物料灌裝混合控制系統(tǒng)的設(shè)計項目報告

1、機械工程技術(shù)綜合實踐項目設(shè)計報告基于PLC的啤酒灌裝混合控制系統(tǒng)的設(shè)計小組成員姓名：學(xué)院：機電學(xué)院專業(yè)：機械工程及自動化指導(dǎo)教師：時間：2015年11月16日一工程項目設(shè)計要求1. 工程項目背景夏天到了，天氣炎熱，國內(nèi)市場對啤酒的需求急劇增加；且目前由于國內(nèi)自動化水平 的提高，市場要求建立對啤酒灌裝的自動化生產(chǎn)線的呼聲呼之欲出；在這個背景下我們 將為此建立啤酒灌裝混合控制系統(tǒng)。2. 工程項目內(nèi)容實現(xiàn)自動控制啤酒的灌裝并監(jiān)視其灌裝的環(huán)節(jié)及生產(chǎn)線的安全穩(wěn)定運行。2.1 手動 /自動控制基于啤酒灌裝生產(chǎn)線為中型控制系統(tǒng)，項目要求實現(xiàn)手動、自動控制兩種工作模 式。2.1.1手動模式 手動模式用于設(shè)備的

2、調(diào)試和系統(tǒng)復(fù)位，包括：允許通過點動按鈕使傳送帶正向或反向運 行，用來調(diào)試設(shè)備；允許按下計數(shù)值清零按鈕對計數(shù)統(tǒng)計值進行復(fù)位。正向點動 /反向點動按鈕在手動模式下，正向點動 /反向點動按鈕用于調(diào)試設(shè)備。按下正向點動按鈕，傳 送帶正向運行，松手后傳送帶停止運行；按下反向點動按鈕，傳送帶反向運行，松手后 傳送帶停止運行。工件計數(shù)統(tǒng)計要求控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)工件的計數(shù)統(tǒng)計，包括空瓶數(shù)、成品數(shù)和廢品數(shù)。成品 數(shù)顯示在操作面板的數(shù)碼管上。模擬量檢測灌裝液罐的液位由模擬量液位傳感器進行監(jiān)視。液位低于下限時要打開進料閥 門，液位高于上限時要關(guān)閉進料閥門。2.1.2自動模式 自動控制模式下，應(yīng)對灌裝閥門進行定時控制和

3、液位檢測以保證啤酒容量一致；在灌裝 生產(chǎn)線中對空瓶、滿瓶數(shù)進行計數(shù)統(tǒng)計，以統(tǒng)計生產(chǎn)箱數(shù)及生產(chǎn)合格率； 啟動按鈕在自動模式下，按下啟動按鈕，啟動生產(chǎn)線運行。啤酒灌裝工藝流程為：（1）按下啟動按鈕，電動機正轉(zhuǎn)，傳送帶正向運行。（2）空瓶子到達灌裝位置時電動機停止轉(zhuǎn)動，灌裝閥門打開，開始灌裝物料。（3）灌裝時間到，灌裝閥門關(guān)閉，電動機正轉(zhuǎn)，傳送帶繼續(xù)運行，直到下一個空瓶子 到達灌裝位置。停止按鈕 在自動模式下，按下停止按鈕，停止生產(chǎn)線運行，電動機停止轉(zhuǎn)動，傳送帶停 止運行，灌裝閥門關(guān)閉。急停按鈕 當設(shè)備發(fā)生故障時，按下急停按鈕停止生產(chǎn)線的一切運行。2.1.3注意切換模式 只有在設(shè)備停止運行的狀態(tài)下，

4、才允許切換手動 /自動模式。 為了維修方便必須有手動模式，當生產(chǎn)線出現(xiàn)故障時可手動操作檢查故障點；2.2 就地 /遠程控制為實現(xiàn)無人工廠及日后維護必須建立就地 /遠程控制； 物料灌裝自動生產(chǎn)線模型設(shè)計 了就地和遠程兩種控制方式。就地控制是用操作面板上的按鈕和開關(guān)來控制設(shè)備的運行。遠程控制 是通過網(wǎng)絡(luò)用 HMI 的監(jiān)控系統(tǒng)來控制設(shè)備的運行。2.3 故障報警當設(shè)備發(fā)生故障時，控制系統(tǒng)能夠立即響應(yīng)，操作面板上相應(yīng)的故障報警燈會閃亮。按下故障應(yīng)答按鈕后，如果故障已經(jīng)排除則故障報警燈不亮；如果故障依然存在則故障報警燈常亮。2.4 PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物

5、料灌裝自動生產(chǎn)線上的I/O 信號通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)與控制柜中的 CPU進行通信。2.5上位機監(jiān)控為方面掌握全局將需要對項目進行上位監(jiān)控；可對下位生產(chǎn)線進行監(jiān)視及控制，實時掌握生產(chǎn)線的運作情況；出現(xiàn)報警可及時反饋并維修，保證生產(chǎn)線的正常運行。3. 物料灌裝自動生產(chǎn)線信號分析表1數(shù)字量輸入信號序號名稱1啟動按鈕2停止按鈕3正向點動按鈕4反向點動按鈕5手動/自動模式選擇開關(guān)6就地/遠程控制選擇開關(guān)7計數(shù)值清零按鈕8故障1信號源9故障2信號源10故障3信號源11故障應(yīng)答按鈕12急停按鈕13空瓶位置接近開關(guān)14灌裝位置接近開關(guān)15成品位置接近開關(guān)表2數(shù)字量輸出信號序號名稱1生產(chǎn)線運行指示燈2

6、手動模式指示燈3自動模式指示燈4就地控制指示燈5遠程控制指示燈6故障1報警指示燈7故障2報警指示燈8故障3報警指示燈9急停指示燈10灌裝罐進料閥門11灌裝罐排料閥門12物料灌裝閥門13終端指示燈14傳送帶正向運行15傳送帶反向運行16蜂鳴器174位數(shù)碼顯示（占16位）表3模擬量輸入信號序號名稱1灌裝罐液位傳感器2灌裝罐溫度傳感器二、工程項目設(shè)計方案1. 控制器的選用根據(jù)工程項目設(shè)計要求，需要選用合適的控制器1.1 控制器類型的選用 目前市場上主要有單片機及 PLC 控制器。第一，在功能上， PLC 控制器 優(yōu)于單片機、擴展模塊多，功能更加強大，生產(chǎn)效率更高，能為企業(yè) 創(chuàng)造的利潤更高。第二，在應(yīng)

7、用上， WinCC 監(jiān)控遠程顯示比單片機的顯示模塊更方便操作且功能更強大。 第三，基于自己對 PLC 更擅長的情況選擇 PLC 作為本項目的控制器。1.2 控制器品牌的選用國內(nèi) PLC 控制器主要有西門子 PLC 、施耐德 PLC 、三菱 PLC 及歐姆龍的 PLC 。因西門子 PLC 控制 器有明顯優(yōu)點選用西門子 PLC 作為本項目的控制器。具體優(yōu)點如下： 第一，西門子 PLC 抗干擾能力比較強，也比較耐用，維護率，損壞率比較低； 第二，西門子 PLC 的 dp 通信效果好；第三，西門子 PLC 的軟件 STEP7 比較好用； 第四，技術(shù)支持服務(wù)比較好；第五，網(wǎng)上資料比較多； 第六，在學(xué)校的

8、設(shè)備中西門子 PLC 較多；2. 控制器具體型號的選定第一，根據(jù)本項目的需求，因本次項目中屬于中型控制任務(wù)，在滿足控制任務(wù)的需求同時考慮到經(jīng) 濟簡便的因素選擇中型控制器，中型控制器中有西門子 300 系列； 第二，根據(jù)學(xué)校實驗室現(xiàn)有的設(shè)備中西門子 300 系列 PLC 比較富足第三，本學(xué)期正在學(xué)習(xí)西門子 300 系列 PLC第四，監(jiān)控系統(tǒng)采用 WinCC 監(jiān)控系統(tǒng)， 能夠通過直觀的畫面對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控， 而且可以實現(xiàn)上、6下位的遠程操作控制，使用方便。第五,因此，西門子300系列PLC控制器作為本次項目的控制器，本組項目選用通用型 300系列PLC進行控制。它可靠性更高、應(yīng)用靈活、編程方便、

9、擴展模塊多、功能完善、適用性強，在復(fù)雜的工 業(yè)環(huán)境下有較強的抗干擾能力。3. 硬件組態(tài)3.1硬件模塊在本項目中，所采用的機架型號為6ES7 390-1AE80-0AA0，機架以組態(tài)的形式出現(xiàn)，每一行代表一個插槽，表示相應(yīng)的模塊，用于安裝硬件模塊。1號槽為PLC的電源模塊。2號槽所采用的PLC 的CPU型號為314C-2 DP，它與PC通信的接口 MPI的地址為2,用于下載和監(jiān)視程序，由于本項 目不需要擴展機架，所以3號槽是空的。4號插槽配置了一個數(shù)字量輸入/輸出模塊 D032XD024V/0.5A，用到了輸出地址，其輸出地址是從2.0到5.0,操作面板上的指示燈、各繼電器和兩個電動截止閥連接到

10、此模塊上。5號插槽配置了一個模擬量輸入模塊AI8X12Bit，其輸入地址是從200到215，系統(tǒng)中的各個傳感器連接到此模塊上。6號插槽配置了一個模擬量輸出模塊AO4X12Bit，其輸出地址是從 200到207,該項目中具體的硬件組態(tài)設(shè)計見圖3-1。圖1硬件組態(tài)拓1圈夷伍件n 棚 itI就1 1rri rs jotl 站j1i CPU 314-2>EQT 3Jno2If刃1£5£S. 20. .t紳 2D&rtW.31 *J3LnBC2WO- 5A.邊訂 331-1 BUOOJUUJ2 &5Sir? 331 TKFOS 0*30200315a7£

11、;00 2fT7T/-：圖2硬件組態(tài)I/O地址分配表見表 4表5。表4啤酒灌裝自動化生產(chǎn)線的I/O地址分配表4.1/0分配根據(jù)項目任務(wù)要求分析，完成硬件組態(tài)之后，將 I/O模塊上的地址分配給 PLC啤酒灌裝自動化生產(chǎn)線上的傳感器和執(zhí)行器。具體啤酒灌裝自動化生產(chǎn)線的nSl-IIAtt1LU4ID 3停止按母-U4ID.lJ'l4CD 241 'I4CD 35手動丿口動?xùn)鄰pIX禪卉煮rjT40 46PJd慣忡制進梧幵產(chǎn)DIAID 57計毀值畫龍羥W1DIdIIjOS故隔1佶母豹DI.411.19L'l411-J111DI4n.ai 1Dl4tl 612DI斗11.7r舊主產(chǎn)

12、皺運疔桔示常DO5Q4 114手動棋武指護燈DO5Q4.215DO5Q4.3皿ro5QJ.4表5啤酒灌裝自動化生產(chǎn)線的I/O地址分配表序號若算購口*«址17遠程控DO5Q45IS故甜i抿雲(yún)扌話燈DO5Q3.11?敬隍£報翻帑対DO5052JU散陶3抿警扌討燈DO5Q5.321DO5Q57224位數(shù)碼品水1占LE位DO5QW623宇師懵骨押汗開黃DTd13 524曜號位査按近開KDI6I"25MeSIS 726催駛鑽進料閥門DO6asjo27no6QK 128惱料輕裝闊門DO6QS2矽DO6QS.430傳送哥正冃運冇DOd08,531傳送帝向運打DO6Qg百32Al

13、7FIW30433Al7PIW30695硬件接線圖具體硬件接線圖如下圖圖3、圖4、圖5所示密対1 仔JdL曲kH UrfgT .Ktjrerrfl JEZ 聞疵 SOfE 円 于* I白=ttA更戒他揮殲M 肚訛 遠才呈竝和妙曲丹工. wo_ BO- z5 lo.iIO?SZO.由IQ.T11 . N-.JL1.1222323孕口J534353?3V紳iw電金捋向令訐忡FHi4V圖3數(shù)字量輸入模塊 32DI的接線圖I1L11-1SX13223200曲理1捋窯指示幻" 址障2報警抱希燈 敬曲3抿書加示燈主嚴程凰=皆示燈 手動柜無捋遼 自圈槓式油示燈血用星竝帯！11旨寸、燈吐十,24VQ

14、ti.Q3M4L+ .r4VQ7.CQO2A4M圖4數(shù)字量輸出模塊 32DO的接線圖1134 呂?1OLJL51壬131. J141 P 9WQia o18 1is 23匕-一1IS 7Iiz7111 1iL +|OSOlrI<3 fi IJ=/OS 2|=|os.31_1OS.-*OQ.5jiO S . Apqm令、口工鼻SOT ST>OF W n 隹：古 嘗事孑斤于戶 KMHJI 任 0 HC?£X JFFK-r Af E=l -r7SFFSt皿垃時應(yīng)鼻斗ibtEjr >l£ KettZS眉矗斗 KBJ r寸站廿精対呂汙氓對化借帝正F隹P0氓辰 1*3

15、適 P圖5數(shù)字量輸入/輸出模塊8DI/8DO的接線圖6. 程序設(shè)計6.1程序結(jié)構(gòu)框圖在本項目設(shè)計中，整個物料混合系統(tǒng)包括現(xiàn)場硬件設(shè)備和遠程控制兩大部分，啤酒灌裝系統(tǒng)設(shè)計分為就地/遠程選擇模式、手/自動運行模式選擇。因此，在程序中必然涉及到OB1主程序，主要用來調(diào)用各個子程序，包括手動運行程序、自動運行程序、急停處理程序等；為了方便數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采 集和處理，減少 CPU的負擔(dān)，程序中用了 OB35;具體程序流程圖如下圖圖6所示。主程序OB1的程序結(jié)構(gòu)流程圖6.2 程序調(diào)試過程中遇到的問題與解決方法1）問題： CPU 不啟動 解決方法：首先檢查組態(tài)是否完成；再檢查硬件組態(tài)是否載入；若前者都滿足仍然無

16、法啟動，則檢 查 CPU 工作模式，進行暖啟動。2）問題：電機不動，泵不工作 解決方法：首先通過萬用表測電機與泵是否有故障，發(fā)現(xiàn)沒有故障；然后通過運行程序發(fā)現(xiàn)電機沒 有輸入轉(zhuǎn)速，改變變頻器給電機的轉(zhuǎn)速，促使電機正常運轉(zhuǎn)。3）問題：當 A 液位85%時， A 液位的上限燈不亮？ 解決方法：首先通過檢查程序與地址，查找過后發(fā)現(xiàn)沒有錯誤。然后檢查硬件問題，發(fā)現(xiàn)只有電壓 沒有電流，因此判斷是儀器的燈出了問題。4）問題：未達到供料值時，攪拌電機仍然工作？ 解決方法以：再系統(tǒng)開始運行時首先把攪拌電機復(fù)位。7. HMI 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計7.1HMI 組態(tài)在設(shè)計 HMI 監(jiān)控畫面之前， HMI 組態(tài)是必不可少的環(huán)

17、節(jié)， 為了將 WinCC 與所設(shè)計的程序?qū)崿F(xiàn) 數(shù)據(jù)通信連接，必須要安裝與自動化系統(tǒng)相匹配的通信驅(qū)動程序，并至少創(chuàng)建一個過程連接。在此 之后還要進行系統(tǒng)參數(shù) MPI 設(shè)置，選擇 WinCC 項目與所連接的 PLC 之間的通信協(xié)議為 MPI ，所使 用的硬件設(shè)備為 PC Adapter（MPI） 。地址是 2-0-0-2.檢查 WinCC 與 PLC 之間是否建立聯(lián)系，先打開編程軟件將程序啟動，再打開 wincc 查看“工 具 -驅(qū)動聯(lián)系 -確定”；要檢查它們兩者之間的連接情況是否為“確定”，否則，檢查連接電纜、PLC硬件組態(tài)參數(shù)等，確保兩者之間正確無誤的連接。7.2 建立組態(tài)變量在設(shè)計 HMI

18、監(jiān)控畫面之前， HMI 組態(tài)也是必不可少的環(huán)節(jié)； 只有建立組態(tài)變量才能實現(xiàn)上位與下位 的連接；實現(xiàn)遠程控制。因上位上能直接控制I信號，因此必須將M信號代替I信號進行遠程控制。 且必須在程序中添加對應(yīng)的 M 信號。在添加 M 信號的同時不能影響就地控制。7.3 設(shè)計監(jiān)控畫面7.3.1 監(jiān)控畫面說明在 HMI 組態(tài)畫面中需要建立初始畫面，運行控制畫面，趨勢圖畫面，報警畫面共四個畫面。1）初始畫面是整個系統(tǒng)的整體概述。2）運行畫面是整個系統(tǒng)的主體部分；它監(jiān)視并控制整個生產(chǎn)線的運行，實現(xiàn)遠程控制整個生產(chǎn)線。3）趨勢圖畫面是監(jiān)視啤酒液位灌裝的實時容量，以保證生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量。4）報警畫面是監(jiān)視程序的異常狀態(tài)并對異常情況進行文本報警。7.3.2 調(diào)試中遇到的問題及解決的辦法1）操作面板上的指示燈在 WinCC 畫面中不能實現(xiàn)實時顯示？ 解決方法：將相應(yīng)的指示燈的變量與 WinCC 畫面顯示連接在一起，并打開動態(tài)對話框，在此窗口中 選擇數(shù)據(jù)類型為“位”，在“位選擇”對話框中，選擇第 0 位，并且在“表達