毕业设计（论文）-自动灌装压盖机的PLC自动控制系统设计（全套图纸） .doc

全套图纸程序，加153893706毕业设计报告(论文)报告(论文)题目自动灌装压盖机的自动控制系统设计作者所在系部机械工程系作者所在专业机械设计制造及其自动化作者所在班级作 者 姓 名作 者 学 号指导教师姓名完 成 时 间2012年6月ii摘 要随着灌装行业自动化程度越来越高，plc在灌装机械中的应用也越来越广。研究设计应用plc控制灌装压盖机，要从了解此机械的工作流程开始，通过分析机械在何时产生什么样的动作，来布置传感器和分配plc的接口。了解机械装置部分可以为控制设计作铺垫，是实现控制的基础。plc程序编写主要采用梯形图，程序功能主要有：主机的关停，点动调试，碎瓶的清理，开关的控制，故障停机。程序要经过仿真试验并记录仿真过程及结果。本次设计改用了一些传感器，将一些光电开关换成了电磁式接近开关，减少了工作环境中的干扰，保证了工作的稳定性。自动灌装压盖机利用灌装过程中“有瓶开阀灌装，无瓶不开阀”的工作原理，使用plc实现灌装压盖全过程自动控制，使得一些自动化程度不高的工序有所提高，提高了生产效率，对于灌装行业的发展有重要的意义。关键词：灌装机 压盖机 接近开关 可编程序控制器abstractwith increasing degree of automation in filling industry, plc are used in the filling machines more widely. the study of using plc to control filling machine is start with understanding the workflow, and are to layout and distribution of plc interface to the sensor. learn some mechanism is to pave the way for control design and is the foundation to achieve control. plc programming are mainly ladder, the function of the program are mainly the host shut down, to move commissioning, cleaning up broken bottles, switch control of downtime. the programme must go through the simulation and record the simulation process and results. in this design a number of sensors are replaced, some of the photoelectric switch magnetic proximity switches are replaced, reducing the interference in the work environment to ensure the stability of the work. filling and capping machine automatically filling process using the open valve filling a bottle, no bottle no open valve works, using the plc to achieve automatic control of the whole process of filling and capping, has increase the degree of automation some process which are not high. the production efficiency are increased, it is significanct for the development of the filling industry.key word: filling machine capping machine proximity switch plc 目 录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 课题背景11.2 主要研究内容1第2章 灌装压盖机22.1 主要工作流程22.2 机械装置部分32.2.1电机32.2.2 传感器52.2.3 动力传递52.2.4 灌装缸液位控制器72.2.5 灌装缸及瓶托82.2.5 灌装阀开阀机构92.3 控制原理部分102.3.1 plc的工作原理102.3.2 plc编程语言122.3.3 plc控制的设计方法132.3.4 plc基本指令简介152.3.5 “有瓶开阀，无瓶不开阀”的工作原理162.3.6 plc的连接172.3.7 “有瓶开阀，无瓶不开阀”的物理实现172.3.8 理盖器的工作原理192.3.9 调速控制原理192.3.10 梯形图202.3.11 实验模拟操作23第3章 总结30致 谢31参考文献32北华航天工业学院毕业论文第1章 绪论1.1 课题背景灌装机行业竞争激烈，企业要在激烈的竞争中站稳脚步，需要不断的改进产品质量，向自动化、高效化发展。可编程控制器plc以其抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性能价格比高等优点，在工业控制领域得到越来越广泛应用，利用plc实现灌装压盖机的自动控制，结构灵活、维护简单、体积小，可大幅度节约使用成本，而且设备运行安全平稳。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业需求。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和小型机；从控制能力来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。利用plc实现饮料行业自动灌装封口机的控制，能够实现很好的经济效益，主要分析研究产品生产流程的数据采集，plc接线，程序编制，整个过程的控制协调以保证生产的持续性和对产品质量的保证。通过plc控制大大提高生产的自动化控制，实现产品的无菌包装和定量包装，从而使得食品生产的质量和效率能满足更高的要求。1.2 主要研究内容 主要研究的内容有三部分：第一部分是了解灌装机械部分，重点了解整个灌装的工作流程，以便如何选择控制方案，满足整个机械装置的工作要求。第二部分是选择plc的型号，传感器的种类，这一部分不仅要考虑所选型号既能满足生产需要，又要考虑经济性要求。在技术层面上考虑最终目的，也就是生产的效益。第三部分是整个设计中的重中之重，就是plc的接口分配及plc程序的编写，重点实现有瓶开阀，无瓶不开阀。处于核心部分，既要实现生产要求，又要做到简单明了。第2章 灌装压盖机2.1 主要工作流程图1 瓶子工作流程及接近开关布置图1-螺旋推进器 2-进瓶拨盘 3-导板 4-中间拨盘 5-导板 6-出瓶拨盘 7-压盖机 8-灌装机9-挡板 10-电控箱灌装压盖机是将液体物料灌入包装容器内并将容器封口的装置。灌装压盖二机合为一体，下面以玻璃瓶灌装压盖机为例介绍灌装压盖过程中的主要工作流程： 如图1所示洗净的瓶子由左边输入，进入灌装，压盖后从右边输送链输出。在机器连续运转的状态下，洗净的瓶子在进入灌装机之前必须单列紧密跟进，经过螺旋推进器1，将瓶子一一定位，送入灌装进瓶拨盘2，进瓶拨盘2再将瓶子转换方向送上托瓶机构的瓶托上，使瓶子与位于灌装缸下面的灌装阀对中，接着瓶托上升，使瓶口与灌装阀紧紧密封，灌装阀逐个被打开进行等压灌装，然后关阀、排气，装满液体的瓶子随着瓶托的下降而被导入中间拨盘4，再进入压盖主轴拨盘7，随着压盖头的下降，完成压盖后经出瓶拨盘6将瓶子送到输送机链板上，至此整个灌装压盖工作完毕。2.2 机械装置部分2.2.1电机本课题所研究的灌装压盖机，共使用四个电机，分别是：m1(1.5kw、3.7a)、m2（40w、a02-5024）、m3（15w、y90l-4）、m4(0.25kw、0.9a)。它们的作用分别是：主机，调速，输瓶，送盖。如图2所示，m1作为主机，主要是负责通过带传动，链传动，减速器等设备实现整个系统的运转，是整个灌装压盖机的动力装置；m2是调速电机，通过调节与主机的轴向距离，改变主机的输出转速，从而调节整个设备的运行速度，以此来调节生产效率。由此可知，此电机一般情况下是不使用的，只是在生产任务有变化时对整个设备进行调节，调速原理见下；m3是输瓶电机，就是传送带的动力装置，负责输送空瓶，并将灌装压盖完毕的产品运走，进行下一道工序；m4是理盖器电机，受信号控制，当供盖不足时，自动启动，进行理盖，供盖充足时，延时停机。m1、m2承担着大部分的动力供应，两者功率较大，都为1.5kw。m3、m4功率较小，两者都小于500w。针对灌装压盖设备需要运行稳定、不需要频繁启动的要求，m1、m3选用y90l-4电机，m4工作中需频繁启动，选用a301，而m2不经常使用，要求较低，故可以选用a02-5024。电动机采用tn-c-s接线方法，主要有三相五项制和三相四线制。其中三相四线制要求pen（地线）在规定范围内接地，也就是在入户端就近接地，进入入户端后分为三相五线制到达用电设备。对设备直接使用者接线对号入座就可。图2 电机接线图导线分为入户端前为黄、绿、红、黄绿线，入户端后分为黄、绿、红、淡蓝、黄绿线。例如：rvv-(h/l)4*1.5 r-铜芯；v-聚氯乙烯绝缘；4-4-芯；1.5-导线的截面积；h-橡胶套；l-铝。2.2.2 传感器传感器为机械设备和软件控制搭建了桥梁，通过为控制装置提供实时信号，实现设备的实时控制。作为灌装压盖使用的传感器，为了保证食品的卫生要求，应尽量减少与食品本身的接触，故在经济条件和技术条件允许下选用传感器。其中以电磁式接近开关与光电开关在适应工作要求和性价比方面最为适合灌装机使用。本课题研究的灌装压盖机主要用到传感器五个，分别标号为：sq10、sq11、sq12、sq13、sq14。其中sq13位光电开关，sq12、sq14、sq10、sq11接近开关。在选用传感器的过程中，根据传感器安装的工位，工作环境等因素考虑，sq10、sq11的安装位置虽然光电开关和电磁式接近开关都适合，但是在工作中光电开关受到环境中光的干扰较大，故选用电磁式接近开关，以获得稳定的实时信号。sq13由于安装在送盖滑道中，受到光的干扰很小，而且能精确地检测到有无瓶盖，选用光电开关非常合适。传感器经安装之后要经过精密的调试，以确保能够准确的获得实时信号。传感器安装位置见图1。2.2.3 动力传递灌装和压盖连个主要功能是通过执行机构的旋转或往复运动实现的，传动部分的作用就是将电机输出的动力和运动传递和分配给执行机构实现灌装和压盖，传动系统示意图如图3所示。灌装与压盖工作的主电机是ymt132-4b1.5kw的普三相交流异步电机1，经过变频无级调速通过三角带传动10到tps-32蜗轮减速机13，涡轮减速机的上输出轴的齿轮14与压盖机传动齿轮15相啮合，下输出轴的齿轮通过介轮20与灌装部分的中间拨盘链轮9啮合，再与灌装大齿圈3相啮合，从而实现整个灌装与压盖传动的功能，灌装与压盖的转动均为顺时针方向。进瓶拨盘轴上装有一主动链轮5，螺旋推进器部分的大锥齿轮轴上也有一相应的被动链轮8，通过套筒滚子链6将运动和动力传给螺旋推进器的立轴，再通过一对锥齿轮传动和，将竖直方向的旋转运动转换为水平方向的旋转运动，从而带动螺旋推进器旋转。安装时，首先要把各个齿轮所对应的盘上的螺钉松开，进行生产前的调试。其中调整同步性最为重要，就是一灌装阀与瓶托的中心为基准。即:进瓶拨盘与灌装瓶托对正，；螺旋器与进瓶拨盘同步，中间星轮与灌装瓶托对正，卸瓶星轮与压盖机主轴的定位星轮对正同步，中间星轮与压盖机定位星轮对正同步，如果产生误差可以拆下蜗轮减速器下的齿轮来调整误差直至同步为止。图3 dgp16/6等压灌装压盖机传动系统示意图1-电动机；2-电动机带轮；3-灌装大齿轮；4-进瓶拨盘齿轮；5-主动链轮；6-套筒滚子链；7-张紧链轮；8-螺旋推进器链轮；9-输出轴轮；10-三角带a型；11-减速机带轮；12-介齿轮；13-涡轮减速器；14-减速机输出齿轮；15-压盖传动齿轮；16-下输出轴齿轮2.2.4 灌装缸液位控制器 图4 dgp16/6等压灌装压盖机液位自动控制器结构示意图1-阀座；2-阀体；3-螺杆；4-调整螺钉；5-密封圈；6-密封圈；7-密封圈；8-进气阀芯；9-排气阀芯；10-弹簧；11-杠杆；12-浮筒；13-灌装缸上盖；14-密封圈为了保证灌装过程中的平稳，必须对灌装缸内的液体的液位的高低进行自动控制。图4是dgp16/6等压灌装压盖机液位自动控制器结构图。其原理是利用液位控制来控制液料的进液压力与灌装缸内气体的压力之间的压差，以保证缸内液位的稳定。阀座1固定在灌装缸上盖13上，阀体2固定在阀座1上，螺杆3用来调整阀体与阀座1中的上下位置看，浮筒12与杠杆11、进气阀芯8、排气阀芯9刚性连接，杠杆11通过销轴与阀体2相连，杠杆11可围绕销轴上下摆动，从而带动进气阀芯和排气阀芯上下移动。在灌装过程中缸内液体下降时，浮筒12也随着下降，因而带动杠杆11顺时针转动，使排气阀芯9下移，密封圈5不起密封作用，便打开排气阀，排出灌装缸内的反压气体，缸内的气压随之降低，所以液体便缓缓流入灌装缸内，杠杆11围绕销轴作缓缓的逆时针转动。当液位升至要求位置时，密封圈5便起密封作用，将排气阀关闭。当灌装内液位超过浮筒12控制的正常液位时，杠杆11逐渐带动进气阀芯8下移，使密封圈14不起密封作用，打开进气阀，使反压气体进入缸内（因为反压压力高于进液压力0.05mpa），由于灌装缸内反压压力增长即产生压差，会使料液停止进入缸内，以保证生产中的液位动态平衡，稳定状态一般使液位保持在视窗的1/2-1/3高度处，可通过视窗孔观察。2.2.5 灌装缸及瓶托图5等压灌装压盖机灌装缸及瓶托升降机构简图1-中心进液管；2-气管；3-进液支管；4-气液分配器；5-轴承；6-升降转轴；7-升降链轮；8-升降螺母；9-无油润滑轴承；10-升降支柱；11-瓶托；12-套筒；13-密封圈；14-锁紧螺母；15-背母；16-气缸筒；17-凸轮；18-滚轮；19-轴承；20-轴用挡圈；21-灌装大齿圈；22-四点接触轴承；23-工作台下平板；24-气管；25-回转盘图5为dgp16/6等压灌装压盖机灌装缸及瓶托升降机构简图。16个瓶托机构均布在转盘25上，回转盘25与灌装大齿圈21刚性连接，四点接触轴承22的内径与灌装大齿圈的外凸缘相配合，四点接触轴承22的外径与工作台下平板23相配合，在工作过程中，大齿圈与工作台下平板静止不动。在灌装过程中，瓶子要通过灌装阀和灌装缸相接触，并且要求在密封状态下进行灌装，灌装后的瓶子脱离灌装阀，使瓶子与大气相通，这就要求在灌装过程中，瓶子有一个上升和下降的运动，这一升降运动，就是通过瓶托升降机构来实现的。（1）瓶托升降机构 等压灌装压盖机灌装缸及瓶托升降机构如图5所示。瓶托升降机构采用的是用气缸将瓶托升起，靠凸轮17的斜面将气缸筒16、瓶托11拉下。16个瓶托机构固定在回转盘25上，随同回转盘一同旋转。瓶托11固定在气缸筒16的上部，滚轮18通过滚轮轴固定在气缸筒16的下部，因有轴承19的作用，滚轮18可绕滚轮轴回转。在工作时，压缩空气通过气管24同时通入16个气缸内部，活塞杆固定不动气缸筒16可上下移动。凸轮17的形状是按灌装时的工艺要求来设计的，有了凸轮17的作用则使16个瓶托处于不同的高度。压缩空气在16个气缸和环形管中循环使用，进气与出气的情况基本平衡，只需补充少量漏损量。（2） 灌装缸升降机构 由于灌装机要适应不同类型、高度的瓶子，所以灌装缸的高度要能够调整。灌装缸固定在三个升降支柱10的上部，调整螺母8和升降链轮7与升降转轴6通过键连接，升降支柱10固定在回转盘25上，升降转轴6下部的体形外螺纹与升降支柱10下部的梯形内螺纹相配合，三个升降支柱10通过链轮7和套筒滚子链相连接，转动一个调整螺母8则三个升降转轴同时旋转，因升降转轴6转动时升降支柱10固定不动，所以升降转轴6在转动的同时还有垂直方向的升降运动。调整灌装缸高度的方法是：在停机的情况下，首先卸下关阀机构，调整泄压板至脱离泄压板阀触头为止，再用专用手柄插入灌装缸下三根支柱10的调整螺母8的孔中，调整螺母8转动即可使灌装缸上升或下降至所需高度，理想的高度是灌装阀控位圈的最下沿距离瓶口约59mm。与此同时，将环形板的灌装控位架及防护罩上升或下降相同的高度即可。先松开防护罩下四根支柱上的螺母，然后调整到相应的高度后再锁紧，一般为泄压板与灌装阀的泄压阀排气塞的高度一致。2.2.5 灌装阀开阀机构 它的作用是打开灌装阀中气阀和实现无瓶不开阀、不灌装。图6是dgp16/6等压灌装压盖机开阀机构结构图。支架6用螺钉固定在环形板上，角支架4与气缸9、两个侧板5和气缸9用螺钉刚性连接，角支架4在支架6上可通过长孔调整位置，连杆7与活塞杆8刚性连接在一起，连杆7、角支架4和滑块1之间用销轴2来连接，彼此可以有相对转动。当在进瓶处检测到有瓶时，信号送plc处理，当瓶子到灌装工位时，自动接通一电磁阀，气路被自动打开，压缩空气进入到气缸9的内部，活塞杆8向上伸出，使得滑块1向上倾斜一小角度，此时，灌装阀的扳机正从滑块1的上部经过，扳机被转动一小角度将灌装阀的气门打开，灌装阀开始灌装工作。当检测到无瓶时，上述动作不进行，灌装阀不被打开。图6 dgp16/6等压灌装压盖机开阀机构示意图2.3 控制原理部分2.3.1 plc的工作原理最初研制生产的plc主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点(包括其常开或常闭触点)在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。plc的cpu则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。在plc存储器内开辟了i/o映像存储区，用于存放i/o信号的状态，分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，此外plc其他编程元件也有相应的映像存储器，称为元件映像寄存器。i/o映像区的大小由plc的系统程序确定，对于系统的每一个输入点总有一个输入映像区的某一位与之相对应，对于系统的每一个输出点也都有输出映像区的某一位与之相对应，且系统的输入输出点的编址号与i/o映像区的映像寄存器地址号也对应。plc工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，运算结果存放到输出映像区对应的位上，plc在执行用户程序是所需描述输入继电器的等效触头或输出继电器的等效触头、等效线圈状态的数据取用于i/o映像区，而不直接与外部设备发生关系。i/o映像区的建立使plc工作时只和内存有关地址单元内所存的状态数据发生关系，而系统输出也只是给内存某一地址单元设定一个状态数据。这样不仅加快了程序执行的速度，而且使控制系统与外界隔开，提高了系统的抗干扰能力。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而plc扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，plc采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于i/o响应要求不高的场合，plc与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。当plc投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，plc的cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。(一) 输入采样阶段在输入采样阶段，plc以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入i/o映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(二) 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，plc总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统ram存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i/o映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在i/o映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在i/o映象区或系统ram存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。(三) 输出刷新阶当扫描用户程序结束后，plc就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照i/o映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是plc的真正输出。2.3.2 plc编程语言现代的可编程控制器一般备有多种编程语言，供用户使用。iec1131-3可编程序控制器编程语言的国际标准详细的说明了下述可编程控制器编程语言：1、顺序功能图2、梯形图3、功能块图4、指令表5、结构文本其中梯形图是使用的最多的可编程控制器图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制，主要特点如下：(1)可编程控制器梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器（即硬件继电器），而是在软件中使用的编程元件每一编程元件与可编程序控制器存储器中元件映像寄存器的一个存储单元相对应。(2)梯形图两侧的垂直公共线称为公共母线（bus bar）。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路的分析方法，可以想象左右两侧母线之间有一个左正右负的直流电源电压，当图中的触点接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流（power flow）”从左到右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。(3)根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。逻辑解算是按梯形图中从上到下、从左到右的顺序进行的。(4)梯形图中的线圈和其他输出指令应放在最右边。(5)梯形图中各编程元件的常开触点和常闭触点均可以无限多次地使用。2.3.3 plc控制的设计方法硬件设计是plc控制系统的至关重要的一个环节，这关系着plc控制系统运行的可靠性、安全性、稳定性。plc控制系统的设计一般包括下面几个基本步骤: 1: 确定控制对象和控制范围。在设计plc控制系统之前，要详细了解工艺过程的控制要求，例如:弄清哪些信号藉输人plc，是模拟爱还是开关盘，使用什么元件输人信号;哪些信号需输出plc外部，通过什么执行元件去驱动负载;弄清整个工艺过程各个环节相互的联系;了解机械运动部件的驭动方式，是液压、气动还是电动，运动部件与各电气执行元件之间的联系;了解系统的控制是全自动还是半自动的，控制过程是周期性还是单周期运行，是否有手动调整要求等。另外要注意哪些爱斋要监控、报警、显示，是否需要故障诊断，需要哪些保护措施等。需要注意的是:各控制对象的驱动要求，如驭动电压电流)、驱动时间等;各控制对象的动作顺序，相互之间的约束关系等，使用流程图表示会显得更加明确;所有控制参数的确定，如开关爱的点数、模拟爱的精度要求等。2: 确定系统总体设计方案。要在全面深人了解控制要求的基础上确定电气控制方案，要了解控制系统的全部功能、性能要求及指标、控制方式、控制规模、控制范围、输入/输出信号种类、信号用途、对信号的要求(如对模拟输入量的精度要求、采样速率等)和数量、检测设备和控制设备的物理位置、有无特殊功能接口、与其他设备的关系、对其他设备驱动的要求、通信内容与方式等，以及对控制动作过程的时序分析。3: 确定输入/输出元件和plc机型。选择plc机型前，要选择合适的输入和输出元件，确定主电路各电器及保护器件，选择报警和显示元件等。根据所选用的电器或元件的类型和数量，计算所需plc的输人/输出点数，并参照其他要求选择合适的plc机型。（1） 分析系统类型是属于单体控制的小系统，还是慢过程大系统，或者是实时控制的快速系统等；（2） 分析有多少点开关量输入，是直流电压dc输入还是交流电压ac输入，电压分别为多少；（3） 确定有多少点开关量输出，采用何种输出方式，输出功率分别有多大，常用的输出方式有继电器输出、双向晶闸管输出及晶体管输出等方式；（4） 分析有多少模拟量输人和多少模拟量输出，各自的精度要求为多少，采样的速率要求有多高； （5） 是否需要扩展配置，若需扩展配置，是采用本地扩展配置，还是远程扩展配置，或是二者都要;若有远程扩展配置，是接终端还是接模块； （6） 是否有特殊控制要求，如高速计数器、位控及运动控制单元、温度单元、凸轮定位器pid单元、语音单元等； （7） 对输人、输出单元及内存容量等应考虑一定的冗余配置，以备扩展。4: 程序设计在完成上述工作后可开始控制系统的程序设计。程序设计的质量关系到系统运行的稳定性和可靠性。当控制系统较复杂时，可将其分成多个相对独立的子任务，最后将各子任务的程序合理地连接在一起。（1） plc控制系统的程序设计思想。由于生产过程控制要求的复杂程度不同，可将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。基本程序:既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序;依据计算机程序的设计思想，基本程序的结构方式只有三种:顺序结构、条件分支结构和循环结构。模块化程序:把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，最后组合成一个完成总任务的完整程序。这种方法叫做模块化程序设计。我们建议经常采用这种程序设计思想，因为各模块具有相对独立性，相互连接关系简单，程序易于调试修改。特别是用于复杂控制要求的生产过程。（2） plc控制系统的程序设计要点。plc控制系统i/o分配，依据生产流水线从前至后，i/o点数由小到大;尽可能把一个系统、设备或部件的i/o信号集中编址，以利于维护。定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保plc工作运行的可靠性。程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位（不是i/o位），也要统一编号，进行分配。在地址分配完成后，应列出i/o分配表和内部继电器或者中间标志位分配表。彼此有关的输出器件，如电机的正/反转等，其输出地址应连续安排，如q2.0/q2.1等。（3） plc控制系统编程技巧。plc程序设计的原则是逻辑关系简单明了，易于编程输入，少占内存，减少扫描时间，这是plc 编程必须遵循的原则。下面介绍几点技巧。plc各种触点可以多次重复使用，无需用复杂的程序来减少触点使用次数。同一个继电器线圈在同一个程序中使用两次称为双线圈输出，双线圈输出容易引起误动作，在程序中尽量要避免线圈重复使用。如果必须是双线圈输出，可以采用置位和复位操作（以s7-300为例如sq4.0或者 rq4.0）。如果要使plc多个输出为固定值 1 （常闭），可以采用字传送指令完成，例如 q2.0、q2.3、q2.5、q2.7同时都为1，可以使用一条指令将十六进制的数据0a9h直接传送qw2即可。对于非重要设备，可以通过硬件上多个触点串联后再接入plc输入端，或者通过plc编程来减少i/o点数，节约资源。例如:我们使用一个按钮来控制设备的启动/停止，就可以采用二分频来实现。模块化编程思想的应用:我们可以把正反自锁互锁转程序封装成为一个模块，正反转点动封装成为一个模块，在plc程序中我们可以重复调用该模块，不但减少编程量，而且减少内存占用量,有利于大型plc 程序的编制5: 调试程序。对编好的程序，可以先利用模拟实验现场信号进行初步调试。经反复调试修改后，使程序基本满足控制要求。6: 连机调试。程序连机调试可以发现程序存在的实际问题和不足，通过调试和修改后，使程序完全符合控制要求。程序调试完毕必须运行实践一段时间，才能确认程序是否达到控制要求。7: 编写技术丈件这部分工作包括整理程序清单并保存程序，编写元件明细表，绘制电气原理图。2.3.4 plc基本指令简介s7-200的simatic基本指令简表ldldnnn装载(开始的常开触点)取反后装载(开始的常闭触点)aannn与(串联的常开触点)取反后与(串联的常闭触点)oonnn或(并联的常开触点)取反后或(并联的常闭触点)not栈顶值取反eued上升沿检测下降沿检测二n赋值srs_bit,ns_bit,n置位一个区域复位一个区域shrbdata,s_bit,n移位寄存器srbslbout,nout,n字节右移n位字节左移n位rrbrlbout,nout,n字节循环右移n位字节循环左移n位tontoftxxx, tptxxx, tp通电延时定时器断电延时定时器ctuctdcxxx, pvcxxx, pv加计数器减计数器end程序的条件结束stop切换到stop模式wdr看门狗复位300msjmpn跳到指定的标号calln(n1,n2)调用子程序，可以优16个可选参数cret从子程序条件返回for/nextindx,init,finalfor/next循环aldold电路块串联电路块并联netrnetwtable,porttable,port网络读网络写slcrslctslcenn顺控继电器段的启动顺控继电器段的转换顺控继电器段的结束2.3.5 “有瓶开阀，无瓶不开阀”的工作原理灌装压盖机的接近开关和电磁阀的位置见图1（详见附图2）。在螺旋推进器部位有一个检测接近开关sq10，其所在位置是瓶子计数的第1工位，在机座下面有接近开关sq11，它作为sq10瓶子计数的同步信号，作用是将sq10获得的有无瓶子的信号在移位寄存器中向前移位。从sq10第1工位算起，在第10工位有一接近开关sq12，sq12检测在其下一工位即开阀灌装工位之前是否有瓶子，sq12所在工位叫验瓶位。如果在验瓶位检测到瓶子时，其下位即开阀灌装位在瓶子到位时动作，一个电磁阀准确开阀灌装，否则，电磁阀不动作，灌装阀不被打开。接近开关sq10和sq12的串联逻辑信号经plc，判断在它们两个工位之间是否有瓶子破损，如果在灌装工位之前有瓶子破损，在灌装工位之后有一工位叫清理碎瓶工位，当破损的瓶子到达此工位时，气动电磁阀被打开，将破碎的瓶子清理干净。2.3.6 plc的连接外部输入信号、输出信号和plc输入、输出点的对应关系如表1所示。表1 外部输入信号和plc输入点的对应表名称传感器理论输入点理盖检测位sq13i1.3第1工位sq10i1.0同步信号sq11i1.1验瓶位sq12i1.2名称电磁阀输出点开阀灌装位yv1q1.0清理碎瓶位yv2q1.1吹 盖yv3q1.2理盖器m2q1.3表2 外部输出信号和plc输入点的对应表内部移位寄存器：v100计瓶移位寄存器；v110开阀移位寄存器；v120清理碎瓶寄存器。2.3.7 “有瓶开阀，无瓶不开阀”的物理实现有瓶开阀、无瓶不开阀的逻辑判断表如表3详见（附图4）所示。表3 有瓶开阀、无瓶不开阀的逻辑判断表sq10sq12yv1yv21(有瓶)1(无瓶)0(不灌装)1(吹碎瓶)1(有瓶)0(有瓶)1(灌装)0(不吹碎瓶)0(无瓶)1(无瓶)0(不灌装)0(不吹碎瓶)注：sq10有瓶时是1信号，无瓶时是0信号； sq12有瓶时是0信号，无瓶时是1信号； yv1灌装时是1信号，不灌装时是0信号； yv2清理碎瓶时是1信号，不清理时是0信号。从第1工位即sq10所在位置算起，验瓶位sq12的工位数是10，开阀灌装工位数是11，清理碎瓶位的工位数是15，验瓶位和清理碎瓶位相差5个工位，这是清理碎瓶电磁阀动作的计数标准。图7为灌装压盖机有瓶开阀、无瓶不开阀的移位寄存器状态图。移位寄存器为8位，而灌装压盖机从sq10到sq12有10个工位，所以v100和v101两个计瓶移位寄存器串联起来使用。最低位为lsb，最高位为msb，当第1工位有瓶子时，v100的0位为1，当第2工位有瓶子时，v100的第0和1位都为1（即11），当第3工位有瓶子时，v100的第0、1和2位都为1（即111）， 其它依此类推；当第9工位有瓶子时，v100的8位全为1的同时v101的第0位为1，当第10工位有瓶子时，v100的8位全为1的同时v101的第0位和第1位都为1当sq10在第1工位检测到有瓶子时，即i1.0=1时，移位同步信号sq11将逻辑“1”信号送入v100.0位，经移位寄存器（v100）左移10位后，逻辑“1”信号到达v101.1位，此时v101.1=1。若瓶子在第1工位和第10工位之间没有破损，此时i1.2=0（验瓶位有瓶子时，sq12的检测块被瓶子顶起，sq12没有输出信号，所以i1.2=0），那么v101.1=1和i1.2=0的非逻辑相与等于1（v101.1=1），同步信号把此时“相与”后的逻辑1信号送入开阀移位寄存器v110.0位（即v110.0=1），在下一个同步移位脉冲到来时，v110.0图7 有瓶开阀、无瓶不开阀的移位寄存器状态图的“1”信号被送入到v110.1位中即v110.1=1。灌装阀被准确打开，开始灌装。若在第1工位和第10工位之间瓶子破损，则i1.2=1，那么v101.1和i1.2=1的非逻辑相与等于0，即“0”信号移入v110.0位即v110.0=0，在下一个移位脉冲到来时v110.1=0，灌装阀不被打开。v101.1和i1.2的逻辑与结果送到清理碎瓶寄存器v120.0位，在移位脉冲的作用下左移，在v120.4位视v120.4位的值判断是否清理碎瓶（原理同上）。2.3.8 理盖器的工作原理灌装压盖机的另一控制内容是实现自动理盖，在送盖滑道上有一光电开关sq13，当送盖瓶盖不足时即sq13没有被瓶盖遮挡，sq13获得一输出信号，理盖器电机被启动使理盖器转动，瓶盖在理盖器的作用下沿送盖滑道下落；当送盖滑道上瓶盖足够多使瓶盖遮挡住sq13时，经一段时间（几秒至十几秒）的延时后，理盖器电动机停止运行。上述动作反复执行，实现灌装压盖机自动理盖的控制。2.3.9 调速控制原理主机采用变频器在生产过程中实现调速。变频器调速方法是现代自动控制过程中比较常用的调速方法，可以节约能源、可靠性高、可实现无级调速，在低频下能获得较大的输出转矩，运行平稳，在启动时对电机的冲击小等优点。在控制面板上设置一个启动/停止按钮，当初次按下启动/停止时，启动信号被输入plc， 经plc运算输出一电信号控制一个中间继电器动作，中间继电器的一组常开点闭合作为变频器正转控制信号，变频器驱动电机运行；当第2次按下启动/停止按钮时，plc将正转运行信号中断，变频器就停止输出，主电机停止运行。在控制面板上安装一调速电位器，将调速电位器接到变频器010v输入点，旋转电位器器钮，电机按变频器给定频率运行，实现变频调速。等压灌装压盖机采用西门子s7-200系列s7-224型24点（14入、10出）plc。图8为等压灌装压盖机的plc接线原理图。 图8 plc接线原理图2.3.10 梯形图以下是灌装压盖机plc控制的梯形图。2.3.11 实验模拟操作在理论设计完成后，为了得到实践的检验，我联系了实验室的老师，选择用thsms-c型可编程控制器及单片机高级实验装置来模拟实验。以下是调试及实验模拟过程：1 接线在实验室老师指导下按plc的i/o接线图接线选择基本指令练习模块作为输出模拟，为保证标号的一致性，输入点选择i0.0i0.6，输出点选择q0.0q0.3,q0.5，q0.6一一对应，指示灯与输出点一一对应，即q0.0：开阀灌装，q0.1：清理碎瓶，q0.2：吹盖，q0.3：理盖器，q0.5：正转，q0.6：点动 2 实验调试并修改在电脑上编好灌装压盖机plc控制的梯形图，让老师指导并加以修改程序3 实验结果按下i0.5，对应指示灯q0.5亮，主机正转开始实验，i0.0和i0.1是同步信号，必须同时按下，连续按11下，此时不按i0.2（即第一工位和第十工位间没有破损），指示灯q0.0亮，表示准确开阀；在连续按i0.0和i0.1时，按下i0.2（即第一工位和第十工位间有破损），再同时按5下（清理碎瓶电磁阀动作的计数标准）i0.0和i0.1时，指示灯q0.1