系統(tǒng)軟硬件設計部分，并給出了系統(tǒng)硬件接線圖、PLC 控制I/O 端口分配表以及整體程序流程圖等，實現(xiàn)了飲料灌裝的自動化，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強度。關鍵詞：PLC；自動化飲料灌裝生產(chǎn)線；系統(tǒng)硬件接線圖；I/O 端口分配表傳統(tǒng)的飲料罐裝生產(chǎn)線的電氣設備控制系統(tǒng)是傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制方式,在使用的過程中，生產(chǎn)工效低，人機對話靠指示燈+按鈕+訊響器的工作方式，響應慢，故障率高，可靠性差，系統(tǒng)的工作狀態(tài)、故障處理、設備監(jiān)控與維護只能憑經(jīng)驗被動的去查找故障點。且在生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生二次污染，造成合格率低，生產(chǎn)成本增加。而自動化生產(chǎn)線在眾多領域應用得非常廣泛，其控制部分常常采用PLC 控制，它使自動化生產(chǎn)線運行更加平穩(wěn)，定位更加準確，功能更加完善，操作更加方便。為適應發(fā)展，故提出下面的PLC控制技術改造現(xiàn)有生產(chǎn)線。本文介紹了德國西門子PLCS7- 200 在自動化飲料罐裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中的應用，并從硬件和軟件兩方面進行了分析和研究。一、設計任務1、課題內容飲料罐裝生產(chǎn)流水線梯形圖控制程序設計并畫出電氣接線圖。2、控制要求（1） 系統(tǒng)通過開關設定為自動操作模式、手動操作模式，一旦啟動，則傳送帶的驅動電機啟動并一直保持到停止開關動作或罐裝設備下的傳感器檢測到一個瓶子時停止；瓶子裝滿飲料后，傳送帶驅動電機必須自動啟動，并保持到又檢測到一個瓶子或停止開關動作。（2） 當瓶子定位在罐裝設備下時，停頓1.1秒，罐裝設備開始工作，罐裝過程為5秒鐘，罐裝過程應有報警顯示，5.1秒后停止并不再顯示報警。（3） 用兩個傳感器和若干個加法器檢測并記錄空瓶數(shù)和滿瓶數(shù)，一旦系統(tǒng)啟動，必須記錄空瓶數(shù)和滿瓶數(shù)，設最多不超過99999999瓶。（4） 可以手動對計數(shù)值清零（復位）。3、 課題要求（1） 根據(jù)課題的控制要求完成設計（2） 對電機、傳感器、到位開關選型并列出選型依據(jù)（3） 畫出電氣連線圖，寫出程序流程圖及代碼（4） 完成課程設計說明書二、總體設計方案1、飲料灌裝流水線的基本結構整個灌裝流水線的基本結構如圖1、圖2、圖3所示。整個流水線由主傳送帶、次品傳送帶、灌裝裝置、次品推動裝置、定位傳感器、次品檢測傳感器等組成。電動機的啟動和停止，灌裝裝置向上、向下移動和灌裝，次品的檢測、推動都是由PLC控制的。流水線由傳感器實時監(jiān)控，由PLC控制，控制準確，自動化程度高。一、系統(tǒng)概況飲料灌裝生產(chǎn)流水線是指按一定控制要求將有關驅動電機、電氣控制裝置、檢測裝置等組合為一體的多功能自動控制裝置。本系統(tǒng)電鍍生產(chǎn)線采用了傳送帶，傳送帶用一臺電動機控制，同時用變頻器對電機平滑調速。1、生產(chǎn)工藝及流程該罐裝生產(chǎn)線為人工/自動操作的工作程序，由2只電磁閥控制托瓶架的升降，2只電磁閥控制壓蓋的行程。驅動部分有：清水泵、無菌泵、清洗輸送、灌裝輸送、灌裝泵。1.1、手動控制工作狀態(tài)將操作臺上旋鈕置手動，各工位工作狀態(tài)如下：（1）按啟動按鈕，傳送帶把洗過的空瓶送到托瓶架上；托瓶架啟動，把洗過的空瓶送到罐裝機的罐裝口；罐裝泵啟動，罐滿后自動停止；（2）按停止按鈕，傳送帶停止。1.2、自動控制工作狀態(tài)（1）啟動：按下自動按鈕后，生產(chǎn)線進入自動工作狀態(tài)，具備工作條件后，瓶子隨著傳送帶進入工序。（2）罐裝：當瓶子隨著輸送帶平穩(wěn)的進入托瓶架時，托瓶架的限位開關信號送給PLC，翻瓶架的一組氣動電磁閥打開，汽缸開始工作，將瓶子送到罐裝口的下部，這時汽缸上限信號送入PLC，罐裝泵開始啟動，在罐裝的過程中翻瓶架自動落下，罐裝到一定的時間（及罐滿）后自動停止（罐裝時間3/5加侖的設定時間不同），罐裝結束后，經(jīng)過一定的延時時間，罐裝輸送帶開始啟動。具體流程圖如圖1 所示。在工作過程中，有自動和手動兩種工作方式選擇，操作方便。在多數(shù)情況下選擇自動工作方式，在維修和特別處理情況下選擇手動工作方式。二、系統(tǒng)硬件設計根據(jù)自動化電鍍生產(chǎn)線的控制要求，我們采用了德國西門子PLC S7- 200 CPU226 型號，此類型PLC 無論獨立運行，還是聯(lián)接網(wǎng)絡都能完成各種控制任務。它的使用范圍可以覆蓋從替代繼電器的簡單控制到復雜的自動控制。其應用領域包括各種機床、紡織機械、塑料機械、電梯、生成流水線等行業(yè)。S7- 200CPU226 通訊功能完善，具有極高的性能價格比是很突出的特點，也是我們采用它的主要原因。 PLC 為此系統(tǒng)的控制核心，此系統(tǒng)的輸入信號有兩部分，一部分是啟動、停止等面板控制按鈕，另一部分是多種行程開關，這些面板按鈕信號和傳感器信號作為PLC 的輸入變量，經(jīng)過PLC 的輸入接口輸入到內部數(shù)據(jù)寄存器，然后在PLC 內部進行邏輯運算或數(shù)據(jù)處理后，以輸出變量的形式送到輸出接口，從而驅動電機來控制行車的運行和吊鉤的升降。此系統(tǒng)PLC 硬件接線圖如圖2 所示，I/O 端口分配表如表1 所示。三、系統(tǒng)軟件設計飲料灌裝生產(chǎn)流水線的操作方式分為手動操作方式和自動操作方式。自動操作方式主要指連續(xù)操作方式。手動操作是指用開關對系統(tǒng)的操作模式進行設置。例如，當選擇自動操作模式時，啟用連續(xù)操作方式。連續(xù)操作是指從原點開始，按一下啟動按鈕，系統(tǒng)將自動地、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。在工作中若按一下停止按鈕，系統(tǒng)將繼續(xù)完成一個周期的動作后，回到原點自動停止。此系統(tǒng)的整體程序結構如圖3 所示。按一下啟動按鈕I1.0 執(zhí)行一個動作，并按規(guī)定順序進行。在單周期工作方式和連續(xù)操作工作方式下，可執(zhí)行自動操作程序。當按下連續(xù)按鈕I0.7 和啟動按鈕I1.0 后，中間繼電器M1.0 置位，連續(xù)執(zhí)行自動操作程序。當按下單周期按鈕I1.3 后，中間繼電器M1.0 復位，執(zhí)行一次自動操作程序就停止。在單操作程序、步進操作程序和自動操作程序中都必須使用中間繼電器，最后通過轉換能控制共同的輸出繼電器。根據(jù)前面的系統(tǒng)控制要求和I/O 分配表分析可得自動操作流程圖如圖3 所示。具體的工作過程如下：當PLC 運行時，初始脈沖SM0.1 對狀態(tài)進行初始復位。當系統(tǒng)在原點時，狀態(tài)繼電器S0.0 置1，Q0.4 得電，原位狀態(tài)指示燈亮。接下啟動按鈕I1.0 后，狀態(tài)繼電器S0.1 置1，同時S0.0 清零，原位狀態(tài)指示燈熄滅，Q0.0 得電，吊鉤執(zhí)行上升動作。當上升碰到上限位開關I0.0 時，狀態(tài)繼電器S0.2 置1，同時S0.1 清零，吊鉤停止上升，Q0.2 得電，行車開始右行，當右行到XK1 行程開關時，狀態(tài)繼電器S0.3 置1，同時S0.2 清零，行車停止右行，Q0.1 得電，吊鉤開始下降，當碰到下限行程開關I0.1 時，狀態(tài)繼電器S0.4 置1，同時S0.3清零，吊鉤停止下降，鍍件處于前處理槽中，定時器T37 開始計時，15S 后，定時滿，T37 常開觸點閉合使狀態(tài)繼電器S0.5置1，同時S0.4 清零，Q0.0 得電，吊鉤開始上升，重復執(zhí)行上升右行下降延時四個過程，具體操作省略，當在后處理槽30S 后，定時器T39 得電，狀態(tài)繼電器S1.5 置1，同時S1.4 清零，Q0.0 得電，吊鉤開始上升，當碰到XK3 行程開關，狀態(tài)繼電器S1.6 置1，同時S1.5 清零，吊鉤停止上升，Q0.3 得電，行車開始左行，當左行碰到左限限位開關I0.2，狀態(tài)繼電器S1.7 置1，同時S1.6 清零，行車停止左行，Q0.1 得電，吊鉤開始下降，當碰到下限開關I0.1，吊鉤停止下降。如果為連續(xù)工作方式，M1.0 置1，狀態(tài)繼電器S0.1 置1，重復執(zhí)行自動程序。若為單周期操作方式，M1.0 清零，狀態(tài)繼電器S0.0 置1，停止在原位。四、結語PLC 應用于自動化電鍍生產(chǎn)線，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強度，為了適應多種不同鍍件的工藝要求，還可編入多套工藝流程，系統(tǒng)的靈活性和通用性強，設計周期短。此控制系統(tǒng)經(jīng)過兩年多的實際運行，具有可靠性高，易操作，易維護等優(yōu)點，已取得了很好的經(jīng)濟效益，有著廣泛的應用前景。國內飲料產(chǎn)量連年遞增。隨著飲料市場的不斷發(fā)展, 預計到2015年飲料產(chǎn)量將達到3700 萬噸。然而, 飲料行業(yè)的快速發(fā)展卻不能掩蓋企業(yè)成本壓力逐漸加大的事實?？v觀國內飲料市場, 糖價的上漲和國際石油價格上漲帶來的PET 價格的上漲, 使飲料企業(yè)的成本大大提高。盡管如此, 沒有哪個飲料企業(yè)可以毫無顧忌地將產(chǎn)品提價, 以防企業(yè)在市場競爭中在價格上處于劣勢。企業(yè)在面對成本的壓力時, 只能從多方面進行自我消化和調節(jié), 而降低包裝成本從而緩解一部分成本壓力, 無疑是許多飲料企業(yè)都采取的措施。在這種情況下, 飲料行業(yè)在包裝方面則呈現(xiàn)了一定的變化趨勢。整線包裝解決方案受到用戶更多的重視整線包裝解決方案包括: 吹瓶、灌裝、套標、裝箱等, 它可以從整線工藝、工程設計規(guī)劃、人員管理等方面為用戶節(jié)省包裝成本。特別值得一提的是, 目前飲料生產(chǎn)企業(yè)在市場競爭的壓力下, 希望通過不斷開發(fā)新的產(chǎn)品、采用創(chuàng)新的包裝形式以適應消費者的需求, 進而贏得更廣闊的市場。那么在這種情況下, 飲料生產(chǎn)企業(yè)就必須通過包裝線的改變來實現(xiàn)產(chǎn)品包裝的變化。我們可以舉一些例子: 例如飲料企業(yè)要改變一種瓶型, 將直立瓶改為弧形瓶或者將圓瓶改為方瓶, 這些就要求供應商提供從吹瓶、灌裝到包裝各個環(huán)節(jié)與之相適應的包裝解決方案, 使整條生產(chǎn)線都要滿足該瓶型的生產(chǎn)要求, 此時單一的設備供應商比幾家設備供應商能夠更快速、更優(yōu)秀的完成整個改造。關鍵技術的實現(xiàn)方法311飲料罐恒液位控制1 設裝酒泵流量為q (L /s) , 則裝酒量為Q = qt。當酒瓶大小一致, 酒位h 應為Q 的函數(shù), 即h=f (Q )。又由于灌裝設備的裝酒時間段相等, 因此, 只要控制裝酒泵的流量恒定, 則可確保酒瓶中的酒位相等且為常數(shù)。由于裝飲料罐泵屬清水泵系列, 其出口壓力與出口流量有著一一對應的關系, 滿足清水泵的H-2Q 特性2 (這里H 為水泵的揚程即出口壓力) , 因此, 只要使裝飲料罐泵的出口壓力恒定就可保證出飲料罐流量恒定, 從而確保了液位恒定, 其原理框圖如圖3 所示。這里要說明的是采用壓力傳感器代替流量傳感器,間接地解決了在線檢測酒瓶中酒位的難題,而控制精度沒有降低,控制方案更為簡單。312速度調節(jié)控制在速度調節(jié)控制中, 采用變頻新技術, 用交流電機取代了原生產(chǎn)線的直流電機, 通過改變變頻器的控制信號(4 20mA ) 的方法來實現(xiàn)整個生產(chǎn)線的速度調節(jié)和速度設定。其控制系統(tǒng)框圖如圖4 所示, 速度調節(jié)規(guī)律如圖5。這里需要說明以下兩點: 1) 當PLC 接到堆堵或故障信號時, 則送一開關信號K, 將減速信號S 接入調速回路, S 信號具有在規(guī)定的時間內均勻地從0 增加到速度設定值SP, 其增加的斜率將是生產(chǎn)線減速直至停車的斜率; 反之, K 斷開, 生產(chǎn)線將在SP 的作用下, 加速直至預置速度vSP。2) P ID 控制器為Honeyw ell 公司的E40B 控制器, 其輸入U 同時送到M 12M 26的控制回路,經(jīng)適配器作為其他電機轉速設定值, 從而實現(xiàn)了整個生產(chǎn)線的同步協(xié)調控制。313其他信號的檢測與控制電機的過流保護、生產(chǎn)線的各限位開關、瓶堵等的檢測信號以及CO 2 預壓閥、壓蓋機構等的控制信號均為開關量信號, 由C200H 完成。應用效果該一體化自動生產(chǎn)線結構緊湊、功能強、控制精度高、操作簡便、生產(chǎn)效率高、抗干擾能力強。同時，在自動運行狀態(tài)下，如發(fā)現(xiàn)異常情況，可直接按下急停按鈕，PLC具有信號分析處理功能，經(jīng)邏輯判斷后輸出一個動作信號，一旦發(fā)現(xiàn)疑問，輸出信號受阻，生產(chǎn)線就會停止，PLC自動檢測輸入輸出工作情況可很快找到故障點，給維修帶來了很大的方便，使生產(chǎn)線的穩(wěn)定性、可靠性大大提高 ，且給今后實現(xiàn)生產(chǎn)工藝監(jiān)控系統(tǒng)，實行全過程動態(tài)控制打下了基礎。改造后，產(chǎn)量從原來的30桶/小時提高到80桶/小時，產(chǎn)量相應提高了167%。由于生產(chǎn)工藝實現(xiàn)了全過程自動控制，把原來的生產(chǎn)線改為全封閉式生產(chǎn)方式，基本上不于人體接觸，降低了二次感染率，因此產(chǎn)品合格率比原來提高了98%。4結論1) 該控制系統(tǒng)將恒酒位控制變?yōu)楹銐毫刂? 從而節(jié)省了投資, 簡化了控制, 裝酒誤差為0