毕业设计（论文）-基于PLC的饮料灌装生产线控制系统设计

基于PLC的饮料灌装生产线控制系统摘要：饮料灌装生产线控制系统可以提高生产线的自动化程度，减少人工干预，从而提高生产效率和质量。同时，其可以减少生产过程中的人为错误和损失，提高产品的一致性和稳定性。本课题则详细分析和研究了基于PLC的基于PLC的饮料灌装生产线控制系统。首先在绪论部分对研究背景及意义、国内外相关的研究现状等进行阐述，为研究奠定一定的理论基础。接着对基于PLC的饮料灌装生产线控制系统的总体设计方案、硬件系统设计以及软件系统设计进行详细的设计分析。选取FX3U-32MTPLC作为核心控制模块，由此进行传感器、变频器、伺服驱动器、触摸屏选型，并进行视觉模块设计，通过绘制系统程序流程图，给出系统梯形图和组态界面，对于降低生产线的管理和维护成本，减少人工干预的需要，提高生产线的稳定性和可靠性有着重要的意义。关键词：PLC；饮料灌装；生产线；控制系统

Abstract:Beveragefillingproductionlinecontrolsystemcanimprovetheautomationoftheproductionline,reducemanualintervention,soastoimprovetheproductionefficiencyandquality.Atthesametime,itcanreducethehumanerrorandlossintheproductionprocess,improvetheconsistencyandstabilityofproducts.ThispaperanalyzesandstudiesthecontrolsystemofbeveragefillingproductionlinebasedonPLC.Firstly,intheintroductionpart,theresearchbackgroundandsignificance,aswellasrelevantresearchstatusathomeandabroadareexpoundedtolayacertaintheoreticalfoundationfortheresearch.Secondly,theoveralldesignscheme,hardwaresystemdesignandsoftwaresystemdesignofbeveragefillingproductionlinecontrolsystembasedonPLCareanalyzedindetail.FX3U-32MTPLCisselectedasthecorecontrolmodule,fromwhichtheselectionofsensors,frequencyconverters,servodriversandtouchscreensiscarriedout,andthevisualmoduleisdesigned.Bydrawingthesystemprogramflowchart,thesystemladderdiagramandconfigurationinterfacearegiven,whichcanreducethemanagementandmaintenancecostsoftheproductionlineandreducetheneedformanualintervention.Itisofgreatsignificancetoimprovethestabilityandreliabilityofproductionline.Keywords:PLC;Beveragefilling;Productionline;Controlsystem

目录1绪论 绪论1.1研究背景及意义随着饮料市场的不断扩大和消费者对饮料品质和安全的要求越来越高，饮料灌装生产线的自动化控制系统也变得越来越重要。传统的手动操作方式已经无法满足生产需求，而现代化的自动化控制系统可以提高生产效率、减少人为错误和损失，并且可以更好地控制产品质量和安全。因此，设计一套高效、智能、稳定的饮料灌装生产线控制系统是非常有必要的。在设计饮料灌装生产线控制系统时，需要考虑到生产线的复杂性和多样性。不同类型的饮料灌装生产线需要不同的控制方案，而不同的饮料灌装机也需要不同的控制参数。此外，生产过程中需要对温度、压力、流量等参数进行实时监控和控制，以确保产品的质量和安全。因此，需要设计一套灵活、可扩展、易于维护的控制系统，以满足不同生产线和饮料灌装机的需求，并且可以随时进行参数调整和升级。本课题则详细设计一款基于PLC的饮料灌装生产线控制系统，通过综合考虑设计成本、硬件设备成本、人工成本和维护成本等因素，以实现最佳的成本效益。1.2国内外研究现状当前，在美国、德国、意大利等国家和地区，饮料灌装设备的设计和制造水平相对较高，其产品也出现了以下几方面的发展趋势：一是饮料灌装机械设备大型化。为了获得规模经济效益，适应包装机械工业的大生产，灌装机械逐步向高生产率、高速度方向发展。该充液机的充液速度最大可达每分钟2000瓶，充液阀最大可达178个。二是饮料灌装机结构设计简单合理；国内和国外的灌装机械制造商都在努力使产品结构简单化，从而使灌装机的部件减少，设备的可靠性提高，制造成本降低，设备的操作和维护更加方便。三是饮料灌装设备向多功能方向发展。该产品适应性强，市场竞争力强。同一灌装设备，可以灌装各种液体，也可以灌装各种瓶型。零件的更换也能适应封口形式的变化。四是饮料灌装机械向光、机、电、气、磁一体化发展。PLC在灌装机械控制系统中的普遍应用，大型灌装设备甚至采用计算机控制，实现了人机界面的操作交互、故障自诊断和高效率、智能化的运行。我国饮料灌装机械制造水平情况体现在阀芯灌装技术上：从重力灌装到等压真空灌装，从平板阀结构密封到阀组密封结构，这些都是技术进步和发展的体现。我国灌装设备经历了模仿国外先进技术、自主进行相关技术实施、消化吸收国外技术、自主进行创新的过程。随着技术进步和创新进程不断加快，中国灌装设备行业与国外先进技术的差距不断缩小。现代饮料灌装技术有着准确、高效和自动化的目标。电子技术的实际应用，使整个生产线实现准确的灌装量、灌装过程速度快、可靠性高、液体损失最小、控制最优化成为可能。电子气门充液技术的快速发展是一种普遍趋势。现阶段，电子阀（液位传感器）、电磁流量计电子阀和简易定量电子阀这三种电子阀在国外灌装机上比较常见。国内一些饮料灌装设备厂家也开始开发适合中国国情的电子灌装机。然而，由于内包装容器几何精度较低，电子设备水平不高，限制了电子灌装机在我国的普及和使用。随着包装设备竞争的日益激烈，未来包装行业将朝着研发技术、人才和高速包装机械的方向发展，符合工业自动化的趋势。技术发展方向如下：机械设备功能多样化：工商业产品普遍提高和多样化。兼具有多种切换固定能的包装机械收到市场的青睐。结构设计标准化、模块化：在原机型的模块化的基础上进行设计，这样可以比较快速的进行更新、切换。智能化管理：目前，包装设备厂家普遍采用PLC电力负荷控制器。虽然PLC具有很大的灵活性，但它没有计算机（包括软件）强大的功能。未来的包装设备应具有多功能、设置和操作简单的特点。智能化的计算机工具将成为食品包装控制器的新趋势。高精度运动结构：结构设计和结构运动控制关系到包装设备的性能。高精度控制器，如电机、传感器和数字控制（NC）、动态负载控制（PLC）和适当的产品扩展可用于开发高科技行业的包装设备。2基于PLC的饮料灌装生产线控制系统方案设计2.1工艺流程分析饮料灌装生产线的详细工作流程主要包括以下几个步骤：（1）饮料准备：在生产线开始之前，需要将饮料原料准备好，并进行过滤和处理，以保证饮料品质。（2）瓶子消毒：瓶子从回收站或者供应商处运来后，需要进行清洗和消毒，以确保瓶子的卫生和安全。（3）瓶子输送：瓶子经过清洗和消毒后，会被输送到灌装机，此过程可以通过输送带或者机械臂等方式实现。（4）瓶子灌装：在灌装机中，饮料会被注入到瓶子中。灌装机可以通过重力灌装、压力灌装或者真空灌装等方式完成。（5）瓶子封口：在灌装完成后，瓶子需要进行封口，以保持饮料的新鲜度和品质。封口方式可以是旋盖、压盖或者热封等方式。本设计中采用旋盖结构，把灌装饮料的瓶子连续地输送到灌装位置，定位装置定位瓶子后，用蠕动泵向瓶中注入一定量的饮料，然后输送装置带动瓶移动，当瓶经过上盖器时，上盖器将瓶盖固定在瓶口上，当瓶输送到旋盖位置时，通过定位夹紧机构将瓶卡住，旋盖器将瓶盖拧紧，最后输出成品，即完成了整个包装过程。工艺路线如图2.1所示。图2.1灌装旋盖机工艺路线为完成上述工艺，需要供送、分离定位、灌装、盖盖、旋盖等各个部分需协调工作，灌装旋盖机功能结构图如图2.2所示。图2.2灌装旋盖机功能结构图1）输送方案输送装置的任务为供送灌装瓶，灌装瓶的输送采用输送链板输送。输送装置主要由电机、输送链板、主动链轮、从动链轮。2）定位方案定位装置是为了确保灌装瓶保持正确的灌装位置。它主要由两个圆柱体组成，圆柱体II工进驱动定位板，使定位板提前到达并保持在预定的位置，将灌装瓶挡在灌装工位。示意图如图2.3所示。1.灌装瓶；2.气缸I；3.气缸II；4.定位块；5.链板图2.3灌装定位装置方案简图3）上盖方案上盖装置主要是将瓶盖连续不断的扣到瓶口上。由振动理盖器输送料道组成。当瓶子经过滑道下出口时就带走一个瓶盖，而下一个瓶盖会在重力作用下向下补充空缺，以此种方式实现不断供给瓶盖，方案简图如图2.4所示。1.振动理盖器；2.玻璃瓶；3.输送料道；4.瓶盖图2.4上盖装置方案简图4）旋盖方案盖子的旋转装置主要是旋转瓶盖和瓶盖，包括盖子和夹紧装置。回转装置主要由提升机构和回转机构组成。起升机构主要由起升筒和运动导轨组成，旋盖机构主要由两组旋盖马达和旋盖头组成。旋盖机构在气缸的推动下向下移动到预定位置，旋盖电机带动旋盖头同向旋转，使瓶盖紧固。图2.5中显示了该方案的简图。1.夹紧气缸；2.升降导轨；3.升降气缸；4.瓶盖电机；5.瓶盖头图2.5旋盖装置方案简图（6）标签贴附：瓶子封口后，需要进行标签贴附，标签可以包括产品名称、生产日期、保质期等信息。本设计中，贴标主要过程为以下：标签卷放置在标签卷轮上，用电机驱动基带回收轮，控制标签带的正常输送；当基带回收轮带动标签卷轮运动后，标签卷轮运动下压标签卷，将标签卷轮压向产品，然后依次循环。每个零件的标签机器的功能如下：1）标签和放卷轮。标记放卷轮为从动轮，用来放置标记卷筒。2）基带回收轮。采用间歇式拖动标签放卷，实现标签带的正常输送。3）标号压轮。标签压轮运动下压时，将标签压紧在产品上。4）标签定位式光纤传感器。用来定位标记，控制基带回收轮的运动。5）漏贴标签检测光纤。检查贴标是否成功。6）剥离板。在脱模板上，标签的脱模一端必须设计一个小于30°的角度，这样可以使标签底纸在穿过脱模板时方向发生改变，有利于标签的出标。自动贴标机控制系统主要由贴标机控制器（PLC）、标签带驱动轮、传送带驱动轮、人机设备等组成。如下图2.6所示，贴标机控制部分的结构图。输入量检测主要包括：标签定位光纤和漏贴标签定位光纤；输出驱动控制主要包括标签基带回收轮驱动和压标签电磁铁驱动。图2.6贴标机控制部件示意图（7）包装：完成灌装和标签贴附后，瓶子需要进行包装，可以是纸盒包装、塑料袋包装或者托盘包装等方式。（8）成品输送：包装完成后，成品会被输送到仓库或者配送中心，待发货或者销售。整个流程中，需要通过自动化控制系统对各个环节进行控制和监测，以确保生产效率和质量。同时还需要注意生产过程中的安全和卫生问题，保证生产的安全和品质。2.2设计要求及功能2.2.1设计要求本课题设计的基于PLC的饮料灌装生产线控制系统应该具备以下设计要求：（1）自动化控制：系统应该能够实现自动化控制，通过传感器和执行器与生产线设备进行交互，实现自动化生产。（2）稳定性和可靠性：系统应该具备高度的稳定性和可靠性，以保证生产线的正常运行，减少停机时间和损失。（3）灵活性：系统应该具有一定的灵活性，可以适应不同类型和规格的饮料灌装需求，并且可以根据生产需求进行调整和优化。（4）效率和生产能力：系统应该具有高效率和高生产能力，可以实现大规模的生产和快速的生产节奏。（5）安全性：系统应该具有高度的安全性，确保操作人员和设备的安全，防止事故发生。（6）数据采集和分析：系统应该能够采集和分析生产数据，以便对生产过程进行监测和优化，提高生产效率和质量。（7）易于操作和维护：系统应该易于操作和维护，操作人员应该能够快速掌握操作方法，维护人员应该能够快速定位和解决故障。2.2.2设计功能（1）手动控制工作状态1）按下启动按钮，传送带把空瓶送到托瓶架上进行清洗消毒；托瓶架启动，把洗过的空瓶送到灌装机的灌装口；灌装泵启动，灌满后封口，运到打包的位置；2）按下停止按钮，传送带停止，若在灌装过程按下停止按钮则要完成灌装步骤后才停止工作。（2）自动控制工作状态1）通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或灌装设备下的传感器检测到瓶子时才停止；装满后接着盖上盖子后传送带驱动电机必须自动启动，并保持到又检测到瓶子或停止开关动作。2）首先启动前默认选择小瓶或者可以手动选择大瓶，传送带开始工作，瓶子在灌装机下停顿2秒，小瓶灌装时间为5秒，大瓶则为10秒，然后上盖时间均为2秒，灌装过程带有有报警显示灯，形式为小灯0.5秒间隔闪烁，与此同时为灌装的瓶数进行打包（手动选择大包、中包、小包）并计数，对于小瓶：30瓶为一大包、20瓶为一中包、10瓶为一小包；对于大瓶：20瓶为一大包、15瓶为一中包、10瓶为一小包。3）可以手动对计数值及定时器清零（复位）。4）灌装前应对空瓶子进行检测是否破碎，灌装完毕进行检测是否装满或装漏，盖上盖子检测是否盖好，盖完检测质量是否合格，小瓶500毫升合格，大瓶1000毫升瓶合格。2.3总体方案设计基于饮料灌装流程，根据上述设计指标，设计饮料灌装生产线控制系统，该控制系统具有以下几个具体的电气运行结构：输入元件：输入元件是整个控制系统的起动装置。这个按键可对饮料灌装生产线进行各种控制，如启动、停止、复位、清洗、急停等；重要的输入元件主要通过安装在灌装机上的各种传感器进行检测，启动要求包括是否完成有瓶位的灌装，旋盖的正确安装位置检测，匀速的容量瓶周转效率和出瓶过程。控制中心：饮料灌装生产线专用的工艺过程决定其主控中心要处理较多的输入/输出信号，要求信号传递快、准，时间延时短；控制对象有开关量和模拟量，还需要对伺服电机及协调执行机构的运动进行控制，因此控制中心采用PLC是必要的，也是目前工业控制中常用的控制形式。执行元件：本饮料灌装生产线控制系统有二十个伺服系统，其中十二个与陶瓷泵相连，在PLC系统控制下，精确地完成吸液、灌装动作；其余八个旋盖与八个专门用于旋盖工序的伺服电机相连。电磁体：包括挡瓶电磁体和止盖电磁体。指示灯：显示系统的运行状态。为了操作界面的人性化，并且随时掌握到系统的运转情况，系统使用HMI控制饮料灌装生产线控制系统的机械动作，控制系统框图如图2.7所示。图2.7饮料灌装生产线控制系统框图3基于PLC的饮料灌装生产线控制系统硬件设计3.1PLC选型在应用程序设计中，正确选择PLC是必不可少的一环。可编程序控制器有很多种，有各种各样的类型，不同的类型对应着它的结构类型、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等。主流产品有西门子、AB、欧姆龙、三菱、台达等。在进行PLC选型时，主要需要考虑以下几个方面：（1）输入/输出点数：根据实际需要选择具有足够的输入/输出点数的PLC，以满足控制系统的需求。（2）处理器性能：根据控制系统的要求和复杂程度，选择处理器性能适当的PLC，以确保控制系统的稳定性和响应速度。（3）存储器容量：根据控制系统的程序规模和数据量，选择存储器容量适当的PLC，以确保程序和数据的存储和处理。（4）通信接口：根据控制系统的通信需求，选择具有相应通信接口的PLC，以便与其他设备进行通信。（5）扩展功能：根据控制系统的需求，选择具备相应扩展功能的PLC，如模拟量输入/输出、高速计数等功能。（6）编程软件：根据用户的编程习惯和掌握程度，选择易于使用和操作的编程软件。（7）可靠性和稳定性：选择具有高可靠性和稳定性的PLC，以确保控制系统的正常运行和生产效率。（8）价格和售后服务：选择价格合理、售后服务良好的PLC，以保证投资回报率和控制系统的长期稳定性。综合考虑以上因素，基于饮料灌装生产线控制系统的需求，本课题采用新型第三代三菱PLC，该款PLC外形如图3.1所示。FX3U-32MTPLC主要具有以下特点：（1）输入/输出点数：FX3U-32MT共有32个输入/输出点，其中16个输入点和16个输出点。（2）处理器：采用32位RISC处理器，可实现高速处理和响应。（3）存储器：具有32KB程序存储器和32KB数据存储器，可存储较为复杂的程序和数据。（4）通信功能：支持RS232和RS485通信接口，可以与其他设备进行通信。（5）扩展功能：支持最多3个扩展模块的安装，可根据实际需求扩展输入/输出点数、通信接口等功能。（6）编程软件：FX3U-32MT采用GXWorks2编程软件进行编程，具有图形化编程界面和丰富的函数库，方便用户进行程序设计和调试。FX3U-32MTPLC可广泛应用于自动化控制领域，如机械制造、工业自动化、环保治理、智能楼宇等领域。图3.1FX3U系列PLC饮料灌装生产线控制系统I/O分配表见表3.1。表3.1I/O分配表输入地址输入设备输出地址输出设备X0进瓶光电Y0进瓶电机X1称台光电Y1出瓶电机X2电机急停Y2相机触发X3手动灌装Y3挡板电磁阀X4自动运行Y4称台电磁阀X5瓶数清零Y5喷枪头电磁阀X6电脑启动Y6定量电磁阀X7电脑停止Y7预选电磁阀X10电机停电回零Y10底阀电磁阀I11自动急停Y11变频器启停X12行程开关X13通讯切换X14伺服故障X15伺服到位3.2传感器选型传感器是在生产过程中对各种参数进行监控和采集的设备。其采集的信息是对生产过程状态的一种表达。检测器将采集到的信息按一定规律转化为电信号或其它形式的信息再输出，用于控制现场设备的正常工作状态，以达到最优的产品质量。饮料灌装生产线控制系统所使用的传感器如下：（1）光电传感器光电传感器安装在灌装区域前的传送滚道上，当饮料瓶移动到检测位置时，光电传感器开始工作并把信号传送给PLC，随后PLC控制挡板在饮料瓶进入灌装区域后升起，从而有效灌装。本系统选择欧姆龙的E3ZR61光电传感器，这种反射型光电传感器使用环境温度范围广、检测距离高，并具备输出反接保护功能，其参数如表3.2所示。表3.2光电传感器参数型号E3Z-R61检测方式回归反射型连接方式导线引出型检测距离2mNPN输出投光器：E3Z-R61K2M*3受光器：E3Z-R61K-M3H0.3M（2）称重传感器本系统采用TR700数字重量变送器，它是一种结合显示、传输数据和控制的多功能的重量信号转换仪器。这种称重设备质量和体积较小，能够顺利完成高要求的电磁兼容性测试，并且可靠性高，适用于各种拉伸应变、物料称重、起重机秤和拉伸压力试验机等工作条件。它不仅能够达到模拟传感器的数字升级要求，而且广泛应用在在食品、轻工、冶金、化工、有色金属等行业。PLC通过MODBUSRTU与计量称重仪表TR700进行通信。PLC通过数据转换指令将接收到的重量值转换为十进制数，并存储起来与设定的基准量进行比较，PLC根据比较结果，判断当前重量是否大于、小于或等于基准量，进而控制大小流量转换，直至完成定量灌装的自动控制。TR700接线原理图如图3.2所示，TR700参数如表3.3所示，通讯参数配置如表3.4所示。表3.3TR700参数表型号TR700电源直流24V工作温度-5℃-45℃数字显示6位LED数码显示管数字显示范围100-900000传感器类型电阻应变式测力与称重传感器传感器输入电压直流电10V±5%信号输入范围0mV-+31mV采样速率最高每秒200次非线性误差≦满刻度的0.005%图3.2传感器接线图TR700称重传感器的通讯参数表如表3.3所示。表3.3RS-485通讯参数功能号码功能名称出厂值参数范围说明00通讯地址10-99通讯地址01波特率10-519600bps02校验位00-208n（8位无校验）03停止位10-111位04通讯方式10-10连续方式05通讯速率00-505次每秒06通讯协议10-21Modbus协议07Modbus寄存器内容10-10兼容旧TR700寄存器3.3变频器选型变频器的主要作用是用于控制电机，控制方式为改变电源的频率实现，其控制指令的来源是外部输入的状态指令。PLC与变频器连接的方式一般有以下两种：（1）串口通信连接：PLC和变频器通过串口通信连接，可以通过Modbus或其他协议实现数据交换。这种方式简单、成本低，但通信速度较慢，适合于较小规模的控制系统。（2）以太网通信连接：PLC和变频器通过以太网通信连接，可以通过TCP/IP协议实现数据交换。这种方式通信速度快、稳定性好，适合于大规模、高速度的控制系统。此外，以太网通信还可通过无线方式实现，可以提高控制系统的灵活性和可靠性。根据实际应用需求，选择适当的连接方式可以提高控制系统的效率和稳定性。同时，需要注意PLC和变频器之间的通信协议和参数设置，确保数据交换的正确性和准确性。综合考虑选用三菱FR-E740-0.75KW变频器，其是一款小型变频器，具有以下主要特点：（1）额定功率为0.75KW，适用于小型电机的控制和调速。（2）采用三菱自主设计的ASIC芯片，具有高速、高性能的控制能力。（3）具有多种控制方式，包括V/F控制、矢量控制和矢量控制+PG调速等，可根据实际应用需求选择合适的控制方式。（4）支持多种通信接口，包括RS485、RS232和ModbusRTU等，可方便地与PLC或其他设备进行通信。（5）具有多种保护功能，包括过流保护、过载保护、过热保护等，可保证设备的安全运行。（6）具有专业的应用功能，如PID控制、高速计数、位置控制等，可适应不同的应用场景。（7）具有良好的适应性，能够自动适应电机的参数，实现精确的控制和调速。变频器三相电源输入接到L1、L2、L3，电机连接到U、V、W，接通正转开关（信号）时，电机的转动方向从负载轴方向看为逆时针方向，连接方式如图3.4。图3.4变频器连接电机3.4伺服驱动器选型本饮料灌装生产线控制系统选择台达ASD-B2伺服驱动器，其是一款高性能的伺服驱动器，具有以下主要特点：（1）高精度：采用矢量控制技术和数字信号处理技术，可实现高精度的位置和速度控制，适用于要求高精度控制的应用场合。（2）高速度：具有高速响应和高速运行能力，可实现快速准确的位置和速度控制。（3）多种控制模式：支持位置控制、速度控制和扭矩控制等多种控制模式，可根据实际需求选择合适的控制模式。（4）多种通信接口：支持RS232、RS485和CAN总线等多种通信接口，可方便地与PLC或其他设备进行通信。（5）多种保护功能：具有过流保护、过载保护、过热保护等多种保护功能，可保障设备的安全运行。（6）高可靠性：采用先进的自诊断和故障保护技术，具有高可靠性和稳定性，可满足高要求的应用场合。（7）安装方便：具有紧凑的外观设计和简单的接线方式，安装方便，节省空间。图3.5伺服编码器与螺杆连接示意图本系统伺服电机对应编码器分辨率为17bit，信号通过驱动器四倍频后，即编码器最大分辨率为160000ppr。根据系统要求伺服电机旋转一周需要1600个脉冲，故设置伺服驱动器电子齿轮比为100：1。故伺服驱动器参数设置如表3.4所示。表3.4伺服驱动器参数设置表参数号初始值设定值功能说明P1-0020脉冲列输入类型设定P1-0100控制模式设定P1-4416100电子齿轮比分子P1-45101电子齿轮比分母3.5触摸屏选型触摸屏是一种人机交互设备，可以通过手指触摸屏幕上的图标、按钮、文字等元素实现操作和控制。触摸屏广泛应用于各种电子设备和自动化控制系统中，本饮料灌装生产线控制系统选择北京昆仑通态TPC7062Ti型触摸屏，其是一款工业级触摸屏，具有以下主要特点：（1）高性能：采用英特尔AtomN2600双核处理器和2GBDDR3内存，具有较高的运算速度和处理能力，可满足较高的应用要求。（2）显示效果好：采用7英寸TFT液晶显示屏，分辨率为800×480，显示效果清晰明亮。（3）多点触控：支持多点触控技术，可实现多点同时触控，操作更加方便和快捷。（4）多种通信接口：支持多种通信接口，包括RS232、RS485、以太网和USB等，可方便地与其他设备进行通信和数据传输。（5）高可靠性：采用工业级设计，具有高可靠性和稳定性，可适应恶劣的工业环境。（6）多功能性：支持多种操作系统，如Windows7、WindowsEmbeddedStandard7、Linux等，可根据不同的应用场合选择合适的操作系统。（7）安全性高：支持密码保护和用户权限管理等安全功能，可保护设备和数据的安全性。北京昆仑通态TPC7062Ti型触摸屏广泛应用于工业自动化、机械控制、智能交通等领域，可实现对饮料灌装生产线控制系统的控制和管理，提高生产效率和质量。触摸屏的背面结构如图3.6所示，其中包含三个接口：（1）COM口：使用COM实现与PLC的通信；（2）USB口（2个）：其中一个用于实现USB扩展，另一个用于实现对触摸屏的配置和管理。图3.6背面结构图3.6视觉模块设计饮料灌装生产线控制系统主要运用机器视觉检测模块进行瓶子是否破碎以及是否装满和装漏的检测，如图3.7。主要包含有如下几个部分：光源、工业镜头、工业CCD相机、图像采集卡、计算机机器视觉图像处理软件、输出单元等。视觉检测系统的工作流程大概如下：在选定的光源照射下，采用合适的相机与镜头获取待检测物的图像，通过图像采集卡的转换作用，图像的模拟信号将会被转换为数字信号并传输到计算机中的视觉处理软件，视觉处理软件根据图像中目标区域的像素分布、灰度值和区域特征等信息，通过一系列的视觉算法来获取目标区域的基本特征，再根据预先设置好的判别准则输出视觉判断识别结果，最后计算机控制输出部分的执行机构采取相应的处理动作。图3.7机器视觉检测系统的基本框图（1）光源1）光源类型通常将光源分为可见光光源和不可见光光源两种基本的类型，在视觉检测设计过程中，白炽灯、日光灯、水银灯和钠光灯是常用的几种可见光光源。机器视觉检测的光源通常是人工可见光产生装置。如何使光源产生的可见光在一段时间内保持亮度的稳定不变，是检测过程中要优先解决的问题。与卤素灯、高频荧光灯电源相比较LED光源具备更强的优势。这是因为采用直流电源的LED光源单一性强，色彩方面有多种多样的选择，照明亮度是非常稳定的，拥有几十毫秒左右响应速度，可以快速地调节亮度变化。在本设计中优先采取LED光源作为检测光源。2）光源照明方式按照光源照射方式的不同，背光照明、直接照明、结构光照明和频闪光照明是经常采用的几种表现较好的照明方式。其中，最常用的照明方式是背光照明和直接照明。采用背光照明的方式，一般将待检测物体放于光源和相机的中间，使用这种方式能够获得较高的对比度图像，直接照明是光源和相机位于待检物体的同一侧，采用这种方式的照明方案可以使得检测过程变得简单、方便。多个LED阵列可组成多角度LED光源，在控制光亮度的开关开启后，同时能控制几组不同的灯光角度，在同一个控制台上通过多个光源拍摄多幅照片，可以表现出检测对象的多个方面的特征。结合检测目标与所选择的光源类型，设计出合理、有效的光照方法，是完成检测目标特征的基础。根据本设计的实际情况，选择平行光源背光照明与环形光源直接照明相结合的方式进行研究，获得瓶口和瓶身的照片质量很高。（2）工业相机与工业镜头1）工业相机的选择本设计中的视觉检测系统选用MV-EM120M相机进行视觉检测。图3.8即为MV-EM120M相机。图3.8MV-EM120M相机MV-EM120M是维视公司推出的工业CCD相机，其相机尺寸很小，非常适用于灌装生产的检测环境。MV-EM120M工业CCD相机具有百万级的分辨率，CCD靶面的光学尺寸为1/3"，相机的帧率不低于40fps，数据位数有12位，采用按每一帧进行曝光的方式。拥有GigEthernet接口，最大传输距离可以达到100米的范围。2）工业镜头的选择本系统选择AFT-0614MP镜头，如图3.9所示。图3.9AFT-0614MP工业镜头AFT-0614MP镜头具有低畸变率的特点，采用光学校正方法，尽可能的使像差不出现在检测的图像中，同时具备对比度清晰，双锁定设置的实用性。这些特点使得这款镜头对于视觉检测、自动化流水线以及单纯的图像处理研究等范畴都有较好的应用。（3）图像采集卡选择作为机器视觉系统的数据转换中枢的图像采集卡，承担着将图像信号转换成数字信号的重要功能。MV-900E是内置式图像采集卡，在高精度视觉检测领域有着相当多的应用。MV-900E具有体积小、功耗低的特点，使用方便灵活。可采集PAL、NTSC制式黑白信号或是彩色信号，数据传输速率为PCI总线两倍。图3.10为MV-900E型图像采集卡。图3.10MV-900E型图像采集卡（4）视觉系统输出单元输出单元将来自于计算机机器视觉检测系统的判断信息，转化为控制电磁阀开断的信号。通过控制高频电磁阀的开通与断开，实现对电机的控制，来剔除不符合要求的灌装玻璃瓶。驱动频率高于10Hz以上，由于脉冲信号作为控制信号，因此快速推气门将不合格清除。完成剔除工作后，气门因气压降低，而恢复原位，防止长时间不复位而破坏整个生产流程。图3.11为视觉系统输出装置的示意图。图3.11视觉系统输出装置3.7电气原理图设计本饮料灌装生产线控制系统利用PLC主控制器输出相应控制信号，实现对各灌装工位的电磁阀的调节，PLC分析决策后，输出控制信号作用于2号罐装工位对应的电磁阀，控制该环节的工作。从输出端口的分配表中可以看到：有8个电磁阀连接与不同灌装工位中，控制着灌装过程的进行。结合其端口配置，电磁阀的控制回路如图3.12所示。图3.12电磁阀的控制回路设计4基于PLC的饮料灌装生产线控制系统软件设计4.1GX-WORKS简介GX-WORKS是三菱电机公司推出的一款PLC编程软件，可用于开发和编写三菱电机的多种系列PLC程序，包括FX系列、Q系列、L系列等。GX-WORKS具有以下主要特点：（1）界面友好：GX-WORKS采用图形化界面设计，操作简单、直观，易于学习和使用。（2）多功能性：GX-WORKS支持多种编程语言，包括梯形图、指令列表、功能块图等，可根据实际需求选择合适的编程方式。（3）高效性：GX-WORKS支持多种编程优化技术，如快速调试、自动化编程、多屏幕编辑等，可提高编程效率和质量。（4）多种调试方式：GX-WORKS支持在线和离线两种调试方式，可根据实际情况进行选择。（5）多语言支持：GX-WORKS支持多种语言界面，如中文、英文、日文等，可满足不同用户的需求。4.2PLC控制程序设计4.2.1灌装程序根据饮料灌装生产线控制系统控制的对象多，工艺复杂，不但有各种电动机还有各种报警机构，所需程序庞大，而采用模块化编程的方法比较实用。模块化方法就是在系统运作中，把能设计成单独子程序模块的工序设计成单独的子程序，像系统参数初始化、操作方法、故障诊断、报警中断处理、伺服运动控制、电磁体运动控制、步进运动控制、CIP清洗等工序均可以单独编程，依据系统工作需要分别对各个子程序进行调用，完成整个控制目标。模块化方法使面向整体的程序化为面向部分的程序，只要对单独工序进行独自编程、调试，然后调用即可，模块化思想把大化小，把复杂化为简单，不但使程序变小，阅读方便，而且还对日后的排查错误、工艺变化而修改程序也变得简单易操作。图4.1为灌装系统程序图。图4.1灌装控制流程图4.2.2旋盖程序通过输入输出口，控制系统完成信号采集、伺服电机控制等功能，通信口完成与伺服控制器、变频器的通讯，其中伺服驱动器采用扭矩模式。当延迟操作发生在工业控制中时，通常执行Delay语句，它由一个for循环语句组成。当机器运行时，要修改循环中的参数，就必须进入通讯延迟环节，使用Delay语句时，主线程将中断，等待语句运行结束，通过持续的通讯，最终判断主线程是否继续运行。延迟时语句运行时，这种延迟方式会导致触点失灵和通信延迟，造成工位卡顿，机器高速运行时容易发生碰撞。针对这个问题，课题组设计了软件定时器中断实现参数修改等任务。回转盖装置改造前后工作流程见图4.2。图4.2旋盖工作流程4.2.3封口程序自动封口控制流程图如图4.3所示，运行前先判断安全门是否关闭以及检测控制设备是否出错，如有异常，则程序不能正常工作，会报警显示，方便操作人员及时排除故障。接着进行运行方式的判断，如果处在自动工作状态，系统按照程序逻辑循环往复工作。开始开始安全门关好？运行方式选择自动运行？运行是否正常周期运行是否停止报警显示手动运行报警显示程序结束NNNNYYY图4.3封口控制流程图4.2.4贴标程序电源开启后，PLC控制系统初始化，包括高速计数器初始化、相关变量初始化、中断初始化及调用AXISO_CTRL指令启用和初始化运动轴等。当系统初始化完成后，系统等待检测被贴物传感器的输人信号，如果检测被贴物传感器检测到被贴物，高速计数器启动，开始对安装在输送带上编码器输出的脉冲进行计数，实现对被贴物位置的跟踪，当高速计数器的计数值等于预设值，出标机构的伺服电机启动，带动标签的底纸运动，当检测标签电眼检测到标签间的缝隙后，伺服电机运动指定距离后停止，贴标过程结束。等待下一个被贴物经过，如此重复运行，程序流程图见下图4.4。图4.4贴标流程图4.3PLC控制梯形图（1）初始化程序饮料灌装生产线控制系统初始化程序如图4.5所示。图4.5灌装设备初始化程序（2）伺服电机调试运行根据控制要求绘制伺服电机手动调试程序的状态转移图，如图4.6所示。图4.6伺服电机手动调试控制图4.7伺服脉冲频率运算程序D100为调试界面电机的输入速度r/min，用公式（X/60*1600）计算出需要的脉冲频率，即D100输出。根据任务要求计算出电机运行2cm需要的脉冲个数为8000，因为丝杠的螺距为4mm，而伺服电机旋转一周需要1600个脉冲，故走2cm需要伺服电机转5圈。图4.8传输带向右行驶的梯形图此程序为按下启动按钮，传输带向右行驶2cm停止的程序段，以SQ11处为原点位置，规定向左运行为正向，反之，向右运行为反向，所以向右运行2cm需要设定一个脉冲数。图4.9传输带向左行驶的梯形图4.4系统组态设计4.4.1组态王简介组态王是一款工业自动化软件，主要用于工业控制系统的可视化操作和监控。它可以帮助工程师和运营人员快速地创建和配置控制系统，包括数据采集、设备控制、报警管理和数据分析等功能。组态王支持多种通信协议和设备接口，可以与各种硬件设备和软件系统进行集成。它提供了直观的图形化界面和丰富的功能模块，使用户能够更加高效地管理和优化工业控制系统的运行。组态王广泛应用于制造业、能源、交通、建筑等领域。4.4.2组态界面设计按照任务要求，通过组态王软件设计各个画面如图4.10-4.14所示。图4.10首页界面图4.11登陆界面图4.12调试模式界面图4.13加工模式界面图6.14报警界面5结论本课题详细设计了一款基于PLC的饮料灌装生产线控制系统，根据饮料灌装生产线的工艺要求，设计了其控制系统方案。通过对国内外研究成果的分析和总结，降低了设备成本，提高了饮料灌装生产线的自动化水平，提高了高速灌装下的稳定性、准确性。本课题以控制系统配置的硬件为基础，完成了系统软件的实现，分析了控制过程，设计了人机交互界面。由于时间、经验不足、技术水平有限以及试验条件的限制，本设计对基于PLC的饮料灌装生产线控制系统的研究仅做了有限的工作，还存在一些不足，有待于进一步探讨和完善，还有一些尚待研究的领域值得深入研究。参考文献[1]殷水忠.果粒饮料盒中袋灌装机的设计及关键技术研究[D].南京理工大学,2017.[2]彭玉.饮料空瓶检测机器人的瓶口缺陷识别算法研究[D].湖南大学,2017.[3]李宏峰.日产150吨褐色乳酸菌饮料车间设计[D].黑龙江东方学院,2017.[4]张勇.面向灌装输送线的快速设计方法研究[D].浙江大学,2017.[5]曲媛媛.基于机器视觉的醇醚灌装机控制系统研究[D].吉林化工学院,2020.[6]江嘉旻.基于Atmega128的灌装称重系统的设计[D].江苏大学,2018.[7]陈红.屋顶盒灌