饮料灌装机PLC控制系统设计毕业设计论文

1、毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题 目： 基于 plc 的汽水灌装机控制系统设计 系 别： 专 业： 学生姓名： 指导教师： 摘 要 本论文介绍了可编程控制器与世纪星监控软件在汽水灌装机中的控制方法和原理， 采用了新的检测方法，实现了整个生产线的自动化。 本论文详细论述了汽水灌装机控制系统的设计步骤，通过对灌装机系统的充分了 解，以行业现状为出发点，结合其他行业自动控制技术的应用情况，提出了基于 plc 的汽水灌装机控制系统的基本结构。用日本 omron 系列可编程控制器设计了多移阀 开启、破瓶检测、破瓶捡出、自动压盖等过程的自动控制。最后，简要介绍了世纪星 组态软件，附有汽水灌装机控制系统

2、的组态画面。本系统设计中完成了汽水灌装机控 制系统的硬件的配置和软件方面的设计，并利用世纪星组态软件实现了实时监控系统 的设计，使得整个设计形象，实用。 采用 plc 来控制饮料生产线，实现了汽水灌装机控制系统的自动化，对劳动生产 率的提高，对饮料的质量和产量的提高都具有深远的意义。 关键词：灌装机控制系统；可编程控制器；组态软件 abstract this paper introduces briefly the programmable logical controller and the century star monitoring software uses in the carbo

3、nated drinks filling machine of controlling method and the principle, used the new examination method, and achieve the automation of the entire production line. this paper describes in detail the control system of the carbonated drinks filling machine design steps, a brief introduction of the carbon

4、ated drinks filling machine control system and base on the self-industry and the application of the other trade on auto-control technique, proposed the frame of the control system based on programmable logical controller. design the control system of the carbonated drinks filling machine based on th

5、e programmable logical controller and designs the control system by omron for opening valve, inspecting and picking out the broken bottle. at last, the simulation software of configuration briefly and describe simulation process in detail, there are carbonated drinks production line configuration sc

6、reen. this design completes the carbonated drinks production line hardware configuration and software design and uses century star configuration software to monitor real-time system, to achieve the image of the entire design image and practical. achieve the automation of the carbonated drinks fillin

7、g machine. not only improve the labor productivity, but also has far-reaching significance of the improvement of quality and yield. keywords: carbonated drinks filling machine control system, programmable logical controller, configuration software 目 录 绪 论.1 1 灌装控制系统总体介绍.4 1.1 灌装机的主要类型.4 1.1.1 旋转型灌装机

8、.4 1.1.2 直线型灌装机.4 1.2 灌装的基本方法介绍.5 1.3 灌装机以及灌装方式的确定.6 1.3.1 灌装机的确定.6 1.3.2 灌装方式的确定.6 2 汽水灌装机控制系统设计方案.8 2.1 总体设计思路.8 2.2 汽水灌装机控制系统的具体流程.8 3 汽水灌装机控制系统的硬件设计 .10 3.1 plc 的选型.10 3.1.1 选择 plc 控制的原因.10 3.1.2 plc 介绍 .10 3.1.3 plc 型号的选择.11 3.2 plc 硬件系统的连接.12 3.3 灌装机的传动原理.13 3.4 灌装机的重要硬件详解.13 3.4.1 灌装机的供瓶机构.13

9、 3.4.2 瓶的升降机构.13 3.4.3 灌装阀的功能.14 4 汽水灌装机控制系统的软件设计 .15 4.1 系统程序的指令介绍.15 4.2 可编程序控制器 i/o 分配.15 4.3 工作过程分析.16 4.3.1 正常灌装流程.16 4.3.2 灌装出现次品的流程.19 4.3.3 次品捡出器 .20 4.3.4 贮料缸的相关程序.22 5 监控程序的软件设计.23 5.1 组态软件简介.23 5.1.1 组态软件的选择.23 5.1.2 世纪星组态软件简介.23 5.1.3 世纪星软件组成.23 5.2 组态画面的具体设计.24 5.2.1 组态图形界面的设计.24 5.2.2

10、组态的变量设计.25 5.2.3 应用程序命令语言编辑.26 5.2.4 动画连接.27 6 监控系统通信的实现.29 6.1 通信连接.29 6.1.1 cpm2a 的通信连接方式.29 6.1.2 cpm2a 的上位通信协议.29 6.1.3 编写上位机通信程序.29 6.1.4 实现上位机对 plc 的监控.30 6.2 计算机与 plc 通信 .30 6.3 世纪星与 plc 通信 .31 6.4 监控系统的现场调试.32 6.4.1 plc 系统的现场调试.32 6.4.2 上位计算机系统的现场调试.32 结 论.34 致 谢.35 参考文献.36 附件 a.37 附录 b.45 附

11、件 c.52 附件 d.56 附件 e.58 绪 论 （1）灌装机械的发展与现状 随着现代科学技术的发展，人民生活水平的提高，人们的消费习惯也随之相应的 变化，同时对消费品的包装提出了更高的要求。而液态产品的包装在包装行业中占有 很大比例，这是由于液体包装涉及的行业广泛、品种繁多，如饮料方面的汽水、果汁、 牛奶、矿泉水、蒸馏水、啤酒、果酒等；调味品方面的酱油、醋、味精液、果酱等； 药品方面的针剂、糖浆、酊剂、气雾剂等；农药乳剂、化工产品的各种瓶装、化妆品 等，要满足日益增长的液体产品的需要，就应大力发展液体产品的包装技术。 人类自从采用容器盛装液体以后，就产生了灌装方法。十九世纪末二十世纪初以

12、 前，通常使用水罐、水杓进行人工灌装或直接将容器浸入液料中进行灌装，大约在 1980 年美国 horix、kiefer 和 u.s.bottlers 等三家公司开始制造容器灌装的机械装置。 第一台商业用灌装机是 kiefer 公司制造；horix 公司于 1920 年首次制造了重力灌装机， 用于灌装番茄酱，这家公司至今仍生产灌装机，二十年代初这几家公司着手生产回转 式灌装机，其中 u.s 公司制造的是纯真空灌装机，二十世纪以来。灌装机械工业发展 迅速，那时灌装的速度取决于人工将瓶子对准灌装阀，等待瓶子灌装完毕所需的时间。 我国在解放前几乎没有灌装机械，灌装生产绝大部分处于手工操作，非常落后。

13、70 年代初，上海、北京、广州、青岛、烟台等地引进三十多条灌装线，其中有西德 seitz 厂产品、意大利 simonazi 公司、美国 merer 公司、日本三菱公司，另外还有许多 罗马尼亚灌装线。随后，我国广东轻工机械厂、北京酿酒机械厂、上海化工机械厂等 许多家仿制了不少灌装线，初步改善了灌装生产的落后面貌，但灌装机械的发展与国 际先进水平的差距仍很大8。 （2）plc 在工业中的应用情况 plc （programmable logical controller，可编程序逻辑控制器）是以微处理器为 基础，综合了计算机和自动化技术而开发的新一代工业控制装置，按照 iec（国际电 工协会）国标标

14、准定义是，可编程序控制器又称 pc 或 plc，它是以微型计算机为基 础的一种为用于工业环境而设计的数字式电子系统，这种系统用可编程序存储面向用 户指令的内部寄存器，完成规定的功能，如：逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、 数据处理等，通过数字量的输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。plc 产品在 抗电磁、噪声干扰、有害废气的腐蚀、高温、粉尘等方面有很高的能力，能直接和现 场各种单元、部件连接，坚固耐用，可靠性方面 plc 的平均无故障时间可达 5 万小时 以上，操作与维修十分方便，功能日益扩大。因此，plc 广泛的应用于许多工业领域， 当然技术的日新月异、突飞猛进是 plc 迅速扩展市场的

15、根本原因。我国应用 plc 还处 于初级阶段，而且局限于钢铁、化工、汽车、机床、煤炭、电站等领域，其他行业的 应用尚未普及，中国尚有广阔的应用领域等待开拓。我国的饮料包装设备在许多方面 采用了 plc，并取得了非常好的效果，但仍有许多不足与欠缺。 （3）我国灌装业的缺陷 我国的饮料包装设备还存在自动化程度低、速度慢、破瓶率高、系统运行不稳定 等缺陷。随着集散控制系统的日益完善，plc 在工业控制领域应用的日益广泛，使我 们利用先进控制技术改进自动汽水灌装机的控制系统，弥补其不足成为可能。 （4）汽水灌装机控制系统方案设想与优点 本课题的目的就是采用现代流行的先进控制技术，设计汽水的自动灌装控制

16、系统， 通过软、硬件功能的组态实现汽水灌装机系统的自动化控制，表现在： （a）减少事故。通过监控系统，可以对生产线中各设备的运行情况进行周密监视， 发现异常，立即进行报警或停机，把事故控制在最小的范围内，从而提高运行的可靠 性。 （b）提高经济效益。实施灌装过程监控后，可以实现大型汽水灌装机控制系统的 全自动化，提高生产效率。 （c）改善工作环境。实施监控后，值班人员坐在控制室就可以随时了解整个汽水 灌装机控制系统的运行情况，从以往人工操作、实时观察中解脱出来。 （5）论文的主要构成 本文第 1 部分对汽水灌装机控制系统的认识和灌装设备的介绍；第 2 部分介绍的 是汽水灌装机控制系统的工艺流程

17、，首先介绍了汽水灌装机控制系统的工作过程和传 动原理，其次介绍了汽水灌装机控制系统的其他几个重要小部件；第 3 部分介绍的是 汽水灌装机控制系统的硬件设计，主要有 plc 的选型和 plc 的连接。第 4 部分介绍的 是汽水灌装机控制系统的软件设计，主要是对 plc 软件和系统程序的设计进行介绍， 并结合汽水灌装机控制系统的具体控制要求，对 i/o 进行分配；第 5 部分介绍的世纪 星组态画面的设计，首先对该软件进行了简单的介绍，然后结合 plc 控制原理与程序 流程图，实现组态画面的控制。第 6 部分是监控系统通信的实现和系统现场的调试。 1 灌装控制系统总体介绍 1.1 灌装机的主要类型

18、按灌装瓶的主要运动形式分类 1.1.1 旋转型灌装机 待灌瓶由传送系统（一般经洗瓶机由输送带输入）或人工送入灌装机进瓶机构， 瓶子由灌装机转盘带动绕主立轴旋转运动进行连续灌装，转动近一周时瓶子己灌满， 然后由转盘送入压盖机进行压盖，如图 1.1 所示。 图 1.1 灌装过程的俯视图 这种灌装机在食品、饮料行业应用最广泛，如汽水、果汁、啤酒、牛奶的灌装， 此机主要由流体输送（即供料系统）、容器输送（即供瓶系统）、灌装阀、大转盘、 传动系统、机体、自控等部分所组成，其中灌装阀是保证灌装机能否正常工作的关键。 1.1.2 直线型灌装机 灌装瓶沿着平直的直线运动，进行成排灌装。如图 1.2，凡送来一排

19、空瓶由推瓶板 向前推送一次，到送至灌液管的下方时，阀门打开进行灌装，间歇进行操作。 i：定量灌装，：上盖，：将盖拧紧，：贴商标，：待装盒装箱 1：推瓶板，2：限位拨盘，3，11，13：传送带，4：传送盘，5：瓶子，6：上盖机构， 7：料斗，8：拧紧机构，9：商标盒，10：浆糊盒，12：推料板，14：贮液箱，15：灌装管 图 1.2 直线灌装机工作原理图 这种灌装机相对旋转灌装机来讲，结构比较简单，制造方便，但占地面积比较大， 而且是间歇运动，生产能力的提高也受到一定限制，因此一般只用于无汽液料类的灌 装，局限性较大。 1.2 灌装的基本方法介绍 各种液体产品的物理性质和化学性质均不相同，在灌装

20、过程中，为了使产品的特 性保持不变，必须采用不同的灌装方法。一般灌装机常采用下列几种灌装方法： （1）常压法 常压法也称纯重力法，即在常压下，液料依靠自重流进包装容器内。大部分能自 由流动的不含气液料都可用此法灌装，例如白酒、果酒、牛奶、酱油、醋等。 （2）等压法 等压法也称压力重力式灌装法，即在高于大气压的条件下，首先对包装容器充气， 使之形成与贮液箱内相等的气压，然后再依靠被灌液料的自重流进包装容器内。这种 方法普遍用于含气饮料，如啤酒、汽水、汽酒等的灌装。采用此种方法灌装，可以减 少这类产品中所含 co2的损失，并能防止灌装过程中过量起泡而影响产品质量和定量 精度。 （3）真空法 真空法

21、是在低于大气压的条件下进行灌装的，可按两种方式进行： （a）压差真空式 即贮液箱内处于常压，只对包装容器抽气使之形成真空，液料依靠贮液箱与待灌 容器间的压差作用产生流动而完成灌装，国内此种方法较常用。 （b）重力真空式 即贮液箱内处于真空，包装容器首先抽气使之形成与贮液箱内相等的真空，随后 液料依靠自重流进包装容器内，因结构较复杂，国内较少用。真空法灌装应用面较广， 它即适用于灌装粘度稍大的液体物料，如油类、糖浆等。也适用于灌装含维生素的液 体物料，如蔬菜汁、果子汁等，瓶内形成真空就意味着减少了液料与空气的接触，延 长了产品的保质期，真空法还适用于灌装有毒的物料，如农药等，以减少毒性气体的 外

22、溢，改善劳动条件。 （4）压力法 利用机械压力或气压，将被灌物料挤入包装容器内，这种方法主要用于灌装粘度 较大的稠性物料，例如灌装番茄酱、肉糜、牙膏、香脂等。有时也可用于汽水一类软 饮料的灌装，这时靠汽水本身的气压直接灌入未经充气等压的瓶内，从而提高了灌装 速度，形成的泡沫因汽水中无胶体尚易消失，对灌装质量有一定影响7。 1.3 灌装机以及灌装方式的确定 1.3.1 灌装机的确定 旋转式灌装机无论在生产效率还是在生产质量上都远远高于直线型灌装机，对比 直线性灌装机，旋转式灌装机的设备更高效化、自动化和节能化。今天的旋转式灌装 机自动灌装机的生产能力己达每分钟 2000 瓶。因此本设计采用旋转式

23、灌装机来进行研 究。 1.3.2 灌装方式的确定 灌装方式的选择，除了考虑液体本身的工艺性能如粘度、重度、含气性、挥发性 外，还必须考虑产品的工艺要求、灌装机的机械结构等综合因素。对于一般的食用液 料如瓶装牛奶、瓶装酒类、碳酸饮料等，可以采用真空等压法，也可直接采用等压 法。真空等压法是灌装前对瓶内抽取真空，然后再充入 co2进行等压灌装。为了减 少灌装时酒料类的液体的含氧气量，以便延长产品的保质期，采用较大的真空度的 等压法更有利。采用真空法其灌装阀的结构较简单，液漏损失小。但是真空法较之等 压法需增加设备成本，而且，氧气量对碳酸饮料的影响不大，在节能的方面考虑，可 直接采用等压灌装法。 碳

24、酸饮料采用等压灌装法可以有效的防止灌装过程中 c02气体的损失，等压灌装 即先向瓶子中充气，使容器内压力与贮液缸内的压力相等，再将贮液缸内的液体灌入 容器内。贮液缸是全封闭的，它由贮液室、背压气室、回气室三室组成。在往贮液缸 输送液体之前，先往贮液缸内通入压缩气体（无菌空气或 co2，使贮液缸的气室保持 一定的压力（0. 1 -0. 9mpa ），该气体压力必须等于或稍高于液体物料中 co2溶解量 的饱和压力，使饮料中的 co2溶解。等压灌装法可以减少 co2的损失，保持含气饮料 的质量，并能防止灌装中过量泛泡，保证灌装计量准确。所以本系统在设计中选用等 压灌装法。 2 汽水灌装机控制系统设计

25、方案 2.1 总体设计思路 根据要求和目前生产线的具体情况，并结合目前先进装配系统的设计方案，确定 了以下总体设计思路。采用可编程控制器(plc)作为控制系统的主控制元件，传感器 作为检测元件构成生产、控制系统。一台上位计算机通过通讯网络与 plc 相连，用于 生产线的监控和产品数据的记录处理。整条汽水灌装机控制系统由一台 plc、灌装机 以及次品捡出器和指示灯等其它元件构成。瓶子在灌装机中依次完成：1、进气，2、 进液回气；3、停止进液；4、排除余液等 4 个步骤。同时生产线上的各种检测状态传 感器全部接入到 plc 中，由 plc 根据传感器的检测状态通过编制好的程序控制整个系 统工作。

26、操作时，在plc上编制好的程序作为系统工作的条件。通过plc上的开关和指示灯 等进行对系统功能的操作和监控系统的工作过程9。 2.2 汽水灌装机控制系统的具体流程 系统采用了国际上较为先进的灌装设备旋转型全自动灌装机。设计的灌装过程 是：洗瓶机将瓶子的里外洗净并经检查后，由传送带送入自动灌装机的限位机构，根 据规定的要求按一定的距离排列好，限位机构准确地将瓶送入瓶的升降机构。升降机 构把升降托盘顶起，瓶子随之上升，当瓶口卡住阀门的定心罩时打开多移阀的气门， 充气等压，然后打开液门，进行灌液，灌液完毕后进行压力释放，然后关闭液门、气 门。完成上述几步之后，瓶子的升降机构立即进入下降滑道，在下降滑

27、道的作用下， 升降托盘被滑道强制下降，因而装好的瓶子随之下降到最低位置，当转过一定角度后， 瓶子进入传递轮子的区域，被传递轮子退出，送去进行上盖并包装，这样就完成了整 个灌装工作的一个工作循环过程。系统设计流程图如图 2.1 所示。 开始 灌装机启动 进瓶传送带启动 托盘上升 开始充co2 结束 开始灌液 次品捡出器启动 n n y 停止灌液 排气除余液托盘下降 送出灌装成品 压盖 n 次品提示灯亮 计数器1 计数器2 包装 捡出次品 托盘下降 托盘有压力吗? 6s内定心罩有压力吗? 6s内气阀有气压吗? y n 6s到了吗? 托盘停止上升 停止充co2 y n 6s到了吗? 6s y y 次

28、品捡出器停止 图 2.1 系统设计流程图 3 汽水灌装机控制系统的硬件设计 3.1 plc 的选型 3.1.1 选择 plc 控制的原因 可编程控制器是以微处理器为核心的专用计算机，是专为工厂现场应用环境设计 的，利用它面向用户的编程语言，不仅能实现逻辑控制，还能实现各种顺序和定时控 制以及复杂的闭环控制 ；利用它内部大量的辅助继电器可以实现无触点控制；利用它 控制可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、在恶劣环境下能长时间不间断运行、编程 容易且维护工作量小、还配有通讯接口和各种模块的特点，可以把它作为下位机放在 自动生产线的工作现场完成各种控制任务。正是因为可编程控制器有这些优良的特性， 再加上

29、饮料灌装过程中有大量的顺序控制，所以选用 plc 来对灌装设备进行控制。 3.1.2 plc 介绍 可编程控制器是 60 年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器 plc（programmable logic controller），目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计 时、计数等顺序控制功能。提出 plc 概念的是美国通用汽车公司。 plc 的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统 的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。 根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内，使控制器 和被控对象连接方便。

30、70 年代中期以后，plc 已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和 外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的 plc 已不再是仅有 逻辑（logic）判断功能，还同时具有数据处理、pid 调节和数据通信功能。 国际电工委员会（iec）颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下 的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设 计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、 计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型 的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与

31、工业控制系统联成一个 整体，易于扩充其功能的设计3。 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目 前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。可 编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有以下明显的特点： （1）可靠性高，抗干扰能力强：plc 采用现代大规模集成电路技术，采用严格的 生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。同时在应用 软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 plc 以外的电路 及设备也获得故障自诊断保护。 （2）编程直观、简单：梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相

32、当接 近，只用 plc 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。 （3）适应性好：plc 产品在抗电磁、噪声干扰、有害废气的腐蚀、高温、粉尘等 恶劣条件有很高的能力。能直接和现场各种单元相连接。 （4）功能完善，接口功能强：除了逻辑处理功能以外，现代 plc 大多具有完善 的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。 虽然计算机控制技术已经产生，但是 plc 控制因为它的高性能、成本低、并且对 恶劣的环境有很强的适应能力而在工业控制的广泛应用中保持优势2。 3.1.3 plc 型号的选择 本设计选用 omron 公司的 cpm2a 型 plc。能基本满足系统设计的要求。 日本 o

33、mron 公司是世界上生产可编程序控制器（pc）的著名厂家之一， omron 的大、中、小、微型机各具特色各有所长，在中国市场上的占有率位居前列， 在国内用户中享有较高声誉。 1999 年，omron 在推出 cs1 系列的同时，在小型机方面相继推出 cpm2a/cp m2c/cpm2ae、cqm1h 等机型。 cpm2a 是 cpm1a 之后的另一系列机型。cpm2a 的功能比 cpm1a 有新的提升， 例如，cpm2a 指令的条数增加、功能增强、执行速度加快，可扩展的 i/o 点数、pc 内部器件的数目、程序容量、数据存储器容量等也都增加了；所有 cpm2a 的 cpu 单 元都自带 rs

34、232c 口，在通信联网方面比 cpm1a 改进不少。 cpm2a 的基本指令与 cpm1a 相同，都是 14 种，但 cpm2a 的应用指令增加到 105 种、185 条；cpm2a 的工作速度明显加快，基本指令 ld 的执行时间为 0.64us， 应用指令 mov 的执行时间为 7.8us；程序容量增加到 4096 字；读/写 dm 增加到 2048 字；最大 i/o 点数可扩展到 120 点；内部器件数目也有增加，如内部辅助继电器区 （ir）928 位，特殊继电器区（sr）448 位，定时器/计数器 256 位，辅助继电器区 （ar）384 位1。 3.2 plc 硬件系统的连接 系统采

35、用了 omron 的 cpm2a 型号 plc，其主机上有 12 点输入，8 点输出。汽 水灌装机控制系统的控制环节采用上位机和下位机组成，下位机直接控制汽水灌装机 控制系统中各个设备的工作运行，上位机负责对系统的工作运行的状况进行监视，其 中上位机通过 com 端口用 rs-232 与 plc 相连进行通信的，而 plc 需先接入 220v 交 流电源，再将启动停止按钮以及各个限位开关通过 24v 直流电源连接到 plc 的输入 端口上，系接线图，如图 3.1 所示4。 图 3.1 系统硬件连接图 3.3 灌装机的传动原理 旋转型自动灌装机，所用的动力都是电动机，其功率一般在 13 千瓦之间

36、，电动 机的转速通常是很高的，而灌装机的转速不过每分钟几转，满足不了灌装工作的要求， 因此，它的传动就需要一套合理的变速系统。 有的灌装机上还采用调速电机，直接无级变速，但这种传动对电机要求很高，必 须防尘、防水等，而且价格也较贵。 对于旋转型灌装机传动部分的要求有以下几点： （1）传动平稳 由于主机完成灌装任务是在一个灌装机传送带上进行的，它的进瓶、出瓶准确地 灌装等都要求在平稳的工作条件下进行。 （2）传动系统结构简单 传动系统简单，一方面可以减少功率的消耗，另一方面设备的精度易达到，同时 维修方便。 另外，在设计传动系统时考虑到安装、调试、保养的方便性，要满足人体工程学 的要求，给工人带

37、来方便，要尽量缩短维修时间，要求便于维修、保养。 3.4 灌装机的重要硬件详解 3.4.1 灌装机的供瓶机构 在自动灌装机中，按照灌装的工艺要求，准确地将待灌瓶送入主转盘升降机构托 瓶台上，是保证灌装机正常而有秩序地工作的关键。一般供瓶机构的关键问题是瓶的 连续输送和瓶的定时供给。 常用的连续输送装置有链带传送，一般采用不锈钢或尼龙坦克链带，为了减少链 带与瓶底间的摩擦，有时设法在链带上加些肥皂水，以便润滑。 由洗瓶机出来的瓶子由输送带送来后，为了防止挤坏、堵塞和准确地送入灌装机， 必须设法使瓶子单个地保持适当的间距送进灌装机，目前瓶子的定时送给一般采用分 件供送螺杆或拔盘式等限位机构。 3.

38、4.2 瓶的升降机构 在一般旋转型灌装机中，由拔瓶轮送来的瓶子必须根据灌装工作过程的需要，先 把瓶子升到规定的位置，以便进行灌装。然后再把己灌满的瓶子下降到规定的位置， 以便拔瓶轮将其送到传送链带上送走，这一动作是由瓶的升降机构完成的。对于瓶的 升降机构的要求是：运行平稳、迅速、准确、安全可靠、结构简单。 3.4.3 灌装阀的功能 灌装阀是自动灌装机执行机构的主体部件，它的功能在于根据灌装工艺要求，以 最快的速度沟通或切断贮液箱、气室和灌装容器之间流体流动的通道，保证灌装工艺 过程的顺利进行。本设计中采用气动式多移阀。 多移阀结构：灌装阀组件由液体阀、注气管、气阀、定心罩、排气阀等组成。 功能

39、：瓶子通过传递轮子进入灌装机，接着瓶子沿着瓶子托盘开始上升，直到瓶 口卡入定心罩，定心罩将罐对中并预压密封，然后开启气阀对瓶内进行充 co2，充 co2由一只气缸加压产生，压力的大小取决于瓶子的材料。通过这道程序，使汽水在 灌装过程中，co2的损失降到最低。当待灌瓶中的气压达到与贮液箱内的背压相等时， 液阀弹簧自动打开液门，完成灌装，此种阀的优点是不仅能保证碎瓶时不漏液，还能 保证瓶上有孔洞的破瓶及充气不足时不漏液，使灌装能够稳定进行5。 4 汽水灌装机控制系统的软件设计 4.1 系统程序的指令介绍 （1）定时器指令（tim） 系统设计中使用了十个定时器，用来控制瓶子在灌装机内各个部分的计时工

40、作， 当定时器的输入端为从“off”变为“on”时，定时器开始工作，直到计时到计数器 所设定值，计时器当前值为 00000，计数器为“on”。若输入继续为“on”，输出保 持为“on”；若输入变为“off”，定时的输出也变为“off”，即恢复原状态，本 次系统设计的定时器就是利用此功能，实现了定时器的自复位功能。 （2）计数器指令（cnt） 系统设计中使用了二个计数器，用来进行加数操作，当计数输入端（cp）信号从 “off”、变为“on”时，计数值加 1，此时计数器内的值是 1，以此相加，直到计数 器当前值为计数器设定值时，计数器为“on”；当计数复位端（r）为“on”时，计 数器为“off”

41、，且当前返回到初始设定值。复位端采用的自复位，当计数器计数到 计数器设定值时则对计数器的值进行一次清空。当计数输入（cp）和复位（r）同时 来到时，复位输入优先。系统中计数器指令与定时器指令的编号不能重复使用，两者 数量和为 512 个。 4.2 可编程序控制器 i/o 分配 开关量 i/o 模块的选择：开关量 i/o 模块的不同，直接关系到 i/o 点数的多少，对 plc 的应用范围会产生影响，选择时主要考虑点数、外部电路的性质和结构、电压的 形式和范围等。如果是无源输入信号例如按钮、行程开关等，可以根据现场与 plc 的 距离远近来选择电压的高低。输出模块所起的作用是将 plc 内部低电平

42、的控制信号隔 离、转换为外部所需的输出信号，以驱动 plc 的外部负载。在选择时应注意，模块与 外部接线的方式、输出电压的额定限度、外部输出点同时接通的影响、选择输出方式 等。i/o 地址分配目的是让主 cpu 模块能够访问其他的模块，进行数据的交换。在进 行 i/o 地址分配时，要特别注意不要产生地址冲突的错误。设计本控制系统共使用了 9 个输入点，13 个输出点，i/o 分配如表 4.1 所示4。 表 4.1 系统 i/o 明细表 输入地址输入设备输出地址输出设备 00000灌装机和传递轮子启动按钮01002 传递轮子与灌装机启 动 00001传送带启动按钮01003进瓶传送带启动 000

43、02灌装机瓶子托盘压力检测器01004瓶子托盘上升 00003定心中罩压力检测器01005气阀打开 00004气阀气压检测器01006灌装阀打开 00005系统停止按钮01007瓶子托盘下降 00006次品捡出器压力检测器01008次品提示灯亮 00007最低液压力检测器01009次品捡出器启动 00008最高液压力检测器01010次品传送带启动 01011进料阀门打开 01012回气管启动 01013压盖机启动 01014包装机启动 4.3 工作过程分析 本设计选择的是旋转式灌装机，旋转式灌装机在第一部分已做过详细介绍，这里 就不再进行介绍。 灌装的方式选择的是等压灌装法，等压法灌装的工艺过

44、程是：1、进气，2、进液 回气；3、停止进液；4、排除余液。 4.3.1 正常灌装流程 （1）按下灌装机启动按钮（0.00），传递轮子（限位作用，使瓶子以相同间距进 入灌装机）和灌装机启动（200.00）。在灌装机启动的前提下，按下传送带启动按钮 （0.01），灌装机的进瓶传送带启动（200.01），此处作用是为了防止在灌装机启动前 便有瓶子进入传送带，造成拥挤和堆叠，防止送瓶出错。梯形图如图 4.1 所示。 图 4.1 灌装机和传送带启动环节 （2）瓶子进入传送带以后，通过传递轮子将瓶子等间距送入瓶子托盘升降机构， 当托盘检测到压力（0.02）以后，托盘活塞给托盘升降机构一个压力，托盘开始带

45、着瓶 子上升（200.02），最大上升时间为 6s（tim000）。此过程即为图 4.9 中的 t1汽水瓶 上升环节。梯形图如图 4.2 所示。 图 4.2 瓶子随托盘上升环节 （3）在托盘上升的 6s 内，如果注液口定心中罩检测到压力（0.03），则托盘停止 上升，然后当 6s 时间到时，气阀打开，开始对瓶子充 co2，最大充气时间为 6s。此 过程对应图 4.10 中的 t2充气环节。启动充 co2的条件有 2 条：（1）托盘上升时间 6s 到；（2）注液口中罩检测到压力。可以实现爆瓶或无瓶不充气。梯形图如图 4.3 所示。 图 4.3 对瓶内充 co2环节 （4）当最大充气时间 6s 内

46、，气阀检测到气压（0.04），则停止充 co2，在 6s 时 液阀开启（200.4），开始灌装。灌装时间为 6s。启动灌装的条件有 2 条：（1）最大 充气时间 6s 到；（2）气阀检测到瓶子内对外的气压。可以实现破瓶不灌液。此过程 对应图 4.10 中的 t3灌装环节。梯形图如图 4.4 所示。 图 4.4 灌装环节 （5）灌装完毕（tim002）以后，托盘开始下降（200.05），下降过程中同时关闭 液阀，回气管工作（201.03），开启排气和除余液操作。下降完毕的瓶子再转过一定的 角度由传递轮子送出，同时瓶子托盘向前继续行进进入下一个循环。此过程对应图 4.10 中的 t4托盘下降环节。

47、 图 4.5 排气除余液环节 4.3.2 灌装出现次品的流程 （1）次品为爆瓶时 （接正常灌装流程的（2）步骤） 当最大托盘时间上升 6s 到时，注液口定心中罩 没检测到压力（瓶子为爆瓶，高度不足），则托盘开始下降（200.06），同时次品提示 灯亮，托盘下降的时间为 6s（tim005）。下降完毕托盘等待进入下一次循环。同时次 品检出器启动。（详见下方次品捡出器的介绍）。梯形图如图 4.6 所示。 图 4.6 处理爆瓶环节 （2）次品为破瓶时 （接正常灌装流程的（3）步骤）当最大充气时间 6s 到时，气阀没有检测到气压 （破瓶，co2充不满），则停止充 co2，同时瓶子托盘开始下降（200.

48、07）， 次品提 示灯亮，托盘下降时间为 6s（tim006），下降完毕托盘等待进入下一次循环，同时次 品检出器启动（详见下方次品捡出器的介绍）。梯形图如图 4.7 所示。 图 4.7 处理破瓶环节 4.3.3 次品捡出器 （1）次品捡出器相关介绍 如图 4.8，瓶子在上升以后，瓶子底离下转盘有一定的距离，本系统所设计的这个 次品检出器就在层位。 图 4.8 瓶子在灌装过程中展开示意图 如图 4.9， 本系统设计灌装机，托盘从 t1耗时 6s，t2耗时 6s，t3耗时 6s。次品 捡出器并设在 d 处的外围。 图 4.9 旋转灌装机的工 作循环图 （a）即当正常灌 装时，瓶子在 a 点随 着托

49、盘开始上升，到 达 b 时气阀开启，开 始充 co2，充气正常 的瓶子到达 c 点时开 启液阀开始灌装，到 达 d 点灌装完毕后开 始下降，所以当正常 灌装时，d 点时瓶子 还在上方。 （b）当出现爆瓶时，b 点瓶子随着托盘开始下降，c 点瓶子下降完成。当出现破 瓶出现时，c 点瓶子随着托盘开始下降，d 点瓶子下降到最低处。所以当出现爆瓶和 破瓶时，在 d 点瓶子会被次品检出器捡出。 （2）次品捡出器相关程序 次品捡出器启动后，如果在最大次品捡出时间内（tim110）内，没有检测到次品 的压力，则在 tim110 时间到以后，次品捡出器停止。 如果在最大次品捡出时间内（tim110）内，检测到

50、次品的压力，则停止 tim110 的 计时，开启 tim009 将次品送出去。梯形图如图 4.10 所示。 图 4.10 次品捡出器工作环节 4.3.4 贮料缸的相关程序 当最低液位传感器检测不到压力时，进料阀门打开，开始加料，当最高液位传感 器检测到压力时，进料阀关闭，为了保证生产效率，贮料缸补充原料时灌装系统应该 不停止，所以将贮料缸的程序当做一个单独的程序。梯形图如图 4.11 所示。 图 4.11 贮料缸环节 5 监控程序的软件设计 5.1 组态软件简介 5.1.1 组态软件的选择 目前自动化控制方面的软件品种繁多，但其组成部分大同小异。组态软件由系统 管理、梯形图生成，计算公式生成（

51、结构化文本语言生成）、历史库生成、图形生成、 报表生成等构成。利用系统管理组态定义系统的硬件配置，只有硬件配置确定后，才 能进行后面的组态。 选择一个性能优良的组态软件对于整个控制管理系统的成功开发、方便调试、可 靠运行至关重要。由北京世纪长秋软件有限公司推出的世纪星 7.22 版，己成功地应用 于众多领域。鉴于北京世纪长秋软件有限公司的世纪星组态软件较易掌握，且拥有良 好的口碑。所以本设计在开发灌装监控的画面流程时采用了世纪星 7.22 版。 5.1.2 世纪星组态软件简介 世纪星组态软件的全称是“世纪星通用工业自动化监控组态软件”，它是在 pc 机 上开发的智能型人机接（hmi）软件系统，

52、以 windows 98/2000/nt 中文操作系统为平 台，全中文界面。 世纪星组态软件是由北京世纪长秋科技有限公司投资开发，太极计算机公司、清 华大学、中科院等单位参与了世纪星组态软件核心模块的开发研制工作，在开发和设 计过程中，采用国际先进的组态理念，吸收当前国内外先进组态软件的优秀成果，在 最大地满足和方便用户的思想指导下，采用了一系列独特的技术，从而使产品在面向 市场几年的时间里，有了许多成功的应用实例1。 5.1.3 世纪星软件组成 世纪星组态软件由开发系统和运行系统两部分组成。开发系统和运行系统是各自 独立的 windows 32 位应用程序，均可单独使用；两者又相互依存，在开

53、发系统中设计 开发的工程和画面应用程序必须在运行系统中才能运行。 世纪星组态软件开发系统是其应用程序的集成开发环境。开发者在这个环境中完 成工况画面的设计、 数据库定义、动画连接、设备安装、命令语言编写等。开发系统 具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，对应于控制对象的特性， 对数据的报警、趋势曲线、历史数据记录、安全防范等重要功能有简单的操作方法。 世纪星组态软件运行系统是一个实时运行环境，用于显示画面开发系统中建立的 动画图形画面，并负责数据库与 i/o 服务程序的数据交换。它通过实时数据库管理从 工业控制对象采集到的各种数据， 并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同

54、时完成报警、历史数据记录、趋势曲线等监视功能。 5.2 组态画面的具体设计 世纪星 7.22 版的开发系统是应用程序的集成开发环境，我们可以在这个环境下完 成界面的设计、数据库的构造、动画连接的定义等。其应用程序制作过程如下： （1）设计灌装过程监控图形界面； （2）将系统设计中用到的变量写入“变量数据库”； （3）在“应用程序命令语言编辑”中编写相关汇编语言； （5）对监控图形界面中的图形建立动画连接； （6）运行和调试。 5.2.1 组态图形界面的设计 设计图形界面即用抽象的图形画面来模拟实际的灌装过程和相应的灌装设备。构 造数据库即创建一个具体的数据库，用此数据库中的变量反映工控对象的各

55、种属性， 如灌装机贮液缸内的液位。动画连接就是用动画模拟工业现场的各个设备的运行情况。 运行和调试则是用世纪星组态软件的仿真 plc 来提供现场的模拟数据，以确保各动态 点处于正确的连接状态。 汽水灌装机控制系统流程画面就是根据灌装的工艺过程及工艺要求，用抽象的图 形画面来模拟其实际的灌装过程和相应的灌装设备，主要用来显示各动态信息，特别 是主要的工艺参数、以方便操作人员及时掌握现场情况，并发现问题，及时解决问题。 根据碳酸饮料的灌装工艺，在灌装机的前方有洗瓶机，洗瓶机的出来的瓶子在到达灌 装机以后，在机器的旋转过程中，完成对空瓶的上升充气、进液、回气排余液、下降、 送出等一系列过程，还设计了

56、出现次品时，次品捡出工作的环节。本组态画面是严格 根据系统的自动控制要求，结合控制流程图，画出具体的汽水灌装机控制系统的动态 画面，如图 5.1 所示。该动态画面设计有设计美观，形象逼真等特点，并且实物也尽可 能完整的绘制了出来。 图 5.1 灌装系统组态图形界面 5.2.2 组态的变量设计 变量数据库又称变量字典，它是世纪星组态软件的核心，是一个实时数据库，它 是若干变量的集合。数据库中的每一变量包括变量名、数据类型、变量取值范围、当 前值、连接的设备（对i/o 类型变量）等。运行时系统维护一个实时数据库，各个功 能模块随机访问数据库。 在运行本系统中，数据库中保存的是本系统所有变量的实时数

57、据。运行系统时数 据库中的数据同输入的数据以及汽水灌装机控制系统工作现场传送来的数据进行实时 处理，再将数据送回汽水灌装机控制系统工作现场，同时更新变量数据库中变量的实 时数据。本系统所用到的内存型变量主要是内存实数变量和内存离散变量这2种，变量 的定义如图5.2所示。 图 5.2 灌装控制系统变量定义 5.2.3 应用程序命令语言编辑 按照系统的设计要求，通过定义变量，编写程序，从而实现各个生产环节所对应 的瓶子的运行状态。在本设计中，由于世纪星的特殊功能，即除了在定义动画连接时 支持连接表达式外，还允许定义类似于 c 语言的命令语言来驱动应用程序，所以自动 控制系统在使用连接表达式的同时使

58、用“应用程序命令语言”来控制系统状态，使的 系统更加灵活。系统的组态编程如图 5.3 所示。 图 5.3 灌装控制系统组态编程 5.2.4 动画连接 动画连接就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。这样，灌装系统中的数 据，比如贮料缸液位、瓶子个数等，当它们变化时，通过 i/o 接口，将引起实时数据 库中变量的变化。动画连接的引入是人机接口软件的一次突破，它把程序员从重复的 图形编程中解放出来，为程序员提供了标准的工控图形界面，增强了图形显示效果。 动画连接的步骤：首先在组态的图形界面中双击你想要进行动画连接的图形，出 现如图 5.4 的操作界面。 图 5.4 动画连接操作界面 其次在该操作

59、界面中选择想要进行的移动方式，如“水平”，再在空白处填入与 之对应的表达式。最后确定“水平方向移动距离”。如图 5.5 所示。 图 5.5 动画连接举例图 图 5.5 中表达式“生产线移动 6”在应用程序命令语言中与之对应的程序为： “if (传输工序=6) & (启动生产线=1)&(产品质量=0)&(产品质量 1=0) then 生产线移动 6=生产线移动 6+2； if 生产线移动 6300 then 生产线移动 6=300； 传输工序=0；” 即当 “传输工序=6”、“启动生产线=1”、“产品质量=0”、“产品质量 1=0” 这 4 个条件同时成立时，“生产线移动 6”在每个扫描周期依次

60、加 2。直到满足“生产 线移动 6=300”时停止加 2。对应的图形移动就是该图形在每个扫描周期依次向左移动 2 个象素，直到移动到 300 个象素时停止不再移动。 6 监控系统通信的实现 6.1 通信连接 6.1.1 cpm2a 的通信连接方式 cpm2a 有三种通信联系方式：上位连接系统，同位连接系统，compobus 通信系 统。工厂自动化系统中常把三种系统复合起来一起使用来实现工厂自动化系统要求的 多级功能。复合型 plc 网络中，上位链接系统处于最高位，负责整个系统的监控优化。 上位机与 cmp2a 的通信有两种方式：上位机命令与 plc 通信命令。上位机命令方式 上位机处于主动，命