基于FX2N PLC饮料灌装生产流水线控制系统设计

摘 要本文主要介绍的是基于三菱 FX2N-32MR-001 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 FX2N-32MR-001 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，灌装量可根据空瓶大小设定；（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 FX2N-32MR-001 PLC；饮料灌装；生产流水线；无人控制ABSTRACTThis paper mainly introduces the control system of beverage filling production line based on Mitsubishi FX2N-32MR-001 PLC.The system design consists of hardware and software design. The hardware design includes Mitsubishi FX2N-32MR-001 PLCs 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 FX2N-32MR-001 PLC; Beverage filling; Production line; No contro目 录1 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 课题研究内容 .12 饮料罐装生产流水线总体方案设计 .32.1 任务的分析 .32.2 硬件方案设计 .32.3 软件方案设计 .32.3.1 经验设计法 .42.3.2 逻辑设计法 .43 系统元件的选择 .53.1 PLC 的选型 .53.2 电动机的选型 .53.3 接触器的选型 .63.4 热继电器的选型 .63.5 开关电器、熔断器的选型 .63.6 传感器的选型 .64 系统的硬件电路实现 .94.1 系统硬件结构框图 .94.2 主电路的设计 .94.3 控制电路的设计 .104.4 操作面板的设计 .105 系统程序的设计 .135.1 控制要求和控制过程分析 .135.2 I/O 端口分配 .135.3 梯形图 .155.3.1 初始化程序 .155.3.2 装箱选择程序 .155.3.3 流水线主控程序 .165.3.4 闪烁报警程序 .185.3.5 记数程序 .185.3.6 数据传送程序 .196 程序调试 .216.1 装箱选择程序的仿真 .216.2 主控制程序的仿真 .216.3 闪烁报警程序的仿真 .246.4 记数程序的仿真 .247 结论与展望 .25致 谢 .26参考文献 .27附 录 .28即可）：Equation Chapter 1 Section 11 绪论1.1 课题研究背景近年来，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 1-2。目前饮料灌装生产线的控制过程主要是继电器接触控制，但这种电路接线复杂，可靠性低，使得工业生产的效率得不到提高 3-4。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中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；调试与查错也都很方便。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 5-12。1.2 课题研究内容本课题对饮料罐装生产流水线的硬件和软件进行了设计。其中硬件设计包括三菱FX2N-32MR 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。根据系统的要求对 PLC、电动机、传感器等外部设备进行选型。设计好的饮料灌装生产流水线能够实现以下目的：（1）系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待灌装的饮料瓶被传送至灌装设备下时停止；瓶子装满饮料并上盖后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到下一个待灌装的饮料瓶被传送至灌装设备下或停止开关动作；（2）当瓶子定位在灌装设备下时，停顿 1s，灌装设备开始工作，对于大瓶灌装 8 秒钟，小瓶则灌装 5 秒钟，待灌装过程完毕再对饮料瓶进行上盖，上盖时间为 2 秒钟。整个灌装和上盖过程应有报警显示，待上盖完毕后不再显示报警；报警方式为红灯以 0.5s 间隔闪烁；（3）包装上，对于小瓶：40 瓶为一大包，30 瓶为一中包，20 瓶为一小包；对于大瓶：20 瓶为一大包，15 瓶为一中包 10 瓶为一小包；（4）能够实现对生产产品进行自动记数并可以手动对计数器清零。2 饮料罐装生产流水线总体方案设计2.1 任务的分析本次设计的任务是以三菱 FX2N 系列 PLC 作为处理核心，用行程开关、传感器将生产过程中的信号（如空瓶的运行的位置、饮料瓶的大小等等）处理后送给 PLC处理器，由 PLC 对数据进行运算，然后输出驱动信号（如接触器、电磁阀等等）来完成饮料罐装生产过程的流水线操作。该系统的总体思路：此生产线为全自动控制的，生产线一旦上电，PLC 将通过软件对生产线进行自动控制：通过输出继电器控制传送带的停转和对饮料瓶灌装的控制，实现对系统状态的显示，并且通过 PLC 内部的计数器对所生产的产品进行计数。2.2 硬件方案设计饮料的灌装是采用了饮料灌装机，饮料灌装机将灌装装置以及封盖装置集合在一起，使饮料的灌装稳定、高效的完成。对于饮料瓶大小的区别是通过反射式光电传感器工作来实现的。利用辅助继电器对计数器进行正电平触发来实现对所生产产品的计数。生产流水线结构如图 2-1 所示。系统的工作原理：系统一旦上电，传送带驱动电动机运转，待空饮料瓶行至行程开关，行程开关闭合，电动机停转，灌装设备通过阀门的关断来控制饮料灌装的时间，待饮料灌装过程完毕后电动机恢复转动，如此循环实现生产线上的自动控制。对于传送带上的饮料瓶大小的区分，是通过下图中所在位置的反射式光电传感器工作来实现的。E - 1阀门传送带驱动电动机 行程开关光电传感器大瓶小瓶图 2-1 生产流水线结构图2.3 软件方案设计PLC 软件方案设计的方法有经验设计法，逻辑设计法等。2.3.1 经验设计法梯形图的经验设计法是比较广泛的一种方法。这种方法没有普遍的规律可以遵循,具有很大的试探性很随意性,最后的结果不是唯一的。该方法的核心是输出线圈。以下是经验设计方法的基本步骤：1.了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械的动作情况。2.确定 PLC 的输入信号和输出负载，画出 PLC 的外部接线图。3.确定与继电器电路图的中间继电器，时间继电器对应的梯形图中的辅助继电器（M）和定时器（T）的元件号。4.根据前面的对应关系画出梯形图。2.3.2 逻辑设计法逻辑设计法的理论基础是逻辑代数。而继电器控制系统的本质是逻辑线路。看一个电气控制线路都会发现,线路的接通和断开,都是通过继电器等元件的触点来实现的,故控制线路的种种功能必定取决于这些触点的开，合两种状态。因此电气控制电路从本质上说是一种逻辑线路,它符合逻辑运算的基本规律。具体步骤如下图 3-1 所示:明确设计任务和技术条件修改软件 ， 硬件联机调试局部模拟运行安装 P L C程序检查调试I / O 配线编制程序制作控制区系统总体设计P L C 机型选择是否满足要求 ？交付使用整理系统文件系统试运行程序备份否是图 2-2PLC 逻辑设计步骤图Equation Chapter (Next) Section 13 系统元件的选择3.1 PLC 的选型根据饮料罐装自动生产线的工艺流程图，PLC 控制系统的输人信号有 9 个，且均为开关量。PLC 控制系统的输出信号有 10 个。FX2N 系列的 PLC 只有继电器输出方式和晶体管输出方式两种, 继电器输出方式其特点是：可使用交直流电源，其动作慢，但安全隔离效果好，可靠性高；晶体管输出方式其特点是：只能使用直流电源，其响应速度最快场效应管输出模块的工作频率可达 20kHz，但过载能力较差。综合以上信息，并结合经济实用性的考虑，控制系统选用 FX2N-32MR-001 型号的 PLC：继电器输出 ,输人点数输出点数均为 16 点，可以满足工艺要求，且留有一定的余量。便于以后的修改和扩展。根据系统的性能与要求，PLC 输入/输出端口地址的分配如表 3-1 所示。表 3-1 PLC I/O 端地址编号对照表输入信号 输出信号名称 功能 编号 名称 功能 编号SB0 启动按钮 X0 KM1 传送带电动机 Y0SB1 停止按钮 X1 YV1 灌装电磁阀 Y1ST0 行程开关 X2 YV2 小瓶封盖 Y2S0 光电传感器 X3 YV3 大瓶封盖 Y3SB4 大包 X4 HL4 大包 Y4SB5 中包 X5 HL5 中包 Y5SB6 小包 X6 HL6 小包 Y6SB7 散装 X7 HL7 散装 Y7SB10 手动复位 X10 HL10 系统上电显示 Y10HL11 灌装过程显示 Y113.2 电动机的选型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的类型也数不胜数 13-14。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为 Y132M-4，其性能参数如表 3-2 所示。表 3-2 Y132M-4 型电动机的性能参数电流 电压 堵转转矩 最大转矩 额定转速 极数 频率 额定功率15.4 A 380V 2.2 n.m 2.3 n.m 1440 r/min 4 50 Hz 7.5KW3.3 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 (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。3.4 热继电器的选型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。3.5 开关电器、熔断器的选型行程开关是一种由物体的位移来决定电路通断的开关，选用型号为 LXK2-131 型。熔断器选用 RL1-15 型熔点器，熔体的额定电流为 30A。3.6 传感器的选型系统中运用传感器对饮料瓶的大小进行区别，根据设计需要选择反射式光电传感器 15。反射式光电传感器的工作原理如图 3-1 所示。反射式光电传感器反射物发光接收图 3-1 反射式光电传感器原理图该系统选择的反射式光电传感器型号为 PM2-LF10,其性能参数如表 3-3 所示。表 3-3 PM2-LF10 反射式光电传感器的性能参数性能 参数检测距离 2.58mm(中心：5mm)白色无光泽纸(1515mm)最小检测物体 0.05mm 铜线(设定距离：5mm)应差 使用白色无光泽纸(1515mm)工作距离的 20%以下重复精度(垂直于检测轴)0.08mm 以下电源电压 524V DC10% 脉动 P-P5%以下消耗电流 平均：25mA 以下，峰值：80mA 以下输出 NPN 开路集电极晶体管最大流入电流：100mA外加电压：30V DC 以下(输出和 0V 之间)剩余电压：1V 以下(流入电流为 100mA 时)0.4V 以下(流入电流为 16mA 时)短路保护 装备反应时间 0.8ms 以下Equation Chapter (Next) Section 14 系统的硬件电路实现4.1 系统硬件结构框图系统的硬件分为主电路、控制电路、辅助电路三大部分，控制电路控制主电路，辅助电电路起辅助信号显示的作用，它们之间的关系如图 4-1 所示：控制电路主电路辅助电路图 4-1 硬件电路关系图4.2 主电路的设计传送带用电动机 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。断路器 QF1、QF2、QF3 将三相电源引入，同时QF1、QF2、QF3 为电路提供短路保护。饮料罐装生产的主控制电路如图 4-2 所示。3M 1L NP L C2 2 0 V2 4 VQ F 1K M 1Q F 3Q F 2图 4-2 主控制电路图4.3 控制电路的设计PLC 控制系统的输人信号有 9 个，且均为开关量。其中各种单操作按钮开关 6 个，分别 SB0 启动按钮、SB1 停止按钮、SB4 大包、SB5 中包、SB6 小包、SB7 散装、SB10 手动复位按钮。行程开关 1 个，传感器开关 1 个。PLC 控制系统的输出信号有 10 个，其中 1 个用于驱动传送带电动机的接触器KM1, 3 个电磁阀分别用于大瓶和小瓶的封盖及饮料罐装，6 个用于生产线上的状态显示。如图 4-3 所示。FX2N-32MR-01PLCX10Y0X7X65X34X2X0X1 Y4Y3Y2Y124VCOMCOM2C1Y1Y10Y7Y6Y5传感器AC启 动 SB0停 止 SB1手 动 复 位SB10行 程 开 关 ST0光 电 传 感 器 S024V电 机 继 电 器 线 圈 KM1大 包 指 示 灯 HL4散 装 SB7小 包 SB6中 包 SB5大 包 SB4 灌 装 电 磁 阀 YV1大 瓶 封 盖 YV3小 瓶 封 盖 YV2中 包 HL5散 装 HL7小 包 HL6上 电 显 示 HL10灌 装 闪 烁 HL1保 险 丝图 4-3 三菱 PLC 外部接线图4.4 操作面板的设计操作面板本着操作简单，直观明了的，对饮料罐装自动生产线的每一步都能准确显示，方便工作人员的工作为原则而设计。如图 4-4 所示。面板中的按钮有停止、启动和手动复位按钮，以及选择大包、中包、小包和散装的按钮。显示灯有大包、中包、小包和散装的显示灯，还有上电显示和灌装过程显示。本系统还设置了两种灌装模式即大瓶、小瓶灌装，四种包装方式即大瓶的大、中、小包装和散装及小瓶的大、中、小包装和散装 。这样做有利于不同层次的需要。启动大包 小包 上电显示 灌装闪烁启动复位散装小包中包停止 大包中包S B 0 S B 7S B 6S B 5S B 1 S B 4S B 1 0图4-4操作面板外形图Equation Chapter (Next) Section 15 系统程序的设计5.1 控制要求和控制过程分析系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灌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。当瓶子定位在灌装设备下时，停顿 1s，灌装设备开始工作，灌装过程为小瓶装 5s 钟，大瓶装 8S 钟，然后均上盖时间为 2 秒，灌装和上盖过程应有报警显示，上盖过程停止并不再显示报警；报警方式为红灯以 0.5s 间隔闪烁。与此同时对生产的饮料进行打包并计数，对于小瓶：40 瓶为一大包，30 瓶为一中包，20 瓶为一小包；对于大瓶：20 瓶为一大包，15 瓶为一中包，10 瓶为一小包。在生产过程中可以对各计数器手动清零，系统每 8 小时将所记数据送入指定的存储器中，然后将记数器清零。在电动机运转时按下停止按钮，系统会马上停止工作：而在系统进行灌装和加盖时按下停止按钮，系统不会马上停止工作，而要待加盖工作完成后，系统最终停止工作。系统过程流程图和顺序功能图分别如下图 5-1 和图 5-2 所示。5.2 I/O 端口分配X0：启动 Y0：驱动电动机转动X1：停止 Y1：灌装饮料X2：行程开关 Y2：小瓶上盖X3：传感器 Y3：大瓶上盖X4：选择大包包装 Y4：显示大包包装X5：选择中包包装 Y5：显示中包包装X6：选择小包包装 Y6：显示小包包装X7：选择散装 Y7：显示散装X10：手动复位 Y10：系统上电显示Y11：灌装和上盖过程显示 开始上盖 2 秒灌装饮料停顿 1 s上盖 2 秒灌装饮料停顿 1 s初始化传送带运行检测饮料罐大小 大瓶小瓶是否按下启动按钮是否到灌装位置是否按下停止按钮是否装满装罐和上盖时是否按下过停止按钮是否装满是否是是是是是否否否否否图 5-1 过程流程图M 8T 2 K 8 0Y 1T 4 K 2 0Y 3M 6M 4T 3 K 2 0Y 2T 1 K 5 0Y 1M 5M 3M 2M 1 Y 0T 0 K 1 0X 0T 3T 2T 1T 0 X 3T 0 X 3M 7 X 2M 8 0 0 2T 4M 7 M 7M 7图 5-2 顺序功能图5.3 梯形图5.3.1 初始化程序初始化，启动时、按下复位钮和 8 小时将程序中用到的计数器置零5.3.2 装箱选择程序对生产好的饮料进行装箱选择：X4 X5 X6 X7 所对应的按钮 SB4 SB5 SB6 SB7 分别用于选择包装的类型：大包 中包 小包 散装。5.3.3 流水线主控程序生产流水线主控电路的自动控制：系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灌装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止；瓶子装满饮料并上盖后，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；当瓶子定位在灌装设备下时，停顿 1s，灌装设备开始工作，对于大瓶灌装 8 秒钟，小瓶则灌装 5 秒钟，待灌装过程完毕再对饮料瓶进行上盖，上盖时间为 2 秒钟。当系统正在运行装罐时，按下停止按钮，系统并不会马上停止运行，待上盖工作结束后，系统最终停止运转。5.3.4 闪烁报警程序罐装和上盖过程中闪烁报警5.3.5 记数程序对于小瓶：40 瓶为一大包，30 瓶为一中包，20 瓶为一小包；对于大瓶：20 瓶为一大包，15 瓶为一中包 10 瓶为一小包。并且对所装箱和所生产饮料的数量进行计数。5.3.6 数据传送程序设定 8 小时传输一次数据，将各记数器中所记数据存储到指定的存储器中。 6 程序调试利用软件三菱 PLC 编程软件 GX Developer8.86 进行仿真运行调试。6.1 装箱选择程序的仿真X4 X5 X6 X7 分别对应大包 中包 小包和散装的按钮，选择不同的按钮按下，在控制面板上会显示出相应的包装。6.2 主控制程序的仿真X0（对应启动按钮）上电后 Y0（对应继电器线圈）上电并自锁，传送带运行，待写 X2（对应行程开关）上电后，Y0 失电，传送带停止，Y1（对应灌装电磁阀）上电，加饮料 5 秒钟后，Y1 失电，停止加料，Y2（对应上盖装置）上电，上盖时间为2 秒。在传送带运转时，X2X3(对应光电传感器)同时上电，表示检测到大瓶，此后灌装加料过程为 8 秒。在传送带运转时，按下停止按钮（即 X1 上电）系统马上停止工作。在灌装加料和上盖时按下停止按钮，系统不会马上停止工作，而是待灌装和上盖工作结束后，最终停止运转。6.3 闪烁报警程序的仿真系统灌装加料（Y1 上电）和上盖（Y2 上电）时，发光二极管报警器（Y11）会闪烁报警。6.4 记数程序的仿真对于小瓶，每大包可装 40 瓶，并且最后对所装包数进行记数。Equation Chapter (Next) Section 17 结论与展望本文介绍了基于三菱 FX2N-32MR 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。硬件设计方面，根据系统的控制要求对各硬件设备进行了选型并对三菱 FX2N-32MR PLC 外部电路接线进行了设计；软件设计方面对软件设计的方法进行了概述，根据要求设计出梯形图并对它进行仿真调试。仿真调试后的控制系统基本上满足以下控制要求：(1)能对空瓶进行运送、灌装，灌装量可根据空瓶大小设定；（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；（