啤酒灌装生产线设计

1、目录1 前言 32 总体方案设计 42.1 啤酒罐装传送带调速系统设计要求 42.2 方案比较 42.3 方案选择与方案论证 83 罐装传送带调速系统分析 93.1 罐装传送带调速系统工艺流程 93.2 输入信息分析 103.3 输出信息分析 114 罐装传送带调速控制系统硬件设计 124.1 罐装传送带系统总图设计 124.2 电器元件的选型 135 罐装传送带调速控制系统软件设计 145.1 编程平台介绍 145.2 罐装传送带控制程序设计 155.3 罐装传送带程序的仿真调试 196 罐装传送带调速监控系统软件设计 206.1 MCGS 组态软件介绍 206.2 上位机监控画面的组态设计

2、 226.3 实时数据库的变量设置 226.4 脚本程序的设定 236.5 PLC 与 MCGS 的连接 237 总结 258 参考文献 26/、八1 前言近年来，社会的发展和进步对各行各业提出了越来越高的要求。机械化加工企业为了 提高生产效率和市场竞争力，采用了机械化流水线作业的生产方式，对不同的产品分别组成 了自动流水线。产品不断地更新换代，也同时要求相应的控制系统随之改，提高产品生产的 效率。在这种情况下，硬连接方式的继电接触式控制系统就不能满足经常更新的要求了。这 是因为，一是成本高，二是周期长。在早期还出现过矩阵式顺序控制器和晶体管逻辑控制系 统，由于这些装置体积大，功能少，本身存在

3、很多不足，虽然在能够提高控制系统的通用性 和灵活性，但均未得到广泛应该。随着大规模集成电路和微处理器的发展和应用， 在上世纪 60 年代出现了能够以软件手 段来实现各种控制功能的革命性控制装置一可编程逻辑控制器（PLQo它把计算机的功能完备、通用性和灵活性好等优点和继电接触式控制系统的操作方便、简单易懂、价格低廉等优 点结合起来了，因此它是一种能够完全适应于工业环境的通用控制装置。PLC和原来的控制系统相比，增加了算术运算、数据转换、过程控制、数据通信等功能，能够很方便的完成大 型而复杂的任务。可编程序控制器作为工业自动化的支柱之一，在工业自动控制领域占有十 分重要的地位。众所周知，变频器是利

4、用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电 能控制装置。在工业生产领域中，变频调速是异步电动机控制的一种比较合理和理想的调速 方法，它通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从 高速到低速都能可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，能 够很好地提高工业生产的效率。在许多工业控制中，由于对生产效率的需要，要求电动机能 够调速。过去由于交流电动机调速困难，调速性能要求高的场合一般都采用直流调速，而直 流电冬季结构复杂，体积大，维修困难，因此随着变频调速技术的成熟，交流调速正逐步取 代直流调速，往往需要进行矢量控制和直接转矩控制，来满

5、足各种生产工艺的要求。利用变 频器拖动电动机，起动电流小，可以实现软起动、多段速调速和无级调速，方便的进行加减 速控制，是电动机获得高性能，大幅度地节约电能，因而变频器在工业生产和生活中得到了 越来越广泛的应用。随着电力电子元件的迅速发展，变频调速的应用己越来越广泛，而且中、小功率的变 频器都有定型产品，无需用户进行主回路参数计算，即可以按机械设备的工艺要求直接选用 变频器。如能正确使用，其寿命可达 10年以上,消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常 大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量，应用变频器节电率为20%-50%效益显著。综合上述可编程控制器和变频器控制的诸多优点， 我们将

6、二者结合起来， 通过可编程控 制器输出来控制变频器的多段速调速，让电动机转速跟随检测的反馈信号而变化，实现对灌 装啤酒传送带速度的自动控制，使其与灌装机的速度相匹配，提高工业生产的效率。本次设 计将可编程控制器和变频器控制进行了充分的结合运用，将可编程控制器的开关量输出端直 接与变频器的开关输入端相连，体现了由新的控制器带来新的控制理念的思想。2总体方案设计2.1啤酒罐装传送带调速系统设计要求要求PLC根据瓶流通过变频器调整输送带的速度，即PLC根据瓶流情况选择多段速控制, 做到输送带速度与灌装机速度很好的匹配。系统构成如下图所示。由光电检测开关检测瓶流速度，不同的瓶流速度对应变频器的不 同速

7、度，由PLC的输出端子去控制变频器的多段速控制端，实现速度的调整，实现与灌装速 度相匹配。图2.1系统构成图在灌装速度不变的情况下，瓶流速度必须和灌装速度保持一致，为了保持一致，需要用一 个光电传感器把检测到的瓶流脉冲输入到 PLC由PLC控制变频器多段速调速。并且可以在 MCG上做到上位监控。2.2方案比较本次设计我们初构了两个设计方案方案一：无级调速基本原理：图2.2方案一方框图由于变频器的频率指令信号可以从变频器的模拟输入端子送入，进行变频器的无级调速，且其模拟端子的输入信号可以是 010V、-10V+10V、420mA。因而我们将用光电传感器检 测瓶流速度反馈信号送入PLC与已知的罐装

8、速度信号做差得到差值电压 V，然后对V进行处 理，将处理结果经中间处理单元（D/A转换器、电平匹配处理单元等）处理后变为连续的电 信号输入变频器的模拟信号输入端，从而控制变频器的频率连续变化，让变频器改变输出频 率驱动电动机，实现对电动机的调速控制即控制瓶流速度与罐装速度相匹配。使用该方法需 要注意两点：一是必须根据变频器的输入阻抗来选择 PLC的模拟输出模块，二是必须选择PLC 的模拟输出模块与变频器的输出信号范围相一致。方案二：多段速调速基本原理：图2.3方案二方框图通过变频器的多功能输入端的设定，即设定多级速度频率，可以实现多级调速运转，并 可通过外部信号选择使用某一级速度，本次设计为3

9、级速度频率。用PLC的开关量输入输出模块控制变频器的多功能输入端，以控制电机的正转和转速等，实现有级调速。Y0STFY1STRRIIY3RMVIRLX6AX；BCOMC小COM1PLC变频器CC12SD图2.4多段速调速连线框图变频器的多段速调速可以通过 RH RM RL三个输入端子的不同组合来设定 7个不同的 速度，并且速度多可以单独的通过控制面板在 0120HZ之间任意设定，设定范围广。第1、 2、3速在出厂时分别设定为50HZ 30HZ 10HZ第47速未设定，需通过手动进行相关的 设定。如果将设定参数 P63设定为8: REX（多段15速选择）,就可以通过RH RM RL REX 四个

10、端子的不同组合来设定15速选择，但此时变频只能单向运转，不能反转运行。REXRHRMRL转速编号010010010200013001140110501016011171000811009101010100111101112111013图2.5多段速调速速段分配表RM3速埠速 低速】紋al频率井*时间输岀頻毙REX|111eheziONON4 | itON ON11NON|QNONfeiQNONONononionIonONON图2.6多段速调速原理图用此方法可以有两种基本算法：算法一：多段调速之一次调解法，即用光电传感器检测瓶流速度并送入PLC与已知的罐装速度做差得到差值电压 V，然后对V进行处

11、理，得出需要调解的速度段数，由PLC输出以 控制变频器的频率控制端，变频器改变输出频率驱动电动机，实现对电动机的调速即控制瓶 流速度与罐装速度相一致，达到设计目的。算法二：多段调速之渐次调解法，即用光电传感器检测瓶流速度并送入PLC与已知的罐装速度做差得到差值电压 V，然后对V进行处理，将V与给定值进行比较，若小于一定范围， 则速度降级，若大于一定范围，则速度升级，若在一定范围内，则速度级数不变。另外，如 果转速超越允许范围而过快，则 PLC的丫3端口输出L1灯报警信号；反之如果转速低于允许 范围而过慢，则由PLC的Y4端口输出L2灯报警信号，整个转速控制过程由 PLC输出以控 制变频器的频率

12、控制端，以使变频器改变输出频率驱动电动机，从而实现对电动机的调速即 控制瓶流速度与罐装速度一致，达到设计目的。在该方案中，我们还增加了变频器的故障反馈保护系统，由变频器的 A端输出，当变频 器发生故障时，反馈控制信号经A端传送到PLC的输入控制端口 X9端，经PLC逻辑运算后 由丫5端输出，控制接触器KM1动作，及时切断变频器的主电源，起到保护作用。2.3 方案选择与方案论证方案二的算法一调解速度比较迅速，但有时调解的速度级差较大，会对电动机有伤害， 影响电动机的寿命；方案一的算法二调解速度较慢，虽然调解速度的级差较小，但比较平滑， 有利于保护电机，而且接线简单，抗干扰能力强，使用方便，可靠性

13、高，同用模拟信号进行 速度给定的方法相比，这种方式的设定精度高，成本低，也不存在由飘移或偏差过大带来的 各种问题。且方案二能够对变频器起到很好的保护作用，能够及时避免变频器因为故障而损 毁。方案一为无级调速，调速精度高，控制效果好，平滑性好，但由于在中间处理单元中出 现了模拟信号，就会存在温漂、信号电压差等误差影响，且算法较复杂，在选择PLC 时还要求根据变频器的输入阻抗来选择 PLC 的模拟输入模块，同时还要让 PLC 的模拟输出模块与 变频器的输入信号范围相一致，对于精度要求不高的系统，成本和效益比较差。另外在多段 调速中，系统的控制信号为数字信号，所以频率设定值比较准确，不会受温漂的影响

14、。且调 速实现比较简单，易于实现，对于精度要求不高的场合非常适用。因此，综合考虑各方面因 素及要求，选择方案二的算法二作为本次设计的设计方案，经实验论证后也是完全可行的。3罐装传送带调速系统分析3.1罐装传送带调速系统工艺流程启动开始状态模式选择»手动选择速度档位自动光电开关检测 瓶流速度理送入PLC计数20S1f障切断电源N启动高速20Sy 低速报警L2N启动中速20S图3.1系统工艺流程图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，达到瓶流速度和灌装速度的协调，从而提高工作效率。 本次设计的工艺流程图如图3.1所示

15、，系统启动后按下电机正转开关，若电机出现异常马上 切断工作电源进行保护，若电机情况正常则电开始下一步工作。电机开始转动，带动皮带传 动，待灌装的瓶子在皮带的传动作用下经过光电传感器，传感器对瓶子进行计数送往PLC进行数据处理，处理后得到的瓶流速度和 PLC存储器里面设定的值进行比较，判断是否需要进 行调速，如果不需要调速电机按照原来的速度运转，如果需要进行调速，则PLC输出控制信号给变频器多段速调速控制端，变频器接受到PLC传送过来的控制信号后经内部处理，输出特定频率的电压实现对电机的变频调速。变频器异常输出端反馈信号给PLC输入，实现对变频器的保护。3.2输入信息分析根据系统的功能需要，本系

16、统的输入信号主要有10个，分别是启动按钮、停止按钮、自动、手动切换按钮、检测频率输入信号端、变频器突发信号进入端。启动按钮用于启动调速 系统开始工作，停止按钮用于结束调速系统，自动按钮用于控制电机自动调速运转，手动按钮用于手动控制电机转速，频率信号输入端是用于将光电传感器传来的脉冲信号传入PLC，由PLC进行逻辑处理，突发信号进入端用于检测变频器的异常以便于及时进行处理，防止变 频器因此而损坏。输入信号表如图 3.2所示：输入端口列表元件符号名称作用端子号SA选择开关X0手动X1自动输SB1按钮开关X2启动SB2按钮开关X3停止SB3按钮开关X5高速入SB4按钮开关X6中速SB5按钮开关X7低

17、速SB6按钮开关X8:停止报警A变频器故障反馈信号X10P反馈保护IC光电检测信号X4计数检测图3.2输入端口列表图3.3输出信息分析根据系统的功能需要，本系统的输出信号主要有 7个，其中丫0、丫1、丫2用于设定频率 控制信号，控制电动机的低、中、高、速运转。 丫3用于实现电动机转速的过快报警，丫4用 于实现电动机转速的过慢报警，丫5用于当变频器发生异常故障时断开变频器电源， 丫6用于 启动电动机的正转运行，PLC输出信号表如表3.2所示：输出端口列表兀件符号名称端子号作用输RL低速输入丫0起动低速运行RM中速输入丫1起动中速运行RH高速输入Y2起动高速运行L1报警灯L1Y3过速报警L1出L2

18、报警灯L2Y4慢速报警L2KM1接触器Y5变频器反馈保护STF正转输入Y6正转运行图3.3输出端口列表4罐装传送带调速控制系统硬件设计4.1罐装传送带系统总图设计系统总图如下所示：QF1 S253SC图4.1系统总设计图4.2电器元件的选型本设计中所使用到的元器件清单如下表所示：元件清单列表编号'代号元件名称型号规格件数作用1PLC可编程控制器# FX2N-32MR尺寸mm : 13ox 87x190逻辑控制2VVVF变频器FR-S540-0.4K尺寸mm ：108x 128x1129电压频率变化匕3M电动机Y 90L-2-B3/E画2KW/2850r/imirfl带动皮带传动力4QF

19、1自动空气开关总 S253SC20A/3P1电源总开关5QF2自动空气开关总 S25SC6A/2P1PL电源开关6QF2自动空气开关总 S25SC6A/2P1PL负载电源开:关7FU1熔断器RL160A熔体5A3电源保护8FU2熔断器RT1832A熔体A2PL短路保护9FU3熔断器RT1832A熔体A2PL负载短路保护10FU4熔断器RT1832A熔体A3变频器过载保护11KM1交流接触器EB9-3O-10线圈电压20v9A 1变频器故障保护12FR过电流继电器罟 JCK-10A220电流整俎A 1电机过电流保护13SB1SE16按钮开关LA19-116put入控制14IC光电开关E3JK-D

20、S30M11瓶流脉冲检测15IC1IC；2施密特触发器#74HC142稳定脉冲控制16L1报警灯1型号AC22（红1过快报警117L2报警灯2型号AC22（绿1过慢报警218T变压器BK-4KVA 380/220V 1320VA1降压给定19SA选择开关TSSL-301自动手动选扌1图4.2元器件清单选择表5罐装传送带调速控制系统软件设计5.1编程平台介绍GXdeveloper :三菱可编程控制器FX系列和QA系列的编程软件。主要用于xp系统下的三菱 pic编程软件，中文简体；支持三菱最新的fx3u/fx3uc系列plc编程；支持三菱a系列、q系列、Fx系列及运动控制器的编程等。它包括PLC程

21、序设计软件，支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调 试，结构化程序的编写（分部程序设计），可制作成标准化程序，在其它同类系统中使用。设计 非常方便，本次设计我们就选用了 GX developer软件作为编程平台进行设计。操作界面如下 图所示：图5.1 GX Developer编程界面5.2罐装传送带控制程序设计具体设计程序及注释如下:XOOO卄XOOC13X001TI-SETSfl$0S31-(CMX珂4CALI.PlFEM)I'5ETX005TI-SET3：pi公用程序手动子程序RSIYDO)YCXM1手动控制高速

22、X006卄YtXJlRSTpTy（xm）YOOJ5ETVOOlXCll X0&341手动控制中 速手动控制低 速自动子程序变频器异常 断开其电源3=-iLJ动止 启停STLco1J定20秒为单位时间记X4脉冲 个数启动电机正 转120099MID,_JI_ICP跟coM3 111rrwco111SET左；111 1v-1HISETS22脉冲个数coC0<4C0=44<C0<8脉冲个数co8<=C0<=12C0<16；5EIC0=16屮：($15：1C0>16C0<4则为速度过低， 启动报警150KI (0取消报警lJi1STSOW图5.2

23、所编程序图MIO(A'0021701T1T33SETS2O(KSTCO(STLS23)b4<=C0<=8时,启动高速 20秒后返回 继续判断瓶 流速度；ST)STLS25MIO7RSTCOoia(SETRET8<=c0<=12时,启动中速 20秒后返回 继续判断瓶 流速度12<=C0<=16时,启动低速 20秒后返回 继续判断瓶 流速度C0>16时则为速度过高启动报警二5.3罐装传送带程序的仿真调试用GX developer的simulator进行仿真，具体步骤如下:1进入仿真环境i|T"l1丹.，十.L 'tlH i.ii

24、A.up' f -X祀ZT ?口 0 曽F卜 Hit* :盼¥瀆甲 卓Hq Tjiip 口割 qrL. 1n*iw* ik.ewi 丄»1-丽Ji J虬惟細J ISIS工1肓=-咖| ：十k |毘康嗝ajjiv iaJLhfe上U懺测釦一一上L”二丁图喘劉1 milUI-IT； LlT： T2ET LLLL5$(I：針+0 I'FF广&W 用H_k厂时Ml iHh.KCO说bBJ 1Imp ri a rn4昭图5.3仿真环境图2加载程序进行逻辑功能调试图5.3仿真环境程序加载图6罐装传送带调速监控系统软件设计6.1 MCGS组态软件介绍MCGS(Mo

25、 nitor and Control Gen erated System)是一套基于 Win dows 平台的，用于快速构 造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、 实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企 业监控网络等功能。使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个 运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作

26、简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功 应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原 材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。MCGS 5.1软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具 软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程， 以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。MCGS组态软件(以下简称 MCGS)由“ MCGS组态环境”和“ MCGS运行环境”两 个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。多任务多线與

27、I. M! aL ! Bi MH W !M . |rM M! jL :组态环境 :运行环境I构建刃jm *»沁吃M报警丁 I态龙计报左紳卸箒桂rli!:观诊控制I二m密输小 印衣打即 I设諾输出*图6.1 MCGS功能流程图MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序 McgsSet.exe支持，其 存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、 编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为 .mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与 MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。MCGS运行

28、环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序 McgsRun.exe支持，其存放于 MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策 略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户 窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编 制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文 件名称及存盘时间等。设备窗口：是连接和驱动外部设备的

29、工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设 备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、 报警输出、数据与曲线图表等。实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将 MCGS工程的各个部分连接 成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、 动画连接及设备驱动的对象。运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（即 ifthe脚本程 序），选用各种功能构件，如：数据提取、定时器、配方操作、多媒体输出等，如图 6.1所示, 可以由它实现对工业生产的仿真

30、上位监控过程。一:耒略组蕊诣坏舉6.2上位机监控画面的组态设计基于PLC与变频器的罐装传送带控制系统界面如下:I1星示飼酝魚昼I4ir-1J.图6.2 MCGS上位机模拟监控图CTTOT33 -i* c9刚八Tri：*示1I6.3实时数据库的变量设置实时数据库的变量设置图如下:图6.3实时数据库的变量设置图6.4脚本程序的设定通过脚本程序设定控制上位监控的仿真界面，由运行策略进入设定，如下图:二策略組态：循环第醛H胃 按黑设定的吋同循坏运行遑 跑車程胖 可|脚事程胃 £| Ki8 可|聊車程序 可脚專程呼图6.4脚本程序控制结构图6.5 PLC与MCGS的连接打开“设备窗口”后，双击

31、进入。点击鼠标右键，进入“设备工具箱”，如下图:谁畫级蛊:杏备衣LJ彩由设名0-审口苟诵.交盜盈图6.5连接图一在“设备工具箱”中选入“串口通讯父设备”和“三菱FX-232”，先进入“串口通讯父设备”对其“基本属性”进行设置，结果如下图:图6.6连接图图6.8连接图四然后对'三菱FX-232 ”进行设置，其设置包括“基本属性”,“通道连接”如图所示:生 卜芾怕连拷宦帶爾忒|戟押 it卜丁里|竟笔用Lt宓设毎冋吐恒【肉惋届q主j復五设吕内伽；?和比nntiAMCUJ鱼右谟站It俠和効15.- ft 祢-K-K 1=一夢“ P3P初齢工作世亦1 -启动是-卜诩.耳冋曲1*” *!1 (1三

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