基于PLC的饮料灌装生产流水线控制系统的设计论文

基于PLC的饮料灌装生产流水线控制系统的设计摘要PLC 随着计算机和网络通讯技术的发展，企业对生产过程的自动控制和信息通讯提出了更高的要求。

饮料生产线比较复杂，生产环节也很多。

其中饮料的灌装就是饮料生产线上重要的生产环节。

控制系统主要由一台PLC、交流异步电机、液罐、多个灌装状态检测传感器、故障报警蜂鸣器、产量统计显示器等组成。

其中电机用来控制运送饮料瓶的传送带部分。

本控制系统有两个特点：一是输入、输出设备比较多；二是所需实现的控制是顺序逻辑控制、模块控制以及计算统计功能。

西门子S7-300系列PLC在模块控制、高速计数和计算方面的功能较强，实现比较方便。

因此本系统选用了S7-300型号的PLC进行控制，既满足了控制系统所需的I/O点数，又满足了被控对象的控制要求。

采用PLC控制饮料灌装生产线，实现了饮料生产线的自动化、智能化。

对劳动生产率的提高，饮料质量和产量的提高具有深远的意义。

关键词S7-300可编程序控制器（PLC）/自动化/智能化基于PLC的饮料灌装生产流水线控制系统的设计第1章课题背景研究1.1 饮料灌装生产流水线的概述近年来，饮料工业发展迅猛，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。

国外灌装与封口设备向高速发展世界灌装机向高速、多用、高精度方向发展，目前部分灌装生产线已可以在玻璃瓶与塑料容器（聚酯瓶）、碳酸饮料与非碳酸饮料、热灌装与冷灌装等不同要求和环境下作用。

目前碳酸饮料灌装机灌装速度最高已达2000罐／分，德国H＆K公司灌装机的灌装阀多达165头，SEN公司144头，Krones公司178头，灌装机直径大至5米，灌装精度0．5ml以下。

非碳酸饮料灌装机灌装阀50～100头，灌装速度最高达1500罐／分，灌装机料槽转速20～25转／分，速度提高1倍。

可以进行茶饮料、咖啡饮料、豆乳和果汁饮料等多种饮料的热灌装，国外热灌装饮料封口后不再进行二次杀菌。

碳酸饮料常温灌装已酝酿20多年，常温碳酸化可以降低饮料成本，有利环保。

非碳酸饮料充氮系统采用加压方式或液氮滴入方式向铝罐或PET瓶内灌注液氮惰性气体，可以保护内容物，减少营养素的损失。

目前PET瓶装茶饮料通常采用热灌装方法，为了降低灌装温度，提高茶饮料风味，确保产品卫生安全，已开发PET树脂成型使用130℃蒸汽杀菌和特殊灌装头灌装的简便式无菌包装机，同时正在开发冰咖啡等低酸性饮料两片薄壁罐的无菌包装技术，以实现薄壁罐的无菌包装。

国内灌装生产线全方位发展我国饮料灌装设备基本是在引进设备和技术的基础上发展起来的，八十年代，引进各种饮料灌装生产线300多条，包括啤酒灌装线达500多条。

随着工业自动化水平日益提高，众多工业企业均面临着传统生产线的改造和重新设计问题。

PLC是以微处理器为核心的工业控制装置，它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。

作为通用工业控制计算机，其实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，在世界工业控制中发挥着越来越重要的作用.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。

饮料灌装机用于灌装各种各样的瓶装饮料，适合大中型饮料生产厂家，早期的灌装机械大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方法。

这些方法存在一些缺点。

例如：灌装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。

本系统采用的饮料分装计量是通过时间和单位时间流量来确定的，计量精度由PLC控制确定。

PLC控制具有编程简单、工作可靠、使用方便等特点，在工业自动化控制领域广泛应用。

专为PLC应用而实际的触摸屏集主机、输入和输出设备于一体，适合在恶略的工业环境中使用.饮料灌装装置主要包括两部分：恒压储液罐灌液和计数部分。

在恒压储液罐灌液不封，里面有上限液位和下线液位传感器，它们淹没时是1状态。

液面低于下线液位时恒压储液罐为空。

饮料通过进液电磁阀流入恒压储液罐，液面达到上限位时进液电磁阀断电关闭，使液位保持恒定。

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。

随着工业自动化水平日益提高，众多工业企业均面临着传统生产线的改造和重新设计问题。

目前，饮料的灌装伸长已经实现自动化，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，产品生产正向缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方面发展。

因此，饮料厂的自动化灌装生产线中有越来越多的及其在使用先进的灌装技术来提高及其的自动化电气控制水平和生产效率。

PLC是以微处理器为核心的工业控制装置，它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。

作为通用工业控制计算机，其实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，在世界工业控制中发挥着越来越重要的作用。

鉴于此，设计者利用PLC的功能和特点设计出了一款饮料灌装生产流水线控制系统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[3-4]。

不过，随着时代的发展，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发展。

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基础的简单指令形式，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[5-12]。

1.2 生产流水线的概念生产流水线是生产型企业最常用的制造产品的形式，它是由一群人或机器人在一个接一个的完成一项半成品或成品的加工及检验和包装，由于是有些采用行走的输送带承载被加工的物品，因此被称为流水线生产。

1.3 生产流水线的形式及特点(1) 板链式装配流水线特点：承载的产品比较重，和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡；生产的节拍不是很快；以链板面作为承载，可以实现产品的平稳输送。

(2) 滚筒式流水线特点：承载的产品类型广泛，所受限制少；与阻挡器配合使用，可以实现产品的连续、节拍运行以及积放的功能；采用顶升平移装置，可以实现产品的离线返修或检测而不影响整个流水线的运行。

(3) 皮带式流水线特点：承载的产品比较轻，形状限制少；和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡转向；以皮带作为载体和输送，可以实现产品的平稳输送，噪音小；可以实现轻型物料或产品较长距离的输送。

(4) 差速输送流水线特点：差速输送流水线采用倍速链牵引，工装板可以自由传送，采用阻挡器定位使工件自由运动或停止，工件在两端可以自动顶升，横移过渡。

还可以在线可设旋转、专机、检测设备、机械手等。

第2章课题研究内容2.1 设计要求本课题对饮料罐装生产流水线的硬件和软件进行了设计。

其中硬件设计包括三菱S7-300 PLC外部电路的设计与安装；软件部分包括程序的设计与调试。

根据系统的要求对PLC、电动机、传感器等外部设备进行选型。

设计好的饮料灌装生产流水线能够实现以下目的：（1）系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待灌装的饮料瓶被传送至灌装设备下时停止；瓶子装满饮料并上盖后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到下一个待灌装的饮料瓶被传送至灌装设备下或停止开关动作；（2）当瓶子定位在灌装设备下时，停顿1s，灌装设备开始工作，对于大瓶灌装8秒钟，小瓶则灌装5秒钟，待灌装过程完毕再对饮料瓶进行上盖，上盖时间为2秒钟。

整个灌装和上盖过程应有报警显示，待上盖完毕后不再显示报警；报警方式为红灯以0.5s间隔闪烁；（3）包装上，对于小瓶：40瓶为一大包，30瓶为一中包，20瓶为一小包；对于大瓶：20瓶为一大包，15瓶为一中包10瓶为一小包；（4）能够实现对生产产品进行自动记数并可以手动对计数器清零。

2.2 饮料灌装生产流水线模型饮料灌装自动化生产线示意图如图1-1所示。

生产线由瓶子传送带和灌装液罐组成，传送带由电动机驱动，可以正转和反转。

电动机正转时，传送的瓶子依次通过空瓶、灌装、满瓶和终端4个工位。

自动化生产线的控制台可以用普通的控制面板实现，也可以用HMI（人机界面）设备实现。

控制面板上有启动/停止按钮、急停按钮、下位/上位选择开关、手动/自动选择开关、正反转点动按钮、故障复位按钮、计数清零按钮及各种指示灯等。

图1-1 饮料灌装生产流水线模型欲完成以上的控制动作，需要通过可编程控制器来对生产线的控制。

2.3 可编程控制器的产生和定义可编程控制器的缩写为PLC（Programable Logical Controller），是将计算机技术、自动化技术和通信技术融为一体，专为工业环境下应用而设计的控制设备。

20世纪60年代，生产过程及各种设备的控制主要是继电器控制系统。

继电器控制简单、实用，但存在着明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难以实现较复杂的控制特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，一旦动作顺序或生产工艺发生变化时，就必须进行重新设计、布线、装配和调试，所以通用性和灵活性较差。

生产上迫切需要一种使用方便灵活、性能完善、工作可靠的新一代生产过程自动控制系统。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数宇公司研制出了第一代可编程序控制器，它具有逻辑运算、定时、计数等顺序等功能。

20世纪80年代后，由于计算机技术的迅猛的发展，PLC采用通用微处理器为核心，具有了函数运算、高速计数、中断技术、PID控制等功能，称为PC(Programable Controller) 即可编程控制器。

但由于PC（Personal Computer）已成为个人计算机的代名词，为了不与之混淆，人们习惯上仍将可编程控制器称为PLC。