自动饮料灌装系统的设计毕业论文.doc

自动饮料灌装系统的自动饮料灌装系统的 设计毕业论文设计毕业论文 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 前前 言言 1 1 概述概述 2 1 1 概论 2 1 2 设计任务与要求 3 1 3 相关预备知识 3 1 3 1 PLC 的定义 3 1 3 2 PLC 的基本组成 3 1 3 3 PLC 的功能与特点 4 1 3 4 PLC 的应用范围 4 1 4 总体方案设计 5 2 系统机械结构设计系统机械结构设计 7 2 1 电机的选择 7 2 1 1 丝杠电机的选择 7 2 1 2 传送带电机的选择 10 2 2 滚珠丝杠副的计算 11 2 2 1 最大工作载荷 Fm的计算 11 2 2 2 最大动载荷 C 的计算 11 2 2 3 额定动载荷 Ca的校核 11 2 2 4 刚度的验算 12 2 3 滚动轴承的选择 12 2 3 1 丝杠滚动轴承的选择 13 2 3 2 滚筒滚动轴承的选择 13 2 4 联轴器的选择 14 2 4 1 传送带电机联轴器的选择 14 2 4 2 丝杠电机联轴器的选择 14 2 5 灌装机储液箱的尺寸确定 14 3 电气控制系统硬件设计电气控制系统硬件设计 15 3 1 总体方案分析 15 3 2 控制系统的 I O 点及地址分配 15 3 2 1 输入信号 I O 点地址分配 15 3 2 2 输出信号 I O 点地址分配 16 3 3 电气元件选型 17 3 3 1 PLC 的选型 17 3 3 2 断路器的选型 17 3 3 3 接触器的选型 18 3 3 4 行程开关的选型 18 3 3 5 光电传感器的选型 18 3 3 6 流量计的选型 19 3 3 7 电磁阀的选型 19 3 4 电气控制系统原理图 20 3 4 1 电气原理图总体设计 20 3 4 2 传送带电机接线图 20 3 4 3 丝杠电机接线图 21 3 4 4 电磁阀接线图 22 3 4 5 控制系统接线图 22 4 电气控制系统软件设计电气控制系统软件设计 23 4 1 STEP7 MICRO WIN 软件介绍 23 4 2 电气控制系统程序设计 25 4 2 1 电气控制系统流程图 25 4 2 2 传送带前进 26 4 2 3 光电传感器开始计瓶数 27 4 2 4 喷口下压 28 4 2 5 系统开始进行灌装 29 4 2 6 喷口上抬 30 4 3 PLC 程序调试 31 4 3 1 调试思路 31 4 3 2 调试结果 31 总结与体会总结与体会 34 致致 谢谢 35 参考文献参考文献 36 附录 系统程序梯形图附录 系统程序梯形图 37 1 前前 言言 工业现代化的进程 对生产过程的自动控制和信息通信提出了更高的要求 随着计算机和网络通讯技术的发展 企业对生产过程的自动控制和信息通讯提 出了更高的要求 工业自动化系统已经从单机的 PLC 控制发展到多 PLC 及人机 界面 HMI Human Machine Interface 的网络控制 全自动灌装生产线是由数台自动灌装机械经控制系统进行集中控制 并按 照各自功能完成一定任务进行顺序 连续生产的一系列机器组合 通过对饮料 罐装自动控制的介绍 使我们对灌装这个行业有了更深的了解 也对自动化这 个名词有了进一步的了解 我国的饮料罐装自动化相对于西方发达国家来讲还 有很大的差距 设备陈旧 技术落后 成为阻碍我们灌装行业发展的一个严重 问题 鉴于这些问题 我国企业不断发展自身的实力 逐步朝着生产高速化 设备结构合理化 设备的多功能化 设备的绿色化 控制的智能化等方向发展 推出适合自己需求的产品来 早期的灌装生产流水线大多数采用容积泵式 蠕动泵式作为计量方式 这 些方式存在一些缺点 例如 灌装精度和稳定性难以保证 更换灌装规格困难 等 本设计鉴于 PLC 可靠性高 耐恶劣环境能力强 使用极为方便三大特点 利用 PLC 技术平台自主开发创新 将机械 电气和自动化等技术有机结合 将 传统的继电器 接触器控制功能用 PLC 代替 构成实用 可靠的饮料灌装生产线 PLC 控制系统 该控制系统可节省大量电气元件 导线与原材料 缩短设计周期 减 少维修工作量 提高加工零件合格率 进而提高生产率 而且程序调整修改方便 灵活 提高了设备的柔性和灵活性 具有整体技术经济效益 PLC 控制具有编程简单 工作可靠 使用方便等特点 已经在工业自动化 控制领域得到了广泛的应用 2 1 概述概述 1 1 概论概论 现代社会工业自动化水平日益提高 致使众多工业企业均面临着传统生产 线的改造和重新设计问题 几年前 自动化技术只占包装机械设计的 30 现 在已占 50 以上 大量使用了微电脑设计和机电一体化控制 提高包装机械自 动化程度的目的 一是为了提高生产率 二是为了提高设备的柔性和灵活性 三是为了提高包装机械完成复杂动作的能力 饮料灌装机用于灌装各种各样的瓶装饮料 适合大中型饮料生产厂家 早 期的灌装机械大多数采用容积泵式 蠕动泵式作为计量方法 这些方法存在一 些缺点 例如 灌装精度和稳定性难以保证 更换灌装规格困难等 本系统采 用的饮料分装计量是通过时间和单位时间流量来确定的 计量精度由可编程控 制器 PLC 控制确定 PLC 控制具有编程简单 工作可靠 使用方便等特点 在工业自动化控制领域广泛应用 专为 PLC 应用而实际的触摸屏集主机 输入 和输出设备于一体 适合在恶略的工业环境中使用 饮料灌装装置主要包括两部分 恒压储液罐灌液和计数部分 在恒压储液 罐灌液不封 里面有上限液位和下线液位传感器 它们淹没时是 1 状态 液面 低于下线液位时恒压储液罐为空 饮料通过进液电磁阀流入恒压储液罐 液面 达到上限位时进液电磁阀断电关闭 使液位保持恒定 鉴于 PLC 可靠性高 耐恶劣环境能力强 使用极为方便三大特点 利用 PLC 技术平台自主开发创新 将机械 电气和自动化等技术有机结合 将传统 的继电器 接触器控制功能用 PLC 代替 构成实用 可靠的饮料灌装生产线 PLC 控制系统 该控制系统可节省大量电气元件 导线与原材料 缩短设计周期 减少维修工作量 提高加工零件合格率 进而提高生产率 而且程序调整修改方 便灵活 提高了设备的柔性和灵活性 具有整体技术经济效益 3 1 2 设计任务与要求设计任务与要求 在 毕业设计任务书 中 我的毕业设计任务为 以 PLC 控制为核心 采用电动机 流量计等辅助手段来完成 6 口 0 5L 饮料瓶的自动灌装系统设计 设计电控系统 传动系统 完成机械结构图 电气原理图和控制程序设计 设计要求 1 毕业设计 论文 由学生本人独立完成 2 完成整个系统的方案选型 元件选择 软件设计 3 技术指标 1 饮料瓶容积 0 5L 2 每次灌装瓶数 6 3 灌装节拍 5 15S 可调节 4 精度 5mL 1 3 相关预备知识相关预备知识 1 3 1 PLC 的定义的定义 可编程控制器 简称 PLC Programmable logic Controller 是指以计算机 技术为基础的新型工业控制装置 在 1987 年国际电工委员会 International Electrical Committee 颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它 采用可以编制程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计 时 计数和算术运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工 业控制系统形成一个整体 易于扩展其功能的原则而设计 1 3 2 PLC 的基本组成的基本组成 PLC 的基本组成可归为四大部件 1 中央处理单元 CPU 板 控制器的核心 4 2 输入部件 连接现场设备与 CPU 之间的接口电路 3 输出部件 送出 PLC 运算后得出的控制信息 4 电源部件 为 PLC 内部电路提供能源 另外 还必须有编程器 将用户程序写进规定的存储器内 PLC 的基本组成框图如图 1 1 所示 图 1 1 PLC 的基本组成框图 1 3 3 PLC 的功能与特点的功能与特点 功能 1 逻辑控制 2 定时控制 3 计数控制 4 步进 顺序 控制 5 PID 控制 数据控制 6 PLC 具有数据处理能力 通信和联网 7 其它 PLC 还有许多特殊功能模块 适用于各种特殊控制的要求 如定 位控制模块 CRT 模块 特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 2 功能完善 适用性强 3 易学易用 深受工程技术人员欢迎 1 3 4 PLC 的应用范围的应用范围 目前 在国内外 PLC 已广泛应用于冶金 石油 化工 建材 机械制造 电力 汽车 轻工 环保及文化娱乐等各行各业 随着 PLC 性能价格比的不断 5 提高 其应用领域不断扩大 从应用类型来看 PLC 的应用大致可归纳为以下 几个方面 1 开关量逻辑控制 2 运动控制 3 过程控制 4 数据处理 1 4 总体方案设计总体方案设计 本次自动饮料灌装系统生产线是根据六口自动饮料灌装系统生产线的原理 来设计的 其工作流程及原理如下 首先 人工将饮料瓶放置在自动化生产线上 自动化生产线的宽度仅够一 个瓶身通过 且两端空隙不超过 2 毫米 瓶与瓶之间无空隙 传送带前后端各 有一铁杆拦住所有瓶子 并且两端各有一光电传感器计瓶数 启动机器 后拦 截杆收回 传送带将瓶子往前移 移至后光电传感器下端时 后光电传感器自 动计数 计数至 6 个时 后光电传感器传输信号给 PLC PLC 控制后拦截杆 后拦截杆拦截第 7 个瓶子 后光电传感器清零 延时 2S 后 传送带停止工作 此时 PLC 传输信号给丝杠电机 丝杠电机带动丝杠使喷口向下运动 当喷口下 压到下限位时 喷口下限位行程开关打向另一侧 使 PLC 传输信号给喷口上的 电磁阀 电磁阀开通 椭圆齿轮流量计开始计流量 喷口开始注水 当流量计 显示流量达 500ml 时 流量计传输信号给 PLC PLC 关断喷口电磁阀 喷口停 止注水 随后 PLC 传输信号给丝杠电机 丝杠电机带动喷口上抬置顶 触发喷 口上限位行程开关 此后 PLC 控制传送带电机带动传动带 前拦截杆收回 瓶 子移动 前光电传感器开始计满瓶数 当计数至 6 个时 前光电传感器传输信 号给 PLC PLC 控制前拦截杆伸出 后拦截杆收回 前光电传感器清零 后光 电传感器继续计数 而后往复循环 如图 1 2 所示 6 图 1 2 控制系统流程图 7 2 系统机械结构设计系统机械结构设计 系统的总体结构如图 2 1 所示 移动部件上下移动的距离为 100mm 应快速 到达 时间为 1s 选丝杠的公称直径为 d 20mm 估计移动部件总重量为 G 100N 其下方设置一条滚动的带传动设备 使饮料瓶能随皮带到达灌装口 图 2 1 系统总体结构 2 1 电机的选择电机的选择 2 1 1 丝杠电机的选择丝杠电机的选择 1 丝杠电机转轴上总转动惯量 Jeq 的计算 加在丝杠电机转轴上的总转动惯量 Jeq 是进给伺服系统的主要参数之一 它对选择电机具有主要意义 Jeq 主要包括电动机转子的转动惯量与滚珠丝杠 以及移动部件等折算到电动机转轴上的转动惯量等 Jeq 的具体计算方法如下 已知 滚珠丝杠的公称直径 d0 20mm 总长 480mm 导程 Ph 5mm 材料密度 8 P 7 85 10 3kg cm3 移动部件总重力 G 100N 算得各零部件的转动惯量如下 滚珠丝杠的转动惯量 Js 0 6kg cm2 滑块 折算到丝杠上的转动惯量 Jw 0 398kg cm2 初选丝杠电机的型号为 75BC380A 为三相反应式 步矩角为 1 5 度 查得 该型号步进电机转子的转动惯量 Jm 0 2kg cm2 由 Jeq Js Jw Jm 带入数据 则计算得加在丝杠电机转轴上的总转动惯量 Jeq Js Jw Jm 0 6 0 398 0 2 1 198kg cm2 2 等效负载转矩的计算 丝杠电机转轴所承受的负载转矩在不同的工况下是不同的 通常考虑两种 情况 一种是快速上升 另一种是快速下降 显然快速上升时 负载转矩较大 设快速上升时电机转轴所承受的负载转矩为 Teq 则 Teq Tamax Tf T0 2 1 式中 Tamax 快升时电动机转轴上最大加速转矩 单位为 N m Tf 部件移动时电动机转轴上的摩擦转矩 单位为 N m T0 滚珠丝杠预紧后折算到电机转轴上的摩擦转矩 单位为 N m 快速空载启动时折算到电机转轴上的最大附加转矩 Tamax 2 Jeq n 60t 2 2 式中 Jeq 电机转轴上总转动惯量 单位为 kg m2 n 电机的转速 单位为 r min t 电机加速所用时间 单位为 s 在 0 3 1s 之间取 其中 n vmax 360 2 3 式中 vmax 空载最快移动速度 本机器为 6000mm min 步进电机步矩角 预选电动机为 1 5 度 脉冲当量 0 01mm 将以上各值代入式 2 3 算得 n 2500r min 设 t 0 4s 传动系统总效率 0 7 求得 9 Tamax 2 1 198 10 4 2500 60 0 4 0 8 0 196N m 移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩 Tf F摩 Ph 2 2 4 式中 F摩 导轨的摩擦力 单位为 N Ph 滚珠丝杠导程 单位为 m 传动系统总效率 一般取 0 7 0 85 其中 F摩 Fc G 2 5 式中 导轨的摩擦因素 滑动导轨取 0 15 0 18 滚动导轨取 0 003 0 005 取 0 15 Fc 垂直方向的工作负载 车削时为 Fc 立铣时为 Fz 单位为 N 取 Fc 0 G 运动部件总重力 单位为 N 本设备 G 100N 将以上各值代入式 2 5 算得 F摩 15N 由式 2 4 可知 移动部件运动时 折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 Tf F摩 Ph 2 i 15 0 005 2 3 14 0 7 2 0 00853N m 滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 T0 FYJ Ph 1 02 2 i 2 6 式中 FYJ 滚珠丝杠的预紧力 一般取滚珠丝杠工作载荷 FM的 1 3 单 位为 N 0 滚珠丝杠未预紧时的传动效率 一般取 0 0 9 由于滚珠丝杠副的传动效率很高 所以有式 2 6 算出的 T0 值很小 与 Tamax 和 Tf 比起来 通常可以忽略不计 最后由式 2 1 求得快速启动时电机转轴所承受的负载转矩 Teq Tamax Tf T0 0 196 0 0085 0 2045N m 3 丝杆电机的校核 将上述计算说得的 Teq 乘上一个 K 用 K Teq 的值来初选丝杠电机的最大 静转矩 其中的系数 K 称作安全系数 对于开环控制 一般应在 2 5 4 之间选 10 取 取 K 4 则丝杠电机最大静转矩 Tjmax 4Teq 4 0 2045 0 818N m 上述初选的丝杠电机型号为 75BC380A 该电机的最大静转矩 Tjmax 0 98N m 满足要求 2 1 2 传送带电机的选择传送带电机的选择 1 传送带电机的初选 若传送带滚筒直径 D 70mm 左右滚筒用 45 钢实心柱型 滚筒长约 100mm 支撑部分不包含在内 已知 45 钢的密度为 7 85g cm3 取传送带两滚筒轴间的间距为 2m 平均 100mm 放一个瓶子 每一个瓶子 容量为 0 5L 质量为 0 5kg 这时传送带上瓶子的最大质量为 10kg 传送带的 最大速度为 0 1m s 则滚筒的体积 V D 2 2 h 3 14 3 52 10 384 65cm3 所以滚筒的质量 m V 384 65 7 85 3 02kg 若此时加上支撑部分的质量 则总质量为 4 25kg 这时两个滚筒的转动惯量为 J1 1 2 m D 2 2 0 5 4 25 3 52 26 03kg cm2 传送带上的瓶子质量折算到电机主轴上的转动惯量为 J2 365w 4g v n 2 2 7 式中 w 传送带上的最大重量 单位为 N 此处 w 10kg 9 8m s2 v 传送带上瓶子的速度 单位为 m s n 滚筒的转速 单位为 r s 其中 v n 简化得 v n D 代入得 J2 365 10 3 14 0 07 2 4 44 085kg cm2 初选传送带电机型号为 86BYG250B SAFRBC 0202 该电机转子转动惯量 为 J3 3 0kg cm2 总转动惯量 J0 J1 J2 J3 26 05 44 085 3 0 73 115kg cm2 2 传送带电机的校核 该电机的启动时间为 0 03s 则电机转轴上所受的转矩为 11 M J0 2 n 60t 73 115 6 28 27 3 10 2 60 0 03 0 696N m 以 M 乘以一个系数 K 即以 KM 来初选电机的最大静转矩 取 K 4 则传 送带电机的最大静转矩 Tjmax为 Tjmax 4M 0 696 4 2 784N m 所选电机最大静转矩为 5N m 满足要求 2 2 滚珠丝杠副的计算滚珠丝杠副的计算 2 2 1 最大工作载荷最大工作载荷 Fm的计算的计算 滚珠丝杠副的最大工作载荷 Fm是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最 大轴向力 也叫进给力 它包括滚珠丝杠副的进给力 移动部件的重力以及作 用在导轨上的切削力所产生的摩擦力 由图 1 2 可知 丝杠只受进给方向载荷 F G 100N 又有 Fm KF K 为颠覆力矩影响系数 这里取 K 1 15 所以 Fm 1 15 100 115N 2 2 2 最大动载荷最大动载荷 C 的计算的计算 滚珠丝杠应根据额定动载荷 Ca选用 最大动载荷计算原理与滚动轴承相同 滚珠丝杠的最大动载荷 C 可用以下公式计算 C fm Fm 2 8 3 L 式中 L 滚珠丝杠副的工作寿命 单位为 106r fm 运转状态系数 无冲击状态取 1 1 2 一般状态取 1 2 1 5 有冲击振动取 1 5 2 5 此处取 fm 1 5 Fm 滚珠丝杠副最大工作载荷 单位为 N 其中 L 60nt 106 2 9 式中 n 丝杠转速 n 1000v L0 v 为最大载荷下的进给速度 可取最高 速度的 1 3 1 2 L0为丝杠的基本导程 单位为 mm 计算时 可根 据快进速度 vmax和丝杠最大转速 nmax初选一个数值 L0 1000vmax nmax 待刚度验算后再确定 12 t 额定使用寿命 单位为 h 可取 t 15000h 将以上数值代入式 2 9 得 L 60 1000 6 0 005 15000 106 1080 106r 再由式 2 8 计算得 C 1 5 115 1769 83N 1 77kN 3 1080 2 2 3 额定动载荷额定动载荷 Ca的校核的校核 滚珠丝杠的型号为 CDM2005 2 5 P3 其额定动载荷 Ca 10kN 远大于 C 1 77kN 所以满足要求 2 2 4 刚度的验算刚度的验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化 从而影响定位精度和运 动 平稳性 轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形 丝杠与螺母之间滚道的接 触 变形等 丝杠的拉伸或压缩变形量 1在总变形量中占的比重比较大 可按下式计 算 1 2 10 IE Ma ES Fm 2 2 式中 Fm 丝杠的最大工作载荷 单位为 N 丝杠两端支撑间的距离 单位为 mm E 丝杠的材料弹性模量 钢的 E 2 1 105MPa S 丝杠按底径 d2确定的截面积 单位为 mm2 M 转矩 单位为 N mm I 丝杠按底径 d2确定的截面惯性矩 单位为 mm4 其中 号用于拉伸 号用于压缩 由于转矩 M 一般较小 所以 式中第 2 项在计算时可以忽略不计 因此有 1 115 500 2 1 105 20 0 01369 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2可从产品型号中查出 13 丝杠总变形量 1 2 一般总变形量 不应大于规定精度的一半 本 产品精度不大 所以丝杠够用 2 3 滚动轴承的选择滚动轴承的选择 如今滚动轴承多为已标准化的构件 因而 在机械设计中 设计滚动轴承 的部件时 只需 1 正确选择出能满足约束条件的滚动轴承 包括 合理选择轴承和校核 所选择的轴承是否能满足强度 转速 经济等方面的约束 2 进行滚动轴承部件的组合设计 包括 合理选择轴承的类型 内径以 及诸如公差等级 特殊结构等 2 3 1 丝杠滚动轴承的选择丝杠滚动轴承的选择 由于丝杠滚动轴承主要受轴向力 所以选择角接触轴承 已知内径为 20mm 所以初选轴承 GB T 292 1994 角接触轴承 7002C 型 其主要参数 内径 d 15mm 外径 D 32mm 宽 B 9mm 极限转速 24000r min 基本额定动载荷 Cr 6 25kN 基本额定静载荷 C0 3 42kN 则轴承的寿命可由以下公式计算 Lh10 2 11 10 6 60 10 L n 60 106 P r F C n 其中 3 设轴承的转速为 n 6000r min 则当量动载荷 FP XFR YFA 0 44 0 1 4 115 161N 所以轴承的寿命为 Lh10 1 63 105h 60 106 P r F C n 3 6 161 0 25 6 600060 10 寿命足够了 14 2 3 2 滚筒滚动轴承的选择滚筒滚动轴承的选择 综前所述 选用角接触轴承 选轴承 GB T 292 1994 角接触轴承 7004AC 其主要参数 内径 20mm 外径 42mm 宽 12mm 极限转速 19000r min 基本额定动载荷 10 0kN 基本额定静载荷 5 78kN 2 4 联轴器的选择联轴器的选择 联轴器的选用 首先按工作条件选则合适的类型 然后再根据转矩 轴径 及转速查有关手册选择尺寸 2 4 1 传送带电机联轴器的选择传送带电机联轴器的选择 传送带电机转子直径为 28mm 所以根据所传送的转矩 轴径及转速 从 联轴器标准件中选取联轴器型号 GY4 其主要参数 轴孔直径 28mm 轴孔长度 62mm 许用转矩 40N m 许用转速 9500r min 转动惯量 0 0093kg m2 2 4 2 丝杠电机联轴器的选择丝杠电机联轴器的选择 丝杠电机转子直径为 8mm 所以根据所传送的转矩 轴径及转速 从联轴 器标准件中选取联轴器型号 NL1 其主要参数 轴孔直径 8mm 轴孔长度 23mm 15 公称扭矩 40N m 许用转速 6000r min 2 5 灌装机储液箱的尺寸确定灌装机储液箱的尺寸确定 储液箱的长宽高尺寸是根据储液箱的有效容积来确定 它的长宽高按 1 1 1 或 1 2 3 结合系统的发热和散热及热平衡原则来计算 因为系统发热少 所以无 需热平衡校核 参照现有的水箱尺寸 定其长宽高分别为 900mm 500mm 200mm 储液箱需要进行喷丸 酸洗和表面清洗 内壁可以 涂一层塑料薄膜或清漆 3 电气控制系统硬件设计电气控制系统硬件设计 3 1 总体方案分析总体方案分析 本次自动饮料灌装系统生产线是根据六口自动饮料灌装系统生产线的原理 来设计的 其工作流程及原理如下 首先 人工将饮料瓶放置在自动化生产线上 自动化生产线的宽度仅够一 个瓶身通过 且两端空隙不超过 2 毫米 瓶与瓶之间无空隙 传送带前后端各 有一铁杆拦住所有瓶子 并且两端各有一光电传感器计瓶数 启动机器 后拦 截杆收回 传送带将瓶子往前移 移至后光电传感器下端时 后光电传感器自 动计数 计数至 6 个时 后光电传感器传输信号给 PLC PLC 控制后拦截杆 后拦截杆拦截第 7 个瓶子 后光电传感器清零 延时 2S 后 传送带停止工作 此时 PLC 传输信号给丝杠电机 丝杠电机带动丝杠使喷口向下运动 当喷口下 压到下限位时 喷口下限位行程开关打向另一侧 使 PLC 传输信号给喷口上的 电磁阀 电磁阀开通 椭圆齿轮流量计开始计流量 喷口开始注水 当流量计 显示流量达 500ml 时 流量计传输信号给 PLC PLC 关断喷口电磁阀 喷口停 止注水 随后 PLC 传输信号给丝杠电机 丝杠电机带动喷口上抬置顶 触发喷 口上限位行程开关 此后 PLC 控制传送带电机带动传动带 前拦截杆收回 瓶 16 子移动 前光电传感器开始计满瓶数 当计数至 6 个时 前光电传感器传输信 号给 PLC PLC 控制前拦截杆伸出 后拦截杆收回 前光电传感器清零 后光 电传感器继续计数 而后往复循环 3 2 控制系统的控制系统的 I O 点及地址分配点及地址分配 3 2 1 输入信号输入信号 I O 点地址分配点地址分配 输入信号 I O 点地址分配如表 3 1 所示 表 3 1 输入信号 I O 点地址分配 名称代码地址编号 启动按钮SF1I0 0 停止按钮SF2I0 1 喷头上限位行程开关BG1I0 2 喷头下限位行程开关BG2I0 3 前挡杆前限位行程开关BG3I0 4 前挡杆后限位行程开关BG4I0 5 后挡杆前限位行程开关BG5I0 6 后挡杆后限位行程开关BG6I0 7 后光电开关KF1I1 0 前光电开关KF2I1 1 1 号喷头流量计信号BG7I1 2 2 号喷头流量计信号BG8I1 3 3 号喷头流量计信号BG9I1 4 4 号喷头流量计信号BG10I1 5 5 号喷头流量计信号BG11I1 6 6 号喷头流量计信号BG12I1 7 17 3 2 2 输出信号输出信号 I O 点地址分配点地址分配 输出信号 I O 点地址分配如表 3 2 所示 表 3 2 输出信号 I O 点地址分配 名称代码地址编号 传送带启动QA03Q0 0 前挡杆伸出电磁阀MB1Q0 1 前挡杆收回电磁阀MB2Q0 2 后挡杆伸出电磁阀MB3Q0 3 后挡杆收回电磁阀MB4Q0 5 传送带停止MB01Q0 4 1 号喷口电磁阀MB11Q0 6 2 号喷口电磁阀MB12Q0 7 3 号喷口电磁阀MB13Q1 0 4 号喷口电磁阀MB14Q1 1 5 号喷口电磁阀MB15Q1 2 6 号喷口电磁阀MB16Q1 3 喷口下压QA05Q1 4 喷口上抬QA06Q1 5 3 3 电气元件选型电气元件选型 3 3 1 PLC 的选型的选型 从上面分析可知系统共有开关量输入 16 个 开关量输出 14 个 参照西门 子 S7 200 产品目录及市场实际价格 选用主机 CPU226 AC DC 继电器 如表 3 3 所示 3 3 2 断路器的选型断路器的选型 断路器选用原则 18 1 空开额定工作电压大于等于线路额定电压 2 空开额定电流大于等于线路负载电流 3 空开电磁脱扣器整定电流大于等于负载最大峰值电流 负载短路时电流 值达到脱扣器整定值时 空开瞬时跳闸 一般 D 型代号的空开出厂时 电磁脱 扣器整定电流值为额定电流的 8 12 倍 也就是说短路跳闸而电机启动电流是 可以避开的 断路器的作用 断路器的作用是切断和接通负荷电路 以及切断故障电路 防止事故扩大 保证安全运行 而高压断路器要开断 1500V 电流为 1500 2000A 的电弧 这些 电弧可拉长至 2m 仍然继续燃烧不熄灭 故灭弧是高压断路器必须解决的问题 吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离 另一方面通过吹弧拉长电弧加强 带电粒子的复合和扩散 同时把弧隙中的带电粒子吹散 迅速恢复介质的绝缘 强度 根据三个电动机的额定电流 选择断路器 QA01 QA02 QA04 的型号为 DZ47 63 C16 如表 3 3 所示 3 3 3 接触器的选型接触器的选型 接触器是一种用来接通或断开带负载的交直流主电路或大容量控制电路的 自动化切换器 主要控制对象是电动机 通用接触器可大致分以下两类 1 交流接触器 主要有电磁机构 触头系统 灭弧装置等组成 常用的是 CJ1 0CJ12 CJ12B 等系列 2 直流接触器 一般用于控制直流电器设备 线圈中通以直流电 直流接 触器的动作原理和结构基本上与交流接触器是相同的 接触器的选型有诸多因素外与负载密切相关一般三相异步电机的起动电流 为额定电流的 3 5 倍 所以接触器的额定电流为 4IN 36A 综上所述 本系 统选用 CJX2 09 接触器 额定电压为 220V 如表 3 3 所示 3 3 4 行程开关的选型行程开关的选型 行程开关又称限位开关或位置开关 它是一种根据运动部件的行程位置而 19 切换电路工作状态的控制电器 行程开关的动作原理与控制按钮相似 在机床 设备中 事先将行程开关根据工艺要求安装在一定位置上 部件在运行中 装 在其上撞块压下行程开关顶杆 使行程开关的触点动作而实现电路的切换 达 到控制运动部件行程位置的目的 根据系统的整体要求 选择行程开关的型号为 LX19 001 如表 3 3 所示 3 3 5 光电传感器的选型光电传感器的选型 本设计采用的是欧姆龙的光电传感器 光电开关 型号为 E3JK 5M3 直 流正负 12 240V 交流 24 240V 如表 3 3 所示 该光电传感器的特点有 1 检测距离长 2 对检测物体的限制少 3 响应时间短 4 分辨率高 5 可实现非接触的检测 6 可实现颜色判别 7 便于调整 3 3 6 流量计的选型流量计的选型 根据系统整体要求 选用椭圆齿轮流量计 型号为 LWGY 如表 3 3 所示 椭圆齿轮流量计是容积式流量计的一种 用于紧密的连续或间断的测量管 道中液体的流量或瞬时流量 精度较高 长期使用的椭圆齿轮流量计 其内部 的齿轮会被腐蚀和磨损 从而影响测量精度 因而 要经常注意观察 并定期 拆下进行检查 若条件允许最好定期进行标定 3 3 7 电磁阀的选型电磁阀的选型 国内外的电磁阀从原理上分为三大类 即 直动式 分步直动式 先导式 而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类 直动膜片 结构 分步膜片结构 先导式膜片结构 直动活塞结构 分步活塞结构 先导 20 活塞结构 本设计采用的主要是直动式电磁阀 根据系统整体要求 选用直动式电磁阀 型号为 BS12C 如表 3 3 所示 表 3 3 电气元件选型表 序 号 代号名称型号数 量 备注 1SF1按钮LA19 111绿色 2SF2按钮LA19 111红色 3BG1 BG12行程开关LX19 00112 4KF1 KF2光电传感器E3JK 5M32 5BF流量计LWGY6椭圆式 6CPU226可编程控制器CPU226 AC DC 继电器1 7MA1传送带电机86BYG250B SAFRBC1200W 8MA2丝杠电机75BC380A1500mW 9QA01断路器DZ47 63 C161 10QA02 QA0 4 电机断路器DZ47 63 C162 11QA03电机接触器CJX2 091AC220V 12QA05 QA0 6 电机接触器CJX2 092AC220V 13LB电源滤波器DF200 10A 011220 10A 14DY24V 直流电源AC DC 24V110A 15PG电源指示灯XB2 BW31M1C1AC220V 16MB1 MB4电磁阀BS12C4直动式 17MB11 MB16电磁阀BS12C6直动式 18MB01电磁制动器1 19KF1 KF12继电器JZ7 1112 21 20FA熔断器MDA 12A1限流 12A 3 4 电气控制系统原理图电气控制系统原理图 3 4 1 电气原理图总体设计电气原理图总体设计 根据设计需求分析 需要 2 个电机 电机分别有 传送带电机 丝杠电机 丝杠电机正反转控制丝杆的上下运动 并带动喷口上下运动 所有电机过载保 护均采用熔断器保护 另外选择 CPU226 作为主机 设计显示灯有 电源显示灯 设有电磁阀作为各种状态的输出 电磁阀的数量为 10 个 输入有两个光电传感 器 用来计空瓶数和满瓶数 3 4 2 传送带电机接线图传送带电机接线图 如图 3 2 所示 传送带由一个三相异步电机控制 当 QA03 接触器闭合时 传送带启动 当 QA03 接触器断开时 传送带停止 QA03 的闭合与否可由启 动按钮和停止按钮控制 也可由自动运行过程中 PLC 说给的相应型号来控制 图 3 2 传送带电机电气图 22 3 4 3 丝杠电机接线图丝杠电机接线图 如图 3 3 所示 丝杠由电机正反转控制 当 QA05 接触器闭合时 丝杠电 机正转 带动丝杠向下运动 当 QA06 接触器闭合时 丝杠电机反转 带动丝 杠向上运动 QA05 与 QA06 的闭合断开以及正反转由 PLC 控制 图 3 3 丝杠电机电气图 3 4 4 电磁阀接线图电磁阀接线图 如图 3 4 所示 为电磁阀接线图 电磁阀不能直接连在 PLC 上 应该使用 中间继电器来实现 MB1 MB4 为控制前后挡杆伸出或收回的电磁阀 MB11 MB16 为控制灌装关断的电磁阀 23 图 3 4 电磁阀电气图 3 4 5 控制系统接线图控制系统接线图 如图 3 5 所示 为控制系统接线图 控制系统的输入有两个光电开关 用 来计瓶数 输出接中间继电器 用来实现电磁阀的关断 控制系统选用 CPU226 作为主电路板来驱动整个电路 图 3 5 控制系统电气图 4 电气控制系统软件设计电气控制系统软件设计 4 1 STEP7 Micro WIN 软件介绍软件介绍 STEP7 Micro WIN 是在 WINDOWS 平台上运行的 S7 200 系列 PLC 的专用 编程软件 操作界面简单方便 能解决复杂的自动化任务 可快速进入 节省 编程时间 其主要功能及特点如下 程序结构简单 通过一个主程序调用其他子程序或中断程序 保证了程序 结构的清晰 可以用语句表 STL 和梯型图 LAD 编程 可以进行符号编程 通 过符号表分配符号和绝对地址 并可打印输出 支持三角函数 开方 对数运 算功能 指令集易学 指令由容易记的缩写组成 相同的指令只需稍加修改就 可用于不同的功能 例如指令 MOVE 根据传送的方式不同有不同的形式 易于 24 使用的组态向导 包括文本显示器 PID 控制器 CPU 间的数据传输的通讯功 能 高速计数器 可用于 CPU 硬件设置 包括扩展模块设置 输入延时 实时 时钟设置 口令分配 通讯系统的网络地址设置等 二进制运算功能 包括移 位 循环移位 转换 与 或 异或等逻辑运算 计数器 定时器设置 16 位 32 位整数运算 浮点数运算 比较指令运算 数值转换等 可在线 离线编程 通过键盘的快捷键可编辑全部功能 语句和程序段可使用剪切 粘贴和插入功 能 可取消上一次操作 在用户程序中还可以查找文字和操作等 进行 PLC 控制逻辑程序设计应遵循以下几个基本步骤 1 分解被控对象或机器 把要控制的对象或机器分解成相互独立的部分 这些分解将影响功能描述 及资源的分配 2 建立功能规范 写出被控对象或机器的每部分的描述 它包括输入 输出点 I O 操作的功 能描述 每个执行器 线圈 电机 驱动器等 的允许状态 执行前要满足的状态 操作接口的描述 与被控对象或机器的其他部分的接口 3 安全电路的设计 控制设备在不安全的状态下出现故障 会造成不希望的启动或机器操作的 变化 当不希望的或不正确的机器操作会造成人身伤害或严重的财产损失时 应该考虑采用和 CPU 独立的机电冗余来防止不安全的操作 在安全电路设计中应该考虑下面的任务 防止会造成危害的不适合的执行 器操作 识别那些保证不危险操作的条件 并决定如何独立于 CPU 检测这些条 件 当控制对象得电或断电时 CPU 和 I O 如何影响控制对象 设计独立于 CPU 的手动或机电冗余来阻止危险的操作 向 CPU 提供独立电路的适当的状态信息 以便于程序员和操作界面得到所需要的信息 识别其它的和控制对象安全操作 有关的安全要求 4 详细说明操作站 根据功能描述的要求建立操作站的配置图 包括 与控制对象或机器有关 的每个操作站的位置总图 操作站的设备机械图 显示 开关 指示灯等 与 CPU 或扩展模块有关的电气图 25 5 建立 PLC 配置图 根据功能描述的要求建立控制设备的配置图 包括控制对象或机器有关的 每个 CPU 的位置图 CPU 和扩展 I O 模块的机械布局图 包括控制柜和其他设 备 每个 CPU 和扩展模块的电气图 包括设备型号 通讯地址和 I O 地址 6 建立符号名表 如果选择了符号名寻址 需要对绝对地址建立一个符号名表 符号名表不 仅包括物理输入输出信号 也包括程序中用到的其他元件 为完成广泛的自动化任务 S7 200CPU 提供许多类型的指令 在 S7 200CPU 中有两类基本指令 SIMATIC 和 IEC1131 3 当选用 SIMATIC 指令集 时 用户可通过选择语句表 STL 编辑器 梯形图 LAD 编辑器 功能块图 FDB 编 辑器来编辑程序 IEC 指令集不提供语句表编辑器 利用梯形图编辑器可以建立与电气接线图等价的类似程序 梯形图程序让 CPU 仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件 根据结果决定逻辑输出 的允许条件 逻辑通常被分解成小的 容易理解的片 这些片通常被称为 梯 级 或 段 程序一次执行一个段 从左到右 从上到下 一旦 CPU 执行到 程序的结尾 又从上到下重新执行程序 梯形图用图形符号表示的指令包括三 个基本形式 触点 代表逻辑 输入 条件 例如 开关 按钮 内部条件等 线圈 通常代表逻辑 输出 结果 例如 灯 电机启动器 中间继电器 内 部输出条件等 盒 代表附加指令 例如 定时器 计数器或数学运算指令 梯形图易于理解 世界通用 直观性好 调试程序时各触点通断及输出线 圈状态均可通过程序一眼看出 利用功能块图编辑器可以可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令 它 没有梯形图编辑器中的触点和线圈 但是有与之等价的指令 这些指令是作为 盒指令出现的 程序逻辑由这些盒指令之间的连接决定 也就是说 一个指令 例如 AND 盒 输出可以用来允许另一条指令 例如定时器 这样可以建立所 需要的控制逻辑 图形逻辑门表示格式有利于程序流的跟踪 26 4 2 电气控制系统程序设计电气控制系统程序设计 4 2 1 电气控制系统流程图电气控制系统流程图 电气控制系统流程图如图 4 1 所示 首先 人工将饮料瓶放置在自动化生产 线上 自动化生产线的宽度仅够一个瓶身通过 且两端空隙不超过 2 毫米 瓶 与瓶之间无空隙 传送带前后端各有一铁杆拦住所有瓶子 并且两端各有一光 电传感器计瓶数 启动机器 后拦截杆收回 传送带将瓶子往前移 移至后光 电传感器下端时 后光电传感器自动计数 计数至 6 个时 后光电传感器传输 信号给 PLC PLC 控制后拦截杆 后拦截杆拦截第 7 个瓶子 后光电传感器清 零 延时 2S 后 传送带停止工作 此时 PLC 传输信号给丝杠电机 丝杠电机 带动丝杠使喷口向下运动 当喷口下压到下限位时 喷口下限位行程开关打向 另一侧 使 PLC 传输信号给喷口上的电磁阀 电磁阀开通 椭圆齿轮流量计开 始计流量 喷口开始注水 当流量计显示流量达 500ml 时 流量计传输信号给 PLC PLC 关断喷口电磁阀 喷口停止注水 随后 PLC 传输信号给丝杠电机 丝杠电机带动喷口上抬置顶 触发喷口上限位行程开关 此后 PLC 控制传送带 电机带动传动带 前拦截杆收回 瓶子移动 前光电传感器开始计满瓶数 当 计数至 6 个时 前光电传感器传输信号给 PLC PLC 控制前拦截杆伸出 后拦 截杆收回 前光电传感器清零 后光电传感器继续计数 而后往复循环 27 图 4 1 电气控制系统流程图 4 2 2 传送带前进传送带前进 如图 4 2 所示 为传送带启动控制程序 按下启动按钮 则传送带启动 若不按停止按钮 则状态转移使后拦截杆收回 若按下停止按钮 则传送带停 止 28 图 4 2 传送带启停控制程序 4 2 3 光电传感器开始计瓶数光电传感器开始计瓶数 如图 4 3 所示 为光电传感器控制程序 传送带将瓶子往前移 移至 后光电传感器下端时 后光电传感器自动计数 计数至 6 个时 后光电传感器 传输信号给 PLC PLC 控制后拦截杆 后拦截杆拦截第 7 个瓶子 后光电传感 器清零 前光电传感器程序结构与后光电传感器相同 这里不作赘述 29 图 4 3 光电传感器控制程序 4 2 4 喷口下压喷口下压 如图 4 4 所示 系统后拦截杆拦截第 7 个瓶子并延时 2S 后 传送带停止工 作 此时 PLC 传输信号给丝杠电机 丝杠电机带动丝杠使喷口向下运动 30 图 4 4 喷口下压控制程序 4 2 5 系统开始进行灌装系统开始进行灌装 如图 4 5 所示 当喷口下压到下限位时 喷口下限位行程开关打向另一侧 同时喷口停止下压 使 PLC 传输信号给喷口上的电磁阀 电磁阀开通 喷口开 始注水 图 4 5 灌装过程控制程序 如图 4 6 所示 喷口开始注水时 椭圆齿轮流量计开始计流量 当流量计 显示流量达 500ml 时 流量计传输信号给 PLC PLC 关断喷口电磁阀 喷口停 止注水 图中为 1 号流量计控制程序 其他流量计控制程序与其类似 31 图 4 6 流量计控制程序 4 2 6 喷口上抬喷口上抬 如图 4 7 所示 PLC 关断喷口电磁阀 喷口停止注水 随后 PLC 传输信号 给丝杠电机 丝杠电机带动喷口上抬置顶 触发喷口上限位行程开关 此后 PLC 控制传送带电机带动传动带 前拦截杆收回 瓶子移动 前光电传感器开 始计满瓶数 图 4 7 喷口上抬控制程序 32 4 3 PLC 程序调试程序调试 4 3 1 调试思路调试思路 将设计好的程序写入 PLC 后 首先逐条仔细检查 并改正写入时出现的错 误 用户程序一般先在实验室模拟调试 实际的输入信号可以用钮子开关和按 钮来模拟 各输出量的通 断状态用 PLC 上有关的发光二极管来显示 一般不 用接 PLC 实际的负载 如接触器 电磁阀等 可以根据功能表图 在适当的时 候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号 如限位开关触点的接通和断开 对于 顺序控制程序 调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规 定 即在某一转换条件实现时 是否发生步的活动状态的正确变化 即该转换 所有的前级步是否变为不活动步 所有的后续步是否变为活动步 以及各步被 驱动的负载是否发生相应的变化 在调试时应充分考虑各种可能的情况 对系统各种不同的工作方式 有选 择序列的功能表图中的每一条支路 各种可能的进展路线 都应逐一检查 不 能遗漏 发现问题后应及时修改梯形图和 PLC 中的程序 直到在各种可能的情 况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求 如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大 为了缩短调试时间 可以 在调试时将它们减小 模拟调试结束后再写入它们的实际设定值 在设计和模拟调试程序的同时 可以设计 制作控制台或控制柜 PLC 之 外的其他硬件的安装 接线工