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毕业设计-饮料灌装生产线的PLC控制系统设计【完整版】
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唐山工业职业技术学院

毕业设计说明书

设计题目：饮料灌装生产线的PLC控制系统设计

学生姓名： 韩悦 班级 07机电52班
专 业： 机电一体化技术
设计指导教师____张雨新__ _______ ____
设计辅导教师____张雨新____ _____ ____

〔完成日期〕 2021 年 12 月 11 日

前 言
近年来，饮料工业开展迅猛，碳酸饮料、果汁饮料、蔬菜汁饮料、含乳饮料、瓶装饮用水、茶饮料等品种不断丰富，产量上的不断需求使得对设备市场的需求也不断增加。
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。不过，随着时代的开展，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开展。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根底的简单指令形式，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。
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。
目 录
1饮料灌装生产线的PLC控制系统概述 1
2系统总体设计 1
3系统硬件设计 2
3.1PLC及主要外围设备的选择 2
3.1.1 PLC简介 2
3.1.2 PLC的选择原那么 3
3.1.3 PLC型号确定 3
传感器的选择 3
3.2饮料灌装生产线的PLC控制系统的I/O分配 4
3.3饮料灌装生产线的PLC控制系统的外部接线图 5
4系统软件设计 5
4.1系统控制要求简述 5
4.2饮料灌装生产线的PLC控制系统的功能表图 6
4.3梯形图 7
4.4 指令表 8
4.5程序调试 9
总结 12
主要参考文献 13

1饮料灌装生产线的PLC控制系统概述
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。不过，随着时代的开展，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开展。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根底的简单指令形式，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。本设计鉴于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。
2系统总体设计
系统通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，那么传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或灌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。当瓶子定位在灌装设备下时，停顿1s，灌装设备开始工作，灌装过程为5s，灌装过程应有报警显示，5s后停止并不再显示报警。用两个传感器和两个计数器检测记录空瓶数和满瓶数，一旦系统启动，便开始记录空、满瓶数，且空、满瓶数都最多不超过99999999瓶。可以手动对计数值清零。
设计中包括PLC硬件结构设计及PLC控制软件局部设计。
硬件设计局部：
〔1〕分析控制要求，选择对应的传感器及其他部件、并写出I/O功能表；〔2〕选择适宜的PLC机型；〔3〕画出PLC控制系统外部接线图。
软件设计局部：
〔1〕控制系统顺序功能图；〔2〕梯形图；〔3〕指令表。
灌装流水线示意图如下：

图2-1 饮料灌装生产线示意图
3系统硬件设计
3.1PLC及主要外围设备的选择
3.1.1 PLC简介
可编程控制器，简称PLC〔Programmable logic Controller〕,是指以计算机技术为根底的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会公布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC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那么而设计。〞
〔1〕PLC的根本组成可归为四大部件：
①中央处理单元〔CPU板〕——控制器的核心；
②输入部件——连接现场设备与CPU之间的接口电路；
③输出部件——送出PLC运算后得出的控制信息；
④电源部件——为PLC内部电路提供能源。
另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内。

图3-1 PLC的根本组成框图
〔2〕PLC的主要功能：
①逻辑控制；②定时控制；③计数控制；④步进(顺序)控制；⑤PID控制、数据控制；⑥PLC具有数据处理能力、通信和联网；⑦其它PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如定位控制模块、CRT 模块。
〔3〕PLC的主要特点：①可靠性高，抗干扰能力强
②功能完善，适用性强
③易学易用，深受工程技术人员欢送
④系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造五.体积小，重量轻，能耗低
3.1.2 PLC的选择原那么
PLC选择的根本原那么是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最正确上的性能价格比。
(1)合理的结构形式
(2)安装方式的选择
(3)相当的功能要求
(4)响应速度的要求
(5)系统可靠性的要求
(6)机型统一
3.1.3 PLC型号确定
根据确定后的PLC输入/输出接口〔I/O〕数量，本设计选择的机型为松下FP-X L60。
传感器的选择
信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速开展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。
广义地说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。它获得的信息正确与否，直接关系到整个系统的精度。 外界进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。
为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最正确特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。
传感器的组成如图3-2所示：

图3-2 传感器组成
本课题的控制要求，在设计中我选用了两个光电传感器〔空瓶检测传感器、灌装设备处的有无瓶传感器〕用来检测有无饮料瓶通过；还选用了一个重量传感器来检测瓶子是否灌满。
3.2饮料灌装生产线的PLC控制系统的I/O分配
饮料灌装生产线的PLC控制系统的I/O分配如下表3.1、3.2所示。
表3.1 饮料罐装生产流水线控制系统的PLC输入接口功能表：
序号
工位名称
文字符号
输入口
1
起动按钮
SB1
X0
2
停止按钮
SB2
X1
3
空瓶检测传感器开关信号
P0
X2
4
瓶子检测传感器开关信号
P1
X3
5
满瓶检测传感器开关信号
P2
X4
6
原地启动
SB3
X7
7
原地停止
SB4
X8
8
手动清零
SB5
X9
9
过载保护
FR1 FR2 FR3
XA
表3.2 饮料罐装生产流水线控制系统的PLC输出接口功能表:
序号号
工位称
文字符号
输入口
1
电机驱动传送带工作
KM1
Y0
2
灌装设备工作1
KM2
Y1
3
灌装设备工作2
KM3
Y2
4
灌装过程报警显示灯
EL
Y3
5
空瓶检测指示灯
EL1
Y4
6
瓶子到位指示灯
EL2
Y5
7
空瓶已满指示灯
EL3
Y6
3.3饮料灌装生产线的PLC控制系统的外部接线图
饮料灌装生产线的PLC控制系统的外部接线图如图3-3所示。

图3-3饮料灌装生产线控制系统的PLC外部接线图
4系统软件设计
根据控制要求，建立饮料罐装生产流水线PLC控制系统的顺序功能图，表达出各控制对象的动作顺序，并画出主电路图、控制系统功能顺序表图、梯形图，写出指令表。
4.1系统控制要求简述
〔1〕系统通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，那么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秒后停止并不再显示报警.
〔3〕用两个传感器和假设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〕。
4.2饮料灌装生产线的PLC控制系统的功能表图
顺序功能图如图4-1所示：

图4-1 饮料灌装生产线控制系统的顺序功能图
定时器选择：根据已确定的PLC型号松下FP-X L60以及题目要求，该设计中的定时器选用T0、T1
计数器选择：控制要求中提到计数器最大计数值99999999，可见必须选择32位计数器，再根据已确定的PLC型号FP-X L60可选择C1008、C1020。
4.3梯形图

4.4 指令表

4.5程序调试
当按下启动按钮X0，那么程序由R0步变换到R1步，图中准确地表示出此时R1变为活动步，并驱动传送带电机运行，而R0那么变为不活动步。

空瓶计数器计数：

设置位置传感器检测到达预定罐装位置：

当灌装设备下的光电传感器检测到有瓶子到达预定位置时那么传送带驱动电机停转，定时器T0定时1s,为灌装做准备，与图中相符。

灌装过程、定时器T1定时、满瓶计数器计数及报警灯闪：

R5接通时传送带自动启动下一循环：

原地停止原地启动：

总结
用PLC控制饮料灌装生产流水线，考虑了工业现场的环境，性能较稳定，极大地提高了设备的可靠性，而且程序调整修改方便灵活。以上程序可根据控制要求的改变很方便地做出调整与扩充，能适应控制要求的不断更新变化，具有良好的应用前景。
近年来，饮料工业开展迅猛，碳酸饮料、果汁饮料、蔬菜汁饮料、含乳饮料、瓶装饮用水、茶饮料等品种不断丰富，产量上的“飘红〞使得对设备市场的需求也呈“牛市〞。因此，这方面的计术还要进一步开展和完善，以适应现代工业的需要。

主要参考文献
1、张政，?PLC编程技术与工程应用?，北京：机械工业出版社，2021
2、陈伟新，?松下PLC使用说明书?，北京：电子工业出版社， 2007
3、张万忠，?可编程控制器实用技术?，北京：中国电力出版社，2021
4、伍锦荣，?可编程控制器系统应用与维护技术?，华南：理工大学出版社，2021
5、陈伟平，?PLC编程应用根底?，北京：机械工业出版社 ，2021