IIPLC飲料灌裝機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計摘要現(xiàn)如今，灌裝飲品因味道可口、種類豐富、包裝簡便而深受消費者青睞。傳統(tǒng)繼電器控制生產(chǎn)模式存在故障率高、產(chǎn)量小的問題，已經(jīng)不能適應(yīng)人民群眾不斷提高的消費需求。新型灌裝機械在這一趨勢下迅速崛起，尤其PLC在這方面的應(yīng)用越來越多，使其發(fā)展步入了新的時代。倘若花費大量資金進口，以滿足國內(nèi)飲料灌裝機生產(chǎn)自動化的需要，就增加了資金的耗費?，F(xiàn)階段，全自動飲料灌裝生產(chǎn)線進口價格在450萬元左右，對飲料灌裝企業(yè)來說，這價格估計不算小。關(guān)鍵是，當產(chǎn)品出現(xiàn)問題時，需要由國外相應(yīng)的維修團隊進行維修，這可以被視為需要時間和人力。在PLC廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域時，可選用PLC對飲料灌裝系統(tǒng)進行控制，使生產(chǎn)能力得到了極大地提高，這對該行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文所要講述的就是飲料灌裝控制系統(tǒng)的設(shè)計。本文以S7-200的PLC為主要控制單元，設(shè)計出一種簡單的旋轉(zhuǎn)式飲料灌裝系統(tǒng)。實現(xiàn)由原料的運輸至空瓶檢測、打蓋及灌裝的標準化生產(chǎn)流程。關(guān)鍵詞：PLC灌裝電磁閥氣壓傳感器一、引言我國發(fā)展處在高速階段，灌裝產(chǎn)業(yè)需求也與日俱增，相比于一些常規(guī)灌裝方法，對產(chǎn)品包裝要求也越來越高。當前灌裝行業(yè)的宗旨是節(jié)約成本，精確灌裝，高效穩(wěn)定，關(guān)愛環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，從理念上和技術(shù)上改進且創(chuàng)新當今世界上的灌裝設(shè)備生產(chǎn)工藝，使之與時代同步。當今，全球灌裝設(shè)備行業(yè)的主導行業(yè)是美國和日本，它們都處于全球設(shè)備生產(chǎn)的領(lǐng)導地位。美國的工業(yè)技術(shù)，在全球都是數(shù)一數(shù)二的。美國灌裝設(shè)備的生產(chǎn)和灌裝工藝在經(jīng)歷了100多年的發(fā)展后，已成為一種技術(shù)手段豐富、精度高、效率高、穩(wěn)定性好的產(chǎn)品。另外，目前的編程控制技術(shù)在國際上也是舉足輕重的，它在大多數(shù)的行業(yè)中都得到了廣泛的運用，并且在灌裝設(shè)備中得到了廣泛的使用，從而建立起了完整的灌裝制造系統(tǒng)。盡管日本發(fā)展的時間要晚于美國，但是日本自1960年至1990年間從世界各地引入了大量的現(xiàn)代化技術(shù)，使日本擁有了強大的實力和雄厚的經(jīng)濟實力，并且仍然能夠維持高水平的生產(chǎn)。該設(shè)備發(fā)展迅速，發(fā)展速度不斷加快，逐步躋身于國際先進行列。相對于美國，日本的微電子技術(shù)在科技上有著自己的特色，在國際上處于領(lǐng)先地位。這為我國的灌裝行業(yè)發(fā)展指明了新的發(fā)展趨勢。二、控制系統(tǒng)的設(shè)計方案（一）設(shè)計方案的比較在飲料灌裝行業(yè)，PLC應(yīng)運而生并得到了迅猛發(fā)展，而近年來被廣泛采用的繼電控制方式已經(jīng)成為基于PLC開發(fā)灌裝系統(tǒng)的主流方式。目前常用的以PLC為基礎(chǔ)的灌裝設(shè)備有直線型和旋轉(zhuǎn)型兩種。直線型飲料機需要一個比較大的生產(chǎn)空間和一個資源相對充足的流水線。這極大地消耗了制造費用。另外，由于生產(chǎn)線上多余的灌裝機也會降低產(chǎn)量。在社會快速進步發(fā)展的今天，已逐步被淘汰出局。旋轉(zhuǎn)式飲料灌裝機對生產(chǎn)場地沒有要求，采用轉(zhuǎn)盤式的灌裝設(shè)計，節(jié)約了生產(chǎn)空間，降低了生產(chǎn)成本。同時能使灌裝機的生產(chǎn)能力得到顯著提高，使不良品和合格品及時送到下一個環(huán)節(jié)，運輸上不浪費時間。在灌裝精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面都非常好。灌裝時不存在因漏液，堵塞而使產(chǎn)品變質(zhì)的問題。但它價格昂貴，而且對包裝技術(shù)也提出了更高的要求，是目前無法取代的灌裝設(shè)備。所以隨著更多的商家采用此類設(shè)備灌裝。本論文重點介紹了旋轉(zhuǎn)流態(tài)化全自動加料過程系統(tǒng)。（二）控制方案的確定通過前節(jié)的對比不難看出，以PLC為核心控制旋轉(zhuǎn)式為飲料進行灌裝是一種較為完善的注入方式。因此，本畢業(yè)項目使用了旋轉(zhuǎn)式灌裝控制系統(tǒng)的控制方案。托盤設(shè)計有6個基本流程，用于上料、檢測、排除缺陷、灌裝、鋪設(shè)和送出。在1、3、6的工作臺上，分別將空瓶、次瓶、合格品或?qū)⑵渫瞥觥?、4站設(shè)有汽筒豎向移動，能將空瓶推進至灌裝作業(yè)的水平高度中，5站亦設(shè)有汽筒豎向移動，使符合標準的設(shè)備進行開瓶口的作業(yè)。在工位2、4處分別設(shè)置電磁閥進行灌裝與充氣的效果，使用流量閥，可通過預(yù)設(shè)流量及時間，與灌裝體積相配合，以滿足灌裝瓶子尺寸。通過重要的定位或沖程轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)對執(zhí)行器工作的全部控制。在系統(tǒng)啟動時，通過按鍵來傳輸一小部分的訊號。圖2-1灌裝工作示意圖圖2-2壓蓋工作示意圖圖2-3次品工作示意圖圖2-4分揀工作示意圖圖2-5總體設(shè)計方案框圖三、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計（一）可編程邏輯控制器的選型1、PLC的選型據(jù)估計，旋轉(zhuǎn)飲料灌裝機的輸入數(shù)據(jù)為27，輸出為28。首先，該主電路采用CPU224XP，其具有14位數(shù)位輸入，10位數(shù)位，2位模數(shù)位，1位模數(shù)位。通過仿真流量輸入，實現(xiàn)了空氣壓力傳感器的輸入。擴展模組1采用EM223擴展模組，其直流16個直流，直流16個直流，DC24V工作。擴展模組2使用EM223擴展模組，存在四點直流輸入。CPU224XP的輸入/輸出，再加上擴展模組I、II的各點，總共有34個輸入點和30個數(shù)字量輸出點，充分實現(xiàn)了27個數(shù)字量的輸出點和28個數(shù)字量的輸出點。表3-1拓展模塊型號表圖3-2灌裝機PLC主機和拓展模塊型號選擇圖2、PLC的外部接線圖圖3-3PLC外部接線圖（二）電動機的選型本次設(shè)計所采用的飲料灌裝機由4個電機組成，1個控制工作轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，另外三個應(yīng)該是同一型號的，用于控制出料、送料不合格品空瓶和傳送合格品的傳送帶。控制轉(zhuǎn)臺用電機需要轉(zhuǎn)盤速度不宜過快，鑒于工位切換的問題，速度過快時轉(zhuǎn)盤運行誤差較大。因此，在進行工藝調(diào)整時需要根據(jù)實際情況來確定最佳的電機參數(shù)。經(jīng)過比較，最后選定了Y132M-4型的轉(zhuǎn)臺馬達。表3-2轉(zhuǎn)盤電機的型號參數(shù)首先，電動機的轉(zhuǎn)速必須與轉(zhuǎn)盤電動機的轉(zhuǎn)速相近，不然空氣缸的傳送速率太高，會造成故障。其次，發(fā)動機要采用大轉(zhuǎn)矩的低速電動機，在高轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機的摩擦力會造成很大的發(fā)熱，很可能會造成發(fā)動機的損傷。第三，要有良好的散熱器。沒有一個優(yōu)良的散熱能力是不能確保該設(shè)備的正常運行。所以我們選用了1440轉(zhuǎn)/分鐘的電動機和Y90S-4型輸送機馬達。表3-3傳送帶電機的參數(shù)本文中提及的電動機均采用新形連接方式。它具有以下優(yōu)點：①結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；②易于維護和易于維護；③成本低，重量輕，易于普及和應(yīng)用；④可采用三相電源，節(jié)約能源，增加經(jīng)濟價值；⑤應(yīng)用廣泛。連接在380V交流電網(wǎng)中，由接觸器KM控制通斷。圖3-4電機的接線圖（三）氣動元件選型1、氣缸的選型本發(fā)明設(shè)計方案采用6只雙動作汽缸，它的兩個內(nèi)腔可以獨立地進行工作，從而實現(xiàn)了汽缸的雙向移動。汽缸1,3,6是水平放置的，汽缸2,4,5是垂直放置的。選擇汽缸實際上是決定汽缸的壓強和汽缸直徑。汽缸直徑的推力取決于汽缸的尺寸。汽油機的推動力公式：汽缸的推力F1=0.25p-D2P汽油機的拉伸量是：F2=0.25pi(D2-d2)P這個計算公式適合于50至500毫米/秒的汽缸轉(zhuǎn)速。在式中，D-柱塞的柱體的直徑，D-柱塞柱體的直徑，P-柱體的操作壓力（kgf/cm2),F1、F2-柱體的理論推力（kgf）。在豎立狀態(tài)下，其向下的推動力僅為所需的計算量的1/2。氣缸橫向布置時，橫向推力與計算值基本一樣。表3-4缸徑、空氣壓力和推理對照表當前，在市場的灌裝飲料中，包裝最小規(guī)格為200毫升，重量200克左右，最大包裝規(guī)格為2.5升，為了滿足灌裝需求，可以在1,3,6的位置放置一個10毫米的圓柱體，壓力0.4MPa。在2,4和5處，水平放置的汽缸需要10毫米的直徑和0.7MPa的壓力，并且理論上的壓力是5.5公斤，符合要求。2、氣爪的選型本設(shè)計采用兩種功能相同的氣爪，以便夾持瓶子執(zhí)行后續(xù)充氣或者灌裝作業(yè)，所以，兩種氣爪可使用相同。目前市場上普通瓶裝飲料重0.25kg~2.5kg，按照重力公式G=mg,氣爪所需承受的重力范圍為數(shù)十牛頓，所以，選擇了MHZ2-10D的氣爪。四、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計（一）編程軟件的概述本項目采用西門子S7-200PLC，由于使用了西門子公司的相關(guān)程序，所以運行STEP7程序。這是西門子公司的一款程序，一般用于西門子PLC。STEP7程序設(shè)計主要有三種方式：語句表編程、順序功能圖、梯形圖編程。其功能也更為廣泛，編程是其最基本的功能，另外，還包括程序診斷、監(jiān)控程序、參數(shù)設(shè)置、組態(tài)通訊等。最后，還有PLC如何與PC機連接的問題，通常采用MPI/PC適配器，利用標準RS-232C通信電纜，實現(xiàn)PLC與PC機的連接。（二）控制系統(tǒng)的流程說明本次設(shè)計旋轉(zhuǎn)式飲料灌裝機工作臺共有6臺工作站。工作模式分為兩種：自動化和手工兩種。當處于自動工作狀態(tài)時，按下啟動按鈕后，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一工位，送料傳送帶運動并借助氣缸推動空瓶進入工作臺，轉(zhuǎn)動將空瓶送到工作站2，與此同時，1號工作臺上的瓶子又被抬了上來，進行密封測試，若檢測不出來，將垃圾轉(zhuǎn)移到工作臺3，用垃圾運輸機運送，如果通過，就原地不動，到工作臺4重新填充空瓶子。灌裝期間，由提升站4、空氣抓握的空瓶子進行灌裝，并裝有閃光的加料指示。在灌入完畢后，將瓶子送入5工位進行開瓶口作業(yè)，當封口結(jié)束時，將已加工好的飲品送入6號工位，再用汽缸推動。通過合格品傳送帶輸送。系統(tǒng)設(shè)置了急停、停止的功能。手動模式主要用于發(fā)生故障后的簡單操作。本設(shè)計有4種手動選項。兩項工程均在同一條生產(chǎn)線上進行。如果出現(xiàn)了問題，那么在進行修理之前，必須對整個系統(tǒng)進行全面清洗。通過人工操作轉(zhuǎn)盤，將轉(zhuǎn)盤內(nèi)的余料送至工作站方便清理；由人工對不合格品與合格品傳送帶進行操作，向?qū)?yīng)存放地點寄送合格飲料或者未完成的破瓶。（三）控制流程圖（四）控制系統(tǒng)PLC程序的開發(fā)1、自動運行的起保?；芈吩诤芏嘧詣踊僮鞣绞街校幸环N保?；芈繁黄毡椴捎?，它的作用是保持系統(tǒng)在自動化操作狀態(tài)下的持續(xù)移動。圖4-1自動運行模式起保停程序I0.2表示自動啟動鍵，I0.1表示自動/手工轉(zhuǎn)換鍵，I0.3表示停止鍵。本發(fā)明在一種自動操作方式下，I0.1常開型觸點導通，I0.2正常觸點導通，并在啟動鍵的作用下給自動操作的傳動繞組M4.0加電流，自動運行程序M4.0驅(qū)動線圈閉合，形成常開觸點，常開觸點并聯(lián)在開始按鈕M4.0上，實現(xiàn)自鎖。I0.3的停機鍵關(guān)閉了自動鎖回路，讓軟件循環(huán)一次后停止運行。剩余M接線為組態(tài)王對應(yīng)鍵。2、系統(tǒng)故障時所需的急停程序高穩(wěn)定性在長期高負荷運轉(zhuǎn)后，也會發(fā)生失效，或由于某些不當?shù)娜斯げ倏v而引起失效，所以需要有應(yīng)急停機。圖4-2急停程序急?；芈方Y(jié)構(gòu)簡潔、高效，按下緊急停車鍵，I0.4觸點導通，線圈M4.0及其后的線圈自動重置，系統(tǒng)也會立即停機。3、氣缸的動作程序這個系統(tǒng)采用了很多汽缸，其程序和方式都是一樣的。I1.1對射式傳感器安裝在傳送帶I,Q0.4安裝在帶伸出電磁閥氣缸內(nèi)。送料傳送和送料同時工作，傳感器探測瓶子的信號后,I1.1常開觸點關(guān)閉，線圈M4.3持續(xù)收到電流，對應(yīng)常開觸點關(guān)閉和導通，使得氣缸伸出的電磁閥持續(xù)接收電流，將活塞推出并將空瓶推入轉(zhuǎn)盤。圖4-3氣缸的動作程序（以氣缸一為例）五、結(jié)束語經(jīng)過這次畢業(yè)項目的洗禮，我收獲了很多，學會了很多，這是一次歷練和蛻變。我的畢業(yè)設(shè)計是飲料灌裝機的控制系統(tǒng)的設(shè)計，這對我來說有點陌生，即使它涉及PLC，這是我比較熟悉的，我仍然有一些信心問題。但是有了老師和同學們的支持，我定會持之以恒。參考文獻孔凡真.飲料無菌冷灌裝生產(chǎn)線的應(yīng)用是大勢所趨[J].飲料工業(yè)，2017.