啤酒生产线控制系统设计——灌装部分

本科毕业设计说明书1第一章绪论1.1本课题设计的背景自从改革开放到21世纪的今天，经过三十多年的发展，我国的啤酒工业得到了迅猛的发展，啤酒产量的提高是有目共睹的，从1980年开始的年产只有688万吨，到1999年的1640万吨，19年的时间里增长了22倍之多。年均递增22%,2000年已经突破2000万吨，截止到2013年底，我国的啤酒年产量已经突破3亿吨。啤酒罐装部分是啤酒生产的最后一道工序，其装备水平直接影响到啤酒的成品质量、成本、销售业绩和企业的经济效益。随着我国国民经济的发展，人民生活水平的日益提高，广大消费者不但对啤酒质量更对包装水平提出了更高的要求，一款美观实用大方的啤酒瓶同样也能吸引消费者消费者的眼球。因此，啤酒生产装备也面临着同步发展的问题。世界发达国家，尤其美国、德国这样的啤酒生产和需求大国，他们的设备制造厂家无不致力于不断改进和发展新一代的啤酒罐装设备。虽然我国现代啤酒生产在机械制造业和自动化控制方面起步较晚，但是从80年代开始，通过引进日本和德国技术软件和自动控制设备，组织消化吸收，已经生产出接近国际水平的啤酒罐装生产线。现如今经过短短几十年的发展，我国的啤酒灌装生产线已经迈入国际先进水平的行列，现在每年我国的大型啤酒生产企业可以达到年产啤酒100万吨的产量，并且保证破瓶率不超过0.8%，酒损率不超过0.9%。这样高产量和高质量效果的取得，得益于先进的灌装设备和高效率的自动控制方式，同时这里更少不了现代工业自动化的设备和工程技术人员对设备的编程和控制。自动化的饮料灌装设备应用范围很广，几乎应用于所有的饮料灌装行业，特别是啤酒行业，因为产量巨大，所以被广泛使用。发展前景异常广阔。PLC作为现代工业自动化领域应用最广泛的控制器得到了长足的发展，它的出现代替了传统继电器的繁琐接线和控制逻辑。实现高效和快速的生产，使工业生产变得简单。1969年美国数字设备公司（DEC）研制书世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（GM）的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制期，简称PLC（programmablelogiccontroller）。70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmablecontroller）.但由于PC容易与个人计算机（programmablecomputer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程器的缩写。1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，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，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生本科毕业设计说明书2产过程。PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：（1）逻辑运算（2）弱电控制强电。PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。可编程控制器，简称PLC。它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一中新型工业控制设备。具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易，维护工作量少4.功能强、通用性好5.开发周期短，成功率高6.体积小，重量轻、功耗底等特点。已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继电——接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电——接触器控制系统小；价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。因此，研究啤酒生产线灌装部分的可编程逻辑控制器（PLC）控制系统设计，有助于推动啤酒业灌装工艺和饮料灌装工艺的发展，可以有效的节省成本提高生产效率，减少破瓶率和酒损率，同时也可以增加PLC在工业自动化领域的使用率，具有相当强的经济和理论研究价值。1.2本课题设计的内容(1)分析当前啤酒生产线灌装部分的理论发展状况，国内外灌装控制设备的整体建设状况以及在啤酒灌装部分的应用情况；(2)掌握PLC的使用方法，熟悉PLC编程工具；(3)基于实物建立灌装工段的模型，采用恰当的控制方法，设计灌装部分的控制策略；(4)根据设计的灌装部分控制策略编制该部分的控制程序，并编制用于显示和控制的组态界面，完成灌装部分控制系统的实际运行。并实现与啤酒生产线灌装部分的联动运行；(5)实地运行比较优化后的灌装策略与传统的灌装策略，分析验证策略的效果。1.3本课题设计的目的和意义传统生产模式下的啤酒罐装工艺主要依据人工装理瓶、洗瓶、灌装、旋盖、贴标五个工段进行啤酒灌装，这样的生产模式首先浪费了大量生产力，在现阶段的社会模式下，这样高投入，低产能的生产方式不利于企业盈利；其次，效率低下，产能不能有效提高；最后，最重要的一点就是这样的灌装方式极其不卫生。特别是对于一些中小型啤酒企业这样的生产方式存在较大的安全隐患。啤酒罐装部分的自动化控制的出现再配合灌装设备，彻底解决了这一难题。啤酒生产线的自动化灌装可以产生巨大的社会效益和经济效益。从根本上解决发展生产力。它通过成套的啤酒灌装设备再配合工业自动化的PLC控制，可以使产量和卫生程度大幅度地提高，提高了啤酒生产效率；啤酒生产线灌装部分采用分布式网络化流程控制系统，结本科毕业设计说明书3合上位计算机管理，可以很容易实现自动化控制，只需一到两人值守，就可以控制整条啤酒罐装部分生产线，通过PLC控制，加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度；采用自动化技术后，同时还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品生产需要；PLC再结合上位计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，减少了人工灌装时处理信息的差错；同时借助于计算机管理还能有效地提高啤酒生产能力，便于查验破瓶率和酒损率，合理改进工艺，加快资金周转，节约流动资金，从而提高啤酒罐装的工艺和生产水平。自动化的啤酒灌装生产线信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业信息管理的自动化。同时，由于使用了自动化啤酒灌装成套设备，可以促进企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，也提高了操作人员素质和管理人员的水平。本科毕业设计说明书4第二章系统总体方案设计2.1灌装部分系统构成自动化啤酒罐装部分是指在不直接进行人工处理的情况下,自动地完成啤酒的理瓶、洗瓶、灌装、旋盖、贴标的系统,它以传送带和伺服电机机械手为主体,以成套灌装设备为基础,是集自动控制技术、通信技术、机电技术于一体的高效率、大容量灌装机构。自动化啤酒罐装的出现,实现了啤酒罐装功能从多人工、长工时向高效率，高质量的转变。用PLC控制的自动化啤酒罐装生产线达到灌装技术的全面自动化。啤酒罐装部分基本由以下部分组成:理瓶机:主要用于对杂乱摆放的啤酒瓶进行整理，并使其有次序有方向的排列在输送带上，高速高效的经传送带输送到下一个工段。冲瓶机:通过成套冲瓶机设备，由电机带动通过机械方式对空瓶进行翻转冲洗，然后空行滴定，排除瓶内的残留水分。灌装机:灌装机通过贮液缸内的压力高于瓶中压力即压力差的原理，使液体靠压差流入啤酒瓶内。旋盖机:主要用于对灌装好的啤酒瓶进行旋盖或者压盖，本次毕业设计是采用安全可靠地瓶口带螺纹的塑料瓶进行啤酒罐装，所以采用旋盖方式进行封装。贴标机:主要用于对灌装旋盖好的啤酒瓶进行圆周贴标，是啤酒罐装部分的最后一道工序。输送带系统:是啤酒灌装部分重要的外围设备，负责将啤酒瓶运送到各个单独工段。输送机种类非常多，常见的有履带输送机，辊道输送机，链条输送机，升降台，分配车，提升机，皮带机等。自动控制系统:驱动啤酒罐装部分各设备的自动控制系统。目前以采用现场总线方式为控制模式为主。组态控制系统:通过对控制系统进行组态，能够实现对自动化设备和过程进行监视和控制。它能从自动化过程和设备中采集各种信息，并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示，将重要的信息以各种方式传给有关人员，对信息进行有关的存储和处理，并发出控制指令。2.2灌装部分设计基本步骤啤酒灌装部分系统设计与调试的主要步骤，如下图2.1所示：在啤酒罐装部分控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：1.深入了解和分析啤酒罐装部分的工艺条件和控制要求。2.确定I/O设备。根据啤酒罐装部分控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。本科毕业设计说明书54.分配I/O点，分配PLC的输入输出点。5.设计啤酒灌装部分系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个啤酒罐装部分系统控制设计的核心工作。6.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。7.啤酒罐装部分的整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题要逐一排除，解决所遇到的问题。图2.1灌装部分系统设计流程图Fig2.1Fillingpartoftheflowchartofsystemdesign本科毕业设计说明书62.3PLC控制特性1、低成本利用电力线上网，最大的优点就是成本低。由于利用电力线上网，直接使用现有电力网就可以实现通信，而不需要另外铺设电话线、光电缆等，大大地减少了在基础网络上的投资。2、范围广无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。因为家家都有电力线，由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一个家庭.因此，这一技术一旦进入商业化阶段，将会促进电信市场的变革，并给互联网普及带来极大的发展空间。3、高速利用电力线上网能够提供高速传输。德国最大的电力设备生产商RWE承诺，运用他们的电力线上网技术，其速度要比ISDN拔号上网快30多倍,比ADSL更快！足以支持现有网络上的各种应用。更高速率的PLC产品正在研制之中。4、便捷不管在家里的哪个角落,只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高速网络享受!5、永远在线PLC属于即插即用，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络！6、结构灵活通过PLC技术实现Internet接入，可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率。目前还未有效解决电力线信号通过变压器的技术，因此，电力线通信设备都是集中在220V线路变压器的用户端。7、家庭数字化PLC技术能够通过电力线将整个家庭的电器与网络联为一体，在室内的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网，使人们能够通过网络来控制自己家里的电器设备。2.4灌装部分主要结构啤酒生产线灌装部分主要由六部分组成:理瓶机、冲瓶机、灌装机、旋盖机、贴标机、系统控制面板。具体结构见图2.2。2.4.1理瓶机理瓶机:是啤酒生产线灌装部分的第一个工段，理瓶机是由一个无级调速电机带动工作台面旋转，到达旋转出口的时候由出口的方向爪摆正方向从而使使瓶子顺着固定轨道进入输送带。只需人工把瓶子直立放入储瓶台，由旋转的送瓶转盘自动将瓶子送进轨道，瓶子按生产要求速度经轨道匀速等距进入冲瓶工段。具体见图2.3.1本科毕业设计说明书7图2.3.1理瓶机实际图Fig2.3.1Unscramblebottlemachine2.4.2冲瓶机冲瓶机:瓶子从理瓶机轨道经分瓶螺杆匀速等距离进入冲瓶机旋转喷头下方，依次由弹力机械手卡住瓶颈，同时对应的喷头开始对瓶内冲洗，外置喷头对瓶身外侧冲洗，在旋转喷头座的带动下瓶子沿着U型轨道做360度翻转冲洗，同时将瓶内的积水倾倒干净，瓶子清洗干净后恢复直立状态进入输送带到达下一个步骤—灌装。具体见图2.3.2图2.3.2冲瓶机实际图Fig2.3.2Bottlewashingmachine本科毕业设计说明书82.4.