课题-基于PLC的饮料罐装流水线控制系统设计自动装箱功能

I本科毕业论文论文题目基于PLC的饮料罐装流水线控制系统设计自动装箱功能学生姓名学号专业电气工程及其自动化班级机械及自动化1班指导教师2015年6月6日摘要本文主要介绍的是基于三菱FX2N-40MRPLC的饮料灌装生产流水线的控制系统的设计。该系统的设计包括硬件设计和软件设计。其中硬件设计包括三菱FX1N-40MRPLC外部电路的设计与安装；软件部分包括程序的设计与调试。所设计系统最终能够实现以下功能：(1)能对空瓶进行运送、灌装，灌装量可根据空瓶大小设定；（2）对满瓶进行运送及计数，计数值包括累计计数、单位包装计数，单位包装计数量可根据包装大小设定；（3）能够实现手动复位。该系统主要运用了三菱PLC、传感器、继电器、行程开关等器件，利用PLC良好的自动控制性能，实现饮料罐装生产过程的无人控制。a）关键词：PLC；饮料灌装；生产流水线；无人控制IIIABSTRACTThispapermainlyintroducesthecontrolsystemofbeveragefillingproductionlinebasedonMitsubishiFX1N-40MRPLC.Thesystemdesignconsistsofhardwareandsoftwaredesign.ThehardwaredesignincludesMitsubishiFX2N-32MR-001PLC’sexternalcircuitdesignandinstallation;softwaredesignincludesthedesignanddebuggingofprogram.Thesystemcanachievethefollowingfunctions:(1)Thebottlescanbetransportedandfilledandthefillingvolumecanbesetaccordingtothesizeofbottles;(2)thefullbottlescanbetransportedandcounted,thecountincludestotalcountandthecountofunitpackageandthetotalnumberofunitpackagingcanbesetaccordingtopackagesize;(3)thesystemcanachievemanuallyreset.ThesystemmainlyusestheMitsubishiPLC,sensors,relays,switchesandsoonandusesthegoodautomaticcontrolperformanceofPLCtoachievethenocontrolofbeveragefillingproductionline.KEYWORDS:MitsubishiFX2N-32MR-001PLC;Beveragefilling;Productionline;Nocontro11绪论1.1课题研究背景我国的饮料灌装自动化相对于西方发达国家来讲还有很大的差距。设备陈旧，技术落后，成为阻碍我们灌装行业发展的一个严重问题。鉴于这些问题，我国企业不断发展自身的实力，逐步朝着生产高速化、设备结构合理化、设备的多功能化、设备的绿色化、控制的智能化等方向发展。plc（可编程控制器）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。随着工业自动化水平日益提高，众多工业企业均面临着传统生产线的改造和重新设计问题。PLC（可编程序控制器）是以微处理器为核心的工业控制装置，它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。作为通用工业控制计算机，其实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，在世界工业控制中发挥着越来越重要的作用.几年前，自动化技术只占包装机械设计的30%，现在已占50%以上，大量使用了微电脑设计和机电一体化控制。提高包装机械自动化程度的目的：一是为了提高生产率；二是为了提高设备的柔性和灵活性；三是为了提高包装机械完成复杂动作的能力。饮料灌装机用于灌装各种各样的瓶装饮料，适合大中型饮料生产厂家，早期的灌装机械大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方法。这些方法存在一些缺点。例如：灌装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。本系统采用的饮料分装计量是通过时间和单位时间流量来确定的，计量精度由可编程控制器（PLC）控制确定。PLC控制具有编程简单、工作可靠、使用方便等特点，在工业自动化控制领域广泛应用。专为PLC应用而实际的触摸屏集主机、输入和输出设备于一体，适合在恶略的工业环境中使用.饮料灌装装置主要包括两部分：恒压储液罐灌液和计数部分。在恒压储液罐灌液不封，里面有上限液位和下线液位传感器，它们淹没时是1状态。液面低于下线液位时恒压储液罐为空。饮料通过进液电磁阀流入恒压储液罐，液面达到上限位时进液电磁阀断电关闭，使液位保持恒定。2鉴于PLC可靠性高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便三大特点，利用plc技术平台自主开发创新，将机械、电气和自动化等技术有机结合，将传统的继电器-接触器控制功能用PLC代替，构成实用、可靠的饮料灌装生产线PLC控制系统。该控制系统可节省大量电气元件、导线与原材料,缩短设计周期,减少维修工作量,提高加工零件合格率,进而提高生产率，而且程序调整修改方便灵活，提高了设备的柔性和灵活性。具有整体技术经济效益。随着工业自动化水平日益提高，众多工业企业均面临着传统生产线的改造和重新设计问题。目前，饮料的灌装伸长已经实现自动化，为了提高产品质量，缩短生产周期，适应产品迅速更新换代的要求，产品生产正向缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方面发展。因此，饮料厂的自动化灌装生产线中有越来越多的及其在使用先进的灌装技术来提高及其的自动化电气控制水平和生产效率。PLC（可编程序控制器）是以微处理器为核心的工业控制装置，它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。作为通用工业控制计算机，其实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，在世界工业控制中发挥着越来越重要的作用。鉴于此，设计者利用PLC的功能和特点设计出了一款饮料灌装生产流水线控制系统目前饮料灌装生产线的控制过程主要是继电器接触控制，但这种电路接线复杂，可靠性低，使得工业生产的效率得不到提高[3-4]。不过，随着时代的发展，饮料灌装生产线的控制过程正朝着智能化和自动化的方向发展。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践[5-12]。1.2课题研究内容本课题对饮料罐装生产流水线的硬件和软件进行了设计。其中硬件设计包括三菱FX1N-40MRPLC外部电路的设计与安装；软件部分包括程序的设计与调试。根据系统的要求对PLC、电动机、传感器等外部设备进行选型。设计好的饮料灌装生产流水线能够实现以下目的：（1）系统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待灌装的饮料瓶被传送至灌装设备下时停止；瓶子装满饮料并上盖后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到下一个待灌装的饮料瓶被传送至灌装设备下或停止开关动作；（2）当瓶子定位在灌装设备下时，停顿1s，灌装设备开始工作，对于大瓶灌装8秒钟，小瓶则灌装5秒钟，待灌装过程完3毕再对饮料瓶进行上盖，上盖时间为2秒钟。整个灌装和上盖过程应有报警显示，待上盖完毕后不再显示报警；报警方式为红灯以0.5s间隔闪烁；（3）包装上，对于小瓶：40瓶为一大包，30瓶为一中包，20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；（4）能够实现对生产产品进行自动记数并可以手动对计数器清零。EquationChapter(Next)Section142饮料罐装生产流水线总体方案设计2.1任务的分析本次设计的任务是以三菱FX1N系列PLC作为处理核心，用行程开关、传感器将生产过程中的信号（如空瓶的运行的位置、饮料瓶的大小等等）处理后送给PLC处理器，由PLC对数据进行运算，然后输出驱动信号（如接触器、电磁阀等等）来完成饮料罐装生产过程的流水线操作。该系统的总体思路：此生产线为全自动控制的，生产线一旦上电，PLC将通过软件对生产线进行自动控制：通过输出继电器控制传送带的停转和对饮料瓶灌装的控制，实现对系统状态的显示，并且通过PLC内部的计数器对所生产的产品进行计数。2.2硬件方案设计饮料的灌装是采用了饮料灌装机，饮料灌装机将灌装装置以及封盖装置集合在一起，使饮料的灌装稳定、高效的完成。对于饮料瓶大小的区别是通过反射式光电传感器工作来实现的。利用辅助继电器对计数器进行正电平触发来实现对所生产产品的计数。生产流水线结构如图2-1所示。系统的工作原理：系统一旦上电，传送带驱动电动机运转，待空饮料瓶行至行程开关，行程开关闭合，电动机停转，灌装设备通过阀门的关断来控制饮料灌装的时间，待饮料灌装过程完毕后电动机恢复转动，如此循环实现生产线上的自动控制。对于传送带上的饮料瓶大小的区分，是通过下图中所在位置的反射式光电传感器工作来实现的。E-1阀门传送带驱动电动机行程开关光电传感器大瓶小瓶图2-1生产流水线结构图2.3软件方案设计PLC软件方案设计的方法有经验设计法，逻辑设计法等。52.3.1经验设计法梯形图的经验设计法是比较广泛的一种方法。这种方法没有普遍的规律可以遵循,具有很大的试探性很随意性,最后的结果不是唯一的。该方法的核心是输出线圈。以下是经验设计方法的基本步骤：1.了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械的动作情况。2.确定PLC的输入信号和输出负载，画出PLC的外部接线图。3.确定与继电器电路图的中间继电器，时间继电器对应的梯形图中的辅助继电器（M）和定时器（T）的元件号。4.根据前面的对应关系画出梯形图。2.3.2逻辑设计法逻辑设计法的理论基础是逻辑代数。而继电器控制系统的本质是逻辑线路。看一个电气控制线路都会发现,线路的接通和断开,都是通过继电器等元件的触点来实现的,故控制线路的种种功能必定取决于这些触点的开，合两种状态。因此电气控制电路从本质上说是一种逻辑线路,它符合逻辑运算的基本规律。具体步骤如下图3-1所示:明确设计任务和技术条件修改软件，硬件联机调试局部模拟运行安装PLC程序检查调试I/O配线编制程序制作控制区系统总体设计PLC机型选择是否满足要求？交付使用整理系统文件系统试运行程序备份否是图2-2PLC逻辑设计步骤图EquationChapter(Next)Section163系统元件的选择3.1PLC的选型根据饮料罐装自动生产线的工艺流程图，PLC控制系统的输人信号有9个，且均为开关量。PLC控制系统的输出信号有10个。FX1N系列的PLC只有继电器输出方式和晶体管输出方式两种,继电器输出方式其特点是：可使用交直流电源，其动作慢，但安全隔离效果好，可靠性高；晶体管输出方式其特点是：只能使用直流电源，其响应速度最快——场效应管输出模块的工作频率可达20kHz，但过载能力较差。综合以上信息，并结合经济实用性的考虑，控制系统选用FX1N-40MR-001型号的PLC