基于S7-200的啤酒自动包装线的设计说明书

11 前言自改革开放以来的二十多年，中国啤酒工业得到了迅猛发展。据有关资料显示，1987 年到 1994 年期间，国内啤酒年均增幅在 20%以上，年产量增幅接近30%。1995 年以后，我国啤酒产量增长速度较慢。2001 年啤酒产量为 2270 多万吨，2002 年啤酒产量达到 2380 多万吨，首次超过美国成为世界第一啤酒生产大国。在 2003-2005 年期间，我国啤酒经济指标有了一定的增长，销售收入增455 亿元，增幅 88.6%；税金增 47 亿元，增幅 47%；利润增 36 亿元，增幅137%。2008 年，啤酒行业销售收入 1151 亿元，比上年同期增 13%。2009 年，中国啤酒工业实现利税 243 亿元，比上年增长 12%。20102011 年，我国啤酒行业经济指标将会出现较好的回升势头 1。未来我国啤酒行业的发展将会呈现一个崭新的面貌。中国啤酒第一大国的地位将无人撼动，并将保持长期优势；啤酒整体增幅稳定，而不再是高速增长；行业格局将逐步清晰。未来中国啤酒行业会向集团化、规模化、多元化、信息化、高效化、绿色化、人性化、科技化、多样化，多元化的方向发展。1.1 国内外包装线的发展趋势就我国的啤酒包装生产设备而言，其包装设备生产厂家在上世纪七十年代末只有几家，生产能力很差，多半是引进国外设备且加以仿制。如七十年代，广州轻工机械设计研究所消化吸收意大利、日本、美国等国的进口设备，开发出 8000 瓶/小时啤酒洗瓶、灌装、压盖、贴标的生产流水线。到八十年代，国内啤酒包装设备的生产厂家也只有几十个，其制造水平、设备性能与国外先进水平相差甚大。在八十年代末，我国从西欧、东欧、日本等国引进了 200 多条灌装线 2。到九十年代啤酒饮料加工生产企业接近 600 多家。然而，这些生产企业的生产线很大一部分是靠引进国外的，并且在国内加以仿制，或者消化吸收意大利等国的先进技术开发国内的包装设备。现有的啤酒包装生产线大多采用单机操作，生产能力较差。根据我国食品工业对啤酒饮料加工业发展的预测，啤酒饮料加工的规模将向大型化发展，其加工设备也必须趋向大型化，以高速高产、高性能、低消耗、操作方便直观、便于调试为特点，以采用集散控制、全线自动化为方向发展。由于生产装备的落后，我国啤酒生产在水耗、电耗、能耗指标方面也远远落后于国外先进水平，平均能耗高 3 倍5 倍，水耗高 1倍8 倍。目前，我国啤酒装备虽然基本上能够满足啤酒生产的需求，但在自动控制水平、可靠性、质量方面与发达国家相比还有较大差距，在性能和水平上与国外仍有一定差距。而且，我国啤酒行业装备还面临着技术改造的艰巨任务，其2单元装备自动化程度低；单元装备与整体工程化配套程度低。然而，在今后一段时期内，随着我国啤酒生产能力的不断提升，进口国外全套或部分啤酒装备仍是我国啤酒企业必然亦或是无奈的选择。提高国内啤酒装备技术水平是实现机械装备现代化的根本途径。无论是啤酒工业现在的发展，亦或是啤酒设备制造企业当前的需要，还是国家啤酒业发展技术长期的利益，都要求大力推进啤酒装备国产化的进程，这些已经成为当前我国啤酒机械装备现代化的战略任务和当务之急 1。相比而言，国外的啤酒包装设备发展较早，更为完善。机电一体化、管理与控制相结合是当前啤酒灌装生产发展的最重要的一个趋势。现代啤酒、饮料包装计算机化的发展方向是 CIM。它是一个采集、管理和处理、发送各类数据的综合系统，它有效地将监视系统、自动操作系统、自动分叉技术、机器人技术和计算机协调中心等高尖端技术应用于整个啤酒包装的领域，国外啤酒计算机控制正走向成熟和完善的阶段。国外生产的啤酒、饮料灌装成套设备生产速度快、自动化程度高、可靠性好，主要体现在工艺流程的自动化、生产效率高，满足了交货期短和降低工艺流程成本的要求等方面。设备具有更高的柔性和灵活性，比如生产的灵活性、供货的灵活性和构造的灵活性，以适应产品更新换代的需要。利用计算机和仿真技术提供成套设备以降低故障，进行远程诊断服务。在噪音、粉尘和废弃物等方面对环境污染少。近几年来，国外不断开发啤酒生产新技术，以提高产品产量和质量，降低生产成本，节省能源及人力。而我国却处于机械化和自动化时期，计算机的应用只限于部分工艺和设备 1。1.2 本课题的提出与意义教育要服务于社会，就必须跟上科技发展的步伐，不断满足高新技术推广应用的需求。本课题主要结合本校现有的实验设备，来模拟自动化流水线的整个过程。在这里，我们以啤酒包装为主要操作对象，对啤酒包装的主要环节（灌装、压盖、贴标、喷印、装箱）进行模拟，为以后同学们了解、使用和改进本设备打下一个良好的基础。1.3 本章小结本章主要依据有关统计数据，对啤酒包装工业的过去、现状和未来发展趋势进行了分析，同时分别对国内外啤酒包装的现有设备进行了对比，从而得出我国啤酒包装工业的不足、发展方向和改革措施。最后，就本课题的提出和意义进行了简单的阐述。32 方案论证为了考虑控制系统的控制目标，操作方便和经济性，在此使 PLC 和继电器、单片机、计算机进行比较，从而说明使用 PLC 的合理性。2.1 PLC 控制与继电器控制的比较以前生产流水线大多数都是用继电器控制实现的，在随着技术的发展，继比较项目 继电器控制 PLC 控制外部电路 因连线多，线路复杂 线路简明，一目了然工作方式当电源接通时，继电器控制线路中各继电器都处于受约状态。控制系统中，各继电器都处于周期性循环扫描接通中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。控制功能的实现 采用硬接线方式完成控制功能 要想改变控制逻辑，只需修改程序即可对生产工艺变化的适应性需进行重新设计与接线，适应性差。系统已经确定，不易改变或增加其功能。采用存储器逻辑，通过编制的程序(软接线方式)来实现控制功能，需改变存储在存储器中程序就能改变其控制逻辑。设计和施工控制系统完成一项控制工程，其设计、施工和调试必须依次进行，周期长，且修改困难。完成一项控制工程，在系统设计完成后，现场施工和控制逻辑设计可以同时进行，周期短，且调试、修改都很方便。可靠性与维护性使用了大量的机械触点，连线多而复杂，触点开闭时受到电弧的损害，并有机械磨损，寿命短，可靠性和可维护性很差。控制系统采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小，寿命长，可靠性很高。并且其内部具有自诊断功能，易于维护。扩展性与灵活性器触点数目有限，每支只有 48 对触点，因此灵活性和扩展性很差。其接线少、体积小，并且 P 每支软继电器的触点数目在理论上无限制，因此其灵活性和扩展性很好。控制的实时性 机械动作时间常数大，实时性差微处理器控制，实时性好。计数及其他功能 控制系统不具备这些功能 控制系统能实现计数及其他特殊功能使用寿命 功耗大，寿命短 寿命长复杂控制能力 极差 很强4电器的劣势越来越明显，当前主要用 PLC 控制来代替传统的继电器的控制。PLC 与继电器的区别 34如表 2.1 所示：表 2.1 PLC 与继电器的比较由此可见，PLC 控制系统已经完全代替了传统的继电器控制系统，成为当前使用最广泛的控制系统之一。2.2 PLC 控制与单片机控制的比较PLC 这种产品，在没有下载控制程序之前，塔不具备任何控制功能，即没有应用程序 PLC 是没有用的，它是专为工业环境使用的控制平台，需要进行二次开发才可以达到控制的目的。它需要调试软件的配合。而单片机是将 CPU、存储器、定时器、输入输出接口等全部集成在一块集成电路中而形成的单片计算机，实际上单片机只是一块芯片而已。而 PLC 是建立在单片机上的产品，单片机是一种集成电路。单片机可以构成很多种应用系统（微型，小型，中型，大型等） ，而 PLC 只是单片机应用系统的一个特例。从工程角度来说明 PLC 与单片机的选用 56：（1）对于单项工程或者重复数极少的项目，采用 PLC 是一个较好且快捷的途径，成功率高，可靠性好。（2）对于量大的配套项目，采用单片机系统会使成本降低，效益提高。但这样的项目，需要的是相当的研发力量和行业经验才可以保证整个系统可靠、稳定的运行。（3）PLC 具有专门的编程语言(如梯形图)，而单片机编程可以使用汇编语言或者 C 语言以及其他语言。（4）单片机价格低廉，PLC 相对单片机价格较高一些。（5）PLC 在下载应用程序后才能实现控制，而单片机不需要下载程序（5）PLC 可靠，抗干扰能力强，用于工业环境，而单片机功能多，一般用于家庭方面。（7）单片机在硬件和软件方面都比 PLC 复杂。（8）在单片机和 PLC 方案都能适用的前提下，为了保证可靠运行，价格即便高，也要选用 PLC 控制。由此可见，单片机用途广泛，价格低廉，大多用于家庭。PLC 专门用于工业控制，使用快捷方便，成功率较高，可靠性好，但是其成本相应的也就高些。52.3 PLC 控制与计算机控制的比较PLC 控制和计算机控制也有很多不同之处，一般的个人计算机有较强的数据处理和图形显示功能，有丰富的软件支持，但是它对环境的要求很高、抗干扰能力弱，所以一般不适合在工业环境下适用，而 PLC 则有较强的抗干扰能力。目前比较流行的是工业控制计算机，它有实时操作系统的支持，在要求快速、实时性强、功能复杂的领域中占有优势，但是，其价格昂贵。PLC 与计算机的主要区别在于 78：（1）计算机一般用于商业，而 PLC 一般用于工业，所以 PLC 抗干扰能力比一般计算机要高。（2）PLC 编程简单，调试周期短（3）PLC 容易操作，人员培训时间短，而计算机较难，人员培训时间长（4）PLC 易于维修，而计算机较困难。（5）计算机编程语言为汇编语言和高级语言，较难学，而 PLC 有标准的编程语言，易懂易学。（6）计算机价格昂贵，PLC 价格较低。由以上各个控制系统的比较知道，在控制简单的项目时，PLC 是最好的选择。2.4 研究内容概述本课题主要研究用西门子 S7200PLC 来控制啤酒生产线中的各个环节，主要完成对啤酒流水线各个工艺控制，从而使其在流水线上有顺序，有目的的进行。设计啤酒流水线时，包括机械部分和电气控制部分，在这里主要研究 PLC对流水线的控制，即电气部分。啤酒包装从工艺流程上讲主要包括如图 2.1 所示的几个过程。供瓶 洗瓶贴标检测空瓶废瓶送出杀菌压盖压盖压盖装箱灌装废品送出成品检测喷码图 2.1 啤酒包装流水线工艺过程图6啤酒包装线简单过程叙述如下：首先将空瓶送达，由自动卸货机卸下，经过封闭式自动清洗机清洗、消毒，进入，然后是采用传统的巴氏灭菌法进行杀菌，再进行贴标、喷墨，打印出不同的日期、字体图案，最后自动装箱以及封箱后送出流水线。以上的各个设备都需要根据工序的时间先后严格排定作业顺序、速度，并要有一定的协调性。本课题主要用现有的设备（现有设备布局图见附录一）来模拟啤酒包装的灌装、压盖、贴标、喷印以及装箱。用皮带线 I 来模拟啤酒灌装线，皮带 II 模拟啤酒压盖线，辊筒线模拟啤酒贴标线，倍速链 I 模拟喷印线，倍速链 II 模拟啤酒装箱线。2.5 本章小结本章主要用 PLC 控制与继电器控制、单片机控制、计算机控制进行了比较，说明了各个控制系统优缺点以及在本课题中选择 PLC 控制的合理性。其次对本课题的研究内容作了一下简单的说明。73 控制系统硬件电路设计任何复杂的控制电路都是由一些比较简单的基本控制环节组成按需组合而成，如一个拖动系统的启动、停止、方向、调速控制以及对电路系统的保护等，同样的，在分析线路原理和判断其故障时，也都是从这些基本的环节入手的 9。电气控制系统图一般有三种：电气原理图，电气原件布置图和电气安装接线图。下面就对本电气控制系统的电气原理图进行设计。3.1 总电源控制原理图的设计电气原理图一般分主电路和辅助电路两部分设计。主电路主要是电源，电动机绕组等大电流通过的环节。辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路。图 3.1 是总电源控制原理图，详细图见附录二。图 3.1 总电源控制原理图一个系统的控制电路，首先要控制这个系统的启动，停止和保持，其次要考虑系统的电路保护，如过电压保护等。在此控制系统中，图 3.1 是总电源控制电气原理图。其中 QF 是低压熔断器，当电压过高时，它会自动断开，保护整个电路。其中 ESP1 和 ESP2 是整个流水线的急停按钮，SB3 和 SB4 是启动按钮，SB1 和 SB2 是停止按钮，HL1 和 HL28是启动指示灯，HL3 和 HL4 是停止指示灯，风扇 SF1，SF2 用于电柜的冷却，灯泡 HL0 用于电柜照明。整个控制过程可叙述为：启动之前，停止指示灯 HL3 和 HL4 亮。当按下启动按钮 SB3 或 SB4 时，线圈 KA0 得电，常开触点 KA0 闭合，常闭触点 KA0断开，此时，停止指示灯 HL3 和 HL4 灭，启动指示灯 HL1 和 HL2 亮,同时，线圈 KM0 得电，常开触点 KM0 闭合，（N1,L1）端子输出 220V 交流电，用于电机等的控制。而（L2,N2）经过电源开关输出 24V AV 用于 PLC 等低压器件的控制。3.2 电机控制原理图的设计电机控制原理图主要是用来控制系统中电机的一系列动作，如启动、保持、停止、调速等，图 3.2 为电机控制原理图，详细图见附录二。图 3.2 电机控制原理图当 SB3 或 SB4 启动整个流水线时，端子（N1，L1）就会加上 220V 交流电，一旦常开触点（如 KM1）闭合，则电机(M1) 就会启动，从而带动皮带或者链轮转动。如果对电机需要调速，则要将电动机和变频器结合起来，通过调频，从而完成对电机的调速。在上图中变频器为欧姆龙的 3G3JV 变频器。3.3 控制回路原理图的设计控制回路主要是用来控制电路系统中电机的。图 3.3 为控制回路原理图，详细图见附录二。当启动整个流水线时，端子（N1 ，L1 ）就会加上 220V 交流电，当触点(如 KA1)闭合时，线圈（KM1）就会得电，而常开触点（KM1）就9会闭合，从而接通电机，来控制电机的运转。在各个过程中，触点(KA1)是由可编程控制器 PLC 中的输出信号来控制的。在第四章中的图 4.11 中可知，当 PLC 输出 Q0.0 有信号时，线圈（KA1）就得电，图 3.3 中的常开触点（KA1）就闭合，线圈（KM1）就得电，线圈（KM1 ）得电后，图 3.2 中的常开触点（KM1）就闭合,从而电机（M1）就启动。图 3.3 控制回路原理图3.4 本章小结本章主要对控制系统的硬件电路进行了设计，包括总电源控制原理图的设计，电机控制原理图的设计，控制回路原理图的设计。简要的说明了各个电路的设计原则和工作过程。104 PLC 总体系统的设计4.1 PLC 的选型设计PLC 是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐步发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、将计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业控制装置。4.1.1 PLC 机型的选择目前，国内外 PLC 生产厂家生产的 PLC 品种已达数百个，其性能各有特点，价格也不尽相同。比较著名的 PLC 生产厂家主要有德国西门子、日本三菱、欧姆龙等，通过网上资料、导师建议，以及对控制的目标，PLC 的配置、I/O系统及指令系统的了解，在次，初步选择德国西门子 S7-200 PLC。S7-200PLC CPU 包括 CPU221、CPU222 、CPU224 、CPU224XP 和 CPU226等型号，它们的特性 10如表 4.1 所示:表 4.1 PLC CPU 特性及参数特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224XP CPU226外形尺寸（mmmmmm）908062 1208062 1908062使用运行编程模式8192 12288 16384程序存储区/字节不用运行编程模式4096 12288 16384 24576数据存储区/字节 2048 8192 10240数字量 16 入/4出8 入/6 出 14 入/10 出 24 入/16出本机 I/O模拟量 无 2 入/1 出 无掉电保持时间/h 50 100高速计数器单相/kHz 304 306 304200230611双相/kHz 202 204 2031001204扩展模块数量 0 2 7模拟电位器 1（8 位精度） 2（8 位精度）脉冲输出（DC）/kHz 202 1002 202通讯口 RS-4851 RS-4852实时时钟 另配外插时钟/电池卡 内置数字量 256（128 入/128 出）I/O 映像区 模拟量 无 32（16 入/16 出）64（32 入/32 出）浮点数运算 有布尔指令执行速度/us 0.22定时器 256（1ms4，10ms16,100ms 236）计数器 256这样，根据系统所需要的 I/O 点数，存储器容量，CPU 性能等因素，选择S7-200 PLC CPU226 作为控制系统的控制元件。4.1.2 PLC 扩展模块选择在选择好 S7-200PLC CPU226 后，我们知道 CPU226 本机的 I/O 数字量有24 个输入和 16 个输出，但是根据实际所需要的点数，24 输入和 16 输出是不够用的，所以要对 PLC 进行 I/O 点数扩展。一、输入模块扩展在 S7-200 CPU 数字量输入扩展模块有 EM221 和 EM223 两种类型，在这里我们选择 EM221，而 EM221 有具体分为三种：8 点 24V D 输入，8 点120/230V AC 输入，16 点 24V DC 输入。根据所需点数，选择 EM221 中的 8点 24V DC 输入作为输入扩展模块。二、输出模块扩展在 S7-200 CPU 数字量输出扩展模块为 EM222，EM222 有五种类型：8 点24V DC 输出，8 点继电器输出，8 点 120/230V AC 输出，4 点 24V DC 输出，4 点继电器输出。根据所需点数，选择 EM222 中的 8 点 24V DC 输出作为输出扩展模块。4.1.3 PLC 的特点及工作过程一般的 PLC 主要由中央处理器（CPU ） 、存储器（ROM，RAM ） 、输入输出单元（I/O ） 、电源和编程器等几部分组成。PLC 都具有以下的特点：编程方法简单易学；功能强，性价比高；硬件配套齐全，使用方便，适应性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量小且方便；体积小，能耗低 11。12小型 PLC 的工作过程有两个比较显著的特点 9：一个是周期性顺序扫描，一个是集中批处理。当 PLC 启动后，先进行初始化操作，包括对工作内存的初始化、复位所有的定时器、将输入/输出继电器清零，检查 I/O 单元连接是否完好，如有异常则发出报警信号。初始化后，PLC 就进入周期扫描过程。可将PLC 的工作过程分为 4 个阶段：公共处理扫描阶段、输入采样扫描阶段（第一个集中批处理过程） 、执行用户程序扫描阶段（第二个集中批处理过程） 、输出刷新扫描阶段（第三个集中批处理过程） 。小型 PLC 的工作流程见附录三。4.2 工艺流程的设计在设计软件前，必须要对其工作流程有一个较好的了解，只有这样，才能使设计出的东西达到目的，满足要求。在啤酒的包装过程中，主要工艺过程有供瓶，洗瓶，空瓶检测，灌装，压盖，杀菌，贴标，喷码，装箱等，为了能用学校设备来模拟整个包装线的过程，在此，只模拟灌装，压盖，贴标，喷码，装箱几个过程，这几个过程的控制基本上一样，通过控制电机的启停来控制输送线上对被控对象的运输和工位加工过程。在啤酒生产包装流水线中，要尽量避免流水线 90 度拐弯，输送带要求输送平稳，否则容易引起啤酒倒瓶、抖动、倾斜、积累等现象。下面就对每个阶段的流程进行设计。1、供瓶、洗瓶、空瓶检测、杀菌阶段（1）供瓶阶段：此阶段是将空瓶通过传送带传送到洗瓶机中。传送带是通过电机依次带动减速齿轮箱、传动轴和传动轮而转动的, 调节和控制电机的转速就可以调节和控制传送带的带速,其速度根据下道工序或以其他工序的速度要求为基准进行调速。（2）洗瓶阶段：在包装车间中，洗瓶机是否可靠运行，瓶子洁净度是否达标，直接影响到啤酒质量和制造成本，而洗瓶就是通过对瓶子浸泡和喷冲来达到洗瓶消毒的目的。其具体工艺流程如图 4.1 所示：输送瓶到理瓶台 把酒瓶送入瓶盒中 碱槽 1 中加热杀菌冲标、喷淋碱槽 2 中浸泡、杀菌、冲标碱槽 3 中浸泡、杀菌、冲标输送到出瓶带上图 4.1 洗瓶流程图（3）空瓶检测阶段：传统的罐装线空瓶检验方式是人工灯光检测。但在现代高速罐装线上，由于视觉疲劳等种种原因，仅靠人工灯光检测是不可靠的，而且啤酒瓶的两个重要部位瓶口和瓶底无法检测，从而造成一些漏气瓶和瓶底赃13物瓶流入市场。当前，空瓶检测机已经普遍开始使用，其性能稳定、结构紧凑、工作可靠、功能更强。在此，使用直线式空瓶检测机，用 PLC 完成其控制功能12。在自动运行状态下，PLC 主要负责检测空瓶位置信息，准确控制次瓶击出器动作。而在这个过程中，空瓶检测不是由 PLC 完成的，而是由专用的图像处理与识别子系统来完成。检测结果由控制主机传送给 PLC，由 PLC 控制空瓶检测机的输出口，如果发现次瓶，必须等该瓶到达击出位置时将其击出。图 4.2是该过程的部分流程图。传送带传送空瓶分瓶机构分瓶，使瓶间拉开一定距离侧夹式传送带将瓶悬空传送不同位置透射式光电传感器进行检测输出合格瓶 检测瓶口、瓶底，瓶身，内壁是否合格带图 4.2 空瓶检测流程（4）杀菌阶段：在啤酒生产中通常采用两种杀菌工艺过程：即前杀菌和后杀菌。前杀菌一般采用平板式杀菌，即将啤酒灌装进啤酒瓶之前进行加热杀菌处理；后杀菌大多采用隧道式巴氏杀菌技术，即将啤酒灌装进啤酒瓶后进行的杀菌处理技术，是应用最广泛的一种杀菌方法 13。其大致过程如图 4.3 所示：传送带输入酒瓶 各温度控制传感器酒瓶逐渐降温酒瓶加热杀菌传送带输出酒瓶 酒瓶恒温杀菌图 4.3 杀菌流程图二、灌装流程：罐装传送带控制系统的系统设计目的是利用 PLC 和变频器控制电动机转动带动皮带传动，然后将要灌装的瓶传送给灌装机，进行灌装 1415。在此过程中，设有入瓶、工位、出瓶接近开关以及检测传感器，当瓶子到达工位时，要对流水线上的物体进行操作（啤酒灌装） ，所以电机要停止一定的时间（定时器计时） ，当操作完毕且下一工序无操作对象（没有压盖）时，电机重新启动，带动皮带将啤酒瓶输送到下一个工序进行加工，其详细工作流程如图 4.4所示：14NNNNYY皮带 I 入瓶接近开关 SQ2 发出信号，电机 M2 带动皮带前进皮带 I 工位接近开关 SQ3 检测信号灌装阀开启，定时 5 秒，设有报警装置液面检测传感器 SQ18 检测检测传感器 SQ19 检测，记录合格瓶数量到达指定位置否液面合格否结束电机 M2 停止运转，延时 1 秒开始其他处理出瓶台接近开关 SQ1 发出信号电动机 M1 转动，送出啤酒瓶皮带 I 出瓶接近开关 SQ4 检测皮带 II 有瓶压盖否电机 M2 带动皮带运动Y检测传感器 SQ27 检测皮带 I 有瓶否图 4.4 灌装工艺流程图15三、压盖流程：压盖是与罐装相连接的工序，其工艺过程与灌装一样，压盖动作的执行由输出信号控制触点来控制。其过程如图 4.5 所示：YNNNYY皮带 II 入瓶接近开关 SQ5 发出信号，电机 M3 带动皮带前进电机 M3 带动皮带运动皮带 II 工位接近开关 SQ6 检测信号压盖机动作，定时 5 秒，设有报警装置压盖检测传感器 SQ20 检测检测传感器 SQ21 检测，记录合格瓶数到达指定位置否压盖合格否结束电机 M3 停止运转，延时 1 秒开始其他处理皮带 II 出瓶接近开关 SQ7 检测辊筒线 I 有瓶否图 4.5 压盖流程图四、 贴标流程：啤酒质量的好坏对消费者而言，首先看到的是啤酒的外在包装。外包装既是产品的卖点，又是产品的看点，新颖独特贴标平整干净的外包装往16往容易打动消费者的心。标签在瓶子上美观大方、紧贴瓶壁、黏贴牢固、平整无皱是贴标质量的基本要求。过程与压盖基本一样，贴标动作由触点控制贴标电机进行贴标，其工艺过程如图 4.6 所示：NYNNYY辊筒线 I 入瓶接近开关 SQ8 发出信号电动机 M4 带动皮带前进辊筒线 I 工位接近开关 SQ9 检测信号电动机 M4 停止，延时 1 秒开始结束贴标合格否到达指定位置否贴标机开始动作，定时 5 秒其它处理贴标检测传感器 SQ22 检测电机 M4 带动辊筒线 I 运动检测传感器 SQ23 检测，记录合格数辊筒线 I 出瓶接近开关 SQ10 检测信号倍速链 I 有瓶否图 4.6 贴标流程图17五、 喷码流程：随着对啤酒外包装质量要求的不断提高，喷码机逐步进入生产装配线。喷码机主要用于生产日期、批号、有效期等标注。当前，使用最广泛的是一种非接触式墨水喷印机。对于喷码位置的输送带，要求输送平稳、无倒瓶、无抖动、无起伏、无倾斜、无瓶积累、甁之间要有间隙。如果输瓶带发生抖动会造成喷码变形；易倒瓶则会造成漏喷印；如果有瓶积累会使输送带速度及瓶子的运行速度发生变化，从而会导致喷印字符定位不准、偏移、甚至漏印16。其工艺过程如图 4.7 所示：NYNNYY倍速链 I 入瓶接近开关 SQ11 发出信号电动机 M5 带动皮带前进倍速链 I 工位接近开关 SQ12 检测信号喷印检测传感器 SQ24 检测电动机 M5 停止，延时 1 秒开始结束喷印合格否到达指定位置否喷码机开始动作，定时 5 秒，其它处理倍速链 I 出瓶接近开关 SQ13 检测信号电机 M5 带动链传动检测传感器 SQ25 检测，记录合格数倍速链 II 有瓶否图 4.7 喷印流程图18六、 装箱流程：首先输箱机构将空箱通过电机带动平顶链条运动输送到准确位置以便装箱，并将装好瓶子的纸箱或塑料箱送出 17。同时，输瓶机构将瓶子输送到预定位置。导瓶机构将抓瓶机构上的瓶子准确的引导装入纸箱和塑料箱中。当输送带上的啤酒瓶堆积到一定量时，抓瓶头下降抓瓶，然后抓瓶头将啤酒瓶抓起并放人塑料箱。随之，装满啤酒瓶的塑料箱随输瓶带送出。其工艺过程如图 4.8 所示：YNNY倍速链 II 入瓶接近开关 SQ14 发出信号电动机 M6 带动皮带前进倍速链 II 工位接近开关 SQ15 检测信号挡板下降，电动机 M6 延时 5 秒停止，让瓶子堆积到一定数量开始结束到达指定位置否夹瓶机构动作，定时 5 秒，进行装箱倍速链 II 出瓶接近开关 SQ16 检测电机 M6 带动链传动检测传感器 SQ26 检测，记录合格数入瓶台接近开关 SQ17 发出信号电机 M7 转动，送出纸箱入瓶台有箱子否图 4.8 装箱流程图194.3 PLC 端口的分配设计在选定 S7-200PLC CPU226，设计流程之后，就要进行 PLC 端口的分配 18。在上面的选型中知道，CPU226 本机的 I/O 数字量有 24 个输入和 16 个输出，再根据 I/O 口所需的数量也选择了其输入扩展模块 EM221 和输出扩展模块EM222，而输入扩展模块 EM221 选择了 8 点 24V 直流输入，输出扩展模块EM222 选择了 8 点 24V 直流输出。这样，总共数字量输入为 24+8=32 点，总共的数字量输出 16+8=24 点，在此 PLC 控制系统中没有用到模拟量输入与输出。（1）PLC 输入端口的分配根据上述的叙述，控制系统的输入信号及代码、地址编号如表 4.2 所示：表 4.2 PLC 网路控制系统输入点地址定义元件符号 名称 端子号SQ1 出瓶台接近开关 I0.0SQ2 皮带 I 入瓶接近开关 I0.1SQ3 皮带 I 工位接近开关 I0.2SQ4 皮带 I 出瓶接近开关 I0.3SQ5 皮带 II 入瓶接近开关 I0.4SQ6 皮带 II 工位接近开关 I0.5SQ7 皮带 II 出瓶接近开关 I0.6SQ8 辊筒线入瓶接近开关 I0.7SQ9 辊筒线工位接近开关 I1.0SQ10 辊筒线出瓶接近开关 I1.1SQ11 倍速链 I 入瓶接近开关 I1.2SQ12 倍速链 I 工位接近开关 I1.3SQ13 倍速链 I 出瓶接近开关 I1.4SQ14 倍速链 II 入瓶接近开 I1.5SQ15 倍速链 II 工位接近开关 I1.6SQ16 倍速链 II 出瓶接近开关 I1.7SQ17 入货台接近开关 I2.0SQ18 液面检测传感器 I2.1SQ19 罐装合格数检测传感器 I2.2SQ20 压盖检测传感器 I2.3SQ21 压盖合格数检测传感器 I2.4SQ22 贴标检测传感器 I2.520SQ23 贴标合格数检测传感器 I2.6SQ24 喷印检测传感器 I2.7SQ25 喷印合格数检测传感器 I3.0SQ26 装箱合格数检测传感器 I3.1SQ27 检测传感器 I3.2SQ28-SQ32 备用 I3.3-I3.7（2）PLC 输出端口的分配根据上述的叙述，控制系统的输出信号及代码、地址编号如表 4.3 所示：表 4.3 PLC 网路控制系统输出点地址定义元件符号 名称 端子号KA1 出瓶台电机控制 M1 Q0.0KA2 皮带线 I 电机控制 M2 Q0.1KA3 皮带线 II 电机控制 M3 Q0.2KA4 辊筒线电机控制 M4 Q0.3KA5 倍速链 I 电机控制 M5 Q0.4KA6 倍速链 II 电机控制 M6 Q0.5KA7 入货台电机控制 M7 Q0.6KA8 灌装动作控制 Q0.7KA9 灌装故障报警灯 Q1.0KA10 灌装不合格控制 Q1.1KA11 压盖机动作控制 Q1.2KA12 压盖故障报警灯 Q1.3KA13 压盖不合格控制 Q1.4KA14 贴标动作控制 Q1.5KA15 贴标不合格控制 Q1.6KA16 喷印动作控制 Q1.7KA17 喷印不合格控制 Q2.0KA18 挡板动作控制 Q2.1KA19 抓瓶机械动作控制 Q2.2KA20-KA24 备用 Q2.3-Q2.7确定了 PLC 的输入输出地址之后，就可以画出 PLC 的外围接线图。214.4 PLC 接线图S7-200PLC 无论是 CPU 还是扩展模块都需要电源供应才能正常工作。各种数字量和模拟量输入/输出信号都是电信号。只有真确的接线才能保障供电和电信号的连接的正确。4.4.1 CPU 电源供电每个 CPU 的右下角都有一个 24V 直流输出电源，叫传感器电源。它可以用作 CPU 自身和扩展模块的 I/O 点的电源供应，也可以用作扩展模块本身的供电。在 S7-200 中，凡是标记为 L1/N 的，都是交流电源端子，凡是标记 L+/M 的，都是直流电源端子。4.4.2 PLC 数字量接线输入/输出信号接线的关键是要构成闭合回路，为了连接不同的设备，使用不同的电源，数字量 I/O 的几个点组成一组，每组共享一个电源公共端子。一、数字量输入接线数字量输入都是 24V DC，支持两种类型：源型（信号电流从模块内向输入器件流出）和漏型（电流信号从输入器件流入） 。源型接法是接电源公共端子24V DC 电源的正极，漏型与源型相反，接电源公共端子 24V DC 电源的负极。根据西门子手册的端子连接图（附录四） ，连接了如图 4.9 所示的数字量输入接线图，详细图见附录二。、图 4.9 数字量输入接线图根据西门子手册数字量输入扩展模块端子图（附录四），设计了数字量输入扩展模块接线图 4.10，详细图见附录二22图 4.10 数字量输入扩展模块接线图二、数字量输出接线西门子 S7-200 的数字量输出点有 24V DC（晶体管）和继电器触点两种类型。对于 CPU 上的输出点来说，凡是 24V DC 供电的 CPU 都是晶体管输出，220V AC 供电的 CPU 都是继电器接点输出。根据西门子手册的端子连接图（附录四） ，连接了如图 4.11 所示的数字量输出接线图，详细图见附录二。图 4.11 数字量输出接线图根据西门子手册数字量输出扩展模块端子图（附录四），设计了数字量输出扩展模块接线图 4.12，详细图见附录二23图 4.12 数字量输出扩展模块接线图4.5 其他元器件的选型设计在选择好 PLC 以后，还要对其他元件进行选择，以保证整个电路系统安全可靠的工作。以下是各个元件的选型：电机的选型：在没有特殊情况下选用一般的交流异步电动机即可 19。变频器选型：选择 OMRON 的通用型、经济型和可网络型的 3G3JV 变频器，其具有实现无级调速，节约能源，保护电机，可实现软启动，软停止，实现多级速度切换，实现简单的正反转转换以及定位功能的优点。具有低频补偿，过载容量大，保护功能强，使用寿命长，对外界干扰小，调整容易，输入输出灵活等特点。开关电源选型：选择 300W 开关电源 GS1225，其输入交流电压 170V-264V，输出电压直流 24V，输出电流 12.5A。具有体积小，重量轻，没有笨重的工频变压器，功耗小，重量轻，稳压范围宽特点。交流接触器选型：选择交流接触器 CJ20 系列，适宜于与热继电器或电子保护装置组成电磁起动器，以保护电路或交流电动机可能发生的过负荷以及段相。接近开关：选择接近开关 E2E-X3DES-M1。他的检测距离为 3 米，直径为12mm。4.6 本章小结本章主要对 PLC 机型，PLC 输入输出扩展模块进行了选择，设计了主要的工艺流程，分配了 PLC 的输入输出端口，设计了 PlC 外围接线图。最后对其他主要的元件进行了选型。245 PLC 软件控制系统的设计5.1 编程软件介绍STEP7-Micro/WIN 是西门子公司专门为 S7-200 系列 PLC 开发而设计的编程软件，是基于 Windows 操作系统的应用软件，其功能强大、操作方便、使用简单、容易学习、软件支持中文界面等特点。其主要的基本功能是创建、编辑和修改用户程序以及编译、调试、运行和实时监控用户程序。在此，以该软件的 V4.0 版本进行编程。STEP7-Micro/WIN V4.0 是用于 S7-200 PLC 的 32 位编程软件，V4.0 是该软件的大版本号，西门子公司推出一系列 Service Pack （即SP）进行小的升级，使用 SP 对软件升级可以获得新的功能 2021。在此，使用STEP7-Micro/WIN.V4.0.6.35（SP6 ） 。在启动并运行软件 STEP7-Micro/WIN V4.0 时，看到的是英文状态下的界面, 如图 5.1 所示：图 5.1 英文界面如果要转换到中文界面，可以这样操作：执行工具命令“TOLLS ”25“OPTIONS”，会弹出一个对话框，在对话框左边选择“General”图标，在“General”选项卡中，选择语言为“Chinese” ，然后单击:“OK”键，软件将关闭。关闭后，再次启动该软件，界面和帮助文件均变为中文，如图 5.2 所示，如果要将中文界面转换成英文或者其他语言界面，执行上述同样的操作即可。图 5.2 中文界面5.2 基本指令在本课题的软件设计中用到了一些简单的基本指令，在此对这些指令简单的说明一下：LD（LDN）：装载指令，对应梯形图左侧母线开始，连接动合（动断）触点。A（AN）：触点串联指令，与操作指令，用于动合（动断）触点的串联。O（ON）：触点并联指令，或操作指令，用于动合（动断）触点的并联。OLD（ ALD）：串联（并联）电路块的并联指令，将梯形图中以 LD 起始的电路块和另一 LD 起始的电路块并联（串联）起来。S（R）：置位（复位）指令。EU（ED）：边沿脉冲上升沿（下降沿）指令。TON：通电延时定时器指令。26CTU：增计数器指令。5.3 控制程序的设计在确定了控制任务，设计了流程图，明确了 I/O 端口的分配，了解了编程软件的基本指令之后，就要编制程序对整个系统进行程序控制。PLC 的编程语言主要有三种语言：梯形图，语句表，逻辑功能块。梯形图简单易懂，下面的编程都用梯形图编写，然后转换成语句表。在输送线上，每个输送带的工作过程基本上一样，即首先输送操作对象（啤酒瓶）到传送带上传送，然后由传送带传送到加工工位进行加工（此时电机停转） ，最后将加工后的物体再由输送带输送到下一个传送带。这个过程的关键在于当前传送带与前一传送带和下一传送带之间的衔接，否则将会导致传送带上物体的拥堵和紧缺等现象，从而使整个输送线处于崩溃和闲散的状态，降低效率。所以在编程的时候一定要考虑到以上可能出现的问题。整个流水线控制系统中主要是运用了 PLC 的开关量逻辑控制。编写程序，首先从最简单的顺序起保停电路开始设计，然后将其他约束往上加，从而完善到整个过程。一、出瓶台控制出瓶台上有一个出货开关 SQ1，它可以作为出瓶台电机启动的启动信号用一个检测传感信号 SQ27 来控制电机的停止。具体程序见附录五。二、 皮带线控制皮带线包括皮带线 I 和皮带线 II 两条输送线。现以皮带线 I 为例来说明一下过程。皮带线 I 应该在出瓶台上的啤酒瓶到达此线的时候启动，因此，当瓶子到达该处时用 SQ2 作为启动信号。皮带 I 启动以后，啤酒瓶就会随着输送线到达SQ3，这里是一个工位点.当 SQ3 感应到啤酒瓶时皮带线 I 停止，对啤酒瓶进行灌装操作（KA8 动作） ，需要延时 5 秒（定时器 T37 定时） ，当加工完毕且皮带线 II 需要啤酒瓶时，电机启动，带动皮带线 I 运动，经过液面合格检测（SQ18） ，合格数记录（计数器 10） ，使瓶子随皮带线 I 送走。皮带线 II 的过程与皮带线一样。程序见附录五。三、辊筒线控制辊筒线在皮带线 II 将啤酒瓶送到时启动，当瓶子到达该处时用 SQ7 和 SQ8启动，启动之后啤酒瓶就随着辊筒线到达辊筒线加工工位 SQ9 进行啤酒的贴标，贴标机动作（KA14） ，贴标延时 5 秒（定时器 T42 定时） ，贴标完成，辊筒线电机启动，带动啤酒瓶向前运动，经过贴标合格检测（SQ22） ，合格数记