装瓶流水线的PLC控制课程设计.doc

电气控制与PLC
课程设计

题 目: 装瓶流水线的PLC控制
院系名称： 电气工程学院
专业班级： 电气
学生姓名： 本人原创
学 号： 20XX23910XXX
指导教师： XX

成绩：

指导老师签名：

日期：

目录

1 系统概述 1
1.1设计的目的 1
1.2设计的内容和要求 1
1.3 实现的目标 2
2 方案论证 3
2.1方案设计 3
2.2方案选择 3
2.3 方案的实现 4
2.3.1可编程控制器的介绍 4
2.3.2 PLC的选型 6
3 硬件设计 8
3.1 PLC的系统原理图 8
3.2 系统设计的主电路 8
3.3 I/O分配表 9
3.4 I/O接口图 10
3.5 元器件选型 10
3.5.1 传感器的选择 10
4软件的设计 11
4.1 梯形图设计 11
4.2 主流程图设计 14
4.3指令语句表 15
5 调试过程及结果 17
设计心得 19
参考文献 20

1 系统概述
1.1设计的目的
工业的技术工艺和自动化水平，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。随着我国瓶装生产设备市场的迅猛发展，与之相关的生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。了解国内外装瓶设备生产技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。
目前我国流水线生产的自动划水平现状不容乐观，国家大力支持企业的自动化应用于产品生产以避免生产企业不按生产工艺生产、规避监管，潜在不安全因素。二是在非GMP流水线厂房生产产品。同类产品、同样配置的设备往往要比国内组装的价格高出60％左右，维修费用要高出5一10倍，且维修周期要比国内产品的长10—20倍以上，设备投资较大，投资同收期较长，这无疑限制了自动化瓶装的使用.如果想改变此现状，要着力消除问题隐患，从生产环节入手，采用自动化生产，自动装瓶机解决了生产中的许多问题。
在瓶装行业中，包装机械产品种类丰富，产品的形状、性质、包装要求等差异很大，且产量大。因此，自动装瓶机品种众多，目前饮料包装设备中，大瓶、规则形状的瓶子自动包装技术已经非常成熟，国内外均有相关设备，但针对异型瓶、异型结构等包装技术则较为有限。PLC通过USS通信协议直接控制电机,不仅能够实现对装瓶机方式运行的控制,而且能够根据需要灵活控制装罐时间,达到节约电能,降低成本,提高生产质量的目的。
1.2设计的内容和要求
有A1～A10选瓶、装瓶、盖盖、贴签、传送（A5-A8）、成品入库(A9)生产线操作工序，用10盏灯来模拟；并有启动/停止、移位（移位到下一工序）、复位按钮（复位到第一道工序）进行操作，如下图所示。采用PLC进行控制，实现自动装瓶流水线工序控制。每5秒一道工序。
工序：按下启动按钮，电机启动，传送带开始工作，当传感器检测到有空瓶（选瓶）时传送至装瓶位，利用5秒时间装瓶，传送至盖盖位，盖瓶盖，传送至贴标签位， 贴标签， 标签，继续传送至成品库。一个工作循环结束。即 A5，A1（传送，选瓶）；具体流程如图所示. 图1-1瓶装流水线的过程

图1-1瓶装流水线的过程
A6，A2（传送，装瓶）； A7，A3（传送，盖盖）；A8，A4（传送，贴标签）；A9（传送）；A10（入库）；

1.3 实现的目标
（1）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（报警方式为红灯以0.3S时间间隔闪烁）。
（3） 用两个传感器和若干个加法器检测并记录空瓶数(小于规定重量的次品)和满瓶数（大于等于规定重量的正品），一旦系统启动，必须记录空瓶数和满瓶数.
（4） 可以手动对计数值及定时器清零（复位）
为了达到方案要求，本设计采用模块法设计，把各个控制部分模块化，再逐个解决各个模块问题。
瓶装流水线基本可分为四个动作机构：主传动机构，自动供瓶机构和自动供盖封盖机构和自动贴签机构。通过以上4个机构的联动实现包装产品传动、选瓶、自动供盖封盖和自动帖签等功能。生产中，主传动机构作为整个生产过程的运输链，连接所有的动作。供瓶、帖签、供盖封盖这三个生产过程都将在这条主传动机构上完成。其中供瓶机构为：从供瓶源头通过主传动传至光电检测其，通过光电检测器检验是否产生检测信号，依次进入装瓶程序，装瓶系统中有三组气缸联动，保证瓶子在设计时间内以正确的方向进入主传动链，之后运送到封盖机构。瓶子到了封盖机构后，开始自动封盖。计数圆盘在步进电机带动下转动所设计的角度，从封盖系统产生封号盖得瓶子，装有实物的的瓶子继续被传动链带至帖签机构。盖子通过传送带和震动器、震动通道依次进入等待区域，钳盖用气缸组将盖子钳起，由步进电机带至瓶子瓶上方，然后由该气缸组与压盖气缸组配合完成整套动作动作。
高速自动装瓶机的自动控制必须满足以下要求：
(1)装瓶速度280瓶/min；
(2)人机界面友好，方便自动控制检测，在一定范围内，可通过输入参数调节生产速度和装瓶的个数；
(3)各动作连贯协调，保证生产顺利；
(4)系统出现故障或需要添加瓶、盖、签时，能自动报警和提示。

2 方案论证
2.1方案设计
根据分析和结合实际，提出了以下两种方案：
（1）手动控制方式
1.装瓶流水线控制系统有10道操作工序，用10盏灯来模拟。
即：A5，A1（传送，选瓶）→A6，A2(传送，装瓶)→A7，A3(传送，盖盖)→A8，A4(传送，贴签)→A9(传送)→A10(入库)。
2.启动，停止，移位为控制输入，控制系统的工作状态；
3.按下启动按钮，手动移位完成一道操作工序，循环两次；
4.按下复位按钮，系统回到第一道工序；
5.按下停止按钮，系统停止工作。
（2）自动控制方式
1.装瓶流水线控制系统有5道操作工序，用灯来模拟。
即：A5，A1(传送，选瓶)→A6，A2(传送，装瓶)→A7，A3(传送，盖盖)→A8，A4(传送，贴签)→A9(传送)→A10（入库）。
2.启动，停止，移位为控制输入，控制系统的工作状态；
3.按下启动按钮，每5S完成一道操作工序，循环两次；
4.按下复位按钮，回到初始工序，重新开始运行；
5.按下停止按钮，系统停止工作。
2.2方案选择
通过对以上两种方案的的优缺点的分析和考量，结合现在国内与国际的基本情况，在保证瓶装质量，瓶装损耗，自动化水平要求，和经济，装罐控制的灵活性，即投入与产出比等因素，现在多元化的产品和市场要求可能在产品包装中需要能够处理模拟量的控制系统，如精确可调或连续的位置量参量等。PLC的功能同样可以处理模拟量的控制。因此，该系统的通用性和可扩展性相当不错。
且自动控制方式有以下特点：
(1)人机界面友好，方便自动控制检测，在一定范围内，可通过输入参数调节生产速度和装瓶瓶数；
(2)各动作连贯协调，保证生产顺利；
(3)系统出现故障或需要添加瓶、盖、帖时，能自动报警和提示。
（4）安全可靠：全自动瓶装流水线由电脑按设计程序控制全过程的操作，完全能够避免人工操作引起的人身，设备事故。
（5）快捷高效：手动：装瓶一般为40S／瓶．全自动装瓶为25S／瓶，它极大的提高了装瓶程序的工作效率。
（6）装瓶质量可靠精确：全自动装瓶机由程序控制，采用仿形超软装瓶工具，能排除人为因素，保证瓶装质量
综上考虑，最终确定选择方案2 即自动控制方式
2.3 方案的实现
2.3.1可编程控制器的介绍
可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而展起来的一种新型工业控制装置，它将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备，并已跃居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。
可编程控制器（简称PLC）是在继电器控制和计算机技术的基础上开发了出来，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种新型工业控制装置。
可编程控制器以其可靠性高，组合灵活，编程简单，维护方便等独特优势被日趋广泛应用于国民经济的各个控制领域，它的应用深度和广度已成为一个国家工业先进水平的重要标志。
由于早期的可编程控制器只是用来取代继电器控制执行逻辑运算、计时、计数等顺序控制功能，因此人们称之为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。国际电工委员会（International Electro Technical Commission）在1985年颁布的可编程控制器标准草案第二稿修改的基础上，于1987年2月进一步完善了PLC的定义，也就是目前被大家认同并且所接受的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下的应用而设计，它采用可编程的存储器，用来执行内部的逻辑运算、顺序控制、定时、计数或算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其相关的外围设备，都是按照易与工业控制系统联成一个整体、易于扩充的原则而设计。
由此可知，可编程控制器PLC的本质就是一台为实现机械工业或生产过程而专门设计的、具有独特功能的软硬件系统的电子计算机。它是基于电子计算机，但不是普通的计算机，普通的计算机进行输入输出信息的变换，只考虑信息的本身，信息的输入输出，只要人机界面友好，如使用多媒体就可以了，而PLC则重点考虑输入输出信息的可靠性、实时性，以及信息的实际应用，另外还必须考虑所使用的环境、便于安装维护、抗干扰等问题。
PLC的产生源于继电器装置,在继电器控制电路之后，出现过可编程序逻辑控制器、顺序控制器。在20世纪60年代，将小型电子计算机通过改变程序（软件）用来做机械工作或生产过程的逻辑控制，但是逻辑控制器综合较难，实现复杂，特别是时序、逻辑关系处理复杂，顺序控制的编程功能靠硬件实现，无法在大规模的集成电路上应用，而基于小型电子计算机的逻辑控制编程复杂，要求编程人员有非常高的编程水平，对工作环境的要求也非常高，无法普及到工控及生产过程中，并且造价昂贵。
1968年，美国通用汽车公司（GM）为适应汽车工业的生产发展的需要，提出了一种新型的控制器代替传统的继电器控制系统的设想，并提出了10条指标：
1）编程简单，可在现场修改程序；
2）维护方便，最好是插件式；
3）可靠性高于继电器控制；
4）体积小于继电器控制柜；
5）可将数据直接送入到管理计算机；
6）在成本上可与继电器竞争；
7）输入可以是交流115V(美国市电)；
8）输出为交流115V, 2A.以上，能直接驱动电磁阀和接触器等；
9）在扩展时，原有的系统只需做很小的变更；
10）用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
以上10条，就是著名的GM10条，实际上它说明了现在可编程控制器最基本的功能：
1）用计算机系统代替继电器控制装置；
2）用软件程序代替硬件接线；
3）输入输出信号可以直接和外界设备相连；
4）结构易于扩展。
1969年，美国数字设备公司（DEC）制成了世界上第一台可编程控制器（PLC），并且在美国通用汽车公司生产线上成功使用，从此，开创了PLC的新时代。1971年和1973年，日本和欧洲开始生产可编程控制器。目前，世界上有成百家公司生产可编程控制器，竞争激烈，PLC的规格、品种和数量都得到了高速的发展。现在，PLC已经广泛应用在生产中。
2.3.2 PLC的选型
1）欧姆龙PLC简介
OMRON C系列PLC产品门类齐、型号多、功能强、适应面广。大致可以分成微型小型、中型和大型四大类产品。整体式结构的微型PLC机是以C20P为代表的机型。叠装式（或称紧凑型）结构的微型机以CJ型机最为典型，它具有超小型和超薄型的尺寸。小型PLC机以P型机和CPM型机最为典型，这两种都属坚固整体型结构。具有体积更小、指令更丰富、性能更优越，通过I/O扩展可实现10~140点输入输出点数的灵活配置，并可连接可编程终端直接从屏幕上进行编程，CPM型机是OMRON产品用户目前选用最多的小型机系列产品。OMRON 中型机以C200H系列最为典型，主要有C200H、C200HS、C200HX、C200HG和C200HE等型号产品。中型机在程序容量，扫描速度和指令功能等方面都优于小型机，除具备小型机的基本功能外，它同时可配置更完善的接口单元模块，如模拟量I/O模块、温度传感器模块、高速记数模块、位置控制模块、通讯联接模块等。可以与上位计算机、下位PLC机及各种外部设备组成具有各种用途的计算机控制系统和工业自动化网络。
在一般的工业控制系统中，小型PLC机要比大、中型机的应用更广泛。在电气设备的控制应用方面，一般采用小型PLC都能够满足需求。
2） 西门子PLC简介
德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
3） 三菱FX系列PLC简介
FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。其中FX2是1991年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构
经过对几家公司生产的PLC主要从应用、价格、可靠性和对现场工作环境及设计资金等各个方面因素的考虑，三菱公司生产的PLC具有体积小，控制灵活，性价比高等优点，可与普通电脑编程通信等。本控制系统选用三菱FX2N--60MR型可编程控制器。
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
输入输出（I/O）点数的估算。I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据童年估计的输入输出点数，再增加10% 20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入5点，输出5点。
存储器容量是可编程序控制器本身提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。
存储器内存储量的估算没固定的公式，许多文献资料中给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10-15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的该着中有足够的空间。
机型的选择：面对众多厂家提出的多种系列、功能各异的PLC产品，其结构、性能、价格各不相同。三菱FX2N-16MR-001型号，其输入输出点分别为8，FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC。他的基本指令执行时间高达0.08us，内置的用户存储器为8K步，可扩展到16K步，最大可以扩展到256个I/O点，有多种特殊功能模块或功能扩展板，可为装箱机提供最大的方便和控制能力。
　A系列三菱PLC: 使用三菱专用顺控芯片（MSP），速度/指令可媲美大型三菱PLC;A2ASCPU支持32个PID回路。而QnASCPU的回路数目无限制，可随内存容量的大小而改变；程序容量由8K步至124K步，如使用存储器卡，QnASCPU则内存量可扩充到2M字节；有多种特殊模块可选择，包括网络，定位控制，高速计数，温度控制等模块。
3 硬件设计
3.1 PLC的系统原理图

图3.1 PLC的系统原理图
本设计采用的是FX2n 系列，FX2n 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先进的系列。由于 FX2n 系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 为大量实际应用而开发的特殊功能。
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程设备组成。大部分PLC还可以配备特殊功能模块，用来完成某些特殊任务。PLC的主要特点：它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
3.2 系统设计的主电路
瓶装流水线基本可分为四个动作机构：主传动机构，自动供瓶机构和自动供盖封盖机构和自动贴签机构。通过以上4个机构的联动实现包装产品传动、选瓶、自动供盖封盖和自动帖签等功能。
图3.2 装瓶流水线的主电路机构
图3.1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继电器提供。
3.3 I/O分配表
装瓶流水线控制的I/O分配表如下所示：
输入
功能
输出
功能
X0
自动启动按钮SB0
Y1
选瓶操作工序A1
X1
移位按钮SB1
Y2
装瓶操作工序A2
X2
复位按钮SB2
Y3
盖盖操作工序A3
X3
手动启动按钮SB3
Y4
贴签操作工序A4
X4
停止按钮SB4
Y5
传送工序A5

Y6
传送工序A6

Y7
传送工序A7

Y10
传送工序A8

Y11
传送工序A9

Y12
成品入库工序A10
表3-3 装瓶流水线控制的I/O分配表

3.4 I/O接口图
其I/O接口图如图3-4 装瓶流水线的I/O接口图

图3-4 装瓶流水线的I/O接口图

3.5 元器件选型
3.5.1 传感器的选择
在设计瓶装流水线的过程中，还需要一检测装置，来检测初始信号，此时就需要传感器来作为检测装置提供信号。瓶装传感器的作用是来检测监测空瓶子是否到来。
传感器的类型有很多，又压力传感器，热传感器，光电传感器等等。查阅相关资料和电气手册，并结合工业现场现状分析，选择光电传感器是它是利用被测物体热辐射引起敏感元件温度的变化进行测量，具有灵敏度高等一系列优点。
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发展，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。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件。
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佳特性的波形，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。
敏感元件
转换元件
接口电路
辅助电器源
电信号
非物理量
图3-5 传感器组成
传感器的组成如图2-2所示：
针对本课题的控制要求，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。
位置的检测有多种方案，可以用光电传感器、摄像头、电阻传感器等，但这些传感器易受环境影响，且自身精度不好控制
瓶装装监测传感器选型为：光电传感器（热型红外线传感器）
采用红外线传感器来监测空瓶子的到来后动作，起到接通开关的作用。它是利用被测物体热辐射引起敏感元件温度的变化进行测量。

4软件的设计
4.1 梯形图设计
如图4-1 装瓶流水线的梯形图 所示:

图4-1 装瓶流水线的梯形图

4.2 主流程图设计
其实现功能的如下：

图4-2 主程序流程图
4.3指令语句表
装瓶流水线的指令语句表如下所示：

5 调试过程及结果
先将PLC程序传入程序控制器中。然后对各个输入I/O给信号处理，看各个输出口是否有相应的输出，如果没有按照设计要求输出，对程序进行更改，直到各输出口有相应的输出。如果有条件的话，用编程软件将程序输入PLC中，在确认PLC的电源，外部接线和程序输入无误的情况下，接通电源，按照流程图的顺序对系统进行调试，最后使整个系统能准确，可靠的工作。
用GX developer的simulator进行仿真，其时序图如下所示：

图5-1程序调试图1

图5-2程序调试图2

图5-3程序调试图3

图5-4程序调试图4

设计心得
通过本次课程设计，对PLC的特点有了更深的理解。利用PLC的特点，对按钮，开关等输入/输出进行控制，实现了自动化控制。本程序运用了左移指令，更加简化了设计的步骤，方便了程序的运行。通过模拟软件GX Developer 设计，实现了装瓶流水线的手动控制和自动控制两种控制方式。在实际过程中，通过装瓶流水线的PLC控制实现了实现了该控制系统能够达到生产所提出的速度和效率要求。并且该控制系统扩展性和通用性良好。
此外，在本次课程设计的仿真环节中，我更深刻地理解和掌握了软件的使用。发现该程序有缺点和不足，例如：该程序的步骤过长，没有简化设计步骤。这使我明白在以后的学习过程中应该更加努力地学习。
经过一周的方案设计，比较，论证，探讨等步骤，经过不懈的努力和反复的验证，终于成功地完成了本次课程设计。通过本次设计我学到了很多，实践出真知。在做的过程中也碰到很多不懂得地方，但是通过请教同学，都能够得到解决！总之，感觉学习真的功夫在平时，不能总是临时抱佛脚，平时认真学了，肯定学的更扎实更深刻！而且在学习的过程中，要多请教同学，互相讨论，能够很好的促进学习提高学习效率！
通过本次设计增加了我对软件进一步的认识，增强了我分析问题，解决问题的能力，当然我清楚的知道，我还有很多应该加强的地方，充分认识到自己的不足，我不会就此满足，我会更进一步的学习，努力增强自身的能力。
参考文献
[1]杨青杰.三菱系列可编程序控制器应用系统设计指南.[M].北京：机械工程出版社,2007.
[2]陈洁.可编程控制器基础及应用.[M].江苏：苏州大学出版社,2006.
[3]吕景泉.可编程控制器及其应用.[M].北京:机械工业出版社,2004.
[4]廖常初.PLC基础及应用[M].北京:机械工业出版社,2004.
[5]吕景泉.可编程控制器及其应用[M].北京:机械工业出版社,2004.
[6]邓志良,刘维亭.电气控制技术与PLC.东南大学出版社, 2002.
[7]陈在平,赵相宾.可编程控制器技术和应用系统设计[M].北京:机械工业出版社,2001.
[8]三菱公司FX2系列可编程序控制器使用手册［Z］.2001.3.

20