饮料灌装生产流水线PLC控制系统设计论文主体.doc
JDC01-075@饮料灌装生产流水线PLC控制系统设计
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JDC01-075@饮料灌装生产流水线PLC控制系统设计,机械毕业设计全套
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本科学生毕业设计 饮料灌装生产流水线 PLC 控制系统设计 院系 名称 ： 机电工程学院 专业班级 ： 机械设计制造及其自动化 08-10 班 学生姓名 ： 张立冬 指导教师 ： 刘财勇 职 称 ： 讲 师 黑 龙 江 工 程 学 院 二一二年六月 nts The Graduation Design for Bachelors Degree PLC Control System Design of Beverage Filling Production Line Candidate： Zhang Lidong Specialty： Machanical Design and Manufacture & Automation Class： 08-10 Supervisor： Lecturer. Liu Caiyong Heilongjiang Institute of Technology 2012-06Harbin nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 I 摘 要 本文主要介绍的是基于三菱 FX 系列 PLC 的饮料灌装生产流水线的控制系统的设计。该系统的设计包括硬件设计和软件设计。其中硬件设计包括三菱 FX 系列 PLC 外部电路的设计与安装；软件部分包括程序的设计与调试。 所设计系统最终能够实现以下功能： (1)能对空瓶进行运送、灌装。（ 2）对满瓶进行运送及计数，计数值包括累计计数、单位包装计数，单位包装计数量可根据包装大小设定；（ 3）能够实现手动复位。该系统主要运用了三菱 PLC、传感器、继电器、行程开关等器件，利用 PLC 良好的自动控制性能，实现饮料罐装生产过程的无人 控制 。 关 键 词： 三菱 FX系列 PLC；饮料灌装；生产流水线；无人控制 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 II ABSTRACT This paper mainly introduces the control system of beverage filling production line based on Mitsubishi FXPLC.The system design consists of hardware and software design. The hardware design includes Mitsubishi FXPLCs external circuit design and installation; software design includes the design and debugging of program. The system can achieve the following functions: (1) The bottles can be transported and filled and the filling volume can be set according to the size of bottles; (2) the full bottles can be transported and counted, the count includes total count and the count of unit package and the total number of unit packaging can be set according to package size; (3) the system can achieve manually reset. The system mainly uses the Mitsubishi PLC, sensors, relays, switches and so on and uses the good automatic control performance of PLC to achieve the no control of beverage filling production line. KEY WORDS: Mitsubishi FXPLC; Beverage filling; Production line; No control nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘要 Abstract 第 1 章 绪论 1 1.1 设计目的 1 1.2 设计意义 1 1.3 国内外发展趋势 1 1.4 基本内容 4 1.5 拟解决问题 4 1.6 研究方法 4 第 2 章 总体设计方案 5 2.1 饮料灌装流水线的基本结构 5 2.2 饮料灌装流水线的工作原理 6 2.3 流水线灌装的工作原理 6 2.4 系统流程图 6 2.5 本章小结 7 第 3 章 系统硬件设计 8 3.1 选择电气元件 8 3 . 1 . 1 电动机的选择 8 3.1.2 接触器的选择 8 3.1.3 断路器 的选择 8 3.1.4 热继电器 的选择 9 3.1.5 传感器 的选择 9 3.1.6 红外发光二极管 1 0 3.1 .7 电器元件明细表 10 3.2 选择 PLC 10 3.2.1 PLC 的结构与特点 10 3.2.2 PLC 的选型 12 3.3 I/O 点的编号分配和 P LC 外部接线图 1 3 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 3.4 控制面板图 1 3 3.5 本章小结 13 第 4章 系统软件设计 1 5 4.1 电控系统与原理图设计 15 4.1 .1 自动操作系统 15 4.1 .2 手动操作系统 15 4.1 .3 报警 16 4.1 .4 计数过程 16 4.2 P L C 常用编程元件 1 6 4.2.1 输入继电器（ X） 16 4.2.2 输出继电器（ Y） 16 4.2.3 辅助继电器（ M） 17 4.2.4 定时器 （ T） 17 4.2.5 计数器（ C） 18 4.2.6 数据寄存器（ D） 18 4.3 梯形图 1 9 4.4 指令表 21 4.5 本章小结 2 5 结论 26 参考文献 27 致谢 28 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第 1 章 绪 论 1.1 设计目的 近年来，饮料工业发展迅猛，碳酸饮料、果汁饮料、蔬菜汁饮料、含乳饮料、瓶装饮用水、茶饮料等品种不断丰富，产量上的不断需求使得对设备市场的需求也不断增加。 目前饮料灌装生产线的控制过程主要是继电器接触控制，这种电路接线复杂，可靠性低，使得工业生产的效率得不到提高。不过，随着时代的发展，饮料灌装生产线的控制过程正朝着智能化和自动化的方向发展。 PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统重的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性 和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是 PLC 的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也很方便。用户在购到所需的 PLC 后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将 PLC 应用于生产实践。 1.2 设计意义 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。采用 PLC 控制饮料灌装生产线，实现了饮料生产线的自动化、智能化。对劳动生产率的提高，饮料质量和产量的提高具有深远的意义。 1.3 国内外发展趋势 近年来，饮料工业发展迅猛，碳酸饮料、果汁饮料、蔬菜汁饮料、含乳饮料、瓶装饮用水、茶饮料等品种不断丰富，产量上的飘红使得对设备市场的需求也呈牛市。 国外灌装与封口设备高速、多用、高精度方向发展，目前部分灌装生产线已可以在玻璃瓶与塑料容器（聚酯瓶）、碳酸饮料与非碳酸饮 料、热灌装与冷灌装等不同要求和环境下作用。目前碳酸饮料灌装机灌装速度最高已达 2000 罐 /分，德国 H K 公司灌装机的灌装阀多达 165 头， SEN 公司 144 头， Krones 公司 178 头，灌装机直径大至 5 米，灌装精度 0.5ml 以下。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 非碳酸饮料灌装机灌装阀 50 100 头，灌装速度最高达 1500 罐 /分，灌装机料槽转速 20 25 转 /分，速度提高 1 倍。可以进行茶饮料、咖啡饮料、豆乳和果汁饮料等多种饮料的热灌装，国外热灌装饮料封口后不再进行二次杀菌。 碳酸饮料常温灌装已酝酿 20 多年，常温碳酸化可以降低饮料成本，有利环保。非碳酸饮料充氮系统采用加压方式或液氮滴入方式向铝罐或 PET 瓶内灌注液氮惰性气体，可以保护内容物，减少营养素的损失。 目前 PET 瓶装茶饮料通常采用热灌装方法，为了降低灌装温度，提高茶饮料风味，确保产品卫生安全，已开发 PET 树脂成型使用 130 蒸汽杀菌和特殊灌装头灌装的简便式无菌包装机，同时正在开发冰咖啡等低酸性饮料两片薄壁罐的无菌包装技术，以实现薄壁罐的无菌包装。 国内灌装生产线全方位发展我国饮料灌装设备基本是在引进设备和技术的基础上发展起来的，八十年代，引进各种饮料灌装生产线 300 多条，包括啤酒灌装线达 500多条。引进灌装生产线主要分为以下几类： 玻璃瓶饮料灌装线 80 年代引进 116 条玻璃瓶饮料灌装线，主要用于碳酸饮料，其中 80 多 条是以记账贸易方式从东欧国家引进的，包括罗马尼亚 35 条、西德 30 条、波兰、捷克 8 条。以外汇方式引进的灌装线包括西德 23 条、日本 3 条、美国 6 条、意大利 1 条。生产线主要设备有卸箱机、洗瓶机、灌装机、压盖机、贴标机、喷码机、气水混合机、装箱机等。在线检测设备有真空检测仪、液面检测仪、灌装能力 150、 200、300 400 瓶 /分。设备主要生产厂家有德国 SEN、 H K、 O H、日本三菱重工、意大利 希莫拉兹（ Simonazzi）、美国迈耶等。 1984 年广东轻机厂引进德国 SEN 公司和 H K 公司啤酒灌装线制造技术，制造每小时 2 万瓶的瓶装啤酒灌装线，南京轻机厂和合肥轻机厂以日本三菱重工技术，制造每小时 1 8 万瓶 /分的汽水灌装线。其他还有重庆轻机厂（测绘三菱重工 32/8 设备，14000 瓶 /分）和廊坊包装设备制造总公司（测绘德国 SEN 公司 24/6 设备， 6000 8000瓶 /时）的灌装线。 易拉罐饮料灌装线八五期间，我国引进易拉罐饮料灌装线 15 条，同时引进易拉罐啤酒灌装线 14 条。主要是德国 SEN、美国迈耶公司的 设备，包括卸罐机、洗罐机、灌装机、封罐机、温罐机、码垛机，其他还有混合机、喷码机、薄膜收缩机、液位检测仪等。灌装能力为 150、 300、 400、 500 罐 /分，最高 575 罐 /分。目前广东轻机厂、南京轻机厂、合肥轻机厂等都有自己的易拉罐灌装线。 聚酯瓶灌装生产线引进的聚酯瓶饮料灌装线共 6 7 条，包括脱箱机、卸箱机、洗瓶机、灌装机、旋盖机、温瓶机、装箱机等。灌装能力为 250ml 瓶为 400 500 瓶 /分，nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 1250ml 瓶为 50 280 瓶 /分。主要设备厂家有美国迈耶和德国 SEN 公司。合肥轻机厂利用德国 Krones 公司技术 ，制造聚酯瓶饮料灌装线，目前合肥轻机厂、南京轻机厂均能制造玻璃瓶和聚酯瓶两用的饮料灌装线。 软包装饮料灌装线我国先后从瑞典、美国、德国、法国等国家引进软包装饮料灌装线，主要有：瑞典利乐包无菌包装机八五期间引进 40 多条，现全国有 160 多条，而利乐公司在我国北京、广东佛山、江苏昆山设有复合纸板制造线。现有各种容量的利乐纸盒， AB 型最高灌装能力 7500 盒 /时。美国屋顶形纸盒无菌包装机，灌装能力 4500盒 /时；法国百利包，灌装能力 80 袋 /分；立袋饮料灌装机，德国 BOSCH、日本东洋、日本印刷等制造；德国 zupack 纸盒成形 -灌装 -封口饮料热灌装线；德国 PKL，采用预成形纸盒，包括开盒、灌装、封口。灌装能力 6300 盒 /时。以上前三种为无菌灌装，后三种采用热灌装，灌装封口后用喷淋冷水冷却，德国 zupack 卧式复合纸盒成形热灌装机已由合肥通用机械所和南京第二商业机械厂研制成功，并批量生产。碳酸饮料灌装线经过引进和消化吸收，我国饮料装备水平已有很大提高，特别是 150 瓶（罐） /分以上生产能力的灌装生产线基本可以成套供应，目前南京轻工机械厂、合肥轻工机械厂和广东轻工机械厂已能提供生产能力高达 600瓶 /分的玻璃瓶和 600罐 /分的易 拉罐饮料或啤酒灌装生产线，主要设备包括半自动卸垛机、冲罐机（洗瓶机）、灌装机、封罐机（压盖机、旋盖机）、温罐机（温瓶机）、混合机、纸箱包装机和杀菌机、灌装能力如下：灌装机 /封罐机头数： 18/430/640/660/8 灌装速度（罐或瓶 /分）：聚酯瓶灌装生产线基本与玻璃瓶灌装机通用，经过调整后，可以一机两用，灌装能力为 250ml瓶为 24000 瓶 /时； 1250ml 瓶为 720 瓶 /时。 中小规模饮料灌装生产线水平不高，成套能力差，制造厂较多，主要有廊坊张家港、靖江、上海奉贤、胡桥、海门、沈阳、河南新乡以及北京等地的灌 装设备制造厂，大部分仅提供洗瓶（洗罐）、灌装压盖（封罐）设备。廊坊包装设备制造公司将水处理、制冷、糖化、配料以及管路系统的制造厂组成集团公司，供应成套饮料灌装设备。 瓶装饮用水生产线主要包括冲瓶、灌装、封口，还有水处理和消毒设备，山东安丘轻机厂、廊坊包装设备制造公司、张家港美星等都能成套供应。 果汁饮料灌装生产线中小规模的非充气饮料灌装线包括玻璃瓶灌装生产线和易拉罐灌装生产线，生产能力 40 200 瓶（罐） /分。其中灌装速度低的果茶灌装机是宝坻包装厂的产品，近年来采用活塞式定量的灌装机制造厂有铭瑞、乐惠和黄岩 飞云机械厂等。安丘轻机厂是原轻工业部的非充气饮料灌装机定点厂，加工精度高，但主要生产玻璃瓶压盖式玻璃瓶灌装设备。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 易拉罐灌装生产线制造厂遍及温州、杭州、汕头等多家制造厂、生产能力 400012000 罐 /分，主要提供洗罐、灌装、封罐设备，成套能力较差。 浓缩果汁设备除引进的浓缩果汁生产线外，我国已基本能生产浓缩果汁设备。第一条国产果汁生产线诞生于 1994 年底，使用厂是山东平原宝原果汁饮品公司，当时的主要设备是卧式螺旋沉降式离心机和降膜管式三效蒸发器，采用传统方法生产浓缩果汁。浓缩设备除降膜管式蒸发器外，还有兰 州石化装备工程总公司的板式蒸发器，目前 606 所已能成套提供浓缩果汁设备。用于果汁澄清的超滤装置目前都依靠进口，相信不久的将来，将会有自动化程 度高的国产果汁超滤设备。 1.4 基本内容 1.设计饮料灌装的工艺方案； 2.设计控制系统的总体结构； 3.PLC 控制程序的编写：写出指令表。 1.5 拟解决问题 1.控制系统总体设计：分析控制要求，了解系统工作过程。 2.控制系统硬件的设计： PLC 型号、相关元器件的选择以及外部接口电路的设计 . 3.控制系统软件设计：绘制顺序功能图和梯形图。 1.6 研究方法 1.阅读 和查阅相关资料和文献全面地学习和研究参考国内外相关项目设计 从中学习 饮料灌装生产流水线 PLC 控制系统设计的 控制原理。完成基本的知识结构体系； 2.确定 PLC 型号、相关元器件的选择以及硬件电路的设计； 3.绘制 系统框图、系统电气原理图、 PLC 控制系统的外部接线图以及 PLC 控制程序清单及注释； 4.撰写毕业论文。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 第 2 章 总体设计方案 2.1 饮料灌装流水线的基本结构 整个灌装流水线的基本结构如图 2.1、图 2.2、图 2.3 所示。整个流水线由主传送带、次品传送带、灌装装置、次品推动装置、定位传 感器、次品检测传感器等组成。电动机的启动和停止，灌装装置向上、向下移动和灌装，次品的检测、推动都是由 PLC控制的。流水线由传感器实时监控，由 PLC 控制，控制准确，自动化程度高。 图 2.1 灌装流水线基本结构图（主视图） 图 2.2 灌装流水线基本结构图（侧视图） 2.2 饮料灌装流水线的工作过程 启动传送带的驱动电机，一直保持到灌装设备下的光电传感器检测到一个瓶子时停止，饮料灌装 设备开始工作，瓶子装满饮料后主传送带驱动机启动，到又检测到一个瓶子时停止；灌装后的瓶子经微波传感器检测饮料是否灌满；是则推动装置不工作；否则未灌满饮料的瓶子被推动装置推到次品传送带上。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 图 2.3 灌装流水线的基本结构图（俯视图） 2.3 流水线灌装的工作原理 灌装流水线的运作是通过电机和灌装设备来控制的。通过电动机的运转，带动流水线的工作。而灌装设备的开通则直接控制饮料流通。通过输入 PLC 软件程序，直接控制电机及流水线的运作。流水线由传感器实时监控，由 PLC 控制，控制准确。自动化程度高。 2.4 系统流程图 流程图说明：系统分自动和手动两种模式，在手动模式下，由 SB2 按钮控制启动传送带电动机，到达灌装位置后，松开 SB2，再按下按钮 SB3，灌装装置开始动作；再自动模式下按下按钮 SB5 启动主传送带电动机，当定位传感器检测到饮料瓶后，主传送带停止，灌装装置开始动作，定时时间到达以后，灌装装置自动停止，往传送带再次运动。系统流程图如下图 2.4。 2.5 本章小结 本章主要介绍了饮料灌装流水线的主要组成结构；并对饮料灌装流水线的工作过程和原理进行了说明。绘制了系统流程图 。 整个流水线由主传送带、次品传送带、灌装装置、次品推动装置、定位传感器、次品检测传感器等组成。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 图 2.4 系统流程图 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 第 3章 系统硬件设计 分析对象的控制要求，确定输入 /输出接口（ I/O）数量，选择适合的 PLC 机型及外设，完成 PLC 硬件结构配置，并绘制 PLC 控制电路硬件接线图，编制 I/O 接口功能表。 3.1 选择电器元件 3.1.1 电动机的选择 目前市面上的电动机类型多种多样，用于驱动传送带传送的电动机和灌装设备的类型也数不胜数。基于该系统的控制要求与各类型电动机的结构特点和工作场合，并考虑到经济 性和实用性，本系统选择的电动机型号如下： 电动机 M1 型号为 Y132M-4，额定电压为交流 380V，额定电流为 15A，频率为50HZ，功率为 7.5KW，转速为 1440r/min。 电动机 M2 型号为 Y90S-4，额定电压为交流 380V，额定电流为 2.8A，频率为 50HZ，功率为 1.1KW，转速为 1440r/min。 电动机 M3 选与电动机 M2 一样的型号即可。 3.1.2 接触器的选择 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 (3.1) 综上所述，本系统选用 CJ10-40 接触器：额定电流为 40A,额定电压为 380V。 3.1.3 断路器的选择 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nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 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。 断路器选用原则； （ 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。 根据三个电动机的额定电流，选择断路器 QF1、 QF2、 QF3 的型号如表 3.1 所示。并根据 PLC 和变压器选择 QF4 和 QF5 的型号。 3.1.4 热继电器的选择 热继电器由两部分组成，每一部分安装的位置不同。一部分是主触点，接在电动机与接触器 KM 之间。另一部分是接在控制 电路中，与接触器 KM 的线圈电路相串联。热继电器在控制线路中起过载保护的功能。热继电器是采用双金属热元件，动作机构，常闭触头和常开触头，复位按钮及整定电流调节旋钮等构成。根据双金属热元件的数目可分为两极和三极型热器，而三极型又分带断相保护和不带断相保护两种。 主电动机 M1 的额定电流 15A， FR1 可以选用 JR16，热元件电流为 20A，电流整定范围为 14 22A 工作时将额定电流调整为 15A。同理， FR2 可选用 JR10-10 型热继电器，热元件电流为 2A，电流整定范围为 0.45 2A 工作时将额定电压调整为 1.1A。FR3 的型号和 FR2 相同。 3.1.5 传感器的选择 微波液位仪原理图如图 3.1 所示：相距为 S 的发射天线和接收天线，相互构成一 定角度。波长为 的微波从被测液面反射后进入接收天线。接收天线接收到的微波功率将随着被测液面的高低不同而异。接收天线接收到的功率0P为 0P dS GGP tt 44 2 02 （ 3.2） 式中， tP 为发射天线的发射功率；tG为发射天线的增益；0G为接收天线的增益；d 为两天线与被测表面间的垂直距离。 当发射功率、波长、增益均恒定时，上式可改写为 221220204444 dKKdSGGPP tt （ 3.3） nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 式中， 1K 为取决于发射功率、天线增益 与波长的常数； 2K 为取决于天线安装方法和安装距离的常数。由上式所知只要测到接收功率 Po 就可得到被测液面的高度。 图 3.1 微波液位仪原理图 根据设计需要选择：定位传感器选择光电传感器，次品传感器选择微波测位仪（微波传感器）。 3.1.6 红外发光二极管 常用的红外发光二极管（如 SE303PH303），其外形和发光二极管 LED 相似，发出红外光（近红外线约 0.93m）。 当红外线接收管收到红外线的照射时，其本身的电阻很小，呈低阻值，电路导通。当红外发射头与接收头中间 没有物品挡住时红外接收到红外线照射，呈现低电阻，发出一个高电平信号。当有物体经过红外发射与接收的中间时，由于红外线被挡住，红外接收管呈现大的阻值，电路断开，这时红外接收管发出一个低电平信号。当物体过完之后又回到原来的状态。 3.1.7 电器元件明细表 电器元件及其型号如下表 3.1 所示。 3.2 选择 PLC 3.2.1 PLC 的结构与特点 PLC 的构成从结构上分， PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 包括 CPU 板、 I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 表 3.1 电器元件明细表 符 号 名 称 型 号 数 量 M1 主传送带电动机 Y132M4 1 M2 灌装装置电动机 Y90S4 1 M3 次品传送带电动机 Y90S4 1 QF1 断路器 NS100N 1 QF2 断路器 NS80N 1 QF3 断路器 NS80N QF4 断路器 NS20N 1 QF5 断路器 NS10N 1 FR1 热继电器 JR16 1 FR3 热继电 器 JR10-10 1 FR2 热继电器 JR10-10 1 SB1 SB3 按钮 LA10-1K 3 SB5 SB7 按钮 LA10-1K 3 微波液位仪 光电传感器 发光二级管 KM1 接触器 CJ10-40 1 KM2 接触器 CJ10-40 1 KM3 接触器 CJ10-40 1 PLC 编程简介体积小，重量轻，耗电少，接线编程简单，可靠性高，反应快，可靠性高，抗干扰能力强。 PLC 一经出现，由于它的自动化程度高、可靠性好，设计周期短、使用和维护简便等独特优点，备 受国内外工程技术人员和工商业界厂商的极大关注，生产 PLC 的厂商孕起。随着大规模集成电路和微处理器在 PLC 中应用，是 PLC的功能不断得到增强，产品得到飞速发展。目前， PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、 石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 PLC 常用程序设计语言简介方源可编程控制器程序设计语言。在可编程控制器中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。其中梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述 程序的一种程序设计语言。是最广泛，最受欢迎的一种编程语言。它采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。 3.2.2 PLC 的选型 三菱公司是日本 生产 PLC 的主要厂家之一。该公司的生产的 FX2N 系列机型，属于高性能叠装式机型，是三菱公司上网典型产品， FX2N 系列 PLC 具有数十种编程元件。 FX2N 系列 PLC 编程元件的编号分为两部分：第一部分是代表功能的字母。如输入继电器用 “X”表示、输出见电器用 “Y”表示。第二部分为数字，数字为该类器件的序号。 PLC 主要主要考虑一下几点： I/O 信号的点数：根据已确定的 I/O 设备统计所需要的 I/O 信号的点数，选择是 否支持扩展机架的 CPU。 根据所需的用户输入输出设备及 I/O 点数，选择 FX2N16MR001 型 PLC 就可以满足控制系统的要求。 图 3.2 PLC 外部接线示意图 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 3.3 I/O 点的编号分配和 PLC 外部接线图 3.3.1 I/0 点的编号 通过对输入输出设备的分析、分类和整理，进行相应的 I/O 地址分配，应尽量将相同类型的信号、相同电压等级的信号地址安排在一起，以便施工和布线，并绘制 I/O接线图。 I/O 点的编号分配如表 3.1 所示。 表 3.1 I/O 点的编号分配表 输入 输出 定位 传感器 X000 手动 /自动切换 SB1 X001 手动传送带 SB2 X002 手动灌装 SB3 X003 次品检测传感器 X004 自动启动 SB5 X005 停止 SB6 X006 复位 SB7 X007 传送带电动机 KM1 Y000 灌装电动机 KM2 Y001 报警灯 Y002 下降 电磁阀 YV1 Y003 上升电磁阀 YV2 Y004 次品推动电磁阀 YV3 Y005 灌装电磁阀 YV4 Y006 次品传送带电动机 KM3 Y007 3.3.2 PLC 外部接线图 PLC 的外部接线图如下图 3.3 所示。 3.4 控制面板图 自动化生产线的控制台可以用普通的控制面板实现，也可以用 HMI（人机界面）设备实现。控制面板上有手动 /自动切换、手动传送带、手动灌装、报警灯、启动自动、停止和复位。 欲完成以上的控制动作，需要通过 可编程控制器来对生产线的控制。 根据设计要求及考虑到工人工作的要求，设计控制面板布置情况如图 3.4 所示。 3.5 本章小结 本章介绍了电器元件的选择和 PLC 的选型。列出 I/O 点的编号分配表和电器元件明细表，绘制出 PLC 外部接线图和控制面板图。 电器元件的选择包括电动机、继电器、断路器、传感器。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 图 3.3 PLC 的外部接线图 图 3.4 控制面板图 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 第 4章 系统软件设计 4.1 电控系统与原理设计 图 4.1 中主传送带用电动机 M1 来运行，并用接触器 KM1 来控制电动机的运行与停止。由热继电器 FR1 实现过载保护。灌装装置用电动机 M2 来运行，并用接触器KM2 来控制电动机的运行与停止。由热继电器 FR2 实现过载保护。次品传送带用电动机 M3 来运行，并用接触器 KM3 来控制电动机的运行与停止。由热继电器 FR3 实现过载保护。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热继电器提供。 图 4.1 电气控制原理图 系统通过按钮设定为自动操作模式和 手动操作模式。手动模式用于设备的调试和计数统计的复位。自动模式下允许启动生产线运行。 4.1.1 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，传送带驱动电机自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。 4.1.2 手动操作模式 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 16 手动模式下，由 SB2 按钮控制启动主传送带电动机，到达灌装位置后，松开 SB2，再按下按钮 SB3，灌装装置开始动作，通过定时器控制灌装时间，灌装时间到达后，整个流水线停止，直到再次按下启动按钮，流 水线才运作。手动模式可以用于自动模式启动前的系统调整。 4.1.3 报警 当灌装装置开始灌装饮料时，报警装置得到 PLC 输出信号，此时，报警灯亮，开始报警， 5 秒钟以后，灌装结束，同时报警结束。 4.1.4 计数过程 计数过程需记录满瓶数和次品瓶数，主要是以红外发光二极管和微波液位计作为传感器，记录所有瓶数的技术原理是当红外线接收管受到红外线的照射时，其本身的电阻很小，呈低阻值，电路导通，当红外发射头与接收头中间没有物品挡住时红外接收到红外线照射，呈现低电阻，发出一个高电平信号，计数装置计一次数。当有物体经过红外发 射与接收的中间时，由于红外线被挡住，红外接收管呈现大的阻值，电路断开，这时红外接收管发出一个低电平信号。当物体过完之后又回到原来的状态。计数装置由 8 个十进制计数器组成，当计数到 99999999 时，再计数一次，计数器溢出。计数最多不超过 99999999。记录次品瓶数的技术原理是当检测到有次品时，微波接受装置发出信号给 PLC， PLC 的寄存器值加一，同时，所有瓶数减去次品瓶数便得出了可满瓶数，把满瓶数也放入另一个寄存器中。这就是记录满瓶数和次品瓶数的技术原理。电路设置了手动复位按钮，计数器正常计数时是低电平，按下 复位按钮后，复位端变成高电平，使计数器复位，实现手动对计数器清零。 4.2 PLC 常用编程元件 4.2.1 输入继电器（ X） PLC 的输入端子是从外部开关接受信号的窗口， PLC 内部与输入端子连接的输入继电器 X 是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致（按八进制输入），线圈的吸合或释放只取决于 PLC 外部触点的状态。内部有常开 /常闭两种触点供编程时随时使用，且使用次数不限。输入电路的时间常数一般小于 10ms。各基本单元都是八进制输入的地址，输入为 X000 X007， X010 X017， X020 X027。它们一般位于机器的上端。 4.2.2 输出继电器（ Y） PLC 的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到 PLC 的输出端子上供外部负载使用，其余常开 /常闭触点供内部程序使用。输出继电器的电子常开 /常闭触点使用次数不限。输出电路的nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 17 时间常数是固定的。各基本单元都是八进制输出，输出为 Y000 Y007， Y010 Y017，Y020 Y027。它们一般位于机器的下端。 4.2.3 辅助继电器（ M） PLC 内有很多的辅助继电器，其线圈与输出继电器一样， 由 PLC 内各软元件的触点驱动。辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用。它的电子常开 /常闭触点使用次数不受限制。但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。在 FX2N 中普遍采用 M0 M499，共 500点辅助继电器，其地址号按十进制编号。辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器，如掉电继电器、保持继电器等，在这里就不一一介绍了。 4.2.4 定时器（ T） 在 PLC 内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有 1ms、 10ms、 100ms。定时器可以用用户程序存储器内的常数 K 作为设定值，也可以用数据寄存器（ D）的内容作为设定值。在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误动作。 定时器通道范围如下： 100ms 定时器 T0 T199，共 200 点，设定值： 0.1 3276.7 秒； 10ms 定时器 T200 TT245，共 46 点，设定值： 0.01 327.67 秒； 1ms 积算定时器 T245 T249，共 4 点，设定值： 0.001 32.767 秒 ； 100ms 积算定时器 T250 T255，共 6 点，设定值： 0.1 3276.7 秒。 当定时器线圈 T200 的驱动输入 X000 接通时， T200 的当前值计数器对 10ms 的时钟脉冲进行累积计数，当前值与设定值 K123 相等时，定时器的输出接点动作，即输出触点是在驱动线圈后的 1.23 秒（ 10*123ms=1.23s）时才动作，当 T200 触点吸合后，Y000 就有输出。当驱动输入 X000 断开或发生停电时，定时器就复位，输出触点也复位。 每个定时器只有一个输入，它与常规定时器一样，线圈通电时，开始计时；断电时，自动复位，不 保存中间数值。定时器有两个数据寄存器，一个为设定值寄存器，另一个是现时值寄存器，编程时，由用户设定累积值。 定时器线圈 T250 的驱动输入 X001 接通时， T250 的当前值计数器对 100ms 的时钟 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 18 脉冲进行累积计数，当该值与设定值 K345 相等时，定时器的输出触点动作。在计数过程中，即使输入 X001 在接通或复电时，计数继续进行，其累积时间为 34.5 时触点动作。当复位输入 X002 接通，定时器就复位，输出触点也复位。 4.2.5 计数器（ C） （ 1） FX2N 中的 16 位增计数器，是 16 位二进制加法计数器，它是在计数信号 的上升沿进行计数，它有两个输入，一个用于复位，一个用于计数。每一个计数脉冲上升沿使原来的数值减 1，当现时值减到零时停止计数，同时触点闭合。直到复位控制信号的上升沿输入时，触点才断开，设定值又写入，再又进入计数状态。其设定值在K1 K32767 范围内有效。设定值 K0 与 K1 含义相同，即在第一次计数时，其输出触点就动作。通用计数器的通道号： C0 C99，共 100 点。保持用计数器的通道号： C100C199，共 100 点。通用与掉电保持用的计数器点数分配，可由参数设置而随意更改。 由计数输入 X011 每次驱动 C0 线圈时 ，计数器的当前值加 1。当第 10 次执行线圈指令时，计数器 C0 的输出触点即动作。之后即使计数器输入 X011 再动作，计数器的当前值保持不变 当复位输入 X010 接通（ ON）时，执行 RST 指令，计数器的当前值为 0，输出接点也复应注意的是，计数器 C100 C199，即使发生停电，当前值与输出触点的动作状态或复位状态也能保持。 （ 2） 32 位增 /减计数器（ C200 C234）共有 35 点 32 位加 /减计数器，其中 C200C219（共 20 点）为通用型， C220 C234（共 15 点）为断电保持型。这类计数器与16 位增计数 器除位数不同外，还在于它能通过控制实现加 /减双向计数。设定值范围均为 -214783648 -+214783647（ 32 位）。 C200 C234 是增计数还是减计数，分别由特殊辅助继电器 M8200 M8234 设定。对应的特殊辅助继电器被置为 ON 时为减计数，置为 OFF 时为增计数。 计数器的设定值与 16 位计数器一样，可直接用常数 K 或间接用数据寄存器 D 的内容作为设定值。在间接设定时，要用编号紧连在一起的两个数据计数器。 4.2.6 数据寄存器（ D） PLC 在进行输入输出处理、模拟量控制、位置控制时，需要许多数据寄存 器存储数据和参数。数据寄存器为 16 位，最高位为符号位。可用两个数据寄存器来存储 32位数据，最高位仍为符号位。数据寄存器有以下几种类型： 1.通用数据寄存器（ D0 D199） 共 200 点。当 M8033 为 ON 时， D0 D199 有断电保护功能；当 M8033 为 OFF时则它们无断电保护，这种情况 PLC 由 RUNSTOP 或停电时，数据全部清零。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 19 2.断电保持数据寄存器（ D200 D7999） 共 7800 点，其中 D200 D511（共 12 点）有断电保持功能，可以利用外部设备的参数设定改变通用数据寄存器与有断电保持功能数据 寄存器的分配； D490 D509供通信用； D512 D7999 的断电保持功能不能用软件改变，但可用指令清除它们的内容。根据参数设定可以将 D1000 以上做为文件寄存器。 3.特殊数据寄存器（ D8000 D8255） 共 256 点。特殊数据寄存器的作用是用来监控 PLC 的运行状态。如扫描时间、电池电压等。未加定义的特殊数据寄存器，用户不能使用。 4.变址寄存器（ V/Z） FX2N 系列 PLC 有 V0 V7 和 Z0 Z7 共 16 个变址寄存器，它们都是 16 位的寄存器。变址寄存器 V/Z 实际上是一种特殊用途的数据寄存器，其作用相当 于微机中的变址寄存器变，用于改变元件的编号（变址），例如 V0=5，则执行 D20V0 时，被执行的编号为 D25（ D20+5）。变址寄存器可以象其它数据寄存器一样进行读写，需要进行 32 位操作时，可将 V、 Z 串联使用（ Z 为低位， V 为高位）。 4.3 梯形图 梯形图如图 4.2 所示 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 20 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 21 图 4.2 梯形图 4.4 指令表 根据梯形图所得指令表如下： 0 LD M8002 1 OR X007 2 SET M2 3 MOV K0 D100 8 LD M2 9 MC N0 M2 12 LD X005 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 22 13 OR M1 14 ANI X006 15 ANI X007 16 OUT M1 17 LD M1 18 ANI M30 19 ANI M60 20 OUT M10 21 LD X000 22 OR M30 23 ANI T4 24 OUT M30 25 OUT T0 SP K10 28 OUT M50 29 LD T0 30 MPS 31 ANI TI 32 OUT M11 33 MRD ANI T1 35 OUT M12 36 MPP 37 OUT T1 SP K50 40 LD T1 41 OUT T4 SP K10 44 OUT M40 45 MCR N0 47 LD M3 48 MC N1 M3 51 LD X002 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 23 52 ANI M31 53 ANI M60 54 OUT M20 55 LD X003 56 OR M31 57 ANI T5 58 OUT M31 59 OUT T2 SP K10 62 OUT M51 63 LD T2 64 MPS 65 ANI T3 66 OUT M22 67 MRD 68 ANI T3 69 OUT M21 70 MPP 71 OUT T3 SP K50 74 LD T3 75 OUT T5 SP K10 78 OUT M41 79 MCR N1 81 LD X001 82 SET M3 83 RST M2 84 LD M30 85 OR M31 86 OUT C200 K99999999 91 ADDP D101 K1 D101 98 LD X004 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 24 99 ADDP D100 K1 106 SUBP C200 D100 113 SET M60 114 LD M60 115 OUT T6 SP K10 118 LD T6 119 RST M60
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