饮料灌装生产流水线PLC控制

饮料灌装生产的PLC控制摘要：文章探讨了如何利用德国西门子PLCS7-200进行饮料灌装生产流水线的控制，重点分析了系统软硬件设计部分，并给出了系统硬件接线图、PLC控制I/O端口分配表以及整体程序流程图等，实现了饮料灌装的自动化，提高了生产效率，降低了劳动强度。关键词：PLC；自动化饮料灌装生产线；；系统硬件接线图；I/O端口分配表传统的饮料罐装生产线的电气设备控制系统是传统的继电器——接触器控制方式,在使用的过程中，生产工效低，人机对话靠指示灯+按钮+讯响器的工作方式，响应慢，故障率高，可靠性差，系统的工作状态、故障处理、设备监控与维护只能凭经验被动的去查找故障点。且在生产过程中容易产生二次污染，造成合格率低，生产成本增加。而自动化生产线在众多领域应用得非常广泛，其控制部分常常采用PLC控制，它使自动化生产线运行更加平稳，定位更加准确，功能更加完善，操作更加方便。为适应发展，故提出下面的PLC控制技术改造现有生产线。本文介绍了德国西门子PLCS7-200在自动化饮料罐装生产线控制系统中的应用，并从硬件和软件两方面进行了分析和研究。一、设计任务1、课题内容饮料罐装生产流水线梯形图控制程序设计并画出电气接线图。2、控制要求（1）系统通过开关设定为自动操作模式、手动操作模式，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罐装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止；瓶子装满饮料后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。（2）当瓶子定位在罐装设备下时，停顿1.1秒，罐装设备开始工作，罐装过程为5秒钟，罐装过程应有报警显示，5.1秒后停止并不再显示报警。（3）用两个传感器和若干个加法器检测并记录空瓶数和满瓶数，一旦系统启动，必须记录空瓶数和满瓶数，设最多不超过99999999瓶。（4）可以手动对计数值清零（复位）。3、课题要求（1）根据课题的控制要求完成设计（2）对电机、传感器、到位开关选型并列出选型依据（3）画出电气连线图，写出程序流程图及代码（4）完成课程设计说明书二、总体设计方案1、饮料灌装流水线的基本结构整个灌装流水线的基本结构如图1、图2、图3所示。整个流水线由主传送带、次品传送带、灌装装置、次品推动装置、定位传感器、次品检测传感器等组成。电动机的启动和停止，灌装装置向上、向下移动和灌装，次品的检测、推动都是由PLC控制的。流水线由传感器实时监控，由PLC控制，控制准确，自动化程度高。一、系统概况饮料灌装生产流水线是指按一定控制要求将有关驱动电机、电气控制装置、检测装置等组合为一体的多功能自动控制装置。本系统电镀生产线采用了传送带，传送带用一台电动机控制，同时用变频器对电机平滑调速。1、生产工艺及流程该罐装生产线为人工/自动操作的工作程序，由2只电磁阀控制托瓶架的升降，2只电磁阀控制压盖的行程。驱动部分有：清水泵、无菌泵、清洗输送、灌装输送、灌装泵。1.1、手动控制工作状态将操作台上旋钮置手动，各工位工作状态如下：（1）按启动按钮，传送带把洗过的空瓶送到托瓶架上；托瓶架启动，把洗过的空瓶送到罐装机的罐装口；罐装泵启动，罐满后自动停止；（2）按停止按钮，传送带停止。1.2、自动控制工作状态（1）启动：按下自动按钮后，生产线进入自动工作状态，具备工作条件后，瓶子随着传送带进入工序。（2）罐装：当瓶子随着输送带平稳的进入托瓶架时，托瓶架的限位开关信号送给PLC，翻瓶架的一组气动电磁阀打开，汽缸开始工作，将瓶子送到罐装口的下部，这时汽缸上限信号送入PLC，罐装泵开始启动，在罐装的过程中翻瓶架自动落下，罐装到一定的时间（及罐满）后自动停止（罐装时间3/5加仑的设定时间不同），罐装结束后，经过一定的延时时间，罐装输送带开始启动。具体流程图如图1所示。在工作过程中，有自动和手动两种工作方式选择，操作方便。在多数情况下选择自动工作方式，在维修和特别处理情况下选择手动工作方式。二、系统硬件设计根据自动化电镀生产线的控制要求，我们采用了德国西门子PLCS7-200CPU226型号，此类型PLC无论独立运行，还是联接网络都能完成各种控制任务。它的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的自动控制。其应用领域包括各种机床、纺织机械、塑料机械、电梯、生成流水线等行业。S7-200CPU226通讯功能完善，具有极高的性能价格比是很突出的特点，也是我们采用它的主要原因。PLC为此系统的控制核心，此系统的输入信号有两部分，一部分是启动、停止等面板控制按钮，另一部分是多种行程开关，这些面板按钮信号和传感器信号作为PLC的输入变量，经过PLC的输入接口输入到内部数据寄存器，然后在PLC内部进行逻辑运算或数据处理后，以输出变量的形式送到输出接口，从而驱动电机来控制行车的运行和吊钩的升降。此系统PLC硬件接线图如图2所示，I/O端口分配表如表1所示。三、系统软件设计饮料灌装生产流水线的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式主要指连续操作方式。手动操作是指用开关对系统的操作模式进行设置。例如，当选择自动操作模式时，启用连续操作方式。连续操作是指从原点开始，按一下启动按钮，系统将自动地、连续不断地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，系统将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。此系统的整体程序结构如图3所示。按一下启动按钮I1.0执行一个动作，并按规定顺序进行。在单周期工作方式和连续操作工作方式下，可执行自动操作程序。当按下连续按钮I0.7和启动按钮I1.0后，中间继电器M1.0置位，连续执行自动操作程序。当按下单周期按钮I1.3后，中间继电器M1.0复位，执行一次自动操作程序就停止。在单操作程序、步进操作程序和自动操作程序中都必须使用中间继电器，最后通过转换能控制共同的输出继电器。根据前面的系统控制要求和I/O分配表分析可得自动操作流程图如图3所示。具体的工作过程如下：当PLC运行时，初始脉冲SM0.1对状态进行初始复位。当系统在原点时，状态继电器S0.0置1，Q0.4得电，原位状态指示灯亮。接下启动按钮I1.0后，状态继电器S0.1置1，同时S0.0清零，原位状态指示灯熄灭，Q0.0得电，吊钩执行上升动作。当上升碰到上限位开关I0.0时，状态继电器S0.2置1，同时S0.1清零，吊钩停止上升，Q0.2得电，行车开始右行，当右行到XK1行程开关时，状态继电器S0.3置1，同时S0.2清零，行车停止右行，Q0.1得电，吊钩开始下降，当碰到下限行程开关I0.1时，状态继电器S0.4置1，同时S0.3清零，吊钩停止下降，镀件处于前处理槽中，定时器T37开始计时，15S后，定时满，T37常开触点闭合使状态继电器S0.5置1，同时S0.4清零，Q0.0得电，吊钩开始上升，重复执行上升－右行－下降－延时四个过程，具体操作省略，当在后处理槽30S后，定时器T39得电，状态继电器S1.5置1，同时S1.4清零，Q0.0得电，吊钩开始上升，当碰到XK3行程开关，状态继电器S1.6置1，同时S1.5清零，吊钩停止上升，Q0.3得电，行车开始左行，当左行碰到左限限位开关I0.2，状态继电器S1.7置1，同时S1.6清零，行车停止左行，Q0.1得电，吊钩开始下降，当碰到下限开关I0.1，吊钩停止下降。如果为连续工作方式，M1.0置1，状态继电器S0.1置1，重复执行自动程序。若为单周期操作方式，M1.0清零，状态继电器S0.0置1，停止在原位。四、结语PLC应用于自动化电镀生产线，提高了生产效率，降低了劳动强度，为了适应多种不同镀件的工艺要求，还可编入多套工艺流程，系统的灵活性和通用性强，设计周期短。此控制系统经过两年多的实际运行，具有可靠性高，易操作，易维护等优点，已取得了很好的经济效益，有着广泛的应用前景。国内饮料产量连年递增。随着饮料市场的不断发展,预计到2015年饮料产量将达到3700万吨。然而,饮料行业的快速发展却不能掩盖企业成本压力逐渐加大的事实。纵观国内饮料市场,糖价的上涨和国际石油价格上涨带来的PET价格的上涨,使饮料企业的成本大大提高。尽管如此,没有哪个饮料企业可以毫无顾忌地将产品提价,以防企业在市场竞争中在价格上处于劣势。企业在面对成本的压力时,只能从多方面进行自我消化和调节,而降低包装成本从而缓解一部分成本压力,无疑是许多饮料企业都采取的措施。在这种情况下,饮料行业在包装方面则呈现了一定的变化趋势。整线包装解决方案受到用户更多的重视整线包装解决方案包括:吹瓶、灌装、套标、装箱等,它可以从整线工艺、工程设计规划、人员管理等方面为用户节省包装成本。特别值得一提的是,目前饮料生产企业在市场竞争的压力下,希望通过不断开发新的产品、采用创新的包装形式以适应消费者的需求,进而赢得更广阔的市场。那么在这种情况下,饮料生产企业就必须通过包装线的改变来实现产品包装的变化。我们可以举一些例子:例如饮料企业要改变一种瓶型,将直立瓶改为弧形瓶或者将圆瓶改为方瓶,这些就要求供应商提供从吹瓶、灌装到包装各个环节与之相适应的包装解决方案,使整条生产线都要满足该瓶型的生产要求,此时单一的设备供应商比几家设备供应商能够更快速、更优秀的完成整个改造。关键技术的实现方法311饮料罐恒液位控制[1]设装酒泵流量为q(L/s),则装酒量为Q=qt。当酒瓶大小一致,酒位h应为Q的函数,即h=f(Q)。又由于灌装设备的装酒时间段相等,因此,只要控制装酒泵的流量恒定,则可确保酒瓶中的酒位相等且为常数。由于装饮料罐泵属清水泵系列,其出口压力与出口流量有着一一对应的关系,满足清水泵的H-2Q特性[2](这里H为水泵的扬程即出口压力),因此,只要使装饮料罐泵的出口压力恒定就可保证出饮料罐流量恒定,从而确保了液位恒定,其原理框图如图3所示。这里要说明的是采用压力传感器代替流量传感器,间接地解决了在线检测酒瓶中酒位的难题,而控制精度没有降低,控制方案更为简单。312速度调节控制在速度调节控制中,采用变频新技术,用交流电机取代了原生产线的直流电机,通过改变变频器的控制信号(4～20mA)的方法来实现整个生产线的速度调节和速度设定。其控制系统框图如图4所示,速度调节规律如图5。这里需要说明以下两点:1)当PLC接到堆堵或故障信号时,则送一开关信号K,将减速信号S接入调速回路,S信号具有在规定的时间内均匀地从0增加到速度设定值SP,其增加的斜率将是生产线减速直至停车的斜率;反之,K断开,生产线将在SP的作用下,加速直至预置速度vSP。2)PID控制器为Honeywell公司的E40B控制器,其输入U同时送到M12M26的控制回路,经适配器作为其他电机转速设定值,从而实现了整个生产线的同步协调控制。313其他信号的检测与控制电机的过流保护、生产线的各限位开关、瓶堵等的检测信号以及CO2预压阀、压盖机构等的控制信号均为开关量信号,由C200H完成。应用效果该一体化自动生产线结构紧凑、功能强、控制精度高、操作简便、生产效率高、抗干扰能力强。同时，在自动运行状态下，如发现异常情况，可直接按下急停按钮，PLC具有信号分析处理功能，经逻辑判断后输出一个动作信号，一旦发现疑问，输出信号受阻，生产线就会停止，PLC自动检测输入输出工作情况可很快找到故障点，给维修带来了很大的方便，使生产线的稳定性、可靠性大大提高，且给今后实现生产工艺监控系统，实行全过程动态控制打下了基础。改造后，产量从原来的30桶/小时提高到80桶/小时，产量相应提高了167%。由于生产工艺实现了全过程自动控制，把原来的生产线改为全封闭式生产方式，基本上不于人体接触，降低了二次感染率，因此产品合格率比原来提高了98%。4结论1)该控制系统将恒酒位控制变为恒压力控制,从而节省了投资,简化了控制,装酒误差为±013mm;2)实现了对装酒速度任意调节和设定以及整个生产线的加ö减速和恒速控制,灌装速度为0～180瓶ömin;3)系统还具有手动ö自动转换功能,实现了对整个生产线工艺流程的顺序控制。参考文献[1]李道霖．电气控制与PLC原理及应用[M]．电子工业出版社，2006，（7）．[2]孙海维．SIMATI