装瓶流水线的PLC控制课程设计.doc

电气控制与电气控制与 plcplc 课程设计课程设计 题题 目目: : 装瓶流水线的装瓶流水线的 plcplc 控制控制 院系名称：院系名称： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气 学生姓名：学生姓名： 本人原创本人原创 学学 号：号： 20xx23910xxx20xx23910xxx 指导教师：指导教师： xxxx 成绩： 指导老师签名： 日期： 目录目录 1 系统概系统概述述.1 1.1 设计的目的.1 1.2 设计的内容和要求.1 1.3 实现的目标.2 2 方案论证方案论证.3 2.1 方案设计 .3 2.2 方案选择 .3 2.3 方案的实现.4 2.3.1 可编程控制器的介绍.4 2.3.2 plc 的选型.6 3 硬件设计硬件设计.8 3.1 plc 的系统原理图.8 3.2 系统设计的主电路 .8 3.3 i/o 分配表.9 3.4 i/o 接口图.10 3.5 元器件选型 .10 3.5.1 传感器的选择.10 4 软件的设计软件的设计.11 4.1 梯形图设计 .11 4.2 主流程图设计.14 4.3 指令语句表.15 5 调试过程及结果调试过程及结果.17 设计心得设计心得.19 参考文献参考文献.20 1 1 系统概述系统概述 1.11.1 设计的目的 工业的技术工艺和自动化水平，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力， 是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。随着我国瓶装生产设备市场的迅猛发展，与之相 关的生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。了解国内外装瓶设备生产技术的研 发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。 目前我国流水线生产的自动划水平现状不容乐观，国家大力支持企业的自动化应用于产 品生产以避免生产企业不按生产工艺生产、规避监管，潜在不安全因素。二是在非 gmp 流水 线厂房生产产品。同类产品、同样配置的设备往往要比国内组装的价格高出 60左右，维 修费用要高出 5 一 10 倍，且维修周期要比国内产品的长 1020 倍以上，设备投资较大，投 资同收期较长，这无疑限制了自动化瓶装的使用.如果想改变此现状，要着力消除问题隐患， 从生产环节入手，采用自动化生产，自动装瓶机解决了生产中的许多问题。 在瓶装行业中，包装机械产品种类丰富，产品的形状、性质、包装要求等差异很大，且 产量大。因此，自动装瓶机品种众多，目前饮料包装设备中，大瓶、规则形状的瓶子自动包 装技术已经非常成熟，国内外均有相关设备，但针对异型瓶、异型结构等包装技术则较为有 限。plc 通过 uss 通信协议直接控制电机,不仅能够实现对装瓶机方式运行的控制,而且能够 根据需要灵活控制装罐时间,达到节约电能,降低成本,提高生产质量的目的。 1.21.2 设计的内容和要求设计的内容和要求 有 a1a10 选瓶、装瓶、盖盖、贴签、传送（a5-a8） 、成品入库(a9)生产线操作工 序，用 10 盏灯来模拟；并有启动/停止、移位（移位到下一工序） 、复位按钮（复位到第一 道工序）进行操作，如下图所示。采用 plc 进行控制，实现自动装瓶流水线工序控制。每 5 秒一道工序。 工序：按下启动按钮，电机启动，传送带开始工作，当传感器检测到有空瓶（选瓶） 时传送至装瓶位，利用 5 秒时间装瓶，传送至盖盖位，盖瓶盖，传送至贴标签位， 贴标签， 标签，继续传送至成品库。一个工作循环结束。即 a5，a1（传送，选瓶） ；具体流程如图 所示. 图 1-1 瓶装流水线的过程 2 图 1-1 瓶装流水线的过程 a6，a2（传送，装瓶） ； a7，a3（传送，盖盖） ；a8，a4（传送，贴标签） ；a9（传送） ； a10（入库） ； 1.31.3 实现的目标实现的目标 （1）统通过开关设定为自动操作模式，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 秒，罐装设备开始工作，罐装过程为 5 秒钟，罐装过程应有报警显示，5 秒后停止并不再显示报警（报警方式为红灯以 0.3s 时 间间隔闪烁） 。 （3） 用两个传感器和若干个加法器检测并记录空瓶数(小于规定重量的次品)和满 瓶数（大于等于规定重量的正品） ，一旦系统启动，必须记录空瓶数和满瓶数. （4） 可以手动对计数值及定时器清零（复位） 为了达到方案要求，本设计采用模块法设计，把各个控制部分模块化，再逐个解 决各个模块问题。 瓶装流水线基本可分为四个动作机构：主传动机构，自动供瓶机构和自动供盖封 盖机构和自动贴签机构。通过以上 4 个机构的联动实现包装产品传动、选瓶、自动供盖 封盖和自动帖签等功能。生产中，主传动机构作为整个生产过程的运输链，连接所有的 动作。供瓶、帖签、供盖封盖这三个生产过程都将在这条主传动机构上完成。其中供瓶 机构为：从供瓶源头通过主传动传至光电检测其，通过光电检测器检验是否产生检测信 3 号，依次进入装瓶程序，装瓶系统中有三组气缸联动，保证瓶子在设计时间内以正确的 方向进入主传动链，之后运送到封盖机构。瓶子到了封盖机构后，开始自动封盖。计数 圆盘在步进电机带动下转动所设计的角度，从封盖系统产生封号盖得瓶子，装有实物的 的瓶子继续被传动链带至帖签机构。盖子通过传送带和震动器、震动通道依次进入等待 区域，钳盖用气缸组将盖子钳起，由步进电机带至瓶子瓶上方，然后由该气缸组与压盖 气缸组配合完成整套动作动作。 高速自动装瓶机的自动控制必须满足以下要求： (1)装瓶速度 280 瓶/min； (2)人机界面友好，方便自动控制检测，在一定范围内，可通过输入参数调节生产 速度和装瓶的个数； (3)各动作连贯协调，保证生产顺利； (4)系统出现故障或需要添加瓶、盖、签时，能自动报警和提示。 2 方案论证方案论证 2.12.1 方案设计方案设计 根据分析和结合实际，提出了以下两种方案： （1）手动控制方式 1.装瓶流水线控制系统有 10 道操作工序，用 10 盏灯来模拟。 即：a5，a1（传送，选瓶）a6，a2(传送，装瓶)a7，a3(传送，盖盖)a8，a4(传 送，贴签)a9(传送)a10(入库)。 2.启动，停止，移位为控制输入，控制系统的工作状态； 3.按下启动按钮，手动移位完成一道操作工序，循环两次； 4.按下复位按钮，系统回到第一道工序； 5.按下停止按钮，系统停止工作。 （2）自动控制方式 1.装瓶流水线控制系统有 5 道操作工序，用灯来模拟。 即：a5，a1(传送，选瓶)a6，a2(传送，装瓶)a7，a3(传送，盖盖)a8，a4(传送， 贴签)a9(传送)a10（入库） 。 2.启动，停止，移位为控制输入，控制系统的工作状态； 3.按下启动按钮，每 5s 完成一道操作工序，循环两次； 4.按下复位按钮，回到初始工序，重新开始运行； 5.按下停止按钮，系统停止工作。 2.22.2 方案选择方案选择 通过对以上两种方案的的优缺点的分析和考量，结合现在国内与国际的基本情况， 在保证瓶装质量，瓶装损耗，自动化水平要求，和经济，装罐控制的灵活性，即投入与 产出比等因素，现在多元化的产品和市场要求可能在产品包装中需要能够处理模拟量的 4 控制系统，如精确可调或连续的位置量、参量等。plc 的功能同样可以处理模拟量的控 制。因此，该系统的通用性和可扩展性相当不错。 且自动控制方式有以下特点： (1)人机界面友好，方便自动控制检测，在一定范围内，可通过输入参数调节生产 速度和装瓶瓶数； (2)各动作连贯协调，保证生产顺利； (3)系统出现故障或需要添加瓶、盖、帖时，能自动报警和提示。 （4）安全可靠：全自动瓶装流水线由电脑按设计程序控制全过程的操作，完全能够 避免人工操作引起的人身，设备事故。 （5）快捷高效：手动：装瓶一般为 40s瓶全自动装瓶为 25s瓶，它极大的提 高了装瓶程序的工作效率。 （6）装瓶质量可靠精确：全自动装瓶机由程序控制，采用仿形超软装瓶工具，能排 除人为因素，保证瓶装质量 综上考虑，最终确定选择方案 2 即自动控制方式 2.32.3 方案的实现方案的实现 2.3.1 可编程控制器的介绍 可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而 展起来的一种新型工业控制装置，它将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者 的优点结合起来成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备，并已跃居工业生 产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。 可编程控制器（简称 plc）是在继电器控制和计算机技术的基础上开发了出来，并 逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种 新型工业控制装置。 可编程控制器以其可靠性高，组合灵活，编程简单，维护方便等独特优势被日趋广 泛应用于国民经济的各个控制领域，它的应用深度和广度已成为一个国家工业先进水平 的重要标志。 由于早期的可编程控制器只是用来取代继电器控制执行逻辑运算、计时、计数等顺 序控制功能，因此人们称之为可编程序逻辑控制器（programmable logic controller）简称 plc。国际电工委员会（international electro technical 5 commission）在 1985 年颁布的可编程控制器标准草案第二稿修改的基础上，于 1987 年 2 月进一步完善了 plc 的定义，也就是目前被大家认同并且所接受的定义：可编程控制 器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下的应用而设计，它采用可编程的存 储器，用来执行内部的逻辑运算、顺序控制、定时、计数或算术运算等操作指令，并通 过数字式或模拟式输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其相关的外 围设备，都是按照易与工业控制系统联成一个整体、易于扩充的原则而设计。 由此可知，可编程控制器 plc 的本质就是一台为实现机械工业或生产过程而专门设 计的、具有独特功能的软硬件系统的电子计算机。它是基于电子计算机，但不是普通的 计算机，普通的计算机进行输入输出信息的变换，只考虑信息的本身，信息的输入输出， 只要人机界面友好，如使用多媒体就可以了，而 plc 则重点考虑输入输出信息的可靠性、 实时性，以及信息的实际应用，另外还必须考虑所使用的环境、便于安装维护、抗干扰 等问题。 plc 的产生源于继电器装置,在继电器控制电路之后，出现过可编程序逻辑控制器、 顺序控制器。在 20 世纪 60 年代，将小型电子计算机通过改变程序（软件）用来做机械 工作或生产过程的逻辑控制，但是逻辑控制器综合较难，实现复杂，特别是时序、逻辑 关系处理复杂，顺序控制的编程功能靠硬件实现，无法在大规模的集成电路上应用，而 基于小型电子计算机的逻辑控制编程复杂，要求编程人员有非常高的编程水平，对工作 环境的要求也非常高，无法普及到工控及生产过程中，并且造价昂贵。 1968 年，美国通用汽车公司（gm）为适应汽车工业的生产发展的需要，提出了一种 新型的控制器代替传统的继电器控制系统的设想，并提出了 10 条指标： 1）编程简单，可在现场修改程序； 2）维护方便，最好是插件式； 3）可靠性高于继电器控制； 4）体积小于继电器控制柜； 5）可将数据直接送入到管理计算机； 6）在成本上可与继电器竞争； 7）输入可以是交流 115v(美国市电)； 8）输出为交流 115v, 2a.以上，能直接驱动电磁阀和接触器等； 9）在扩展时，原有的系统只需做很小的变更； 10）用户程序存储器容量至少能扩展到 4k。 6 以上 10 条，就是著名的 gm10 条，实际上它说明了现在可编程控制器最基本的功能： 1）用计算机系统代替继电器控制装置； 2）用软件程序代替硬件接线； 3）输入输出信号可以直接和外界设备相连； 4）结构易于扩展。 1969 年，美国数字设备公司（dec）制成了世界上第一台可编程控制器（plc） ，并 且在美国通用汽车公司生产线上成功使用，从此，开创了 plc 的新时代。1971 年和 1973 年，日本和欧洲开始生产可编程控制器。目前，世界上有成百家公司生产可编程控 制器，竞争激烈，plc 的规格、品种和数量都得到了高速的发展。现在，plc 已经广泛 应用在生产中。 2.3.2 plc 的选型 1）欧姆龙 plc 简介 omron c 系列 plc 产品门类齐、型号多、功能强、适应面广。大致可以分成微型、 小型、中型和大型四大类产品。整体式结构的微型 plc 机是以 c20p 为代表的机型。叠 装式（或称紧凑型）结构的微型机以 cj 型机最为典型，它具有超小型和超薄型的尺寸。 小型 plc 机以 p 型机和 cpm 型机最为典型，这两种都属坚固整体型结构。具有体积更小、 指令更丰富、性能更优越，通过 i/o 扩展可实现 10140 点输入输出点数的灵活配置， 并可连接可编程终端直接从屏幕上进行编程，cpm 型机是 omron 产品用户目前选用最多 的小型机系列产品。omron 中型机以 c200h 系列最为典型，主要有 c200h、c200hs、c200hx、c200hg 和 c200he 等型号产品。中型机在程序容量，扫描速度 和指令功能等方面都优于小型机，除具备小型机的基本功能外，它同时可配置更完善的 接口单元模块，如模拟量 i/o 模块、温度传感器模块、高速记数模块、位置控制模块、 通讯联接模块等。可以与上位计算机、下位 plc 机及各种外部设备组成具有各种用途的 计算机控制系统和工业自动化网络。 在一般的工业控制系统中，小型 plc 机要比大、中型机的应用更广泛。在电气设备 的控制应用方面，一般采用小型 plc 都能够满足需求。 2） 西门子 plc 简介 德国西门子（siemens）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在 冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（siemens）公司的 plc 产品包括 7 logo，s7-200，s7-300，s7-400，工业网络，hmi 人机界面，工业软件等。 西门子 s7 系列 plc 体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。s7 系 列 plc 产品可分为微型 plc（如 s7-200） ，小规模性能要求的 plc（如 s7-300）和中、 高性能要求的 plc（如 s7-400）等。 3） 三菱 fx 系列 plc 简介 fx 系列 plc 是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱 公司原 f、f1、f2 系列 plc 产品。其中 fx2 是 1991 年推出的产品，fx0 是在 fx2 之后推 出的超小型 plc，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的 fx0s、fx1s、fx0n、fx1n、fx2n、fx2nc 等系列 plc，具有较高的性能价格比，应用广 泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构 经过对几家公司生产的 plc 主要从应用、价格、可靠性和对现场工作环境及设计资 金等各个方面因素的考虑，三菱公司生产的 plc 具有体积小，控制灵活，性价比高等优 点，可与普通电脑编程通信等。本控制系统选用三菱 fx2n-60mr 型可编程控制器。 在 plc 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 plc 工程设计选型。工 艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详 细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后 根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 plc 的功能、外部设备特性 等，最后选择有较高性能价格比的 plc 和设计相应的控制系统。 输入输出（i/o）点数的估算。i/o 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据童年估 计的输入输出点数，再增加 10% 20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。 实际订货时，还需根据制造商 plc 的产品特点，对输入输出点数进行圆整。根据估算的 方法故本课题的 i/o 点数为输入 5 点，输出 5 点。 存储器容量是可编程序控制器本身提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中 用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储容量。设计阶段，由于用 户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试后才知道。 为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。 存储器内存储量的估算没固定的公式，许多文献资料中给出了不同的公式，大体上 都是按数字量 i/o 点数的 10-15 倍，加上模拟 i/o 点数的 100 倍，以此数为内存的总字 数（16 位为一个字） ，另外再按此数的 25%考虑余量。因此本课题的 plc 内存容量选择 应能存储 2000 条梯形图，这样才能在以后的该着中有足够的空间。 8 机型的选择：面对众多厂家提出的多种系列、功能各异的 plc 产品，其结构、性能、 价格各不相同。三菱 fx2n-16mr-001 型号，其输入输出点分别为 8，fx2n 是 fx 系列中 功能最强、速度最高的微型 plc。他的基本指令执行时间高达 0.08us，内置的用户存储 器为 8k 步，可扩展到 16k 步，最大可以扩展到 256 个 i/o 点，有多种特殊功能模块或 功能扩展板，可为装箱机提供最大的方便和控制能力。 a 系列三菱 plc: 使用三菱专用顺控芯片（msp） ，速度/指令可媲美大型三菱 plc;a2ascpu 支持 32 个 pid 回路。而 qnascpu 的回路数目无限制，可随内存容量的大小 而改变；程序容量由 8k 步至 124k 步，如使用存储器卡，qnascpu 则内存量可扩充到 2m 字节；有多种特殊模块可选择，包括网络，定位控制，高速计数，温度控制等模块。 3 硬件设计硬件设计 3.13.1 plcplc 的系统原理图的系统原理图 图 3.1 plc 的系统原理图 本设计采用的是 fx2n 系列，fx2n 系列是 fx 系列 plc 家族中最先进的系列。由 于 fx2n 系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了 通信功能适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你 的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 为大量实际应用而开发的特殊功能。 plc 主要由 cpu 模块、输入模块、输出模块和编程设备组成。大部分 plc 还可以配 备特殊功能模块，用来完成某些特殊任务。plc 的主要特点：它采用可编程序的存储器， 用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算操作命令，并通过数字 9 式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 3.23.2 系统设计的主电路系统设计的主电路 瓶装流水线基本可分为四个动作机构：主传动机构，自动供瓶机构和自动供盖封盖 机构和自动贴签机构。通过以上 4 个机构的联动实现包装产品传动、选瓶、自动供盖封 盖和自动帖签等功能。 图 3.2 装瓶流水线的主电路机构 图 3.1 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继电器 提供。 3.33.3 i/oi/o 分配表分配表 装瓶流水线控制的 i/o 分配表如下所示： 输入功能输出功能 x0 自动启动按钮 sb0 y1 选瓶操作工序 a1 x1 移位按钮 sb1 y2 装瓶操作工序 a2 x2 复位按钮 sb2 y3 盖盖操作工序 a3 10 x3 手动启动按钮 sb3 y4 贴签操作工序 a4 x4 停止按钮 sb4 y5 传送工序 a5 y6 传送工序 a6 y7 传送工序 a7 y10 传送工序 a8 y11 传送工序 a9 y12 成品入库工序 a10 表 3-3 装瓶流水线控制的 i/o 分配表 3.43.4 i/oi/o 接口图接口图 其 i/o 接口图如图3-4 装瓶流水线的 i/o 接口图 fx2n-16mr-001 p l c 图 3-4 装瓶流水线的 i/o 接口图 11 3.53.5 元器件选型元器件选型 3.5.1 传感器的选择 在设计瓶装流水线的过程中，还需要一检测装置，来检测初始信号，此时就需要传 感器来作为检测装置提供信号。瓶装传感器的作用是来检测监测空瓶子是否到来。 传感器的类型有很多，又压力传感器，热传感器，光电传感器等等。查阅相关资料 和电气手册，并结合工业现场现状分析，选择光电传感器是它是利用被测物体热辐射引 起敏感元件温度的变化进行测量，具有灵敏度高等一系列优点。 信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器 的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。 随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。 传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件。 广义地说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。它 获得的信息正确与否，直接关系到整个系统的精度。 外界进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后 的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该 工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。成形后的信号随后转换成数字 信号，并输入到微处理器。 传感器的组成如图 2-2 所示： 针对本课题的控制要求，在设计中我选用了两个光电传感器（空瓶检测传感器、灌 装设备处的有无瓶传感器）用来检测有无饮料瓶通过；还选用了一个重量传感器来检测 瓶子是否灌满。 位置的检测有多种方案，可以用光电传感器、摄像头、电阻传感器等，但这些传感 器易受环境影响，且自身精度不好控制 瓶装装监测传感器选型为：光电传感器（热型红外线传感器） 采用红外线传感器来监测空瓶子的到来后动作，起到接通开关的作用。它是利用被测物 体热辐射引起敏感元件温度的变化进行测量。 敏感元件转换元件接口电路 辅助电器 源 电信号非物理量 图 3-5 传感器组成 12 4 软件的设计软件的设计 4.14.1 梯形图设计梯形图设计 如图 4-1 装瓶流水线的梯形图 所示: 13 图 4-1 装瓶流水线的梯形图 14 4.24.2 主流程图设计主流程图设计 其实现功能的如下： 启动 驱动电机 停一秒 a5，a1（传 送，选瓶） a6，a2(传 送，装瓶) 有无检测信号 停五秒 停止 无检测信号 有检测线 号 停五秒 a7，a3(传 送，盖盖) 停五秒 停五秒 a8，a4(传 送，贴签) 停五秒 a9(传送) a10（入库 ） 间隔五秒 驱动电机 循环 15 图 4-2 主程序流程图 4.34.3 指令语句表指令语句表 装瓶流水线的指令语句表如下所示： 16 17 5 调试过程及结果调试过程及结果 先将 plc 程序传入程序控制器中。然后对各个输入 i/o 给信号处理，看各个输出口 是否有相应的输出，如果没有按照设计要求输出，对程序进行更改，直到各输出口有相 应的输出。如果有条件的话，用编程软件将程序输入 plc 中，在确认 plc 的电源，外部 接线和程序输入