饮料罐装生产流水线PLC控制设计.doc

饮料罐装生产流水线PLC控制设计
2012 ~ 2013 学年 第 一 学期

《 电气控制与PLC 》
课 程 设 计 报 告

题 目：饮料罐装生产流水线的PLC控制
专 业： 电气工程与其自动化
班 级： 09电气工程与其自动化
姓 名： 魏金雨、邬鹏、吴东升、吴庆利
指导教师： 江春红 李铁玲

电气工程系
2012年11月2日

课题名称
饮料罐装生产流水线的PLC控制
指导教师（职称）

执行时间
2012~2013学年 第1学期 第 12 周
学生姓名
学号
承担任务
魏金雨
0909141058
查找资料与提出问题
邬鹏
0909141059
利用PLC画出梯形图与指令图
吴东升
0909141060
编写程序
吴庆利
0909141061
画出原理图与I/O配置接线图

设计目的

1、了解饮料罐装生产流水线的PLC控制的设计原理。
2、掌握饮料罐装生产流水线的PLC控制的设计方法。
3、加深理解PLC的程序编写
4、学会熟练掌握应用PLC画出梯形图与指令图

设计要求

1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；
2. 系统有启动、停止功能；
3. 运用功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；
4. 程序结构与控制功能自行创新设计；
5. 进行系统调试，实现饮料罐装生产流水线的PLC控制要求。

摘 要

饮料罐装生产流水线的PLC控制：文章探讨了如何利用日本三菱PLC 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 端口分配表以与整体程序流程图等，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。
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。
关键词：PLC；自动化饮料灌装生产线；系统硬件接线图；I/O 端；分配表

目 录

一、系统概况··········································5
1、生产工艺与流程······································5
二、设计任务··········································5
1、课题内容···········································5
2、控制要求···········································5
3、课题要求···········································5
三、总体设计方案·······································6
1、饮料灌装流水线的基本结构······························6
2、选择电器元件········································7
3、流水线灌装的工作原理·································8
4、系统流程图··········································9
四、电气控制电路设计····································10
1、电控系统与原理图设计·································10
五、PLC设计···········································11
1、选择PLC············································11
2、I/O点的编号分配和PLC外部接线图·······················12
3、控制面板图·········································12
4、梯形图·············································13
5、指令表·············································16
六、结论··············································19
参考书目··············································19

正 文
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、生产工艺与流程
　　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（与罐满）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。
二、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，写出程序流程图与代码
（4） 完成课程设计说明书
三、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。

图1 灌装流水线基本结构图

图2 灌装流水线基本结构图

图3 灌装流水线的基本结构图
2、选择电器元件
（1）电动机的选择
电动机M1型号为Y132M-4，额定电压为交流380V，额定电流为15A，频率为50HZ，功率为7.5KW，转速为1440r/min。
电动机M2型号为Y90S-4，额定电压为交流380V，额定电流为2.8A，频率为50HZ，功率为1.1KW，转速为1440r/min。
电动机M3选与电动机M2一样的型号即可。
（2）断路器的作用：断路器的作用是切断和接通负荷电路，以与切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。而高压断路器要开断1500V，电流为1500-2000A的电弧，这些电弧可拉长至2m仍然继续燃烧不熄灭。故灭弧是高压断路器必须解决的问题。 吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离，另一方面通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度。
断路器选用原则；
1）空开额定工作电压大于等于线路额定电压
2）空开额定电流大于等于线路负载电流
3）空开电磁脱扣器整定电流大于等于负载最大峰值电流（负载短路时电流值达到脱扣器整定值时，空开瞬时跳闸。一般D型代号的空开出厂时，电磁脱扣器整定电流值为额定电流的8-12倍。）也就是说短路跳闸而电机启动电流是可以避开的。
根据三个电动机的额定电流，选择断路器QF1、QF2、QF3的型号如表 所示。并根据PLC和变压器选择QF4和QF5的型号。
（3）热继电器FR1、FR2、FR3
主电动机M1的额定电流15A，FR1可以选用JR16，热元件电流为20A，电
流整定范围为14~22A工作时将额定电流调整为15A。同理，FR2可选用JR10-10型热继电器，热元件电流为2A，电流整定范围为0.45~2A工作时将额定电压调整为1.1A。FR3的型号和FR2相同。

电器元件与其型号如表1所示。
表 1 电器元件明细表

符 号
名 称
型 号
数 量
M1
主传送带电动机
Y132M—4
1
M2
灌装装置电动机
Y90S—4
1
M3
次品传送带电动机
Y90S—4
1
QF1
断路器
NS100N
1
QF2
断路器
NS80N
1
QF3
断路器
NS80N
１
QF4
断路器
NS20N
1
QF5
断路器
NS10N
1
FR1
热继电器
JR16
1
FR2
热继电器
JR10-10
1
FR3
热继电器
JR10-10
1
SB1～SB3
按钮
LA10-1K
3
SB5～SB7
按钮
LA10-1K
3

3、流水线灌装的工作原理
灌装流水线的运作是通过电磁阀和电动机来控制的。
4、系统流程图
开始
自动/手动
按下起动按钮SB1
按下起动按钮SB2
传送带运行
到达灌装处
延时1.1秒
灌装饮料
灌装时间到
传送带运行
按下停止按钮SB0
结束
检测到饮料罐
松开SB2、按下SB4
灌装饮料
饮料灌满
松开SB4
结束
自动
手动
否
是
是Y
否
是Y
是Y
否
否

图 5 系统流程图
流程图说明：系统分自动和手动两种模式，在手动模式下，由SB2按钮控制启动主传送带电动机，到达灌装位置后，松开SB2，再按下按钮SB3，灌装装置开始动作；再自动模式下按下按钮SB5启动主传送带电动机，当定位传感器检测到饮料瓶后，主传送带停止，灌装装置开始动作，定时时间到达以后，灌装装置自动停止，住传送带再次运动。
四、电气控制电路设计
1、电控系统与原理图设计
图6中断路器QF1、QF2、QF3、QF4、QF5将三相电源引入，同时QF1、QF2、QF3、QF4、QF5为电路提供短路保护。电动机的过载保护分别由三个热继电器提供。

图 6电气控制原理图
系统通过按钮设定为自动操作模式和手动操作模式。
（1）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，传送带驱动电机自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。
（2）手动操作模式
手动模式下，由SB2按钮控制启动主传送带电动机，到达灌装位置后，松开SB2，再按下按钮SB3，灌装装置开始动作，通过定时器控制灌装时间，灌装时间到达后，整个流水线停止，直到再次按下启动按钮，流水线才运作。手动模式可以用于自动模式启动前的系统调整。
（3）报警
当灌装装置开始灌装饮料时，报警装置得到PLC输出信号，此时，报警灯亮，开始报警，5秒钟以后，灌装结束，同时报警结束。
（4）计数过程
计数过程需记录满瓶数和次品瓶数，主要是以红外发光二极管和微波液位计作为传感器，记录所有瓶数的技术原理是当红外线接收管受到红外线的照射时，其本身的电阻很小，呈低阻值，电路导通，当红外发射头与接收头中间没有物品挡住时红外接收到红外线照射，呈现低电阻，发出一个高电平信号，计数装置计一次数。当有物体经过红外发射与接收的中间时，由于红外线被挡住，红外接收管呈现大的阻值，电路断开，这时红外接收管发出一个低电平信号。当物体过完之后又回到原来的状态。计数装置由8个十进制计数器组成，当计数到99999999时，再计数一次，计数器溢出。计数最多不超过99999999。记录次品瓶数的技术原理是当检测到有次品时，微波接受装置发出信号给PLC，PLC的寄存器值加一，同时，所有瓶数减去次品瓶数便得出了可满瓶数，把满瓶数也放入另一个寄存器中。这就是记录满瓶数和次品瓶数的技术原理。电路设置了手动复位按钮，计数器正常计数时是低电平，按下复位按钮后，复位端变成高电平，使计数器复位，实现手动对计数器清零。
五、PLC设计
1、选择PLC
三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一。该公司的生产的系列机型，属于高性能叠装式机型，是三菱公司上网典型产品，系列PLC具有数十种编程元件。系列PLC编程元件的编号分为两部分：第一部分是代表功能的字母。如输入继电器用“X”表示、输出见电器用“Y”表示。第二部分为数字，数字为该类器件的序号。根据所需的用户输入输出设备与I/O点数，选择FX2N—16MR—001型PLC就可以满足控制系统的要求。

图 7 PLC外部接线示意图
2、I/O点的编号分配和PLC外部接线图
I/O点的编号分配如表2所示。
表 2 I/O点的编号分配表

输入
输出
定位传感器 X000
手动/自动切换SB1 X001
手动传送带SB2 X002
手动灌装SB3 X003
次品检测传感器 X004
自动启动SB5 X005
停止SB6 X006
复位SB7 X007
传送带电动机KM1 Y000
灌装电动机KM2 Y001
报警灯 Y002
下降电磁阀YV1 Y003
上升电磁阀YV2 Y004
次品推动电磁阀YV3 Y005
灌装电磁阀YV4 Y006
次品传送带电动机KM3 Y007

3、PLC的外部接线图如图8所示。

图8 PLC的外部接线图
4、梯形图

5、指令表
根据梯形图所得指令表如下：
0 LD M8002
1 OR X007
2 SET M2
3 MOV K0 D100
8 LD M2
9 MC N0 M2
12 LD X005
13 OR M1
14 ANI X006
15 ANI X007
16 OUT M1
17 LD M1
18 ANI M30
19 ANI M60
20 OUT M10
21 LD X000
22 OR M30
23 ANI T4
24 OUT M30
25 OUT T0
SP K10
28 OUT M50
29 LD T0
30 MPS
31 ANI TI
32 OUT M11
33 MRD
ANI T1
35 OUT M12
36 MPP
37 OUT T1
SP K50
40 LD T1
41 OUT T4
SP K10
44 OUT M40
45 MCR N0
47 LD M3
48 MC N1 M3
51 LD X002
52 ANI M31
53 ANI M60
54 OUT M20
55 LD X003
56 OR M31
57 ANI T5
58 OUT M31
59 OUT T2
SP K10
62 OUT M51
63 LD T2
64 MPS
65 ANI T3
66 OUT M22
67 MRD
68 ANI T3
69 OUT M21
70 MPP
71 OUT T3
SP K50
74 LD T3
75 OUT T5
SP K10
78 OUT M41
79 MCR N1
81 LD X001
82 SET M3
83 RST M2
84 LD M30
85 OR M31
86 OUT C200 K99999999
91 ADDP D101 K1 D101
98 LD X004
99 ADDP D100 K1
106 SUBP C200 D100
113 SET M60
114 LD M60
115 OUT T6
SP K10
118 LD T6
119 RST M60
120 LD M20
121 OR M10
122 OUT Y000
123 LD M30
124 OR M31
125 OUT Y001
126 LD M12
127 OR M22
128 OUT Y002
129 LD M11
130 OR M21
131 OUT Y006
132 LD M40
133 OR M41
134 OUT Y004
135 LD M50
136 OR M51
137 OUT YOO3
138 LD M60
139 OUT Y005
140 OUT Y007
141 LD X007
142 OR C200
143 RST M3
144 RST C200
146 END

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±013 mm;
2) 实现了对装酒速度任意调节和设定以与整个生产线的加ö减速和恒速控制, 灌装速度为0～ 180瓶öm in;
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 原理与应用[M]．电子工业出版社，2006，（7）．
[2]孙海维．SIMATIC 可编程控制器与应用[M]．机械工业出版社，2005，（1）．
[3]廖常初．可编程控制应用技术[M]．重庆大学出版社，2002，（3）．
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[5]孙平．可编程控制器原理与应用[M]．高等教育出版社，2004，（8）．
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[8]马小军主编. 《建筑电气控制技术》.[M] 北京：机械工业出版社，2003
[9]张万忠，刘明芹. 电器与PLC控制技术[M]. 北京：化学工业出版社。2003
[10]程周. 可编程序控制器原理与应用[M]. 北京：高等教育出版社， 2003年

总结：
一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，和同学们相互探讨，相互学习。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
这次的课程设计虽然时间紧任务重，但是让我学到了不少知识。从开始不知如何动手去做，一次次翻书，找到了 一点点门路，画起了草图。在紧迫的时间内，放弃其他事情，坚持了下来，在要求的时间内，经过反复修改终于设计了出来。另外，经过这次课程设计，我学会了团结同学，我感受到了团体力量的强大，这次设计的成功，使我深切的感受到了学习和实践的乐趣，对我以后的学习产生了积极的推动作用。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

答辩记录与评分表

课题名称
饮料罐装生产流水线的PLC控制
答辩教师（职称）

答辩时间

答

辩

记

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评 分 表
学生姓名
学号
评分
魏金雨
0909141058

邬鹏
0909141059

吴东升
0909141060

吴庆利
0909141061

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