基于PLC灌装机控制系统

1、辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸摘 要 PLC控制是目前工业上最常用的自动化控制方法，由于其控制方便，能够承受恶劣的环境，因此，在工业上优于单片机的控制。PLC将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体,专门为工业控制而设计,具有功能强、通用灵活、可靠性高、环境适应性强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点,因此在工业上的应用越来越广泛。 本文主要讲述可编程控制器与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

2、，提出了基于PLC的灌装机控制系统的基本结构。用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，简要介绍了组态软件，对模拟过程进行了详细的叙述，并附有灌装机控制系统的组态画面。本系统设计中完成了灌装机控制系统的硬件的配置和软件方面的设计，并利用组态软件实现了实时监控系统的设计。 采用PLC来控制生产线，实现了控制系统的自动化，对劳动生产率的提高，对液体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 PLC control is the most commonly used industrial automat

3、ion control method,because of its convenient control to withstand an adverse environment,it is better than MCU control technology ,computer and communication technologies are integrated specifically for industrial control and design,have store function,common flexible,high reliability and environmen

4、tal adaptability,and programming simple,easy to use and small size,light weight,a series of low-power advantages in industrial applications become more extensive. This paper introduces briefly the programmable logical controller and the century star monitoring software uses in the filling machine of

5、 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 filling machine design steps, is based on the self-industry and the application of the other trade on auto-contro

6、l technique, proposed the frame of the control system based on programmable logical controller. Design the control system of the filling machine based on the programmable logical controller and designs the control system, inspecting and picking out the broken bottle. the simulation software of confi

7、guration briefly and describe simulation process in detail, there are production line configuration screen. This design completes the carbonated production line hardware configuration and software design and uses century star configuration software to monitor real-time system, to achieve the image o

8、f the entire design image and practical. Not only improve the labor productivity, but also has far-reaching significance of the improvement of quality and yield. Keywords: Carbonated filling machine control system, Programmable Logical Controller, Configuration software目 录摘 要IAbstractII第1章 引 言11.1设计

9、的目的和意义11.2设计项目发展情况简介21.2.1 可编程序逻辑控制器21.2.2 我国灌装业的缺陷31.3汽水灌装机控制系统方案设想与优点31.4论文的主要构成3第2章 灌装控制系统总体介绍52.1 灌装机的主要类型52.1.1 旋转型灌装机52.1.2 直线型灌装机52.2 灌装的基本方法介绍63.3 灌装机以及灌装方式的确定73.3.1 灌装机的确定73.3.2 灌装方式的确定7第3章 汽水灌装机控制系统设计方案93.1 总体设计思路93.2 灌装机控制系统的具体流程9第4章 汽水灌装机控制系统的硬件设计114.1 PLC的选型114.1.1 选择PLC控制的原因114.1.2 PLC

10、介绍114.1.3 PLC型号的选择124.2 PLC硬件系统的连接134.3 灌装机的传动原理144.4 灌装机的重要硬件详解154.4.1 灌装机的供瓶机构154.4.2 瓶的升降机构154.4.3 灌装阀的功能15第5章 汽水灌装机控制系统的软件设计175.1 系统程序的指令介绍175.2 可编程序控制器I/O分配175.3 工作过程分析185.3.1 正常灌装流程185.3.2 灌装出现次品的流程215.3.3 次品捡出器225.3.4 贮料缸的相关程序24第6章 监控程序的软件设计256.1 组态软件简介256.1.1 组态软件的选择256.1.2 世纪星组态软件简介256.1.3

11、世纪星软件组成256.2 组态画面的具体设计266.2.1 组态图形界面的设计266.2.2 组态的变量设计276.2.3 应用程序命令语言编辑286.2.4 动画连接29第7章 监控系统通信的实现317.1 通信连接317.1.1 CPM2A的通信连接方式317.1.2 CPM2A的上位通信协议317.1.3 编写上位机通信程序317.1.4 实现上位机对PLC的监控327.2 计算机与PLC通信327.3 世纪星与PLC通信337.4 监控系统的现场调试347.4.1 PLC系统的现场调试347.4.2 上位计算机系统的现场调试35结 论36参考文献37致 谢38附录 组态运行效果图39V

12、I第1章 引 言 1.1设计的目的和意义 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。另外我国液体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

13、制领域应用的日益广泛，使我们利用先进控制技术改进灌装机的控制系统，弥补其不足成为可能。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。提高经济效益。实施灌装过程监控后，可以实现对灌装机控制系统的全自动化，提高生产效率。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。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，液体物体的灌装机发展很快，早已有人工手动灌装发展实现机械自动化灌装，且自动化水平日益提高。

14、随着科技进步，现在越来越多的将PLC应用于灌装机系统中。另外由于PLC其抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性价比高等优点被广泛应用于各种工业控制领域。利用PLC实现对罐装机的控制，结构简化，维护方便，可以节约调整时间，增加设备的柔性，同时运行稳定可靠【】。1.2设计项目发展情况简介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

15、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。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

16、面貌，但灌装机械的发展与国际先进水平的差距仍很大。1.2.1 可编程序逻辑控制器 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、

17、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。1.2.2 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

18、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。1.3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，设计液体的自动灌装控制系统，通过软、硬件功能的组态实现液体灌装机系统的自动化控制，表现在： （1）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。 （2）提高经济效益。实施灌装过程监控后，可以实现大型液体灌装机控制系统的全自动化，提高生产效率。（3）改善工作环境。实施监控后，值班人员坐在控制室就可以

19、随时了解整个液体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。1.4论文的主要构成本文第1部分对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，首先介绍了灌装机控制系统的工作过程和传动原理，其次介绍了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

20、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。第2章 灌装控制系统总体介绍2.1 灌装机的主要类型2.1.1 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2.1所示。图2.1 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。2.1.2

21、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2.2，凡送来一排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2.2 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。2.2 灌装的基本

22、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

23、品质量和定量精度。（3）真空法真空法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

24、减少毒性气体的外溢，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。3.3 灌装机以及灌装方式的确定3.3.1 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灌装机

25、来进行研究。3.3.2 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。碳酸饮料采用等压灌装法可以有效的

26、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。第3章 汽水灌装机控制系统设计方案3.1 总体设计思路根据要求和目前生产线的具体情

27、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。整条液体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。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

28、能的操作和监控系统的工作过程9。3.2 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

29、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3.1所示。图3.1 系统设计流程图第4章 汽水灌装机控制系统的硬件设计4.1 PLC的选型4.1.1 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

30、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。4.1.2 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

31、程序存储器内，使控制器和被控对象连接方便。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

32、关外围设备，易于与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当接

33、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。4.1.3 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OMRON公司是世界上生产可编程序控制器（PC）的著名

34、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RS232C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

35、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。4.2 PLC硬件系统的连接系统采用了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

36、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4.1 系统硬件连接图4.3 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，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

37、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，给工人带来方便，要尽量缩短维修时间，要求便于维修、保养。4.4 灌装机的重要硬件详解4.4.1 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

38、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。 4.4.2 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

39、简单。4.4.3 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：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

40、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。第5章 汽水灌装机控制系统的软件设计5.1 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

41、（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”，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。5.2 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P

42、LC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5.1所示4。表5.1 系统I

43、/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00002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5.3 工作过程分析

44、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程是：1、进气，2、进液回气；3、停止进液；4、排除余液。5.3.1 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5.1所示。图5.1 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

45、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，托盘开始带着瓶子上升（200.02），最大上升时间为6S（tim000）。梯形图如图5.2所示。图5.2 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5.3所示。图5.3 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5.4所示。图5.4 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5.5中的T4托盘下降环节。图5.5 排气除余液环节5.3.2 灌装出现次品的

47、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5.6所示。图5.6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（200.07）， 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

48、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5.7所示。图5.7 处理破瓶环节5.3.3 次品捡出器 （1）次品捡出器相关介绍如图5.8，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5.8 瓶子在灌装过程中展开示意图如图5.9， 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5.9 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。（

49、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5.10所示。图5.10 次品捡出器工作环节5.3.4 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

50、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5.11所示。图5.11 贮料缸环节第6章 监控程序的软件设计6.1 组态软件简介6.1.1 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（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

51、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。6.1.2 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，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

52、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。6.1.3 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、

53、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，同时完成报警、历史数据记录、趋势曲线等监视功能。6.2 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

54、”中编写相关汇编语言；（4）对监控图形界面中的图形建立动画连接；（5）运行和调试。6.2.1 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

55、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6.1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6.1 灌装系统组态图形界面6.2.2 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

56、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6.2 灌装控制系统变量定义6.2.3 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6.