啤酒灌装生产线

1、 目目 录录 1 前言前言.3 2 总体方案总体方案.4 2.1 啤酒罐装传送带调速系统设计要求.4 2.2 方案比较.5 2.3 方案选择与方案论证.8 3 罐装传送带调速系统分析罐装传送带调速系统分析.9 3.1 罐装传送带调速系统工艺流程.9 3.2 输入信息分析.10 3.3 输出信息分析.11 4 罐装传送带调速控制系统硬件设计罐装传送带调速控制系统硬件设计.12 4.1 罐装传送带系统总图设计.12 4.2 电器元件的选型.13 5 罐装传送带调速控制系统软件设计罐装传送带调速控制系统软件设计.14 5.1 编程平台介绍.14 5.2 罐装传送带控制程序设计.15 5.3 罐装传送

2、带程序的仿真调试.19 6 罐装传送带调速监控系统软件设计罐装传送带调速监控系统软件设计.20 6.1 MCGS 组态软件介绍.20 6.2 上位机监控画面的组态设计.22 6.3 实时数据库的变量设置.22 6.4 脚本程序的设定.23 6.5 PLC 与 MCGS 的连接 .23 7 总结总结.25 8 参考文献参考文献.26 1 前言前言 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

3、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可编程逻辑控制器（PLC） 。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

4、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

5、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

6、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 总体方案设计总体方案设计 2.1 啤酒罐

7、装传送带调速系统要求啤酒罐装传送带调速系统要求 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 MCGS 上做到上位监控。 2.2 方案比较

8、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： PLC控制 中间处理单元（包括 D/A转换器，电平匹 配单元等） 变频器控制传输皮带电动机 变送器（光电传感 器、传输电路） 反馈控制信号 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

9、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： PLC控制电动机传输皮带变频器 光电检测器 反馈控制信号 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 级速度频率。用 PLC 的开关量输入 输出模块控制变频器

10、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。 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 01

11、001 00102 00013 00114 01105 01016 01117 10008 11009 101010 100111 101112 111013 图 2.5 多段速调速速段分配表 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

12、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 Y3 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

13、 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 Y5 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

14、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。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

15、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罐装传送带调速系统工艺流程 启动开始状态 光电开关检测 瓶流速度 送入PLC计数 20S 模式选择 变频器是否故 障 是否在区间 812内 是否在区间48 内 启动中速20S启动高速20S启动低速20S 自动 Y N 手动选择速度档位 N N Y 切断电源 是否在区间 1216内 Y N是否大于16 高速报警L1 Y N 是否小于4低速报警L2 Y Y 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

16、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，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

17、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 输入信息分析输入信息分析 根据系统的功能需要，本系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

18、3.2 所示： 输 入 元件符号名 称端子号作 用 SA SB1 SB2 SB6 SB5 SB4 SB3 A IC 选择开关 按钮开关 按钮开关 按钮开关 按钮开关 按钮开关 按钮开关 变频器故障反馈信号 光电检测信号 X0 X1 X2 X3 X5 X6 X7 X8 X10 X4 手 动 自 动 启 动 停 止 高 速 中 速 低 速 停止报警 反馈保护 计数检测 输入端口列表 图 3.2 输入端口列表图 3.3 输出信息分析输出信息分析 根据系统的功能需要，本系统的输出信号主要有 7 个，其中 Y0、Y1、Y2 用于设定频 率控制信号，控制电动机的低、中、高、速运转。Y3 用于实现电动机转速

19、的过快报警，Y4 用于实现电动机转速的过慢报警，Y5 用于当变频器发生异常故障时断开变频器电源，Y6 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 元件符号名 称端子号作 用 RL RM RH L1 L2 KM1 STF 低速输入 中速输入 高速输入 报警灯L1 报警灯L2 接触器 正转输入 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 起动低速运行 起动中速运行 起动高速运行 过速报警L1 慢速报警L2 变频器反馈保护 正转运行 输出端口列表 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罐

20、装传送带系统总图设计 系统总图如下所示： X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 COM Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 COM 手动 自动 启动 停止 传感器输入 高速 中速 低速 停止报警 正转 中速 高速 L1 L2 L3 N SA W W SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 Y5 COM1 KM1 UV FU2 FU1 P L C LC1D245M 7C 4T 1 5T 2 6T 3 1T 1 2T 2 3T 3 L1 L3 L2 RL RM RH STFY6 SD M T2T3T1 FR W U V A 变 频 器 X10 GND KM1 4T1 1T1 4T

21、2 2T2 4T3 3T3 QF1 S253SC 4T 1 1T 1 4T 1 1T 1 4T 1 1T 1 4 T 1 1 T 1 FU3 FU4 光电检测 L1 L2 IC QF2 S25SC QF2 S25SC 图 4.1 系统总设计图 4.2 电器元件的选型电器元件的选型 本设计中所使用到的元器件清单如下表所示： 编号代 号元 件 名 称型 号规 格件 数作 用 5 2 4 3 1 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 可编程控制器 变频器 电动机 自动空气开关 自动空气开关 自动空气开关 熔断器 熔断器 熔断器 熔断器 交流接触器 过电流继电器 按钮开关 光

22、电开关 施密特触发器 报警灯L1 报警灯L2 18变压器 PLC VVVF M QF1 QF2 QF2 FU1 FU2 FU3 FU4 KM1 FR SB1SB6 IC IC1IC2 L1 L2 T 19选择开关SA FX2N-32MR FR-S540-0.4K Y90L-2-B3/B35 S253SC S25SC S25SC RL1 RT18 RT18 RT18 EB9-30-10 JCK-10A LA19-11 E3JK-DS30M1 74HC14 型 号 型 号 BK-4KVA 380/220V TSSL-30 1 1 1 1 1 1 3 2 2 3 1 1 6 1 2 1 1 1 1

23、尺寸 （mm）：1308790 2.2KW/2850r/min 20A/3P 6A/2P 6A/2P 60A、熔体25A 32A、熔体2A 32A、熔体4A 32A、熔体8A 线圈电压220v、9A 220V,电流整定10A AC220V 红 AC220V 绿 1320VA 逻辑控制 电压频率变化 带动皮带传动 电源总开关 PLC电源开关 PLC负载电源开关 电源保护 PLC短路保护 PLC负载短路保护 变频器过载保护 变频器故障保护 电机过电流保护 PLC输入控制 瓶流脉冲检测 稳定脉冲控制 过快报警L1 过慢报警L2 降压给定 自动手动选择 尺寸 （mm）：108128129 元件清单列表

24、 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罐装传送带调速控制系统软件设计 5.1 编程平台介绍编程平台介绍 GX developer：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 plc 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,

25、 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罐装传送带控制程序设计 具体设计程序及注释如下： 公用程序 手动子程序 手动控制 高速 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 启动 停止 启动电机正 转 定 20 秒为 单位时间 记 X4 脉冲 个数 脉冲个数 C0 C04 C0=4 4C08 脉冲个数 C0 8=C0=12 C016 C04 则为 速度过低， 启动报警 一 取消报警 图 5.2 所编

26、程序图 4=C0=8 时,启动高速 20 秒后返回 继续判断瓶 流速度 8=c0=12 时,启动中速 20 秒后返回 继续判断瓶 流速度 12=C016 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 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罐装传送带调速监控系统软件设计 6.1 MCGS 组态软件介绍组态软件介绍 MCGS(Monitor and Control Genera

27、ted System)是一套基于 Windows 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 具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高

28、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 组态环境组态环境”和“MCGS 运行环境运行环境”两 个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。 图 6.1 MCGS 功

29、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

30、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：设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。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：用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸

31、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：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：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ifthen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上位监控过程。 图 6.1 MCGS 运行策略组态图 6.2 上位机监控画面的上位机监控画面的组态设组态设计计 基于 PLC 与变频器的罐装传送带控制系统界面如下： 图 6.2 MCGS 上位机模拟监控图 6.3 实时数据库的变量设置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： 图 6.4 脚本程序控制结构图 6.5 PLC 与与 MCGS 的连接的连接 打开“设备窗口”后，双击进入。点击鼠标右键，进入“设备工具箱” ，如下图： 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”