【《PLC控制的饮料灌装机电气控制系统设计》6300字】

摘要现如今，灌装饮品因味道可口、种类丰富、包装简便而深受消费者青睐。传统的继电器控制生产模式产量低、故障率高，已无法满足人们日趋增长的消费需求。新型的灌装机械就在这股潮流中快速兴起，特别是PLC被人们用在了该领域，让它的发展进入了一个新时代。本文所要讲述的就是饮料灌装控制系统的设计。在本文中，以S7-200的PLC作为主要的控制机构，设计了一个简易的旋转式饮料灌装系统。它实现了从原料输送，到空瓶检测，再到灌装和打盖的标准化生产流程。关键词：PLC；灌装电磁阀；气压传感器

一、引言我国发展处在高速阶段，灌装产业需求也与日俱增，相比于一些常规灌装方法，产品的包装需求也不断增加。目前灌装行业致力于精确灌装、节约成本、爱护环境、高效稳定为目标。在此基础上，从理念上和技术上改进且创新当今世界上的灌装设备生产工艺，使之与时代同步。当今，全球灌装设备行业的主导行业是美国和日本，它们都处于全球设备生产的领导地位。美国的工业技术，在全球都是数一数二的。美国灌装设备的生产和灌装工艺在经历了100多年的发展后，已成为一种技术手段丰富、精度高、效率高、稳定性好的产品。另外，目前的编程控制技术在国际上也是举足轻重的，它在大多数的行业中都得到了广泛的运用，并且在灌装设备中得到了广泛的使用，从而建立起了完整的灌装制造系统。尽管日本发展的时间要晚于美国，但是日本自1960年至1990年间从世界各地引入了大量的现代化技术，使日本拥有了强大的实力和雄厚的经济实力，并且仍然能够维持高水平的生产。该设备发展迅速，发展速度不断加快，逐步跻身于国际先进行列。相对于美国，日本的微电子技术在科技上有着自己的特色，在国际上处于领先地位。这为我国的灌装行业发展指明了新的发展趋势。中国是全球最大的食品和饮品市场，有着极大的潜在消费者需求，而目前企业规模小、生产能力低，很难适应市场的要求，需要进行技术创新，从而达到改善产品品质、减少生产费用的目的。加之，包装业发展时间比较短，加之受到诸多原因的制约，目前我国的企业还没有专门的设计人员和设备，这就造成了我国的产品质量不高的问题，中华人民共和国建国后，我国的许多地区都在逐渐发展。但是，自我国经济体制改革后，我国的灌装机产业得到了快速的发展。随着经济的发展，人民的生命开始发生变化。在高速发展的社会，对灌装的要求越来越高，灌装业也在飞速发展，但是技术水平还有很大的提升空间，因此我们可以持续地进行革新，并不断地学习外国先进的产品。吸收了来自外国的先进仪器的养分，使之蓬勃发展。我国的包装行业一定要生产出具有中国化特点的商品。二、控制系统的设计方案（一）设计方案的比较在饮料灌装行业，PLC应运而生并得到了迅猛发展，而近年来被广泛采用的继电控制方式已经成为基于PLC开发灌装系统的主流方式。目前常用的以PLC为基础的灌装设备有直线型和旋转型两种。直线型饮料机需要一个比较大的生产空间和一个资源相对充足的流水线。这极大地消耗了制造费用。另外，由于生产线上多余的灌装机也会降低产量。它在快速进步的社会发展中逐渐被淘汰。旋转式饮料灌装机不需要大的生产场地，转盘式灌装设计节省了生产空间和生产成本。同时，可大大提高灌装机的生产能力，使不良品和合格品及时送到下一个环节，运输上不浪费时间。在灌装精度和系统稳定性方面都非常好。灌装时不存在因漏液，堵塞而使产品变质的问题。但它价格昂贵，而且对包装技术也提出了更高的要求，是目前无法取代的灌装设备。所以随着更多的商家采用此类设备灌装。本论文重点介绍了旋转流态化全自动加料过程系统。（二）控制方案的确定从上一节的比较中不难发现，采用PLC作为核心控制的旋转式作为饮料灌装是相对完美的注入方法。因此，本毕业项目使用了旋转式灌装控制系统的控制方案。托盘设计有6个基本流程，用于上料、检测、排除缺陷、灌装、铺设和送出。在1、3、6的工作台上，分别将空瓶、次瓶、合格品或将其推出。2、4站设有汽筒竖向移动，能将空瓶推进至灌装作业的水平高度中，5站亦设有汽筒竖向移动，使符合标准的设备进行开瓶口的作业。在工位2、4处分别设置电磁阀进行充气和灌装的效果，它们采用流量阀，通过时间和流量的预设，可以根据灌装瓶子的大小来配合灌装的体积。通过重要的定位或冲程转换器来实现对执行器工作的全部控制。在系统启动时，通过按键来传输一小部分的讯号。图2.1灌装工作示意图图2.2压盖工作示意图图2.3次品工作示意图图2.4分拣工作示意图图2.5总体设计方案框图（三）控制系统的工作原理控制系统部将S7-200PLC作为控制核心，其输入端与传感器、行程开关等连接，收集信号并发送到PLC。可编程控制器把采集到的信号变换成数位或类比，并把它们传送给执行器，例如气缸，马达，电磁阀等。图2.6控制系统工作原理图三、控制系统的硬件设计（一）可编程逻辑控制器的选型1.PLC的选型据估计，旋转饮料灌装机的输入数据为27，输出为28。首先，该主电路采用CPU224XP，其具有14位数位输入，10位数位，2位模数位，1位模数位。通过仿真流量输入，实现了空气压力传感器的输入。扩展模组1采用EM223扩展模组，其直流16个直流，直流16个直流，DC24V工作。扩展模组2使用EM223扩展模组，存在四点直流输入。CPU224XP的输入/输出，再加上扩展模组I、II的各点，总共有34个输入点和30个数字量输出点，充分实现了27个数字量的输出点和28个数字量的输出点。表3.1拓展模块型号表型号各组输入点数各组输出点数EM221CN，8输入DC24V4，4EM221CN，16输入DC24V4，4，4EM222，4输入DC24V，5A4点相互独立EM222CN，8输出DC24V4，4EM223CN，4输入/4输出DC24V44EM223CN，8输入/8输出DC24V4，44，4EM223CN，16输入/16输出DC24V8，88，8EM223CN，32输入/32输出DC24V16，1616,16图3.2灌装机PLC主机和拓展模块型号选择图表3.2PLC主机及拓展模块选型表模块型号CPU224XPEM223EM223电压DC24VDC24VDC24V输入输出点数DI14/DO10AIW2/AQW1DI16/DO16DI4/DO42.PLC的外部接线图图3.3PLC外部接线图（二）电动机的选型本设计中使用的饮料灌装机包括四台电机，一个用于控制工作转盘的旋转，另外三个应该是同一型号的，用于控制送料、出料不合格的空瓶以及输送合格品的传送带。控制转台的电机要求转盘的转速不能过快，因为考虑到工位切换的原因，转速过快，转盘的运行误差会比较大。因此，在进行工艺调整时需要根据实际情况来确定最佳的电机参数。经过比较，最后选定了Y132M-4型的转台马达。表3.3转盘电机的型号参数首先，电动机的转速必须与转盘电动机的转速相近，不然空气缸的传送速率太高，会造成故障。其次，发动机要采用大转矩的低速电动机，在高转速下，发动机的摩擦力会造成很大的发热，很可能会造成发动机的损伤。第三，要有良好的散热器。没有一个优良的散热能力是不能确保该设备的正常运行。所以我们选用了1440转/分钟的电动机和Y90S-4型输送机马达。表3.4传送带电机的参数本文中提及的电动机均采用新形连接方式。它具有以下优点：①结构简单，工作可靠；②易于维护和易于维护；③成本低，重量轻，易于普及和应用；④可采用三相电源，节约能源，增加经济价值；⑤应用广泛。与380V交流电网相连接的接触器KM对其通断进行控制。图3.4电机的接线图（三）气动元件选型1.气缸的选型本发明的设计方案是使用六个双动作汽缸，它的两个内腔可以独立地进行工作，从而实现了汽缸的双向移动。汽缸1,3,6是水平放置的，汽缸2,4,5是垂直放置的。选择汽缸实际上是决定汽缸的压强和汽缸直径。汽缸直径的推力取决于汽缸的尺寸。汽油机的推动力公式：汽缸的推力F1=0.25p-D2P汽油机的拉伸量是：F2=0.25pi(D2-d2)P这个计算公式适合于50至500毫米/秒的汽缸转速。在式中，D-柱塞的柱体的直径，D-柱塞柱体的直径，P-柱体的操作压力（kgf/cm2),F1、F2-柱体的理论推力（kgf）。在竖立状态下，其向下的推动力仅为所需的计算量的二分之一。当气缸水平放置的时候，其水平的推力和计算值的大小基本是一致的。表3.5缸径、空气压力和推理对照表目前市面上的灌装饮料，最小包装尺寸为200毫升，重约200克，最大包装尺寸为2.5升，为了达到灌装的需要，可以在1,3,6的位置放置一个10毫米的圆柱体，压力0.4MPa。在2,4和5处，水平放置的汽缸需要10毫米的直径和0.7MPa的压力，并且理论上的压力是5.5公斤，符合要求。表3.6气缸的型号参数表型号品牌缸径动作方式最高使用压力最低使用压力CJ2KB10-60SRZ日本SMC10mm双作用0.7MPa0.06MPa2.气爪的选型在这个设计中使用了两个具有相同功能的气爪，以夹紧瓶子进行随后的充气或灌装操作，因此这两个气爪可以用一样的。现在市面上常见的瓶装饮料重量在0.25kg到2.5kg之间，根据重力公式G=mg，气爪需要抵抗的重力在几十牛顿之间，因此气爪选择了MHZ2-10D。表3.7气爪的型号参数型号最大负荷动作方式压力范围温度范围MHZ2-10D200N双作用0.15-0.7MPa-10-60℃（四）传感器的选型1.光电传感器本发明采用两种光电感应器，一种是用于探测空瓶子的反射式感应器，另一个是检测转盘转动位置的对射式传感器。在系统开始时，需要在运行空瓶的传送带上发出一个信号，使气缸能够将空瓶推到工作转盘上，通过反射型的传感器来产生信号，PM2-LF10是一种反光感应器。表3.8反射式传感器的参数品牌型号检测方式电源电压使用环境温度PanasonicPM2-LF10反射式5-24VDC-10-55℃图3.5反射式传感器接线图对射式传感器用于检测转盘在一个循环中旋转的信号，将其一部分安装在送料传送带尾部上方，另一部分安装在每个工作台的边缘。当工作台与送料传送带一致时，该信号被检测出来，并用于检测工作台转换。表3.9对射式传感器的参数品牌型号检测方式电源电压使用环境温度OMRONE3Z-T86对射式14-24VDC-25-55℃图3.6对射式传感器接线2.气压传感器在气密性试验过程中，需要使用气压传感器来测量气阀灌装后瓶子内的气压。如果空气压力不符合要求，那么瓶子就是不合格，如果空气压力能够稳定的达到设定的压力，那么瓶子就是合格的。气压传感器选用佳仪精密仪器公司JY-P300G。表3.10气压传感器的参数型号工作电压测量范围介质温度使用环境温度JY-P300G24VDC-0.1-100MPa-40-300℃-40-85℃图3.7气压传感器接线图（五）电磁流量阀的选型在本次灌装机的设计中，有两个地方使用了电磁阀，分别在充气环节二和灌装环节四。流量电磁阀的流量通常以升/分钟计算，它与流量阀的口径成线性关系。本项目采用二口二位流量控制阀。在工位2充气的地方，使用来自RehenQigong的2V02508BI流电磁阀。2V表示双端口、二口二位电磁阀，025表示电磁阀直径为2.5mm，08表示其接管口径，B表示其线圈电压为DC24V，和本项目采用PLC工作电压一样，它的线圈可以和PLC相连，DIN表示它的插座式式，工位四和它的电磁阀一样，就每分钟可用的流量值而言，上述电磁阀也可满足工作需要。表3.11电磁阀的参数型号工作方式流通口径压力范围工作电压工作介质2V02508BDIN直动式2.5mm0-1.0MPaDC24V空气四、控制系统的软件设计（一）编程软件的概述本项目采用西门子S7-200PLC，由于使用了西门子公司的相关程序，所以运行STEP7程序。这是西门子公司的一款程序，通常在使用西门子PLC时使用。STEP7编程主要有三种方式：梯形图编程、语句表编程和顺序功能图。它的功能也比较广泛，当然最基本的功能是编程，此外还有组态通讯、参数设置、监控程序、程序诊断等。最后，还有PLC如何与PC机连接的问题，通常使用PC/MPI适配器和标准RS-232C通信电缆将PC机与PLC连接。（二）控制系统的流程说明这次设计的旋转式饮料灌装机的工作台上有6个工作站。有两种工作模式：自动化和手工两种。当处于自动工作状态时，按下开始按钮，转盘转动一个工位，送料传送带移动，在气缸的帮助下将空瓶推到工作台，转动将空瓶送到工作站2，与此同时，1号工作台上的瓶子又被抬了上来，进行密封测试，若检测不出来，将垃圾转移到工作台3，用垃圾运输机运送，如果通过，就原地不动，到工作台4重新填充空瓶子。灌装期间，由提升站4、空气抓握的空瓶子进行灌装，并装有闪光的加料指示。在灌入完毕后，将瓶子送入5工位进行开瓶口作业，当封口结束时，将已加工好的饮品送入6号工位，再用汽缸推动。由合格品传送带运送。系统存在有停止和急停设置。手动模式，主要是在出现问题时进行简单的操作。在这个设计中有四个手动选项。它是手动操作的转盘和手动操作的三个运送带。两项工程均在同一条生产线上进行。如果出现了问题，那么在进行修理之前，必须对整个系统进行彻底的清洗。通过手动操作转盘，将转盘上的剩余产品送到工作站，便于清洗;通过手动操作合格和不合格品的传送带，将未完成的破瓶或合格饮料送到相应的存放地点。（三）控制流程图（四）控制系统PLC程序的开发1.自动运行的起保停回路在很多自动化操作方式中，有一种保停回路被普遍采用，它的作用是保持系统在自动化操作状态下的持续移动。图4.1自动运行模式起保停程序I0.2表示自动启动键，I0.1表示自动/手工转换键，I0.3表示停止键。本发明在一种自动操作方式下，I0.1常开型触点导通，I0.2正常触点导通，并在启动键的作用下给自动操作的传动绕组M4.0加电流，自动运行程序的M4.0驱动线圈关闭并形成与开始按钮平行的常开触点M4.0自锁。I0.3的停机键关闭了自动锁回路，使该软件在一个周期之后就会停下来。其余M接线是组态王的相应按键。2.系统故障时所需的急停程序高稳定性在长期高负荷运转后，也会发生失效，或由于某些不当的人工操纵而引起失效，所以需要有应急停机。图4.2急停程序急停回路结构简洁、高效，按下紧急停车键，I0.4触点导通，线圈M4.0及其后的线圈自动重置，系统也会立即停机。3.气缸的动作程序这个系统采用了很多汽缸，其程序和方式都是一样的。I1.1传送带I上的对射式传感器和带有伸出电磁阀的气缸上的Q0.4。送料传送与送料一起运行，当传感器检测到瓶子信号时，I1.1常开触点闭合，线圈M4.3继续接收电流，相应的常开触点闭合并引导，使气缸突出的电磁阀继续接收电流，将活塞推出并将空瓶推入转盘。图4.3气缸的动作程序（以气缸一为例）4.灌装程序灌装过程是灌装设备最基础的工序，PLC内部的延迟线圈直接对流量阀门开闭进行了控制。在一个恒定的流动条件下，灌装饮品的容量取决于延迟的长度。图4.4罐装程序在空气爪抓取合格的空瓶后，灌装机的流量阀门就会进行注水，注满的次数将影响到饮料的容量。在本程式里，I2.6是一种钳制空气钳的限