下載原文可修改文字和底色顏色查看原文題目：基于PLC的罐裝系統設計目錄摘要 I第1章緒論 11.1課題研究背景及意義 11.2課題研究的內容 11.3課題研究的思路 1第2章灌裝控制系統的總體設計 32.1灌裝控制系統的工藝分析 32.2系統方案的選擇 32.3PLC的介紹及選型 52.3.1PLC的簡介 52.3.2PLC的特點 52.3.3PLC的應用場合 62.3.4PLC的原理分析 72.3.5PLC的型號選擇 82.4光電傳感器的選型 82.5限位開關的選型 92.6傳輸帶電機的選型 102.7系統總體方案的確定 10第3章灌裝控制系統的硬件設計 123.1硬件設計的思路分析 123.2主電路及控制電路的設計分析 123.3可編程控制器電路的設計分析 143.4電氣元件選型的設計分析 15第4章灌裝控制系統的軟件設計 184.1I/O分配設計 184.2程序流程圖的設計 194.3編程軟件的介紹 204.4程序的設計及分析 20第5章灌裝系統的組態設計 265.1組態軟件的介紹 265.2組態王6.55在設計中的應用 275.3運行調試 31致謝 33參考文獻 34摘要本設計按照設計工藝，需要實現的灌裝系統的功能包括：(1)能對空瓶進行運送、灌裝，灌裝量可根據空瓶大小設定；（2）對滿瓶進行運送及計數；（3）能夠實現自動運行。該系統主要運用了西門子S7-200可編程控制器、傳感器、電磁閥、行程開關和電動機等器件，利用PLC良好的自動控制性能，實現飲料罐裝生產過程的無人控制。按照以上的功能進行飲料灌裝控制系統的設計，采用西門子S7-200可編程控制器進行了系統設計。按照設計的思路對硬件設計進行了分析設計，包括可編程控制器接線圖，主電路接線圖以及控制電路接線圖設計。在軟件編程部分，主要進行了工藝流程的分析，并且對可編程控制器的I/O點進行了分配設計，介紹了編程軟件的功能和設計方法。在程序設計中，主要對各個功能的實現進行了詳細的說明。通過本設計，實現了系統設計的工藝要求，本系統設計邏輯思維強，思路清晰，結構簡單可靠，運行比較穩定，為后期系統升級預留擴展余量，滿足了設計的要求。關鍵詞可編程控制器；硬件設計；灌裝系統第34頁第1章緒論1.1課題研究背景及意義我國的灌裝自動化相對于西方發達國家來講還有很大的差距。設備陳舊，技術落后，成為阻礙我們灌裝行業發展的一個嚴重問題。鑒于這些問題，我國企業不斷發展自身的實力，逐步朝著生產高速化、設備結構合理化、設備的多功能化、設備的綠色化、控制的智能化等方向發展。可編程控制器廣泛應用在工業現場，為工業現場各種各樣的復雜工藝提供自動化控制的應用。可編程控制器主要是由數字運算的操作系統組成，包含處理器，存儲器等。其內部軟件程序可以實現常用的定時功能、計數功能、數據處理和運算功能、邏輯控制功能和現場模擬量信號的處理運算功能等。根據以上功能實現了現場所有系統控制的各種要求，可編程控制器按照工藝設計的要求，將現場的數字量信號及模擬量信號進行反饋采集，按照用戶程序的運算結果，將輸出結果傳送到現場，進行控制。本課題設計對灌裝系統進行自動化設計，包括傳輸帶控制，灌裝動作流程控制以及各種限位檢測控制。采用可編程控制器進行程序的編寫和仿真設計。對大學所學課程進行全面的復習和鞏固，對后期的工作打下基礎。1.2課題研究的內容本課題對灌裝系統的設計，硬件設計包括西門子S7-200外部電路的設計與安裝；軟件部分包括程序的設計與調試。根據系統的要求對PLC、電動機、傳感器等外部設備進行選型。設計好的灌裝控制系統能夠實現以下目的：（1）系統通過開關設定為自動操作模式，一旦啟動，則傳送帶的驅動電機啟動并一直保持到停止開關動作或待灌裝的飲料瓶被傳送至灌裝設備下時停止；瓶子裝滿飲料并上蓋后，傳送帶驅動電機必須自動啟動，并保持到下一個待灌裝的飲料瓶被傳送至灌裝設備下或停止開關動作；（2）當瓶子定位在灌裝設備下時，灌裝設備開始工作，待灌裝過程完畢再對飲料瓶進行上蓋；（3）對正品進行包裝，對次品也進行包裝；（4）通過正品檢測和次品檢測，對灌裝系統進行控制。1.3課題研究的思路按照灌裝控制系統設計的工藝要求，經過工藝的詳細分析和了解，提出設計研究方案，灌裝控制系統的設計研究方案一般為繼電器控制系統方案，單片機控制系統方案，可編程控制器控制系統方案等，對以上方案進行比較選擇，結合系統實際設計要求，選擇最優的方案進行設計。按照最優方案設計要求，進行系統的工藝功能分析，對動作流程和控制需求進行整理。按照設計要求進行控制單元原理分析及型號選擇，以及相應的其他電氣設備的原理介紹及選型，最后確定系統設計的總體方案。在硬件設計部分，首先對系統的硬件需求進行分析，對系統的接線圖進行詳細設計，對元件選型部分進行說明。在軟件設計部分，主要對程序設計的流程圖進行分析和設計，并且對I/O進行分配設計，I/O分配設計的目的是為了后期的程序設計提供方便和依據。最后進行程序的設計和分析，進行程序運行調試的步驟方法說明，提供程序仿真的解決方案。按照控制的要求，以及工藝分析，本系統在設計中，需要按照以下思路進行設計：（1）詳細了解灌裝控制系統的工藝流程，特別是動作要求以及實現的控制目的，查詢參考文獻，了解最新設計成果，為后期設計提供依據；（2）按照工藝流程的分析及動作流程，對系統進行方案的比較和選擇，并且選擇主控制器的型號，對相應的電氣設備進行型號選擇，確定最終的系統設計方案，分析設計思路；（3）在硬件設計部分，先對硬件設計需求進行分析，并且設計主控制器的接線圖，主電路接線圖以及其他電路接線圖等；（4）在軟件設計部分，對軟件設計的程序流程進行詳細分析，介紹編程軟件的功能及實際應用，對系統的輸入輸出點進行分配設計，對程序進行詳細設計和分析說明。（5）按照硬件設計結果和軟件設計結果，對程序進行仿真，按照仿真設計步驟，完成程序的驗證和修改。第2章灌裝控制系統的總體設計2.1灌裝控制系統的工藝分析本系統設計的灌裝控制系統工藝主要包括以下方面：（1）通過外部的按鈕對系統進行啟動和停止，當系統啟動后，傳輸帶運行；（2）對飲料瓶到達裝蓋處，將有信號進行檢測，并啟動裝蓋上行和裝蓋下行動作，通過限位開關檢測裝蓋上行及下行是否到位；（3）對裝蓋后的產品進行正品和次品檢測，當檢測到次品后，輸入檢測信號，程序通過運算進行檢測次品輸出動作；當檢測到正品后，輸入檢測信號，程序通過運算進行檢測正品輸出動作；（4）對產品進行裝箱，將正品產品裝箱，對次品產品也進行裝箱。（５）當傳輸帶報故障后，進行故障反饋處理。圖2.1灌裝系統流程示意圖按照以上的工藝分析，本系統設計的工藝輸入部分主要包括：外部啟動和停止按鈕、外部限位開關輸入信號、檢測信號、故障報警信號；輸出部分主要包括傳輸帶運行輸出、裝料閥運行輸出、裝蓋上行和下行運行輸出、正次品檢測輸出、裝箱輸出以及指示輸出等。2.2系統方案的選擇在本系統設計中，按照設計的工藝要求，進行系統的方案設計，該系統的方案設計有四種方案可供選擇，分別為繼電器控制方案、單片機控制方案、可編程控制器控制方案、可編程控制器+上位機設計方案。對以上四個方案進行比較如下：（１）繼電器控制方案根據繼電器電路控制的原理進行系統設計，該電路線圖復雜，故障率高，排查故障困難，而且電器元件比較多，更換比較頻繁，很多功能輸入手動狀態，無法實現自動運行。需要操作人員現場觀察系統的運行狀態，并且根據當前的狀態進行主觀判斷，操作相應的按鈕。特別在污染環境比較大的現場，對操作人員的身體傷害比較大。現場控制主觀性強，對系統的把控往往不夠精確，可靠性比較差，操作人員的培訓比較困難，也需要一直守在現場進行實時控制，工作效率比較低。該方案不適合本系統設計的方案。（２）單片機控制方案單片機控制有優點也有缺點。單片機控制的精度比較高，對現場的自動化算法比較靈活精確，性價比比較高，可以根據現場的實際情況進行參數調準。但是該方案對現場的要求比較高，不能受到信號干擾。程序設計的周期比較長，而且一旦程序固化后，很難再進行擴展，程序修改很不方便。不利于后期的系統升級和改造。特別是現場環境惡劣，單片機容易損壞。（3）可編程控制器方案可編程控制器通過程序編譯實現現場的自動化控制，它結合了最新的計算機技術，自動化控制理論，現場通訊技術等，是一種專用于工業自動化的控制產品。可編程控制器性能比較優越，可靠性高，抗干擾能力強，對現場的適應性很好，能夠適應各種惡劣的工業環境。可編程控制器通訊功能強大，可以與現場其他控制單元或者上位機進行通訊。可編程控制器的設計為模塊化設計，可以按照現場的具體要求進行各種模塊設計，比如高速計數模塊，模擬量輸入輸出模塊，通信模塊，以及其他數字量輸入輸出模塊等。可編程控制器使用極為方便，當現場工藝發生改變時，只需要修改程序，并重新下載即可。在設計時，往往留有足夠的余量，為后期的系統設計和擴展提供方便。（4）可編程控制器+上位機控制方案在可編程控制器實現自動控制的基礎上，通過上位機和可編程控制器之間的通訊，來實現現場的系統實時監控，操作人員可以根據現場的上位機系統進行當前系統的狀態監控，并且對相關的參數進行調準，達到最佳控制的工藝目的。根據以上系統的方案分析，本系統設計選擇可編程控制器+上位機控制方案，通過該方案，可以實現控制系統的智能化，自動化控制的要求，能夠最好的適應控制工藝的要求。2.3PLC的介紹及選型2.3.1PLC的簡介可編程控制器廣泛應用在工業現場，為工業現場各種各樣的復雜工藝提供自動化控制的應用。可編程控制器主要是由數字運算的操作系統組成，包含處理器，存儲器等。其內部軟件程序可以實現常用的定時功能、計數功能、數據處理和運算功能、邏輯控制功能和現場模擬量信號的處理運算功能等。根據以上功能實現了現場所有系統控制的各種要求，可編程控制器按照工藝設計的要求，將現場的數字量信號及模擬量信號進行反饋采集，按照用戶程序的運算結果，將輸出結果傳送到現場，進行控制。其主要應用情況主要表現在下面幾個方面：（1）現場使用的邏輯控制開關量數量比較多，其控制規模比較大，使用的大型可編程控制器的場合比較多。（2）根據現場的復雜程度，研發出各種各樣的適合現場應用的功能模塊，比如溫度模擬量控制模塊、通訊模塊、高速計數模塊以及伺服控制模塊等。（3）可編程控制器的使用比較開放，以前的可編程控制器制造廠家都采用各自的設計標準，系統相互不兼容，這為后期的帶來很多麻煩，現在許多廠家都注意這些，開始進行系統的開放設計。（4）按照可編程控制器的發展，對程序的處理功能越來越豐富，能夠實現各種復雜工況下的程序設計，可以進行程序的監控和修改控制。（5）根據現場總線通訊的技術發展，可編程控制器和驅動單元、現場儀表以及上位監控人機界面等通訊實現。按照以上的描述，可編程控制器的使用在工業現場可以實現自動化控制，而且能夠進行現場的智能化控制以及信息化。可編程控制器在運動控制系統方面以及模擬量信號處理控制方面有著比較廣泛的使用，成為該控制器的優點。在我國，可編程控制器采用國外優秀品牌，借鑒國外先進的技術，通過借鑒開發出屬于我國的可編程控制器。我國也在自主研發可編程控制器，研發的前景和空間很好，也取得了階段性的進步。2.3.2PLC的特點（1）可靠性高，對現場抗干擾的能力比較強對于電氣設備的使用，可靠性要好，這樣才能保證現場的系統安全，并且根據各種復雜的現場情況，對現場抗干擾的能力也是很重要的指標。可編程控制器在制造的過程中，特別重視系統的可靠性能，對現場的抗干擾能力加強設計。確保可編程控制器在使用過程中可靠性能，現場使用時，對現場的干擾能力也有所抑制。（2）功能比較完善，并且配套的功能塊齊全根據現場各種復雜多變的功能實現，可編程控制器需要研發出更多功能的模塊來應對現場復雜多變的工藝要求，從而研發出適合現場的各種功能模塊，按照具體使用條件的要求，選用不同的功能模塊實現現場的控制。對一些邏輯控制功能和現場的其他復雜的應用場合，都有相應的功能模塊進行實現。（3）體積小巧，重量小，使用能耗低經過集成電路的研究發展和廣泛應用，可編程控制器的系統使用容量比較小，功耗比較低。2.3.3PLC的應用場合（1）PLC開關量的邏輯控制對于現場的開關量控制是可編程控制器最基本的使用功能，現場的開關量邏輯控制工藝包括順序控制工藝、條件控制工藝、以及各種控制邏輯的實現。開關量邏輯控制最初的設計是根據我們常用的繼電器控制系統演化而來，梯形圖的設計和繼電器控制系統電路的設計有很多相似的地方。邏輯控制功能廣泛應用在各種工業控制場合，比如注塑行業、造紙行業、機床行業等。（2）PLC模擬量控制在實際生活中，經常遇到連續量，比如水位，溫度，光照度等等，這些模擬量需要進行現場的標準信號處理，轉換為標準信號輸入到可編程控制器，然后可編程控制器進行AD處理，轉換為數字量，然后根據數據的處理，包括濾波處理，限幅處理，數值轉換處理等，在PID應用場合，對設定值和反饋值之間進行比較運算輸出，控制現場的各種執行機構。（3）PLC數據處理對現場的各種模擬量進行數據的轉換處理是可編程控制器的一個重要應用部分，可以通過現場的復雜工藝進行數學模型分析，建立數學公式進行程序編寫，對數據進行各種各樣的運算處理，達到控制的要求。（4）PLC過程控制過程控制在工業環境下，應用比較多。對現場的各種信號進行檢測，將檢測的信號轉換為標準的模擬量信號進行反饋，可編程控制器根據現場的各種工藝控制要求和方法進行數據處理，達到現場過程控制的目的。特別是現場的PID控制算法的建立和應用，為過程控制提供了更加便捷的使用功能。在現場對模擬量進行控制，往往要用到PID控制的功能，達到現場模擬量的恒定要求。（5）PLC通信及聯網可編程控制器的通訊功能比較強大，對各種現場總線系統設計都適應，應用比較多的是以太網通訊，現場總線DP通訊，可編程控制器的生產廠家都比較重視通訊功能的使用。可編程控制器根據下圖所示，分為輸入部分、邏輯計算部分和外部輸出部分。2.3.4PLC的原理分析可編程控制器的輸入接口主要包含外部的輸入邏輯命令和數據通道等。外部輸入部分通常由外部按鈕信號、旋鈕信號、限位開關信號、繼電器信號等組成，模擬量部分主要由外部的儀表輸入標準的模擬量信號輸入。可編程控制器通過內部硬件結構，按照控制原理，將外部采集的信號進行儲存，并且按照循環掃描的原理，進行數據的讀取和調用。首先通過循環掃描，將該輸入信號進行程序掃描，接通或斷開。程序掃描過程中，按照用戶的程序設計，對信號進行程序的計算和處理，并且將計算的結果傳送到輸出映像寄存器。進而控制外部的輸出信號通常包括指示燈、繼電器、接觸器、電磁閥等。模擬量輸出信號將轉換成標準的模擬量信號，輸出至變頻器、調節閥等外部執行單元。所謂編程工具，就是通過電腦、編程器等工具對可編程控制器進行軟件設計。在計算機上安裝好該可編程控制器的編程軟件，通過編程軟件進行系統的硬件組態設計，I/O分配設計和程序設計，并且可以通過在線通訊連接，對程序進行監控和修改，達到使用的工藝要求。可編程控制器進行在線監控的時候，可以通過外部的信號輸入，觀察程序的運行情況，容易發現錯誤所在，并且進行在線修改，這些是可編程控制器工程師需要具備的技能。目前國內外生產的可編程控制器品牌比較多，型號各種各樣，需要根據該可編程控制器的具體品牌和具體型號，安裝適用于該型號的編程軟件。并且要對這些軟件的編程方法進行學習，主要了解編程軟件的使用，指令的學習，硬件組態設計的學習以及程序編寫的方法等。我們在實際應用過程中，首先要對系統的工藝進行分析，通過總體分析有個明確的思路，對外部的I/O信號進行統計和分配設計，畫出設計的工藝流程圖，根據流程圖進行程序的編寫。程序編寫一般分為經驗設計方法，順序設計方法和功能塊圖設計方法等。目前使用比較頻繁的編程語言是梯形圖編程語言、語句表編程語言和功能塊圖編程語言等。在設計程序的時候，對系統進行功能劃分，可以采用模塊化設計方法，主程序進行功能模塊的調用，達到模塊功能的實現。簡易編程器，是各個可編程控制器生產廠家研發的編程器面板，可以通過編程器面板進行程序的設計，在編程器面板上，我們可以看到各種功能輸入的按鍵，包含具體的指令按鍵，地址分配按鍵和輸出按鍵等，通過外部的指示燈可以判斷編程是否錯誤。顯示屏上可以顯示出具體的編程指令，并且能進行功能調試。在具體編程過程中，首先要對各種指令熟悉，查詢相關手冊進行詳細的學習，在編程過程中要思路清晰明確，并且對修改部分進行記錄，以便后續調試和更改。在編程的時候，必須首先對外部的輸入輸出部分的分配明確，不能混淆。按照手冊的編程方法和工藝進行程序的修改。如果修改完畢，將通過外部通訊線進行下載程序，并且可以在線監控程序，修改程序。2.3.5PLC的型號選擇在控制系統開發和應用中，西門子S7-200系列可編程控制器使用比較廣泛，收到各行各業研發人員的廣泛關注。西門子S7-200系列可編程控制器屬于小型的可編程控制器，該產品在結構設計上比較緊湊，性價比高，對現場實現的功能比較強大而且全面，特別適合對現場較簡單的控制系統進行程序開發和硬件設計，是本系統設計的最佳選擇。西門子S7-200系列可編程控制器系列的型號比較多。可編程控制器內部的中斷程序多達4個。具有豐富的功能，比如PID調節功能、高速計數器功能、通訊功能以及數據處理功能等。能和上位機進行通訊。本系統根據實際的工藝分析和外部輸入輸出的統計，選用S7-200CPU224可編程控制器進行程序的設計。2.4光電傳感器的選型傳感器的作用是對灌裝系統的正次品進行檢測，本系統的設計按照要求采用歐姆龍的產品，查詢型號為EE-SPY402凹槽型傳感器。該傳感器通過光源的發射，如果感應到回收的光源，表面光源發射位置處有物體，傳感器將輸出信號。該信號傳送到可編程控制器進行程序運行。按照本系統的設計，光電傳感器的電源為直流24V供電，輸出的信號也為24V，這樣在可編程控制器內能夠接收到相同電壓的信號，不會損壞可編程控制器。按照該傳感器的型號查詢，該傳感器的時間圖和輸出的回路如下圖圖2-1所示。圖2-１反射式傳感器的時間圖和輸出回路圖按照上圖的描述，光電傳感器的接線共三根，電線顏色分別為紅色線，紅色線為該傳感器的電路正極；藍色線為該傳感器的信號輸出線；黑色為該傳感器的電源負極線。在傳感器的運行中，如果有物體擋住光束，傳感器將接收到返回的光束，那么輸出為高電平；如果輸出的光電傳感器光束沒有被物體擋住，傳感器將無法接收到返回的光束，那么輸出為低電平。按照資料查詢，該傳感器在使用過程中，光束的距離可調，最大可調為4米，最小可調為0.3米。2.5限位開關的選型所謂限位開關，就是安裝在現場某一固定的位置，對控制系統的控制起到現場信號反饋的作用。限位開關主要分為接觸式限位開關和非接觸式限位開關，接觸式限位開關結構主要包括機械部分的結構和電氣觸頭結構。接觸式限位開關的種類比較多，主要不同的部分是機械部分的結構，機械部分的設計主要按照現場具體安裝的位置和接觸方式進行選擇和設計。非接觸式限位開關內部安裝的是磁感應頭，當外部物件到達感應區域時，限位開關內部產生動作，進一步觸發觸頭動作，產生狀態輸出。限位開關在電氣控制系統中的主要作用是檢測執行機構或者產品的具體位置，當達到該限位開關安裝的位置時，限位開關觸發信號給控制單元，控制單元依據限位開關的信號，進行邏輯控制動作的運算，進而對現場的執行元件進行控制輸出。本系統的設計依據現場的安裝要求，選用接觸式的限位開關，該限位開關的型號為YBLX-X1/111，產品為正泰電器生產，比較適合本系統的使用要求。2.6傳輸帶電機的選型電動機的選型必須考慮兩點，首先是電動機的輸出轉矩是否滿足設備的額定轉矩要求，其次是電動機的額定功率是否滿足設備的額定功率要求。（1）電動機的功率如果選型過小，就出現了電動機長期過載運行的現象，在長時間的過載運行情況下。電動機的絕緣會被破壞，從而燒毀電動機。（2）電動機的功率如果選型過大，該電動機的輸出功率將不能得到充分利用，對于電網的功率因數和工作效率影響比較大，對用戶和電網都產生不利的影響，并且造成電動機選型浪費和電能的浪費。在實際的設計選型中，要正確選擇電動機的功率和輸出額定轉矩。一般經過以下的計算進行選型：（1）對于在恒定負載并且連續工作的工況下，首先要知道設備負載的功率，也就是機械軸上的功率大小，按照公式P(kw)：P=P1/n1n2，進行計算，該公式中n1為設備的機械效率；n2為電動機的工作效率，根據此公式就可以計算出設備所選的電動機容量的大小，然后根據此容量進行電機型號的選擇。（2）對于在短時間工作的工況下，該工況和連續恒定負載相比較，啟動轉矩大，短時間的工作電流也比較大，要根據短時工作的負載進行電動機型號的選擇。（3）對于斷續工作的工況下，該功率的選擇要根據負載的持續時間和大小來決定，選用專用的斷續工作電動機。負載持續串Fs％的計算公式為FS％＝tg/(tg+to)×100％。式中tg為工作時間，t為停止時間min；tg十to為工作周期時間min。本文根據該系統設備機械部分的設計思路及功率計算，結合電動機的性能，選用Y系列電動機，為全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機，具體型號Y100L-4，額定功率3KW,額定轉速1440r/min。這款電動機有效、節能、性能好、振動小、噪聲低、壽命長、可靠性高、維護方便、起動轉矩大等優點。2.7系統總體方案的確定按照系統的方案設計，進行了型號的選擇，選用的可編程控制器為S7-200，CPU224。選用的傳感器為EE-SPY402凹槽型傳感器，此傳感器專門檢測是否為正品，選用的限位開關為正泰生產的YBLX-X1/111，該限位開關專門檢測動作是否到位，或者產品是否到位。選用的傳輸帶電機為Y100L-4，額定功率3KW，額定轉速1440r/min。按照系統的工藝分析，輸入部分主要包括：外部啟動和停止按鈕、外部限位開關輸入信號、檢測信號、故障報警信號；輸出部分主要包括傳輸帶運行輸出、裝料閥運行輸出、裝蓋上行和下行運行輸出、正次品檢測輸出、裝箱輸出以及指示輸出等。系統控制方案原理框圖如下。圖2.2控制系統方案確定框圖第3章灌裝控制系統的硬件設計3.1硬件設計的思路分析依據控制系統的工藝設計分析，結合系統的主控單元選型和電動機及傳感器選型，對系統的硬件分析設計如下：（1）本系統的硬件設計分為可編程控制器接線圖設計，主電路接線圖設計和控制電路接線圖設計。（2）在可編程控制器的接線圖設計中，要充分考慮輸入和輸出的動作數量，并統計系統設計的I/O點數分配，對于本系統設計來說，輸入部分主要外部啟動和停止按鈕、外部限位開關輸入信號、檢測信號、故障報警信號；增加備用的輸入，以備后期的擴展需要。輸出部分主要包括傳輸帶運行輸出、裝料閥運行輸出、裝蓋上行和下行運行輸出、正次品檢測輸出、裝箱輸出以及指示輸出。在可編程控制器的電源部分，要充分考慮電源的電壓，以及電源電壓的來源處理。（3）對主電路部分的設計，主要按照工藝流程控制，對系統使用的電動機或加熱器進行控制設計，本系統的設計主要采用自鎖電路設計，對傳輸帶進行電機的啟動運行控制，主電路的設計，要考慮接觸器、斷路器等的選型，對接觸器控制信號的來源處理等。（4）為了系統設計的安全，及其他輔助功能，在控制電路設計中，要設計系統的電壓表和電流表，為了保護可編程控制器，需要設計隔離變壓器，為了方便調試，需要設計插座，以供電腦使用，為了表示當前的系統狀態，需要設計電源指示狀態等，為了檢修方便，需要設計柜內照明燈。按照以上的硬件思路分析，結合系統的工藝流程和總體設計方案，對系統電路接線圖進行設計。3.2主電路及控制電路的設計分析主電路部分的設計主要對傳輸帶電機進行主電路設計，電動機采用斷路器、接觸器、熱繼電器進行設計。斷路器的主要作用是接通或斷開電動機以及其他執行元件的電源，該斷路器使用較為頻繁，斷路器分為電動機保護斷路器和普通斷路器。本系統使用的斷路器選用正泰電器的DZ47-60系列斷路器。當電動機接通或斷開時，需要采用接觸器進行主觸點的通斷，接觸器有滅弧保護功能，本系統選用的接觸器為正泰電器的CJX2系列接觸器。當電動機在運行時，難免發生過載現象，當電動機發生過載時，將延時一定時間，熱繼電器動作，保護電動機。熱繼電器的常閉觸點一般串聯于系統控制電路中，在可編程控制器線路設計中，熱繼電器輔助觸點將接入PLC輸入端子，用于保護電動機熱過載。本系統選用的熱繼電器為正泰電器的JRS系列熱繼電器。圖3.1主電路及控制電路的接線圖控制電路圖是系統的輔助功能，是系統使用安全，維修調試方便的保證。在控制電路設計中，首先要考慮本系統的可編程控制器的使用安全，以及現場主令電器元件及執行元件的電壓等級。按照規定設計，控制電路的設計主要包括電壓表、電流表、互感器、隔離變壓器、開關電源、插座、柜內照明、電源指示等。本系統設計的電壓表主要檢測當前的實時電網電壓，電流表主要檢測當前系統的實時電流，和互感器配套使用，互感器和電流表的變比選擇，主要根據系統最大電流進行設計。在設計中，隔離變壓器的主要作用將電網的380V電壓變為隔離后的220V電壓，這樣做的目的是為了保護系統，不受電網的諧波干擾。由于現場電網環境復雜，如果不使用隔離變壓器，往往會導致控制單元燒毀。開關電源的使用將AC220V變為DC24V，開關電源的額定電流選擇，主要根據系統容量的計算確定。本系統設計中，所有的輸入輸出點都采用DC24V開關電源供電。系統設計的開關電源，將可編程控制器的電源輸入，采用單獨的開關電源進行供電，而輸入部分和輸出部分采用另一個單獨的開關電源供電。為了方便調試，需要設計調試插座，電源指示燈，以及照明。3.3可編程控制器電路的設計分析可編程控制器電路的設計，主要為三部分的設計，首先對可編程控制器的電源進行設計，按照本系統的設備選型，可編程控制器的電源采用直流24V進行供電，在進行電源設計時，要注意直流24V不能接錯，否則會引起設備損壞。24V電源輸入之前要有斷路器，該斷路器是分斷可編程控制器的開關。其次是可編程控制器的輸入部分設計，該輸入部分設計的公共線為DC24V正極線，所有的按鈕，開關等的一端需要接入DC24V的正極線，另一端接入可編程控制器的輸入端子。當外部按鈕，開關等閉合時，輸入端子的指示燈亮，表示該路信號接通。第三部分是可編程控制器的輸出部分，在輸出部分的公共線為DC24V的負極，在所有輸出線圈或指示燈的一端接入DC24V的負極，另一端接入可編程控制器的輸出端子，當可編程控制器的輸出端子燈亮時，該執行元件將通電，執行某一動作。本系統的設計輸入部分和輸出部分的24V電源采用開關電源供電，PLC的電源采用另一開關電源供電，這樣做的目的是不互相干擾，保護可編程控制器。圖3.2可編程控制器電路接線圖3.4電氣元件選型的設計分析在系統設計中，電器元件主要包含隔離開關，斷路器，熱繼電器，熔斷器，接觸器，以及電動機，電磁閥等。（1）隔離開關的電氣符號用QS表示，隔離開關將外部的電源和系統進行接通和斷開，該開關一般情況下不頻繁使用，系統設計選用正泰電器的NM1系列隔離開關。（2）斷路器的電氣符號用QF表示，斷路器的主要作用是接通或斷開電動機以及其他執行元件的電源，該斷路器使用較為頻繁，斷路器分為電動機保護斷路器和普通斷路器。本系統使用的斷路器選用正泰電器的DZ47-60系列斷路器。（3）熔斷器的電氣符號用FU表示，熔斷器主要是防止線路短路，如果線路短路，熔斷器將快速熔斷，這樣將保護設備和人員安全。本系統選用的熔斷器為正泰電器的HT系列熔斷器。（4）熱繼電器的符號用FR表示，當電動機在運行時，難免發生過載現象，當電動機發生過載時，將延時一定時間，熱繼電器動作，保護電動機。熱繼電器的常閉觸點一般串聯于系統控制電路中，在可編程控制器線路設計中，熱繼電器輔助觸點將接入PLC輸入端子，用于保護電動機熱過載。本系統選用的熱繼電器為正泰電器的JRS系列熱繼電器。（5）接觸器的符號用KM表示，當電動機接通或斷開時，需要采用接觸器進行主觸點的通斷，接觸器有滅弧保護功能，本系統選用的接觸器為正泰電器的CJX2系列接觸器。（6）M：該電氣符號為交流電動機符號。對主要電氣元件的選型如下：(1)斷路器的選型斷路器的電氣符號用ＱＦ表示，斷路器主要是防止線路過流，這樣將保護設備和人員安全。對于斷路器的額定電流選擇是斷路器型號選擇的關鍵參數。對于保護電動機的斷路器選型，該電流的計算按照下式進行計算：上式中的IN為該保護電動機的銘牌額定電流值。斷路器的選型依據主要按照負載的短路電流和設備安裝的條件進行計算，熔斷器對電路短路保護起到很好的作用。如果電動機發生了過流現象，斷路器將會在一定時間內進行跳閘，安全的保護電動機。按照斷路器的選型原則，該電流計算如下式所示：式中：為該設備最大容量的三相異步電動機銘牌額定電流值；是該設備其他小容量的三相異步電動機的額定電流值之和。通過本系統的設計電動機，以及按照以上公式的計算，本系統設計的電動機的額定電流值要大于６A，所以按照選型要求和型號查詢，選用的ＱＦ型號為ＮＭ１－６３/３３００１６Ａ，該型號的額定斷開電流值為１６A。(2)交流接觸器的選型接觸器的符號用KM表示，當電動機接通或斷開時，需要采用接觸器進行主觸點的通斷，接觸器有滅弧保護功能。交流接觸器在具體型號選擇的時候，需要考慮兩個參數，首先是該接觸器主觸點承受的額定電壓值和額定電流值；其次要考慮交流接觸器線圈的電壓等級，以及交流接觸器使用的環境等。對交流接觸器的型號選擇，有兩個條件必須要滿足，首先是該主觸點的額定電流值必須大于或等于該電動機的額定電流值；其次該主觸點的額定電壓值必須大于或等于負載的額定線電壓，通過以上的兩個條件描述，對交流接觸器的選型根據公式的計算，如下所示：在上式中，為該選擇接觸器的主觸點額定電壓；為該設備的運行額定線電壓；為該選擇接觸器主觸點的額定電流；為該選擇接觸器的觸點電流；為該設備的額定功率值；為該設備的額定電壓值；為計算使用的常數；取1~1.4。交流接觸器的吸引線圈電流種類和額定電壓值：交流接觸器的線圈吸合較為頻繁，對于線圈的額定電壓選擇需要根據控制電路的設計要求和安全維護要求進行考慮。一般情況下采用交流電壓進行選擇，如果使用的場合比較特殊，將需要充分考慮該額定電壓等級。對輔助觸點的應用主要在控制電路中實現自鎖控制，或者發送接觸器狀態信號等使用。根據本系統的設計，對電動機的使用采用交流接觸器進行控制，按照電動機的額定電流，主觸點的電流為6A左右，所以選用CJX2-09型接觸器，該交流接觸器的額定電流為9A。升降電機啟動、停止交流接觸器的額定電流大于7.2A到9A所以選用CJX2-9，其額定電流為9A。第4章灌裝控制系統的軟件設計4.1I/O分配設計根據灌裝控制系統的設計要求，對可編程控制器進行分配設計的主要目的是，可以在程序設計時，方便參考和動作的查詢，這樣可以大大簡化程序設計的時間，并且減小出錯的概率。其次在進行程序的調試時，可以根據I/O分配設計，進行程序的輸入判斷和輸出判斷，按照程序設計的工藝要求，進行某個輸入點的接通，可以通過輸出判斷確定程序動作是否正確。再次在進行故障排查時，可以根據I/O分配設計進行參考，明確輸入指示燈是否亮，才能準確快速判斷輸入部分是否正常，如果輸出燈亮，而執行單元未動作，說明執行單元接線錯誤。一般情況下，對于I/O分配設計需要留夠余量，為了后期的擴展需要，以及后期升級過程中，設備功能的添加和完善。以上都可以通過I/O的地址分配進行快速準確的判斷。本系統的I/O數據記錄如下，如表4.1所示。表4.1I/O點的分配表序號定義點功能1I0.0啟動按鈕2I0.1停止按鈕3I0.2裝料位置限位開關4I0.3正品信號輸入5I0.4次品信號輸入6I0.5裝蓋手下限位開關７I0.6裝蓋手上限位開關８I0.7裝蓋限位開關９I1.0裝蓋手回原位10I1.1傳感器檢測限位開關11I1.2正品裝箱限位開關12I1.3次品裝箱限位開關13I1.4傳輸帶故障14Q0.0傳輸帶運行15Q0.1裝料閥運行16Q0.2裝蓋下行17Q0.3裝蓋上行18Q0.4檢測正品輸出19Q0.5檢測次品輸出20Q0.6檢測閃爍提示21Q0.7產品裝箱22Q1.1次品裝箱4.2程序流程圖的設計程序流程設計如下圖所示。圖4.1程序流程設計框圖灌裝控制系統能夠實現以下目的：（1）系統通過開關設定為自動操作模式，一旦啟動，則傳送帶的驅動電機啟動并一直保持到停止開關動作或待灌裝的飲料瓶被傳送至灌裝設備下時停止；瓶子裝滿飲料并上蓋后，傳送帶驅動電機必須自動啟動，并保持到下一個待灌裝的飲料瓶被傳送至灌裝設備下或停止開關動作；（2）當瓶子定位在灌裝設備下時，灌裝設備開始工作，待灌裝過程完畢再對飲料瓶進行上蓋；（3）對正品進行包裝，對次品也進行包裝；（4）通過正品檢測和次品檢測，對灌裝系統進行控制。4.3編程軟件的介紹本系統設計采用西門子S7-200專用的編程軟件STEP7-MICRO/WIN32，該軟件主要對S7-200可編程控制器進行軟件程序的設計開發。該軟件可以采用梯形圖設計、語句表（STL）設計、功能圖（FBD）設計。軟件可以進行符號表設計、數據塊和系統快設計、通信設計。可以添加高速計數器功能導向、PID功能導向、配方導向及文本顯示器導向等。該軟件的指令比較豐富，可以適應各種運算和邏輯控制，在模擬量控制部分，應用比較多的是計算指令、數據轉換指令、傳送指令及程序控制指令等。軟件功能豐富，可以進行在線監控功能。采用該編程軟件，可以方便快捷的完成程序的開發設計。按照該軟件的使用功能，可以對現場工工藝進行程序的設計和編寫，滿足現場工藝設計的要求。（1）通過該軟件進行項目工程的創建，對可編程控制器的型號進行選擇，可以按照工藝要求添加功能導向。在符號表內可以對變量進行定義，按照工藝流程進行程序的設計編寫，程序編寫完成后，可以直接下載到可編程控制器。下載程序時，首先安裝好驅動程序，需要對通訊地址和波特率進行設置。（2）在線情況下，可以進行程序的下載和上傳，在程序設計中，可以對程序進行加密處理。（3）程序設計完成后，需要進行程序的編譯檢查，編輯檢查的為語法錯誤等，按照家產的結果進行程序的修改，達到準確無誤的要求。（4）可以對用戶程序進行加密，防止核心信息泄露，起到保護知識產權的作用。（5）在設備故障處理過程中，可以通過該軟件進行程序監控，發現問題所在，及時處理。4.4程序的設計及分析（1）系統啟動，當按下外部啟動按鈕后，系統開始啟動；當按下外部停止按鈕后，系統停止運行。（2）當系統運行后，如果裝料位置限位開關輸入，表示有瓶子要裝料，裝料閥開始輸出，當檢測到瓶內的液位VWO大于100時，表示裝滿，裝料閥停止輸出。在裝料過程中，進行液位計算，SMO5為時間脈沖繼電器，每次響應，VWO將會加5。（3）當裝料滿后，進行加蓋，當加蓋限位開關碰觸后，將進行加蓋下行動作，當碰到裝蓋下限位開關后，加蓋下行動作結束，當執行裝蓋上行時，如果碰觸帶裝蓋上限位開關，加蓋上行動作結束。（4）當檢測到正品后，將輸出正品電磁閥，當檢測到次品后，將輸出次品電磁閥。正品電磁閥和次品電磁閥互為連鎖。（5）當檢測位置檢測出產品后，將進行指示燈輸出。指示燈輸出為閃爍輸出。（6）最后對產品裝箱，產品裝箱分為正品裝箱和次品裝箱。并且完成產品的計數功能。程序編寫如下。第5章灌裝系統的組態設計5.1組態軟件的介紹組態王是應用比較廣泛的監控組態軟件，目前比較流行，該軟件主要用來創建和設計適合工業環境上位機系統的畫面設計，通訊設計等。組態王軟件可以在Windows環境下使用，對于工程的監控系統設計、現場數據的采集顯示、和其他智能設備之間的通訊等都有獨特的應用。通過在上位機上制作畫面，以動畫或者流程的形式顯示當前的系統狀態，對重要的數據進行實時曲線設計及歷史曲線設計，可以對數據進行報表打印，按照用戶的工藝流程設計畫面，盡力切合現場可視化管理，給用戶提供解決現場實際問題的最佳化管理方案。組態王軟件和微軟公司研發的操作系統之間可以完美兼容，組態王設計過程中，簡單方便，通俗易懂，入門快，功能豐富，可以通過驅動程序進行大多數智能設備的聯網通訊，在自動化現場應用方面很受歡迎，值得大力推廣和學習。組態王軟件的應用比較廣泛，是大多數研發者喜愛的軟件，該軟件的研發成果是依據計算機控制技術和控制理論技術相互結合，該軟件的問世，標志著自動化技術上了一個大臺階。在該軟件設計中，主要是按照現場工業自動化控制的工藝流程，對現場的必要參數進行信號采集，將采集的信號轉換為模擬量信號輸入到控制單元，然后顯示在上位機，對這些數據進行控制和監控，在組態軟件中，可以將這些數據進行歷史曲線設計和報表設計處理，通過報警動畫來反映現場異常情況，此軟件可以代替人工現場管理，節省了生產管理成本，并且能夠根據現場監控的數據準確做出決策，對日常的生產管理效率大大提高。按照現代化工業的發展趨勢，自動化控制將來無處不在，將代替大量的人工操作，完成某個生產工藝流程的過程。自從組態軟件的問世和現場應用，現場控制的工藝管理將大大方便。按照目前工業發展趨勢，為了提高產品質量，提高效率，工廠自動化控制將起到很大的作用，市場對自動化產品的需求量也很大，而且在質量上要求更高。所以在自動化產品方面，組態王軟件的應用滿足了現代工業的所有上位機設計要求，操作界面簡單實用，按照當前的工藝要求達到人性化管理的目的，對數據的監控和控制可靠穩定，開發周期比較短。系統的擴充能力比較強。本文的設計，按照控制系統的工藝要求，進行組態王上位機的設計，達到自動化控制的目的。5.2組態王6.55在設計中的應用按照控制系統設計的要求，采用組態王6.55系列的軟件進行系統設計，實現系統可視化控制的目的，通過畫面設計，變量設計及通訊設計等方法，實現控制系統的自動化控制。設計過程如下所示：1.畫面的制作（1）建立工程文件打開“組態王6.55”軟件，通過“新建”啟動新建工程導向，按照新建工程的導向要求，設置保存路徑，項目名稱等。設定完畢后，通過確認，項目就建立成功。如下圖5-1所示。圖5-1新建工程向導（2）進入工程文件按照工程設計的流程，選擇當前工程進行開發，打開開發系統，進行編譯。開發系統包括系統參數設置、變量設計、站點通訊設計、畫面設計、數據庫編譯、系統配置設置等。詳細見下圖5-2。圖5-2工程瀏覽器（3）創建組態畫面在畫面設計中，首先進行畫面新建，對畫面進行名稱編譯，畫面的風格編譯，以及畫面的位置和大小編譯等。通過以上的編譯，完成畫面的設置，編譯完成后，按下“確定”按鈕。對話框如下圖5-3。圖5-3新建畫面按照上面的對話框設定好畫面后，打開畫面，如下圖5-4所示。在畫面編譯設計中，可以看到工具箱，通過工具箱可以完成畫面的繪制，文字的輸入，屬性的設置，顏色的設計，以及畫面保存。特別是工程圖片的打開，可以看到多種類型的工程圖片，可以調用這些圖片，完成畫面的美觀設計。圖5-4開發系統按照當前的畫面設計，根據系統設計的工藝流程和要求，進行畫面設計，畫面設計盡量滿足工程實際流程，人性化設計及合理化編譯。2.定義I/O變量對變量設計部分，I/O變量需要通過與可編程控制器互相通訊才能完成，通過組態王的組態設計，可以建立系統和下位機之間的驅動程序，完成驅動程序的編譯，設置好波特率和地址，根據系統的實際要求和需要，完成驅動設置如圖5-5所示。圖5-5設備配置向導3.構造數據庫數據庫的編譯時組態王軟件最重要的一部分，通過數據庫的編譯，建立和可編程控制器之間通訊的變量，變量的建立主要包括對變量名稱的設置，數據類型的設置，連接設備和連接地址的設置，以及變量初始值的設置等。按照變量對話框進行每個變量的設計，完成所有變量的設置。如下圖5-6所示。圖5-6定義變量4.創建動畫連接動畫連接的目的是將畫面的圖形按照變量的狀態進行變化。動畫連接可以對各種圖形，文字，管道等按照變量的變化進行狀態的變化。動畫連接一般包含線屬性、填充屬性、文本色屬性、閃爍動畫、隱含動畫、流動動畫等等。如圖5-7所示。圖5-7動畫連接對話框5.3運行調試（1）首先要進行系統的常規檢查，該部分檢查主要包括可編程控制器的線路檢查，主電路的線路檢查，對主要控制模塊的電源部分注意正負極不能接錯，而且保證在DC24V電源里，不能有AC220V電源接入，否則容易燒壞模塊。（2）系統調試時，首先檢查通訊是否正常，當通訊正常后即可下載程序，系統使用STEP7軟件進行程序的開發，需要進行程序的下載。程序運行后，開始進行自診斷處理，當診斷錯誤，將報警顯示，根據診斷內容進行問題排查和解決。在進行調試時，首先通過手動控制，進行各個功能的調試，當發現問題，分析程序部分是否錯誤，對程序進行修改。在進行上位機調試時，進行地址的設置，保證上位機和PL