1、啤酒灌裝生產線的PLC控制系統設計摘要本次論文設計在現有的啤酒灌裝生產線控制系統的基礎上，通過對自動控 制系統的研究設計出一套基于PLC與變頻器控制的啤酒罐裝生產線控制系統c 論文首先說明了課題的意義，國內外發展的狀況，課題研究的內容以及關于啤 酒灌裝生產線運動的控制要求。接著，根據啤酒的生化特性，設計出適合啤酒 灌裝的啤酒灌裝機，也對灌裝機的灌裝過程做了一定簡要的說明。然后設計出 一個包含傳送帶與灌裝機的灌裝生產線工藝圖，再根據控制要求采用PLC作為 控制器設計出實現啤酒灌裝生產過程的控制電路。本文對灌裝控制過程中涉及 到的各個細節進行了詳細的論述，尤其在速度控制調節進行了大量的說明。在 詳

2、細的說明了整個灌裝控制過程的同時，最后還給出了實現整個控制過程的程 序。程序設計是按照控制實現不同的功能進行分塊作為子程序來設計的。由于 啤酒生產線的速度調節沒有連接實物，沒有速度反饋進行比較調節，無法做到 對速度的恒速控制仿真，在最后章節中僅對啤酒灌裝機內液面進行模擬仿真。關鍵字：PLC變頻器 生產線設計工藝圖 控制線路 程序 仿真The Design of PLC ControlSystem of Beer Production LineABSTRACTBased on the present control system of cairned beer production line,

3、this paper works out a production line control system by adopting modem automatic control methods. It is in the light of PLC and the control of fiequency converter. In the first place, the paper sets out the significance of this subject, and then its development at home and abroad. In addition, the

4、content of this subject and the requirement of canned beer production line's movement are included in it. According to beer's biochemical characteristics, the design of a beer filler comes out, with a simple instmction of the process of filling. Next, tliis paper designs a production line ch

5、ait containing conveyer belt and filler. According to the control requiiements, it canies out a control circuit adapting PLC as the controller. Except for the detailed process of filling, this paper presents the routine of process and its emulation, especially in speed contiol adjustment. Tlie routi

6、ne is classified based on different ftmctions. Short of the physical model and speed feedback, the speed adjustment of beer production line caift cany out a constant-speed contiol. Therefore, this paper only simulates cylinder of the beer filler in the last chapter.Key Words: PLC The inverter Produc

7、tion line process design Control ciicuit The program The simulation第一章緒論11.1課題研究的意義11.2國內外發展狀況11.3本課題的研究內容2第二章啤酒特性及其灌裝原理的分析32.1啤酒的物理特性32.2啤酒罐裝方法選擇32.3灌裝原理分析及灌裝機的設計42.3.1灌裝原理的分析42.3.2罐裝機的設計42.3.3罐裝機工作過程5第三章啤酒灌裝生產線的工藝設計3.1啤酒灌裝生產線的工藝設計圖63.2灌裝過程俯視平面圖63.3星輪與旋轉灌裝機同步轉動設計7第四章啤酒灌裝生產線控制系統的電路設計4.1啤酒罐裝生產線的控制要求9

8、4.2主電路的分析與設計94.3控制電路的分析與設計114.3.1對傳送帶速度控制的分析114.3.2對灌裝機旋轉速度控制的分析114.3.3對液缸內液位控制的分析114.3.4控制電路的設計124.4輸入輸出I/O分配144.5控制電路設備的端子接線及參數設置154.5.1編碼器164.5.2變頻器接線及其參數設置164.5.3 EM235的端子接線184.5.4傳感器184.5.5真空泵1920第五章啤酒灌裝生產線的軟件設計5.1啤酒灌裝生產線程序流程圖205. 2對程序進行向導參數配置215.2.1對脈沖輸出口 Q0.0進行向導配置215.2.2對灌裝機速度控制PID運算參數設置225.

9、2.3對液面高度控制PID運算參數設置225.3生產線控制畫面組態23第六章控制系統仿真24第七章總結與展望25參考文獻26附錄27致謝39天津理工大學2011屆本科畢業設計說明書第一章緒論1.1課題研究的意義隨著電力電子技術、計算機技術，自動控制技術的迅速發展，眾多工業企業均面臨著 傳統生產線的改造和重新設計的問題。各行各業的企業、工廠為了提高產品質量，縮短生產 周期，適應產品迅速更新換代的要求，產品生產正朝著縮短生產周期、降低成本、提高生產 質量等方面發展。因此，啤酒廠的|動化灌裝生產線中有越來越多的企業在使用先進的灌裝 技術來提高機器的動化控制水平和生產效率。課題采用的PLC是以微處理器

10、為核心的工 業控制裝置，它將傳統的繼電器控制系統與計算機技術結合在一起，設計啤酒自動灌裝生產 線控制系統，通過軟硬件的結合實現對啤酒大批最生產的同時，罐裝灌裝過程更加半穩、灌 裝工藝更加嚴密，次品、廢品明顯的減少，對實際工業生產產生巨大的作用。具體表現有：（1）提高生產效率。通過啤酒灌裝自動化生產線，啤酒生產不需要人工的干預，減少 人力資源，同時生產的速度要遠遠高出人工操作。（2）改善工作的環境。實施自動化控制后，生產現場不再需要人工對每一個環節進行 實時的操作，只需要工作人員在控制室內監測生產線就可以。（3）提高管理水半。由于監控系統對整個灌裝運行情況進行了歷史記錄，管理人員可 以隨時調出來

11、進行分析，可以逐步的對生產經營進行改善，大大的提高了生產管理的水平。1.2國內外發展狀況國外啤酒罐裝設備發展較為完善，機電一體化、管理與控制相結合是當前國外生產發 展的趨勢。如美國的H iranWaller公司、徳國的Genokaise公司和丨丨本的小森機械公司都實 現了啤酒罐裝生產線的全面計算機控制與管理。當前啤酒、飲料包裝計算機化的發展方向是 CIM （Computer Integrated Manufactiuing） , CIM是一個采集、管理和處理、發送各類數據 的綜合系統，它有效地將機器人技術、口動操作系統、監視系統、自動分叉技術和計算機協 調中心等高尖端應用技術應用于整個啤酒包裝

12、領域，國外啤酒的計算機控制正走向成熟和完 善階段。我國建國以后，陸續建立了一些灌裝設備生產廠。80年代初，國家開始積極引進國外 先進罐裝技術，不少國有、集體企業陸續轉行進入灌裝機制造行業，他們具備較強的機械制 造、設計能力，但是缺乏灌裝機制造行業的專業技術和經驗。20多年來，多數企業主要是 通過測繪仿制來研發和生產產品，新產品研發力星薄弱。近兒年來，我國啤酒產業得到了迅 速的發展，出現了年產80萬噸的大型啤酒生產企業（燕京啤酒集團）。大型啤酒企業對啤 酒灌裝線的自動化程度和速度都提出了更高的要求。但是，我國的啤酒罐裝機械還存在白動 化程度低、速度慢、破瓶率高、系統運行不穩定等缺陷。隨著集散控制

13、系統的門益完善，PLC在工業控制領域應用的I益廣泛，使我們利用先進控制技術改進口動化灌裝生產線的螢 制系統，彌補其不足成為可能。1.3本課題的研究內容本課題的目的就是采用現代流行的先進控制技術，設計啤酒門動生產線的控制系統，通 過控制器的控制實現啤酒自動化生產的控制。利用PLC作為控制器，結合傳感器、變頻 器、變頻電機等電氣設備在保證啤酒生化特性不變質、變味的情況下嚴格的按照啤酒灌裝的 工藝進行灌裝。要求PLC能控制灌裝機灌裝的速度以及傳送帶的速度，并且保證傳送帶輸 送啤酒空瓶能準確有效的傳送到灌裝機的灌裝閥下。灌裝結束以后，滿瓶必須有序地從灌裝 機出來，傳到傳送帶上，傳送帶將灌滿的瓶子傳給下

14、一道工藝。#夭津理工大學2014屆本科畢業設計說明巧第二章啤酒特性及其灌裝原理的分析2. 1啤酒的物理特性啤酒以大麥芽、酒花、水為主要原料，經酵母發酵作用釀制而成的飽含二氧化碳的低酒 精度酒。它的基體是水，應遵循流體力學的基本定理，如能量守恒、流體連續和力平衡等。由于它的主體是微生物和生化反應的代謝物以及某些無機物，其中微生物和代謝物中的 二氧化碳和蛋白質，是啤酒灌裝過程中必須正視的主要因素，這也是啤酒灌裝區別于其它液 態食品淋裝的難度所在。啤酒灌裝過程中由空氣中氣氣的進入對啤酒質最的危害是致命性 的，如果瓶內空氣不能處理得當，生產出來的啤酒將不適于飲用，共至變質危害人體的健 康。為此，我們需

15、采取一定的手段，如盡量減少增氧量以減少微生物的生存空間。以下捉出 啤酒灌裝過程需要注意的事項以及相應措施。灌裝時必須注意以下內容：（1）避免啤酒損失，減少浪費，提高經濟效益：（2）保證額定灌裝最，為此必須保證灌裝酒料過程速度恒定；（3）保持啤酒內在品質，這主要是考慮啤酒的生化特性；為此必須采取相應的措施：（1）防止啤酒染菌，必須保證灌裝工作臺、灌裝機內部的干凈整潔；（2）防止啤酒接觸空氣而氧化，考慮抽真空以及沖入二氧化碳氣體：（3）防止啤酒中的CO2損失，保證灌裝閥與啤酒瓶之間斥緊。特別需要注意的是，應盡可能地避免啤酒以任何形式與氧接觸，即使是很少的吸氧，都 會極為敏感地影響啤酒的質量和保存期

16、。因此，一定要想方設法將啤酒在灌裝過程中的吸氧 量控制在最低限度。有關設備制造工業部門，采用了各種各樣以限制啤酒吸氧為目的的技術手段，如一次或 多次抽真空技術以及其它類似的措施等。所有這些都是為了使啤酒與空氣隔絕，以保持啤酒 的原有品質。2.2啤酒灌裝方法的選擇每種飲料的灌裝方法不盡相冋，針對特定的飲料就需要特定的灌裝方法。上一小節已經 說明啤酒是一種經酵母發酵釀造而成的酒料，對空氣中氣體極為敏感，在灌裝過程中需要嚴 密的控制。只有從它的基本特性考慮，選取合適、正確地灌裝方法，才能保證灌裝出來的啤 酒能飲用【/I。目前，液休常見的灌裝方法有以下幾種方式：3天津理工大學2011屆本科畢業設計說明

17、書（1）常壓罐裝法。常圧法也叫做純重力法，即在常圧下，液料依靠自重流進啤酒瓶 內。大部分能流動的不含氣體的液料都用此方法來灌裝，例如白酒、果酒、牛奶、醬油，醋 等等。（2）等壓灌裝法。這種方法首先對啤酒瓶進行充氣，當瓶子和儲灑槽之間達到壓力平 衡時，啤酒依靠液位差（即自重）自然地流入瓶子中。這種方法普遍應用丁含氣體的飲料 中，如啤酒、汽水、汽酒等的灌裝。此種方法可以減少這類產品中所含有的二氧化碳的損 失，并能夠防止灌裝過程中過量氣泡影響產品對的質量和定量精度。（3）真空灌裝法。真空灌裝時，瓶子內圧力為負壓。液體因為這一很小的負圧而被吸 入瓶內。這種方法通常用來灌裝較稀易流動的不含氣的飲料，如牛

18、奶，果汁，葡萄酒等（4）壓力灌裝法。利用外部的機械壓力將液體產品填充到瓶子內，它適用于灌裝比較 粘稠物料，例如牙膏、豆瓣醬、香脂等等I®。經過對啤酒灌裝工藝要求進行全面的分析，再結合對啤酒的生化特性做出考慮以后，本 人決定對啤酒灌裝采用第二種灌裝方法，即利用抽真空、用CO?來背壓的等壓灌裝方法。2.3灌裝原理分析及灌裝機的設計以上己經對啤酒的生化特性做了具體的分析，也得出了啤酒罐裝的方法。在這里，將根 據啤酒灌裝所選用的方法對灌裝機設計做出說明。以下對灌裝原理以及灌裝機設計做具體的 分析。2.3.1灌裝原理的分析灌裝是將液缸內液料裝入瓶中的過程。根據啤酒罐裝的控制要求，這個過程必須保

19、證灌 裝時的嚴密性。設計灌裝機的方法是采用抽真空、CO2做背床。具體設計思路是：在灌裝 閥將啤酒瓶斥緊密封完好的條件下，抽真空閥打開，在酒瓶與真空通道之間形成一個通路， 瓶中的空氣通過這條通路排出酒外，在酒瓶中形成真空，在設定時間達到時，抽真空閥桿關 閉，抽真空結束：接著充氣閥打開，在酒瓶與灌裝機內氣缸的CO2空間形成一個通路，CO2 通過這個通路充進瓶中，在設定時間達到后時瓶內CO2與灌裝缸內壓力相等，充氣閥關 閉，CO2充氣完畢；液體閥打開，在酒瓶與罐裝缸之間形成一個通路，物料由此通路進入瓶 中，同時瓶中的CO2以同等的速度經回氣管流回灌裝缸，直到瓶中物料上升漫過回氣管形 成壓力平衡，瓶中

20、壓縮后的CO2封住物料繼續流出；灌裝完后的瓶子經一定時間靜置后， 關閉液體閥，切斷液料缸與瓶子之間的通路；泄壓閥打開，從而在酒瓶與大氣之間形成一條 通路，酒瓶中的壓力由此得到釋放。2.3.2灌裝機的設計人津理工大學2014屆本科畢業設計說明站上一小節對灌裝過程分析后，這里做出灌裝機的設計。本設計中，設計的灌裝機共有4 個灌裝閥，灌裝機內從上到下按順序依次是充氣（CO2）缸、液缸、真空缸。下圖僅僅描述 了一個灌裝閥，剩余的其他灌裝閥設計結構完全相同。1定中裝置2卸壓閥3真空閥4液閥5氣閥6彈簧7反射環8回氣管5人津理工大學2014屆本科畢業設計說明站圖2.1灌裝機設計圖Fig. 2.1 A De

21、sign drawing of fillmg machine本灌裝機中有定中裝置，卸圧閥，真空閥，液體閥、回氣閥等等，定中裝置下有位置傳 感器，用于檢測灌裝閥下是否有瓶子。2.3.3灌裝機工作過程瓶裝灌裝機采用回轉式等壓灌裝結構，也就是灌裝機灌裝閥、液缸等組成的旋轉設備與啤酒瓶同步旋轉，在旋轉的過程中，按時間順仔完成以下操作過程:1、啤酒瓶經過傳送帶傳送到灌裝機灌裝閥下定位2、托瓶盤上升（灌裝準備，0.5s到位丿玉緊）3、4、7、8、9、真空閥打開（預抽真空，0.5s后關閉） 充氣閥打開液體閥打開泄壓閥打開托敝盤下降（CO?噴沖，0.5s后關閉） （開始灌裝，1.5s后斷開） （卸壓，0.5s

22、后斷開） （灌裝完成）10、滿瓶啤酒瓶從灌裝機出來經傳送帶傳送給下一道匸序。整個灌裝生產線設計完成。（注：以上時間值均是假設值，具體設置要以液體灌裝速度來決定，可以做相應的變化，以 上僅作為舉例說明使用）第三章啤酒灌裝生產線的工藝設計對啤酒灌裝原理詳細的介紹完成以后，下面具體的設計灌裝生產線的工藝設計示意圖。生產線由傳送帶，灌裝機，星輪等部分組成，均由由三相變頻電機帶動旋轉。3.1啤酒灌裝生產線的工藝設計圖生產線所有設備全部啟動，一切設備在試機正常的情況下，空瓶子從洗瓶機出來以后， 按照一定的間隔從上圖的左側傳送帶有條不紊地進行傳送。瓶子到達旋轉機器部分以后，由 旋轉星輪把瓶子帶入回旋式灌裝機

23、下進行灌裝。灌裝結束以后，滿瓶由灌裝機右側的星輪傳 送到傳送帶上，傳到下一道包裝工序，完成灌裝的過程刀。3.2灌裝過程俯視平面圖圖中主要由2個星輪，1個灌裝機，一條傳送帶構成。灌裝機中每個灌裝閥所進行的工 作分別獨立的進行，但是工作的內容完全一致。灌裝的時間分配在圖中標明，其中托瓶盤上 升占用10%的時間，抽真空占用10%的時間，二氧化碳充氣占用10%的時間，酒料灌裝占 用30%的時間，灌裝結束后托瓶盤下降占用10%的時間，剩余的20%作為下一次灌裝準備 時間來用。平面圖如下：圖3.2啤酒灌乾生產線俯視圖Fig. 3 .2 A top view of beer filling producti

24、on line3. 3星輪與旋轉灌裝機同步轉動設計啤酒瓶傳送涉及到星輪與旋轉灌裝機的速度匹配問題，因為保證了灌裝機的線速度和星 輪的線速度是一致，才能保證每個啤酒瓶能準確定位在灌裝閥下進行灌裝。為了達到灌裝機 旋轉速度與星輪旋轉線速度一致的要求，本人通過齒輪之間的相互協調來完成，因為齒輪之 間相互作用保證了它們之間的線速度一定相同。以下是本人設計出以下的齒輪工作原理圖：圖3.3工作臺底部齒輪工作示意圖Fig. 3.3 A schematic diagiam of gear9人津理工大學2014屆本科畢業設計說明站在灌裝機底盤內部安裝著與星輪、灌裝機半徑分別相等的3個齒輪，這三個齒輪分別與 星輪

25、、灌裝機同軸固定相連，安裝如上圖所示。星輪、灌裝機的轉動，只需要由一臺能控制 灌裝機底部齒輪（也就是上圖中位于中間位置的大齒輪）運動的電機即可，隨著大齒輪運動 將帶動兩邊的小齒輪轉動。由于轉動的齒輪之間的線速度是相同的，則分別與齒輪半徑相同 的星輪及灌裝機的線速度也一定相同。通過這種簡便的方法，就能保證星輪與灌裝機的速度 一致。本論文設計的兩個星輪轉盤，它們的半徑均是灌裝機半徑的一半，即星輪的周長是灌裝 機周長的二分之一。每個星輪有兩個凹槽可以傳送啤酒瓶，灌裝機有四個灌裝閥，這樣設汁 的目的是保證由星輪傳送的瓶子的間隔與灌裝機上兩個灌裝閥之間的距離相等，即間隔距離 =1/2的星輪周長=1/4的

26、灌裝機周長。同時使得星輪下齒輪的齒輪數是灌裝機下齒輪數的 1/2,這樣灌裝機每旋轉1/4周，星輪就旋轉了 1/2周。在線速度相同、瓶子間距與灌裝閥間 距相同的條件下，只要保證在安裝齒輪底盤的過程中確保灌裝閥正下方的凹槽與星輪的凹槽 位置相對擺正，在生產線運動工作時，就一定能保證了每一個空啤酒瓶能從傳送帶上順利、 有序地傳入灌裝機的灌裝閥下。同樣道理，也使得罐滿以后的啤酒瓶能從灌裝機上順利的由 右側星輪傳到傳送帶上，依次有序的傳出來，傳到下一道工序中去。#夭津理工大學2014屆本科畢業設計說明巧第四章 啤酒灌裝生產線控制系統的電路設計4.1啤酒罐裝生產線的控制要求灌裝自動化控制的設計是一個重要環

27、節，要提高啤酒的生產效率，關鍵在于提高灌裝過 程的|'|動化程度及順序控制的嚴密性。本設計要求使用可編程控制器、變頻器、電動機、熔 斷器、交流接觸器、按鈕開關等硬件設備，通過利用以匕電氣設備設計出控制這個灌裝的過 程的電路，要求灌裝必須完整、有效的進行，且需要注意考慮到啤酒的物理生化特性，以免 影響啤酒的飲用效果。為了達到以上目的，我采用PLC與變頻器配合來控制調節傳送帶的速度和灌裝機旋轉 速度，使啤酒罐裝過程有條不紊的運行；另外還考慮液缸內液而恒高度的問題，因為液缸內 液面高度與液缸底部的液體床強有關，斥強與液體灌裝的速度有直接關聯。以下是根據控制 要求設計出的基于PLC控制啤酒灌裝

28、生產線的原理圖：圖4.1 PLC控制啤酒灌裝生產線的原理Fig. 4.1 The piinciple of beer fillmg production lme其中，傳送帶是是由變頻電機傳動軸直接帶動傳送帶轉動，而旋轉式灌裝機則是由變頻 電機帶動齒輪旋轉從而間接地帶動灌裝機旋轉，液面高度的控制則是通過水泵電機轉速來控 制。啤酒罐裝生產線是以PLC作為控制器的，電路設計必須考慮考所需要控制的點數，選 擇合適的控制器的CPU單元以及擴展模塊，然后再根據執行機構選擇合適的電氣設備。本 章在后而的小節中將結合灌裝控制需求，先設計出整個生產線的主電路圖，再根據主電路選 擇出合適的電氣設備，設計出合理控制

29、電路圖。4.2主電路的分析與設計在生產線運動驅動設備選擇上選擇變頻器和變頻電機，而沒有選擇伺服驅動器和伺服電 機主要是因為這里本設計中除了灌裝機旋轉需要比較精確的速度外，其他的并不需要特別精 確：另外，伺服驅動器以及伺服電機的價格要高出普通的變頻器和變頻電機。本設計中，對于電動機的控制采用一對一，即一臺變頻器驅動一臺變頻電機。變頻電機 選擇可以變頻調速的鼠籠式三相異步電機：變頻器則采用口本松下電器公司的VF0變頻 器，該變頻器能接收由PLC發出的脈沖寬度可調PWM脈沖進行調速，方便丁人工點動加減 速對傳送帶速度的控制。在下面主電路設計過程中共5臺變頻器，其中第一臺控制傳送帶的 變頻器，它直接由

30、Q0.0采用輸出PWM脈沖來控制傳送帶電機；第二臺控制灌裝機旋轉速 度的變頻器由CPU224 XP基本單元白帶的的模擬最輸出點AQW0來控制，這電使用CPU 224XP基本單元的主要原因是它自帶一路模擬最輸出點，這樣可以減少使用模擬量輸入輸出 模塊，較少開支，捉高經濟效益；第三臼控制液缸內液面恒定的變頻器由擴展輸入輸出模塊 EM235中的模擬量輸出端子AQW4來控制。主電路中，另外還用到的兩臺變頻器來控制抽 取空啤酒瓶內空氣用的吸氣泵電機以及向空啤酒瓶內充入CO2的充氣泵電機。吸氣泵、充氣 泵都可以看作是真空泵，只是前者用于從真空缸內吸氣排到外界，后考從外界吸入的CO氣 體向CO2氣缸內充氣。

31、因為這兩臺臺電機直接由基本操作面板BOP來控，不再需要PLC作 控制，所以在木文4.3節的PLC控制電路設計圖中，不再畫出來。具體對真空泵的詳細介紹 在4.5.5節作出說明。主電路中使用到的電器元件有斷路器、接觸器、變頻電機、變頻器、 熔斷器等電氣元件，具體如下圖所示：Fig. 4.2 A design drawing of the mam cucuit11天津理工大學2011屆本科畢業設計說明書4.3控制電路的分析與設計本設計涉及到速度、液位的控制調節，均可以采用，模擬量輸入模擬量輸出進行pid運 算控制調節。但是為了程序更加的豐富，當然也考慮到控制調節更加適當，本人沒有全部采 用模擬量輸入

32、模擬最輸出的方法進行控制。對傳送帶速度的調節我直接采用脈沖輸出端 Q0.0輸岀脈沖寬度可調脈沖PWM的方法進行控制，調速過程直接點動進行加減速，直到空 啤酒瓶的傳送速度最適合灌裝機的速度為止，這樣可以人為的對傳送帶的速度進行任意的調 控，方法簡單：對灌裝機旋轉速度的調節，因為灌裝過程需要的時間比較精確，速度調控必 須要相對來說精確一些，我則采用旋轉編碼器測速與原先速度設定值進行比較，然后進行 PID調控，是一種脈沖量輸入模擬量輸出的方法：而對液缸內液位的控制，我則直接采用嘆 擬量輸入模擬量輸出的方法即可門4】。431對傳送帶速度控制的分析在傳送帶的控制設計中，需要將傳送帶的速度調節到與灌裝機的

33、灌裝速度匹配，以免傳 送帶上出現少瓶或者瓶子堆堵的情況，影響生產效率。為了便丁速度的調試，我這里直接采 用手動點動的形式對傳送帶速度進行控制，點動傳送帶加速按鈕傳送帶則緩慢加速，點動傳 送帶減速按鈕，則傳送帶緩慢減速，采用的是脈沖寬度可調PWM脈沖調節控制。當減速、 加速按鈕均沒有按下時，電動機勻速。在這里，只需要整個生產線設備開始運行時對傳送帶 的速度做調節，如果整個生產線的瓶流最是正常的，一般不再需要對傳送帶的速度進行調 節。也就是說，整個生產線在最初時啟動時，調試完畢以后，即可進行正常的生產過程。4.3.2對灌裝機旋轉速度控制的分析灌裝機的旋轉部分速度的控制尤為重耍，內為旋轉部分的速度如

34、果不適當，或者個穩 定，將會導致灌裝不正常，灌裝不能實現保質保量最終影響啤酒生產效益。為此，對灌裝機 旋轉部分速度的控制必須要準確。為了達到以上目的，我采用半閉環反饋設計，編程方式是脈沖最輸入模擬量輸出，首先 設置實現要求生產過程的運動速度，該速度轉變為單位時間脈沖最，該脈沖最即速度設定 值。然后將旋轉編碼器（編碼器與電動機同軸相連）輸出的單相脈沖反饋給控制器PLC,由 PLC進行高速脈沖計數，而速度當前值采用定時屮斷采樣，對運動中速度（脈沖）當前值采 樣。然后PLC進行PID運算，繪后結果輸出成模擬量控制變頻器，從而控制電動機的轉 速。脈沖輸入模式采用工作模式0 （輸入10.0）,即單路脈沖

35、輸入的內部方向控制加/減制汁 數方式，設置控制字為加計數。4.3.3對液缸內液位恒定控制的分析本設計中，液料的灌裝是一個最為核心的問題。在前面己經提到，灌裝閥門打開以后， 要使得在瓶子在相同的灌裝時間內，灌裝的容量相同，必須考慮這個液缸內的酒液料的液面 13天津理工大學2011屆本科畢業設計說明書是恒定的，也就說，液缸與液料閥直接連通的底部，必須保證它的床強是恒定不變的。因為 只有液缸內液料對液缸底部的床力恒定不變，才能保證灌裝的速度是恒定的，只要液料灌裝 的速度恒定，在相同時間內，空瓶內的啤酒容積必然是相同的，只有這樣才能保質保量。于 是，這里涉及到一個對液缸內液面保持恒定的設計問題。設計對

36、液面的控制，轉換為對壓力的一個恒壓控制。在液缸的底部安裝一個壓力傳感 器，將傳感器反饋回來的模擬量傳給模擬量輸入輸出模塊EM235,再由PLC采用PID運算 控制算法編程控制液位，從而間接地控制了液缸內液面的恒定】。設計的原理框圖，如 下：圖4.3恒液位控制原理圖Fig. 4.3 A schematic diagram of constant liquid level在上圖中，設定壓力Sf是工藝要求的設定值，代表了一定的液面高度，這個高度決定 了灌裝酒料時的速率，液面越髙則壓力越大那么灌裝速率也會越髙。在這里設定的壓力值必 須合理，只有這樣才能保證啤酒瓶從灌裝機內出來以后，保證是屬于罐滿的狀態

37、。液缸內底 部安裝的床力傳感器把圧力值P、反饋到模擬星輸入輸出模塊的輸入端，由PLC進行PID控 制。控制運算得出比較的結果E,如果E為正，說明實際的壓力值PV是小于最初的設定值 S的，那么PID的輸出U就會增大，變頻器的輸出也會增大，水泵的轉速提升，實際的斥 力值P、隨著上升，而伴隨著PV值得上升，E亦逐漸的減小。當PV等于S時，水泵電動 機的轉速維持在一個恒定值：如果E為負值，則說明情況剛好相反，即設定值小于反饋 值PV,那么U、F、N這三個量也會逐漸的減小，直到PV=SV為止。434控制電路的設計本設計中，共采用了數字量輸入點15點，數字量輸出點25點，模擬量輸出點2點。控 制部分PLC

38、采用西門子S7-200中門帶一路模擬量輸出通道CPU224XP的PLC,然后擴展外 加一個模擬量輸入輸出單元EM235,這樣即可滿足2模擬量輸出的要求。考慮到CPU224 XP數字量輸入輸出點位14輸入、10輸出，還遠不能滿足數字最輸入輸出口，于是擴展一個 數字量輸入輸出模塊具備16輸入、16輸出點的EM223,這樣就可以滿足設計需求，而剩余 的輸入輸出點可以備做它用。人津理工人學2011屆本科畢業設計說明書-O-5QF5QF6 V .VKMV.V KM V.V KM24VL> M 1L1MQO.O100Q0.110.1Q0.2I0.2Q0.3 2LI0.3Q0.4I0.4 S720(P

39、° §CPU 00 6I0.5224XP 3LI0.6Q0.7Q1.0I0.7Q1.111.0COMA*IB*VMM光電檢測224V光電檢測 A 尤電ta快一A一dTL+ILQ20MQ2 11MQ2.2Q23I202L Q24I2 1Q25Q2.6I22Q2 7 EM223 3LI23Q3.0Q3 1I2.4Q3.2I2.5Q3.3034 Q3 5Q36II"Q KMRAEM235A*V03松卜VF09控制傳送帯傳送速度3松下u VFO V2W235松卜u VFO VW控制濯裝機旋轉速度制圖人：何金成 學號：20100905控制液缸內液位圖4.4 PLC控制電路設

40、計圖Fig. 4.4 A design drawmg of the circuit controlled by PLC控制電路設計圖中，因為需要使用到脈沖輸出，所以使用的是晶閘管輸出型PLC,輸入 輸出均采用24V直流電壓。上圖中因輸入輸出端口較多，沒有圖中詳細標明各個端口的作 用，具體作用在后面的輸入輸出分配中做詳細說明。以下是控制電路中所使用到的主要電氣 元件：表4.1主要電乞元件Table4.1 Mam electiical elements編號元件名稱件數作用1可編程控制器PLC1控制器1輸入輸出擴展模塊EM2231擴展數字量輸入輸出1模擬最處理模塊EM2351模擬量處理2松下VFO變

41、頻器5驅動、控制電機3變頻電機5驅動執行機構4熔斷器8電源、過載保護5交流接觸器3控制變頻器電路通斷6過流繼電器3電機過電流保護7斷路器8控制電路通、斷電8編碼器1測速9降壓整流器2為PLC提供直流電壓4.4輸入輸岀I/O分配本次設計所使用的數字量輸入點共計15點，數字量輸出點25點；模擬量輸入點1點, 模擬量輸出點2點。輸入輸出分配表如下圖所示：表42輸入端子Table4.2 Input teiuiinal名稱端子號作用編碼器單路脈沖輸入10.0檢測灌裝閥1下是否有瓶子灌裝閥1位置傳感器10. 1編碼器1反饋脈沖輸入端啟動傳送帶電動機110.2啟動傳送帶電動機1停止傳送帶電動機110.3停止

42、傳送帶電動機1對傳送帶加速按鈕10.4點動對傳送帶加速啟動灌裝機電動機210.5啟動灌裝機電動機2停止灌裝機電動機210.6停止灌裝機電動機2啟動所有變頻器按鈕10.7啟動電路圖中所有變頻器停止所有變頻器按鈕11.0停止電路圖中所有變頻器對傳送帶減速按鈕12.0點動對傳送帶減速灌裝閥2位置傳感器12. 1檢測灌裝閥2下是否有瓶子灌裝閥3位置傳感器12.2檢測灌裝閥3下是否有瓶子灌裝閥4位置傳感器12.3檢測灌裝閥4下是否有瓶子液料泵啟動按鈕12.4啟動液料泵液料泵停止按鈕12.5停止液料泵液缸底部傳感器輸入AIW4壓力傳感器輸入點表4.3輸出端子Table4 3 Output tennmal名

43、稱端子號作用傳送帶電動機1Q0. 0控制傳送帶運動灌裝機電動機2Q0. 1控制灌裝機運動托瓶盤電磁閥1Q0. 2托瓶盤得電上升，失電下降托瓶盤電磁閥2Q0. 3托瓶盤得電上升，失電下降托瓶盤電磁閥3Q0. 4托瓶盤得電上升，失電下降托瓶盤電磁閥4Q0. 5托瓶盤得電上升，失電下降真空閥1Q0. 6灌裝閥1抽瓶子內空氣充氣閥1Q0. 7灌裝閥1充氣液體閥1Q1.0灌裝閥1灌裝泄壓閥1Q1. 1灌裝閥1泄壓真空閥2Q2. 0灌裝閥2抽瓶內空氣充氣閥2Q2. 1灌裝閥2充氣液體閥2Q2. 2灌裝閥2灌裝泄壓閥2Q2. 3灌裝閥2泄壓真空閥3Q2. 4灌裝閥3抽瓶內空氣充氣閥3Q2. 5灌裝閥3充氣液

44、體閥3Q2. 6灌裝閥3灌裝泄壓閥3Q2. 7灌裝閥3泄壓真空閥4Q3. 0灌裝閥4抽瓶內空氣充氣閥4Q3. 1灌裝閥4充氣液體閥4Q3. 2灌裝閥4灌裝泄壓閥4Q3. 3灌裝閥4泄壓液料泵電機Q3. 4控制水泵啟動停、止傳送帶電機啟動Q3. 5傳送帶電機正轉啟動接觸器Q3. 6控制所有變頻器通電旋轉灌裝機AQW0控制旋轉灌裝機變頻器液料泵AQW4控制液料泵變頻器4.5控制電路設備的端子接線及參數設置15天津理工大學2011屆本科畢業設計說明書電路中除了使用到西門子PLC的各種控制單元，還使用到了各種輔助電氣設備。前面 已經對CPU單元做了介紹，這里不再詳細敘述，僅對編碼器，變頻器，EM235

45、模塊，壓力 傳感器，做一定簡要說明。4.5.1編碼器編碼器采用增屋式旋轉編碼器，套在變頻電機的軸上作為測量旋狀體的轉速來使用。電 動機旋裝時，旋轉編碼器旋轉，編碼器發出脈沖。在這里本人采用的是單向脈沖入計數，將 編碼器A相輸出的脈沖接入PLC的高速脈沖計數器輸入端IO.O,利用PLC定時中斷計數. 計算出電機轉動在單位時間內的脈沖量。在這里，將編碼器脈沖反饋值與設定值作比較，然 后利用PID算法，最后輸出控制就可以使電機維持在一個穩定的速度。變頻電機的轉速計算 公式如下EM：N=(ni/nr)*60(4-1)那么，速度設定值轉換為脈沖量就是：尸(M60)*nT(4-2)上式中，T為某段時間內對

46、編碼器脈沖輸出個數進行計數，假設編碼器一周輸出脈沖數 為11,在時間Ts內輸出脈沖數個數為m。4.5.2變頻器接線及其參數設置電路中使用5個變頻器，灌裝機的電動機，液料髙度，傳送帶，抽氣泵，充氣泵。考 慮到本次設計并非大型的生產設備，不需使用大功率，我采用口本松下電器公司的VF0變頻器，它為單相交流變頻器，電壓是200V230V,控制的電機輸出功率是02l5KW°松下VF0變頻器主電路、控制電路接線圖如下叫斷路器MCCB制 動 電 阻 器變頻器容量主電路端子接地端子0.20.4KSM3.5M40.75 1.5KWM4變頻器VF0螺絲尺寸主回路端子L N U V W17天津理工大學20

47、11屆本科畢業設計說明書#天津理工大學2011屆本科畢業設計說明書圖44變頻器主電路接線圖Fig. 4.4 the wiring diagi ain Of frequency converter mam cucuit#人津理工人學2011屆本科畢業設計說明書COM NC繼電器輸出05V0 10V4 20mAo©©0®VR200Q模擬尿輸出05V運行正轉SW1 SW3停止反轉 SW2正轉開路式 集電極輸出圖4.5控制電路接線方法Fig 4.5 A connection method to conti ol circuit變頻器的主電路圖在連接正確以后，耍將PLC輸出

48、端子與變頻器按照控制要求正確連 接。連接完成以后，需要對各個變頻器分別設定參數。設計中，對傳送帶、灌裝機、液面水 泵電動機的控制我采用由控制端子控制的方式，通過PLC對控制端子行進編程控制：而真 空泵則直接由基本操作面板BOP來控制。變頻器的參數設置如下：表4.4傳送帶變頻器參數設置Table4.4 The parameter setting of band earner m frequency converte參數號參數名稱設定值說明P08選擇運行命令2選擇外控操作P09頻率設定信號1數字設定P22選擇PWM頻率信號1有PWM頻率信號選擇P23PWM信號平均次數1頻率指令平均次數P24PWM

49、信號周期1PWM輸入信號的周期P66設定數據清除1將所有數據清零表4.5灌裝機、液缸變頻器蓼數設置Table4.5 The paiameter setting of filler and cylinder transduce參數號參數名稱設定值說明P08選擇運行命令7選擇外控操作P09頻率設定信號4010V電壓信號P66設定數據清除1將所有數據清零因為灌裝機變頻器與液缸變頻器都是由PLC及其擴展模塊的模擬量輸出端子控制，采 用類似的接線方法，參數的設置也是-致的。在進行接線、參數設置以后，即可進行系統的 調試。夭津理工大學2014屆本科畢業設計說明巧4. 5.3 EM235的端子接線西門子S7

50、-200的模擬最擴展模塊EN235含有4路輸入和1路輸出，為12位數據格式， 其端子及其接線如圖所示。RA、A+、A為第一路模擬量輸入端子，RB、E+、B為第二路 模擬量輸入端子，RC、C+、C為第三路模擬量輸入端子，RD、D+、D為第四路模擬量輸 入端子。M0> V0. 10為模擬量輸出端子，電壓輸出大小為10+10V,電流輸岀大小為0 20niAo L+、M接EM235的工作電源。如圖中第一輸入通道為電斥信號輸入接法，第二輸 入通道未作使用。如模擬量輸出為電圧信號，則接端子V0與M0。本次設計，壓力傳感器 輸出420mA的信號至EM235 ,所以模擬最信號輸入設定為單極性信號，對DI

51、P開關 SW1SW6分別設定為ON、OFF、OFF、OFF、OFF、ON。對DIP開關的設置，即下圖中 右下角的配置開關。EM235模塊模擬量輸出只有一點，采用電壓10+10V輸出形式。具牡 接線下圖所示山叫235安擬組合他入門績出 (6FS 7 ?35-0KD?2-0XA8)電汛PS PS U M呼 A嚴呷 B. KC C RD (HO-Lo_I1_I#夭津理工大學2014屆本科畢業設計說明巧24VDC電掾|uX mo vo ic |chnr|H f.000000250 （內賞）£圖4.6 EM235輸入輸出端接線Fig. 4 6 The mput and output end c

52、onnection of EM2354.5.4傳感器設計中使用的傳感器，包括壓力傳感器和光電檢測開關。壓力傳感器是工業控制中一 種極為常用的傳感器。普通的圧力傳感器輸出的是模擬信號，將工業現場受到的壓力轉變為 正比的連續電壓或考電流，它主要是利用床電效應制造而成的。在本設計中，我采用的是輸 出模擬最信號為42UmA電流信號的普通斥力傳感器，作為檢測液缸底部斥強檢測來使 用。#天津理工大學2011屆本科畢業設計說明書設計屮還使用到光電開關，它也是一種傳感器。它是利用被檢測物體對光束的遮擋或者 反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體的有無。本文利用光電傳感器來檢測灌裝閥下是 否有瓶子。4.5.5真

53、空泵本設計采用水環真空泵，它屈容積式泵，即急用容積大小改變達到吸氣、排氣的目的。 水泵由泵體、葉輪、前后端蓋、前后分配器、軸、前后軸承部件、筏板部件等組成。具體工 作原理是：在泵工作之前，在水泵內注入少量的水，當葉輪旋轉時，水受到離心力的作用， 在泵體壁上形成一旋轉水環，水環內部表面與輪轂相切，如圖順時針方向旋轉，在前半周過 程中，水環表面逐漸脫離輪轂，于是在葉輪之間的葉片內形成逐漸擴大的空間，這樣便完成 里吸氣過程。而在后半周，水環表而逐漸與輪轂靠近，葉輪之間空隙不斷縮小，空間容積改 變一次，水泵如此不斷循環，不斷的從外界抽吸氣體。排氣口橡膠球圖4.7水環真空泵原理圖Fig. 4.7 A s

54、chematic diagram of water loop vacuvim天津理工大學2014屆本科畢業設計說明書第五章啤酒灌裝生產線的軟件設計一個完整的PLC控制系統設計，軟件設計部分是它的重點，在這里我詳細的介紹了軟 件設計的整個過程。本程丿宇涉及到需要控制的部分比較多，只需要一臺PLC,但是要同時控 制傳送帶，灌裝機，液缸內液位，所以程序比較復雜。在這里，本人程序設計的思路就是將 各個控制部分作為一個子程序，獨立地設計各個控制部分。5.1啤酒義裝生產線程序流程圖#天津理工大學2014屆本科畢業設計說明書#天津理工大學2014屆本科畢業設計說明書本設計全部過程的工藝設計思路，傳送帶電機、灌裝機電機、液料泵啟動完成以后，進#人津理工人學2011屆本科畢業設計說明書在這里霜要對傳送帶進行點動加減速，以便人為選擇最合適的空瓶傳送速度：灌裝機的 旋轉速度與灌裝速率關聯，如果灌裝未完成，啤酒瓶已經傳送到傳送帶上了，這明顯不能滿 足要求，所以必須保證灌裝機在滿足灌裝要求條件下保持的速度恒定；需要編碼器反饋脈沖 信號給PLC進行恒速控制：同樣道理，液缸內液面的恒床，也需要圧力傳感器反饋信號給 PLC進行恒液面控制。5.