基于PLC的车间灌装线的机电一体化系统设计

摘要
关于车间灌装线有两种设计方案,我们采用方案二进行设计,即利用PLC和变频器控制电动机转动带动皮带传动，然后将要灌装的瓶传送给灌装机,灌装的瓶子在皮带的传动作用下经过光电传感器，光电传感器检测到第一个瓶子时将信号传送给PLC，控制电机进行停转，恰好到与瓶口对应的罐装位置,此时电磁阀动作打开喷嘴进行灌装,灌装到一定液位时，液位传感器检测到信号后传送给PLC，控制电磁阀关闭。

此时皮带电机开始运转将灌装后的瓶子输送到下一工序，并对下一批输送过来的瓶子进行灌装，循环进行.
目录
第一章绪论
第二章车间灌装线的机电一体化系统设计
2.1总体方案设计
2.2具体方案的介绍
第三章系统设计所需各元件工作原理
3.1液位传感器的选择
3。

2光电传感器的选择
3。

3定时器的选择
3。

4电磁阀的选择
3。

5电动机的选择
3.6 PLC的选择
第四章PLC程序编制
第五章系统常见故障分析及维护
第六章结束语
致谢
第一章绪论
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,产品生产正在向缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方向发展。

在炼油、化工、制药等行业中,车间灌装是必不可少的工序，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。

另外, 生产要求该系统要具有灌装容量精确、控制可靠等特点，这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。

所以为了帮助相关行业，特别是其中的中小型企业实现车间灌装的自动控制, 从而达到高效准确的目的,实现罐装的自动化势必就是摆在我们眼前的一大课题。

我们可以借助实验室设备熟悉工业生产中PLC的应用，了解不同公司的可编程控制器的型号和原理，熟悉其编程方式，熟悉电磁阀、光电传感器、液位传感器的使用，学以致用用于生产.
计算机的出现给大规模工业自动化带来了曙光。

1968年，美国最大的汽车制造厂商通用汽车（GM)公司提出了公开招标方案，设想将功能完备、灵活、通用的计算机技术与继电器便于使用的特点相结合，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化,用面向过程、面向问题的“自然语言”编程，生产一种新型的工业通用控制器，使人们不必花费大量的精力进行计算机编程,也能像继电器那样方便地使用。

这个方案首先得到了美国数字设备（DEC)公司的积极响应,并中标.该公司于1969年研制出了第一台符合招标要求的工业控制器，命名为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller)，简称PLC(有的称为PC）,并在GM公司的汽车自动装配线上试验获得了成功。

PLC一经出现，由于它的自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特优点，备受国内外工程技术人员和工业界厂商的极大关注，生产PLC的厂家云起。

随着大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用,使PLC的功能不断得到增强，产品得到飞速发展。

采用基于PLC的控制系统来取代原来由单片机、继电器等构成的控制系统，采用模块化结构，具有良好的可移植性和可维护性。

对提高企业生产和管理自动水平有很大的帮助，同时又提高了生产线的效率、使用寿命和质量，减少了企业产品质量的波动，因此具有广阔的市场前景。

用PLC进行开关量控制的实例很多,在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需用到它，如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、液体混合自动配料系统、生产流水线等方面的逻辑控制,都广泛应用PLC来取代传统的继电器控制。

本次设计是将PLC用于液体灌装设置的控制，对学习与实用是很好的结合.
本设计的主要研究范围及要求达到的技术参数有(1)使液体灌装机能够实现安全、高效的灌装；（2）满足灌装的各项技术要求；(3）具体内容包括液体
控制方案的设计、软硬件电路的设计、常见故障分析等等。

本课题应解决的主要问题是如何使PLC在液体灌装中实现控制功能,在相关的研究文献报道中用PLC对灌装机进行控制的研究尚不多见,以致人们难以根据它的具体情况,正确选用参数进行系统控制，也就难以满足提高质量和效率、降低成本的要求，本设计就是基于以上问题进行的一些探索.
第二章车间灌装线的机电一体化系统设计
2。

1总体方案设计
整个设计过程是按思想工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务。

设计的编写按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号（GB4728）及其他相关标准和规范编写。

设计原则主要包括：工作条件；工程对电气控制线路提供的具体资料。

系统在保证安全、可靠、稳定、快速的前提下，尽量做到经济、合理、合用，减小设备成本.在方案的选择、元器件的选型时更多的考虑新技术、新产品.控制由人工控制到自动控制,由模拟控制到微机控制，使功能的实现由一到多而且更加趋于完善。

对于本课题来说，如果灌装部分是一个较大规模工业控制系统的改造升级，新控制装置需要根据企业设备和工艺现况来构成并需尽可能的利用旧系统中的元器件。

对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于操作人员迅速掌握.从企业的改造要求可以看出在新控制系统中既需要处理模拟量也需要处理大量的开关量，系统的可靠性要高，人机交互界面友好，应具备数据储存和分析汇总的能力.
要实现整个灌装线的机电一体化系统的设计，需要从怎样实现各电磁阀的开关以及液位传感器的控制这个角度去考虑，现在就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。

2。

2具体方案的介绍
方案一：用计量泵传动系统设计,传动系统原理：计量泵传动系统是一凸轮摇杆机构。

与后链轮共轴的曲柄2带动活塞杆在泵的缸体内上下往复运动，实现液体的吸灌。

当活塞向上运动时，向容器中灌注液体，活塞向下运动时，从贮液槽中吸取液体.而与链轮同轴的凸轮1则通过微动开关控制挡瓶机构的电磁铁。

如图：
1——凸轮2——曲柄3——活塞杆
方案二：利用PLC和变频器控制电动机转动带动皮带传动，然后将要灌装的瓶传送给灌装机，灌装的瓶子在皮带的传动作用下经过光电传感器,光电传感器检测到第一个瓶子时将信号传送给PLC,控制电机进行停转，恰好到与瓶口对应的罐装位置，此时电磁阀动作打开喷嘴进行灌装，灌装到一定液位时，液位传感器检测到信号后传送给PLC，控制电磁阀关闭。

此时皮带电机开始运转将灌装后的瓶子输送到下一工序,并对下一批输送过来的瓶子进行灌装，循环进行。

第三章系统设计所需各元件工作原理
3.1液位传感器的选择:选用美国Honeywell光电液位传感器LLE105000，该传感器内含光电触发电路输出一个开关信号,指示有/ 无液位.工作模式为传感
器内部光反射原理，一个发光二极管（LED）和光接受三极管被包含在传感器前端的半球顶内。

特点：固态技术、尺寸小、开关量输出、预接线、电气上坚固加强型、准确可重复开关点、安装在空间狭小位置、与微处理器兼容、方便安装，减少时间、反向极性，超电压，短路和浪涌保护，固态技术，尺寸小，开关量输出，预接线，电气上坚固加强型,M12 螺纹型. 典型应用自动售货机食品与饮料、压缩机汽车、发电机油位检测、液位传感器基于内反射原理工作，其产品反应速度快，可靠性高,并且经济实惠. LL系列液位传感器采用光电施密特触发器，这种元件能以数字形式指示液体是否存在。

该设备需要使用者提供外部电路保护. LLN系列工业液位传感器适用于存在极端温度、压力、震动或撞击等的恶劣工业应用环境。

该系列采用密封包装，符合IP67规格标准,并且具有反极性和过电压防护.它采用的不锈钢包装延长了使用寿命,且易于清
洗.LLN系列产品不再使用工业上的标准快速连接器。

LLE系列的原理： LLE系列是LL系列的坚固改进型设计，增加了内部保护电路,用户无需外加外部保护电路(如限流电阻),方便使用。

一、光电液位开关LLE系列产品简介：液位传感器可以提供一个开关信号以检测液体的存在与否。

其工作模式为全内反射原理,在装置头部的塑料圆顶内罩有一个LED及探测器，当不存在液体时所有来自LED 的光线全部从圆顶盖内部反射到探测器。

当液体覆盖圆顶时,在圆顶盖/液体边界的有效折光指数发生改变，使得有些LED发出的光逃逸，电压电平开关接收的光线减少，通过高低位开关信号表示液体的有无。

二、光电液位开关LLE系列产品特点： 1、聚矾铸模材质，对多种有害的化学物质及压力的抵抗力强; 2、宽范围测量介质，快速响应，高重复性，准确的液位测量; 3、低成本,无需维护；
4、安装方便。

三、光电液位开关LLE系列应用领域：汽车、重型机械、铁路设备油箱液位检测,机械加工行业；有无润滑和切削油检测，压缩机，冷却液位传感，储存罐高低液位（或满、空)报警等。

3。

2 光电传感器的选择：技术指标
3.3 电磁阀的选择
选用VF4-25型电磁阀
其中“V”表示电磁阀,“F”表示防腐蚀，4表示设计序号,25表示口径（mm）宽度。

相关元件主要技术参数及原理如下:
1。

材质：聚四氟乙烯。

使用介质：硫酸、盐酸、有机溶剂、化学试剂等酸碱性的液体.
2。

介质温度≤150℃/环境温度-20～60°C。

3。

使用电压：AC：220 V50Hz/60Hz DC:24V。

4.功率：AC：2.5KW。

5。

操作方式：常闭：通电打开、断电关闭，动作响应迅速,高频率。

3.4电动机的选择:
1．电动机的类型选择:根据工作条件，选用Y系列三相异步交流电动机。

2. 结构及各部分的作用:一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。

另外还有端盖、风扇、罩壳、机座、接线盒等.定子的作用是用来产生磁场和作电动机的机械支撑。

电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。

定子绕组镶嵌在定子铁心中，通过电流时产生感应电动势,实现电能量转换。

机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。

电动机运行时,因内部损耗而发生的热量通过铁心传给机座，再由机座表面散发到周围空气中。

为了增加散热面积，一般电动机在机座外表面设计为散热片状。

电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。

转子铁心也是作为电动机磁路的一部分.转子绕组的作用是感应电动势,通过电流而产生电磁转矩。

转轴是支撑转子的重量,传递转矩，输出机械功率的主要部件.
3。

原理：电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。

图6—10-1是三相交流异步电动机转子转动的原
理图（图中只示出两根导条），当磁极沿顺时针方向旋转,磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。

电动势的方向由右手定则来确定。

因为运动是相对的,假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。

在电动势的作用下,闭合的导条中就产生电流。

该电流与旋转磁极的磁场相互作用,而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定。

由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。

4. 分类：按其功能可分为驱动电动机和控制电动机;按电能种类分为直流电动机和交流电动机；从电动机的转速与电网电源频率之间的关系来分类可分为同步电动机与异步电动机;按电源相数来分类可分为单相电动机和三相电动机；按防护型式可分为开启式、防护式、封闭式、隔爆式、防水式、潜水式;按安装结构型式可分为卧式、立式、带底脚、带凸缘等;按绝缘等级可分为E级、B级、F 级、H级等
5.电动机功率的选择:电动机的功率选择合适与否，对电动机的正常工作和经济性都有影响。

功率选得过小不能保证工作机正常工作,或使用电动机因超载而过早损坏；功率选得过大则电动机的价格高能力得不到充分发挥，而且因电动机经常不满载运行，其效率和功率因数都较低而造成能自的浪费。

对于载荷比较稳定、长期运转的机械,通常按照电动机的额定功率选择，而不必校验E动机的发热和起动力矩.
3。

5 PLC的选择
就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制.
（1）继电器控制系统
控制功能是用硬件继电器实现的。

继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作,以实现电力拖动装置的自动控制及保护。

系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行,查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大,因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。

（2)单片机控制
单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。

其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。

但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。

要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成
电路和I/O接口电路,硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大.
（3）工业控制计算机控制
工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强,有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。

但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用.且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。

(4)可编程序控制器控制
可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置,只须确定可编程序控制器的硬茧配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。

可编程控制器(PLC)从上个世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统。

随着30多靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动化的首选控制装置。

传统的控制方法是采用继电器—接触器控制。

这种控制系统较复杂，并且大量的硬件接线使系统可靠性降低，也间接地降低了设备的工作效率。

采用可编程控制器较好地解决了这一问题,可编程控制器是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备，不仅能实现对开关量信号的逻辑控制。

还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。

因此，将可编程控制器应用于多种液体混合灌装机，完全能满足控制要求.且具有操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等优点[1]。

在本控制系统中，所需的开关量输入为6点，开关量输出为7点，考虑到系统的可扩展性和维修的方便性，选择模块式PLC。

由于本系统的控制是顺序控制，选用日本松下电工公司生产的AFP12417 PLC作控制单元来控制整个系统。

之所以选择这种PLC，主要考虑FP系列PLC有以下特点［2］:
（1)丰富的指令系统。

在FP系列PLC中，即使是小型机，也具有近200条指令。

除能实现一般的逻辑控制外，还可进行运动控制、复杂数据处理,甚至可直接控制变频器实现电动机调速控制.而且各类PLC产品的指令系统都具有向上兼容性,便于应用程序的移植.
（2）快速的CPU处理速度、大程序容量。

（3）大的网络通信功能。

可直接连接调制解调器，可方便地与其他PLC或上位机连成通信网络，通过上位计算机对生产现场的PLC进行实时监控。

在生产规模较大，所控制的机床达到两台以上时，可采用1：n上位链接通信方式，用一台
计算机管理多台床，构成一个二级分布式集一散控制系统。

（4)编程及监控功能强大、维护简单、价格适中。

国际电工委员会（International Electrotechnical Commission, IEC）颁布的PLC的定义为：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。

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、计数和算数运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出来控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关设备，都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC的一般结构如图3所示，由图可见主要有6个部分组成，包括CPU（中央处理器）、存储器、输入／输出接口电路、电源、外设接口、I/O扩展接口。

(1）中央处理单元（CPU）
与通用计算机中的CPU一样.PLC中的CPU也是整个系统的核心部件，主要有运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成，此外还有外围芯片、总线接口及有关电路。

CPU在很大程度上决定了PLC 的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量等。

（2）存储器存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器.PLC常用的存储器类型有RAM、EPROM、EEPROM等。

(3）I/O模块
输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元.PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系而实现的.输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间传递信息的作用。

通常I/O模块上还有状态显示和I/O接线端子排,以便于连接和监视。

（4）电源模块
输入、输出接口电路是PLC与现场I/O设备相连接的部件。

它的作用是将输入信号转换为PLC能够接收和处理的信号，将CPU送来的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号。

PLC结构图
第四章 PLC程序编制
PLC接线图
PLC梯形图
第五章系统常见故障分析及维护
为了延长PLC控制系统的寿命，在系统设计和生产使用中要对该系统的设备消耗、元器件设备故障发生点有较明白的估计,也就是说,要知道整个系统哪些部件最容易出故障，以便采取措施，希望能对PLC过程控制系统的系统设计和维护有所帮助。

5。

1 系统故障的概念
系统故障一般指整个生产控制系统失效的总和，它又可分为PLC故障和现场生产控制设备故障两部分。

PLC系统包括中央处理器、主机箱、扩展机箱、I／O 模块及相关的网络和外部设备.现场生产控制设备包括I／O端口和现场控制检测设备，如继电器、接触器、阀门、电动机等。

5.2系统故障分析及处理
5.2。

1 PLC主机系统
PLC主机系统最容易发生故障的地方一般在电源系统，电源在连续工作、散热中，电压和电流的波动冲击是不可避免的。

系统总线的损坏主要由于现在PLC 多为插件结构，长期使用插拔模块会造成局部印刷板或底板、接插件接口等处的总线损坏，在空气温度变化、湿度变化的影响下,总线的塑料老化、印刷线路的老化、接触点的氧化等都是系统总线损耗的原因.所以在系统设计和处理系统故
障的时候要考虑到空气、尘埃、紫外线等因素对设备的破坏。

目前PLC的主存储器大多采用可擦写ROM，其使用寿命除了主要与制作工艺相关外,还和底板的供电、CPU模块工艺水平有关。

而PLC的中央处理器目前都采用高性能的处理芯片，故障率已经大大下降。

对于PLC主机系统的故障的预防及处理主要是提高集中控制室的管理水平，加装降温措施，定期除尘，使PLC的外部环境符合其安装运行要求；同时在系统维修时,严格按照操作规程进行操作，谨防人为的对主机系统造成损害.
5.2。

2 PLC的I／O端口
PLC最大的薄弱环节在I／O端口。

PLC的技术优势在于其I／O端口，在主机系统的技术水平相差无几的情况下，I／O模块是体现PLC性能的关键部件，因此它也是PLC损坏中的突出环节.要减少I／O模块的故障就要减少外部各种干扰对其影响，首先要按照其使用的要求进行使用，不可随意减少其外部保护设备，其次分析主要的干扰因素，对主要干扰源要进行隔离或处理。

5。

2.3 现场控制设备
在整个过程控制系统中最容易发生故障地点在现场，现场中最容易出故障的有以下几个方面。

(1）第1类故障点是在继电器、接触器.PLC控制系统的日常维护中，电气备件消耗量最大的为各类继电器或空气开关。

主要原因除产品本身外，就是现场环境比较恶劣，接触器触点易打火或氧化，然后发热变形直至不能使用。

所以减少此类故障应尽量选用高性能继电器，改善元器件使用环境，减少更换的频率，以减少其对系统运行的影响。

(2)第2类故障多发点在阀门等设备上。

因为这类设备的关键执行部位，利用电动执行机构推拉阀门或闸板的位置转换，机械、电气、液压等各环节稍有不到位就会产生误差或故障.长期使用缺乏维护，机械、电气失灵是故障产生的主要原因，因此在系统运行时要加强对此类设备的巡检，发现问题及时处理。

(3)第3类故障点是传感器和仪表，这类故障在控制系统中一般反映在信号的不正常.这类设备安装时信号线的屏蔽层应单端可靠接地,并尽量与动力电缆分开敷设，特别是高干扰的变频器输出电缆，而且要在PIC内部进行软件滤波。

这类故障的发现及处理也和日常点巡检有关,发现问题应及时处理。

5。

3 系统抗干扰性的分析和维护
由于PLC是专门为工业生产环境设计的装置，因此一般不需要再采取特殊措。