啤酒生產線控制系統設計——灌裝部分

1、第一章 緒論1.1本課題設計的背景自從改革開放到21世紀的今天，經過三十多年的發展，我國的啤酒工業得到了迅猛的發展，啤酒產量的提高是有目共睹的，從1980年開始的年產只有688萬噸，到1999年的1640萬噸，19年的時間里增長了22倍之多。年均遞增22%,2000年已經突破2000萬噸，截止到2013年底，我國的啤酒年產量已經突破3億噸。啤酒罐裝部分是啤酒生產的最后一道工序，其裝備水平直接影響到啤酒的成品質量、成本、銷售業績和企業的經濟效益。隨著我國國民經濟的發展，人民生活水平的日益提高，廣大消費者不但對啤酒質量更對包裝水平提出了更高的要求，一款美觀實用大方的啤酒瓶同樣也能吸引消費者消費者的

2、眼球。因此，啤酒生產裝備也面臨著同步發展的問題。世界發達國家，尤其美國、德國這樣的啤酒生產和需求大國，他們的設備制造廠家無不致力于不斷改進和發展新一代的啤酒罐裝設備。雖然我國現代啤酒生產在機械制造業和自動化控制方面起步較晚，但是從80年代開始，通過引進日本和德國技術軟件和自動控制設備，組織消化吸收，已經生產出接近國際水平的啤酒罐裝生產線。現如今經過短短幾十年的發展，我國的啤酒灌裝生產線已經邁入國際先進水平的行列，現在每年我國的大型啤酒生產企業可以達到年產啤酒100萬噸的產量，并且保證破瓶率不超過0.8%，酒損率不超過0.9%。這樣高產量和高質量效果的取得，得益于先進的灌裝設備和高效率的自動控制

3、方式，同時這里更少不了現代工業自動化的設備和工程技術人員對設備的編程和控制。自動化的飲料灌裝設備應用范圍很廣，幾乎應用于所有的飲料灌裝行業，特別是啤酒行業，因為產量巨大，所以被廣泛使用。發展前景異常廣闊。PLC作為現代工業自動化領域應用最廣泛的控制器得到了長足的發展，它的出現代替了傳統繼電器的繁瑣接線和控制邏輯。實現高效和快速的生產，使工業生產變得簡單。1969年美國數字設備公司（DEC）研制書世界第一臺可編程控制器，并成功地應用在美國（GM）的生產線上。但當時只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制期，簡稱PLC（programmable logic controller）。70年代后期，隨著

4、微電子技術和計算機的迅猛發展，使PLC從開關量的邏輯控制擴展到數字控制及生產過程控制域，真正成為一種電子計算機工業控制裝置，故稱為可編程控制器，簡稱PC（programmable controller）.但由于PC容易與個人計算機（programmable computer）相混淆，故人們仍習慣地用PLC作為可編程器的縮寫。1985年國際電工委員會（IEC）對PLC的定義如下：可編程控制器是一種進行數字運算的電子系統，是專為在工業環境下的應用而設計的工業控制器，它采用了可以編程的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字或模擬式的輸入和輸出，控

5、制各種類型機械的生產過程。PLC是繼電器邏輯控制系統發展而來，所以它在數學處理、順序控制方面具有一定優勢。繼電器在控制系統中主要起兩種作用：（1）邏輯運算（2）弱電控制強電。PLC是集自動控制技術，計算機技術和通訊技術于一體的一種新型工業控制裝置，已躍居工業自動化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。可編程控制器，簡稱PLC。它在集成電路、計算機技術的基礎上發展起來的一中新型工業控制設備。 具有1.可靠性高、抗干擾能力強 2.設計、安裝容易，維護工作量少 4.功能強、通用性好 5.開發周期短，成功率高 6.體積小，重量輕、功耗底等特點。已經廣泛應用于自動化控制的各個領域，并已成

6、為實現工業生產自動化的支柱產品。與繼電接觸器系統相比系統更加可靠；占位空間比繼電接觸器控制系統小；價格上能與繼電接觸器控制系統競爭；易于在現場變更程序；便于使用、維護、維修；能直接推動電磁閥、觸器與于之相當的執行機構；能向中央執行機構；能向中央數據處理系統直接傳輸數據等。因此，研究啤酒生產線灌裝部分的可編程邏輯控制器（PLC）控制系統設計，有助于推動啤酒業灌裝工藝和飲料灌裝工藝的發展，可以有效的節省成本提高生產效率，減少破瓶率和酒損率，同時也可以增加PLC在工業自動化領域的使用率，具有相當強的經濟和理論研究價值。1.2 本課題設計的內容(1) 分析當前啤酒生產線灌裝部分的理論發展狀況，國內外灌

7、裝控制設備的整體建設狀況以及在啤酒灌裝部分的應用情況；(2)掌握PLC的使用方法，熟悉PLC編程工具；(3)基于實物建立灌裝工段的模型，采用恰當的控制方法，設計灌裝部分的控制策略；(4)根據設計的灌裝部分控制策略編制該部分的控制程序，并編制用于顯示和控制的組態界面，完成灌裝部分控制系統的實際運行。并實現與啤酒生產線灌裝部分的聯動運行；(5)實地運行比較優化后的灌裝策略與傳統的灌裝策略，分析驗證策略的效果。1.3本課題設計的目的和意義傳統生產模式下的啤酒罐裝工藝主要依據人工裝理瓶、洗瓶、灌裝、旋蓋、貼標五個工段進行啤酒灌裝，這樣的生產模式首先浪費了大量生產力，在現階段的社會模式下，這樣高投入，低

8、產能的生產方式不利于企業盈利；其次，效率低下，產能不能有效提高；最后，最重要的一點就是這樣的灌裝方式極其不衛生。特別是對于一些中小型啤酒企業這樣的生產方式存在較大的安全隱患。啤酒罐裝部分的自動化控制的出現再配合灌裝設備，徹底解決了這一難題。啤酒生產線的自動化灌裝可以產生巨大的社會效益和經濟效益。從根本上解決發展生產力。它通過成套的啤酒灌裝設備再配合工業自動化的PLC控制，可以使產量和衛生程度大幅度地提高，提高了啤酒生產效率；啤酒生產線灌裝部分采用分布式網絡化流程控制系統，結合上位計算機管理，可以很容易實現自動化控制，只需一到兩人值守，就可以控制整條啤酒罐裝部分生產線，通過PLC控制，加快了運行

9、和處理速度，提高了勞動生產率，降低操作人員的勞動強度；采用自動化技術后，同時還能較好地適應黑暗、低溫、污染、有毒和易爆等特殊場合的物品生產需要；PLC再結合上位計算機控制能夠始終準確無誤地對各種信息進行存儲和管理，減少了人工灌裝時處理信息的差錯；同時借助于計算機管理還能有效地提高啤酒生產能力，便于查驗破瓶率和酒損率，合理改進工藝，加快資金周轉，節約流動資金，從而提高啤酒罐裝的工藝和生產水平。自動化的啤酒灌裝生產線信息系統可以與企業的生產信息系統集成，實現企業信息管理的自動化。同時，由于使用了自動化啤酒灌裝成套設備，可以促進企業的科學管理，減少了浪費，保證均衡生產，也提高了操作人員素質和管理人員

10、的水平。第二章系統總體方案設計2.1 灌裝部分系統構成自動化啤酒罐裝部分是指在不直接進行人工處理的情況下, 自動地完成啤酒的理瓶、洗瓶、灌裝、旋蓋、貼標的系統, 它以傳送帶和伺服電機機械手為主體, 以成套灌裝設備為基礎, 是集自動控制技術、通信技術、機電技術于一體的高效率、大容量灌裝機構。自動化啤酒罐裝的出現, 實現了啤酒罐裝功能從多人工、長工時向高效率，高質量的轉變。用PLC控制的自動化啤酒罐裝生產線達到灌裝技術的全面自動化。啤酒罐裝部分基本由以下部分組成:理瓶機:主要用于對雜亂擺放的啤酒瓶進行整理，并使其有次序有方向的排列在輸送帶上，高速高

11、效的經傳送帶輸送到下一個工段。沖瓶機:通過成套沖瓶機設備，由電機帶動通過機械方式對空瓶進行翻轉沖洗，然后空行滴定，排除瓶內的殘留水分。灌裝機:灌裝機通過貯液缸內的壓力高于瓶中壓力即壓力差的原理，使液體靠壓差流入啤酒瓶內。旋蓋機:主要用于對灌裝好的啤酒瓶進行旋蓋或者壓蓋，本次畢業設計是采用安全可靠地瓶口帶螺紋的塑料瓶進行啤酒罐裝，所以采用旋蓋方式進行封裝。貼標機:主要用于對灌裝旋蓋好的啤酒瓶進行圓周貼標，是啤酒罐裝部分的最后一道工序。輸送帶系統:是啤酒灌裝部分重要的外圍設備，負責將啤酒瓶運送到各個單獨工段。輸送機種類非常多，常見的有履帶輸送機，輥道輸送機，鏈條輸送機，升降臺，分配車，提升機，皮帶

12、機等。自動控制系統:驅動啤酒罐裝部分各設備的自動控制系統。目前以采用現場總線方式為控制模式為主。組態控制系統:通過對控制系統進行組態，能夠實現對自動化設備和過程進行監視和控制。它能從自動化過程和設備中采集各種信息，并將信息以圖形化等更易于理解的方式進行顯示，將重要的信息以各種方式傳給有關人員，對信息進行有關的存儲和處理，并發出控制指令。2.2 灌裝部分設計基本步驟啤酒灌裝部分系統設計與調試的主要步驟，如下圖2.1所示：在啤酒罐裝部分控制系統的設計過程中主要要考慮以下幾點：1.深入了解和分析啤酒罐裝部分的工藝條件和控制要求。2.確定I/O設備。根據啤酒罐裝部分控制系統的功能要求，確定系統所需的用

13、戶輸入、輸出設備。3.根據I/O點數選擇合適的PLC類型。4.分配I/O點，分配PLC的輸入輸出點。5.設計啤酒灌裝部分系統的梯形圖程序，根據工作要求設計出周密完整的梯形圖程序，這是整個啤酒罐裝部分系統控制設計的核心工作。6.將程序輸入PLC進行軟件測試，查找錯誤，使系統程序更加完善。7. 啤酒罐裝部分的整體調試，在PLC軟硬件設計和現場施工完成后，就可以進行整個系統的聯機調試，調試中發現的問題要逐一排除，解決所遇到的問題。 圖2.1 灌裝部分系統設計流程圖Fig 2.1 Filling part of the flow chart of system design 2.3 PLC控制特性1、

14、低成本利用電力線上網，最大的優點就是成本低。由于利用電力線上網，直接使用現有電力網就可以實現通信，而不需要另外鋪設電話線、光電纜等，大大地減少了在基礎網絡上的投資。2、范圍廣無所不在的電力線網絡也是這種技術的優勢。電力線是最基礎的網絡，它的規模之大，是其他任何網絡無法比擬的。因為家家都有電力線，由此，運營商就可以輕松地把這種網絡接入服務滲透到每一個家庭.因此，這一技術一旦進入商業化階段，將會促進電信市場的變革，并給互聯網普及帶來極大的發展空間。 3、高 速利用電力線上網能夠提供高速傳輸。德國最大的電力設備生產商RWE承諾，運用他們的電力線上網技術，其速度要比ISDN拔號上網快30多倍, 比AD

15、SL更快！足以支持現有網絡上的各種應用。更高速率的PLC產品正在研制之中。 4、便 捷不管在家里的哪個角落,只要連接到房間內的任何電源插座上，就可立即擁有PLC帶來的高速網絡享受!5、永遠在線PLC屬于"即插即用"，不用煩瑣的撥號過程，接入電源就等于接入網絡！6、結構靈活通過PLC技術實現Internet接入，可以靈活擴展接入端口數量，使資源保持較高的利用率。目前還未有效解決電力線信號通過變壓器的技術，因此，電力線通信設備都是集中在220V線路變壓器的用戶端。7、家庭數字化PLC技術能夠通過電力線將整個家庭的電器與網絡聯為一體，在室內的設備之間構筑起可自由交換信息的局域網，

16、使人們能夠通過網絡來控制自己家里的電器設備。2.4 灌裝部分主要結構啤酒生產線灌裝部分主要由六部分組成:理瓶機、沖瓶機、灌裝機、旋蓋機、貼標機、系統控制面板。具體結構見圖2.2。2.4.1 理瓶機理瓶機:是啤酒生產線灌裝部分的第一個工段，理瓶機是由一個無級調速電機帶動工作臺面旋轉，到達旋轉出口的時候由出口的方向爪擺正方向從而使使瓶子順著固定軌道進入輸送帶。只需人工把瓶子直立放入儲瓶臺，由旋轉的送瓶轉盤自動將瓶子送進軌道，瓶子按生產要求速度經軌道勻速等距進入沖瓶工段。具體見圖圖2.3.1 理瓶機實際圖Fig 2.3.1 Unscramble bottle machine沖瓶機沖瓶機:瓶子從理瓶機

17、軌道經分瓶螺桿勻速等距離進入沖瓶機旋轉噴頭下方，依次由彈力機械手卡住瓶頸，同時對應的噴頭開始對瓶內沖洗，外置噴頭對瓶身外側沖洗，在旋轉噴頭座的帶動下瓶子沿著U型軌道做360度翻轉沖洗，同時將瓶內的積水傾倒干凈，瓶子清洗干凈后恢復直立狀態進入輸送帶到達下一個步驟灌裝。具體見圖圖2.3.2 沖瓶機實際圖Fig 2.3.2 Bottle washing machine灌瓶機灌裝機:啤酒灌裝機采用等壓灌裝方式，灌裝精度高、速度快。全程實現自動化，適用于塑料瓶和玻璃瓶的灌裝啤酒。各部分的適用調整輕松自如，簡便快捷。本灌裝機采用和利時LM系列PLC進行控制實現自動運行，以及整條生產線的自動化控制。該工段的

18、原理是瓶子從洗瓶機出來進入灌裝機的進瓶螺桿，經分瓶星盤送至回轉臺的托平氣缸上，升高瓶口在定位裝置的到鄉下緊壓灌裝閥的下料口形成密封。瓶子再被抽真空后貯液缸內的背壓氣體二氧化碳被沖入瓶中當瓶中氣體壓力與氣缸壓力相等時，閥門在彈簧的作用下開啟。此時啤酒通過回氣管上傘型反射環的導向作用下自動灌入瓶內，瓶內的二氧化碳被回注到貯液缸內。當瓶內達到一定高度并將回氣管封閉時，自動停止下酒。然后將液閥和氣閥關閉，排掉瓶頸部位的壓力氣體以防止帶氣酒液在瓶子下降時噴涌溢出。這便完成了整個灌裝部分。具體見圖圖2.3.3 灌裝機實際圖Fig 2.3.3 Filling machine actual figure旋蓋機

19、啤酒經過灌裝機灌裝完成后還需要將瓶子旋蓋，旋蓋機的應用相當廣泛，適用于各種塑料瓶、聚酯瓶的鋁蓋和塑料蓋的旋蓋/壓蓋，在食品、酒水、飲料、醫療、農藥等行業廣泛使用。本機由供電為380V功率為2200W的交流電動機作為驅動裝置、自動化程度高、能自動旋蓋、并設有自動剔除反蓋裝置，每個旋轉爪設有離合器，可以保證旋緊后不受損傷，確保壓蓋合格率。該旋蓋機的原理是瓶子經送瓶軌道進入到旋蓋機下方，以掛擦的方式完成瓶子自動上蓋。套上瓶蓋的瓶子由旋蓋機的分屏星盤依次準確送入托盤基座，在托盤基座上升的同時壓蓋頭開始旋蓋/壓蓋。在壓蓋底座旋轉一周的過程完成壓蓋/旋蓋。完成后經分盤星進入傳送帶，進入下一工序。具體見圖圖

20、2.3.4 旋蓋機實際圖Fig 2.3.4 Screw cap machine actual figure旋蓋機全自動雙面不干膠貼標機主要應用于各種圓形、方形、扁形、錐型等非球面物體和包裝容器表面的貼標：可單機或在線使用，能同時對被貼物的單側面或雙側面進行貼標：實現洗瓶、灌裝、旋蓋、貼標等無人化聯動一體化生產：適用于藥品、食品、日化、糧油、酒水、五金、文具、塑膠等行業。該貼標機原理是瓶子進入貼標機分瓶機構，使每個瓶子按需要的一定距離進入校正機構：校正機構將瓶子矯正方向、羅列整齊。使其在同一條線上，送入壓持機構：壓持機構將瓶子緊固在輸送帶上，送入貼標區域：進入貼標區域后光電傳感器檢測到瓶子，將光

21、電信號傳輸到PLC，由PLC處理后將信號傳輸給伺服電機：由伺服電機送出標簽，通過撫標毛刷將標簽貼到瓶子上。循環往復，不間斷的運行。具體結構見圖。圖2.3.5 貼標機實際圖Fig 2.3.5 The actual figure labeling machine系統控制面板為了便于接線和以及系統硬件調試和啤酒罐裝部分整體聯調，本次畢業設計沒有采取傳統的硬件控制柜的形式，而是采取了前端控制面板的形式，這樣的設計形式既方便系統調試，又便于實際演示且能很好的控制成本，所有硬件設計能一目了然。具體見圖。圖2.3.6 系統控制面板Fig 2.3.6 System control panel第三章 灌裝部分硬

22、件設計3.1 硬件選型3.1.1 PLC概述可編程控制器，英文稱Programmable Controller，簡稱PLC，本課題中用PLC作為它的簡稱。PLC是用于工業現場的電控制器。它源于繼電器控制技術，但基于電子計算機。它通過運行存儲在其內存中的程序，把經輸入電路的物理過程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進而再通過輸出電路的物理過程去實現對負載的控制。PLC基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普通計算機進行入出信息變換時，大多只考慮信息本身，信息入出的物理過程一般不考慮的。而PLC則要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的實際使用。特別要考慮怎么適應于工業環境，如便于安裝，

23、便于維修及抗干擾等問題,入出信息變換及可靠的物理實現，可以說是PLC實現控制的兩個基本要點。PLC可以通過它的外設或通信接口與外界交換信息。其功能要比繼電控制裝置多的多、強的多。PLC有豐富的指令系統，有各種各樣的I/O接口、通信接口，有大容量的內存，有可靠的自身監控系統，因而具有以下基本的功能：邏輯處理功能；數據運算功能；準確定時功能；高速計數功能；中斷處理（可以實現各種內外中斷）功能；程序與數據存儲功能；聯網通信功能；自檢測、自診斷功能。可以說，凡普通小型計算機能實現的功能，PLC幾乎也都可以做到。像PLC這樣，集豐富功能于一身，是別的控制器所沒有的，更是傳統的繼電控制電路所無法比擬的。豐

24、富的功能為PLC的在工業自動化中的廣泛應用提供了可能，同時，也為自動化行業的遠程化、信息化及智能化創造了條件。外設I/O接口 輸出部件存儲器 EPROM 微處理器 運算器 控制器電源 輸入部件I/O擴展接口 I/O擴展單元 受控元件輸入信號外部設備圖3.1.1 PLC硬件結構圖Fig 3.1 PLC hardware structure diagram3.1.2 PLC選型在PLC系統設計時，首先應該根據工藝要求確定控制方案的可行性，其次的工作就是PLC工程設計選型。工藝流程的要求以及特點還有應用是設計選型的主要依據。因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務

25、和范圍確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統。1輸入輸出（I/O）點數的估算I/O點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統計的輸入輸出點數，再增加10%20%的可擴展。余量后，作為輸入輸出點數估算數據。實際訂貨時，還需根據制造廠商PLC的產品特點，對輸入輸出點數進行圓整。根據估算的方法故本次畢業設計的啤酒罐裝部分每個工段的I/O點數為輸入30點，輸出21點。2存儲器容量的估算存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的

26、大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數字量I/O點數的1015倍，加上模擬I/O點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量。因此本課題的PLC內存容量選擇應能存儲5000條梯形圖，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。3控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。

27、根據本課題所設計的自動門控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇。（1）控制功能PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節省存儲器容量。（2）編程功能離線編程方式：PLC和編程器公用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務，不對現場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統成本，但使用和調試不方便。在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機CPU負責現場控制，并在一個掃描周期內與編程器進

28、行數據交換，編程器把在線編制的程序或數據發送到主機，下一掃描周期，主機就根據新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統調試和操作方便，在大中型PLC中常采用。五種標準化編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語言和語句表（IL）、結構文本（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應遵守其標準（IEC6113123），同時，還應支持多種語言編程形式，如C，Basic等，以滿足特殊控制場合的控制要求。（3）診斷功能PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟件對PLC內部的性能和功能進行診斷是內

29、診斷，通過軟件對PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。PLC的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并影響平均維修時間。4機型的選擇(1)PLC的類型和利時LM系列可編程控制器主機分為14、24、40點三檔，對應的每檔都有繼電器輸出和晶體管輸出。同時還有各種輸入和輸出擴展單元，這樣在增加I/O點數時，不必改變機型，可以通過擴展模塊實現，降低了成本投入。本課題設計的啤酒罐裝部分控制系統有輸入信號40個，輸出信號21個。其中，外部輸入元件包括：檢測元件、按鈕、取、送、急停、限位開關、超限位保護等等；輸出有伺服電機的正反向、動作指示、錯誤顯示等等。按照上述

30、配置，所選I/O點不得低于61點，結合實際情況，所選I/O點為80點。因此我所選型號為和利時LM系列的LM3106A。LM3106A是和利時專門為涉及運動控制的用戶設計的一款小型PLC，該PLC有14點數字量輸入（DC24V）,10點數字量輸出（晶體管型）。LM系列PLC具有獨特的掉電保護功能，可以實現用戶程序和掉電保持區數據永久保存，徹底消除由于掉電而導致數據丟失的現象；同時支持五種國際化編程語言，適合不同編程人員的需要；LM系列應用領域廣泛，有良好的用戶基礎，所以可靠性高，安全系數高。（2）經濟性的考慮選擇PLC時，應考慮性能價格比。在考慮經濟性的時候，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、

31、投入產出比等重要因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意可靠的產品。輸入輸出點數對價格有直接影響。當點數增加到某一數值后，相應的存儲器容量相應增加，因此，點數的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統有較合理的性能價格比。本課題所設計的啤酒生產線灌裝部分屬于小型控制系統，結合經濟性的考慮因此選擇整體型PLC。3.2 伺服電機選型3.2.1 伺服電機原理交流伺服電機驅動器有永磁同步伺服電動機和交流異步伺服電動機之分，交流永磁同步伺服電動機的轉子由永久磁鐵構成，定子繞組形成旋轉磁場，只要負載的大小不超出同步轉矩，永久磁鐵轉子就跟隨旋轉磁場做同步

32、旋轉，它與交流永磁同步電動機基本類似；交流異步伺服電動機的定子由兩相在空間相差90°的勵磁繞組和控制繞組組成，接入勵磁繞組和控制繞組的交流電相位差一定角度，這樣定子上就產生了橢圓旋轉磁場，轉子切割磁力線，在電磁力的牽引下旋轉起來。目前，在精密數控系統中，交流永磁同步電動機應用較為普遍。隨著交流變頻技術的快速發展，有些變頻器目前已經具有伺服功能，控制精度與傳統的交流伺服也沒有明顯的差距，所以兩者有逐漸融合的趨勢。3.2.2 伺服電機驅動器伺服放大器 即伺服驅動器（servo drives）又稱為“伺服控制器”，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬

33、達，屬于伺服系統的一部分，主要應用于高精度的定位系統。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現高精度的傳動系統定位，目前是傳動技術的高端產品。伺服驅動器均采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現比較復雜的控制算法，實現數字化、網絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路,IPM內部集成了驅動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅動器的沖擊。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PW

34、M電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。具體見圖3.2。伺服進給系統的要求1、調速范圍寬2、定位精度高3、有足夠的傳動剛性和高的速度穩定性4、快速響應，無超調為了保證生產率和加工質量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快，因為數控系統在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。5、低速大轉矩，過載能力強一般來說，伺服驅動器具有數分鐘甚至半小時內1.5倍以上的過載能力，在短時

35、間內可以過載46倍而不損壞。6、可靠性高要求數控機床的進給驅動系統可靠性高、工作穩定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環境適應能力和很強的抗干擾的能力。對電機的要求1、從最低速到最高速電機都能平穩運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時，仍有平穩的速度而無爬行現象。2、電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載46倍而不損壞。3、為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數和啟動電壓。4、電機應能承受頻繁啟、制動和反轉。圖 3.2 交流永磁伺服驅動器結構Fig 3.2 Ac perma

36、nent magnet servo drive structure3.3 傳感器選型接近開關選型接近開關：接近開關有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍色接電源的負極、黑色為輸出信號，當與檔塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。與PLC之間的接線圖如下，當傳感器動作時，輸出端對地接通。PLC內部光耦與傳感器電源構成回路，PLC信號輸入有效，工作原理如圖3.3所示。圖3.3 接近開關原理圖Fig 3.3 The principle diagram of the proximity switch限位開關選型限位開關就是微動開關，微動開關是具有微小接點間隔和快動機構，用規定的行程和規定的力

37、進行開關動動作的接點機構，用外殼覆蓋，其外部有驅動桿的一種開關，因為其開關的觸點間距比較小，故名微動開關，又叫靈敏開關。外機械力通過傳動元件（按銷、按鈕、杠桿、滾輪等）將力作用于動作彈簧上，當動作簧片位移到臨界點時產生瞬時動作，使動作簧片末端的動觸點與定觸點快速接通或斷開。當傳動元件上的作用力移去后，動作簧片產生反向動作力，當傳動元件反向行程達到簧片的動作臨界點后，瞬時完成反向動作。微動開關的觸點間距小、動作行程短、按動力小、通斷迅速。其動觸點的動作速度與傳動元件動作速度無關。在該啤酒罐裝部分控制系統中涉及多個限位開關，在灌裝工段機械手和沖瓶工段機械手工段的上下限位處都分別加裝了2只限位開關用

38、作限位保護，以確保灌裝部分系統在程序出錯時不損壞；限位開關原理圖如圖3.4所示。圖3.4 限位開關原理圖Fig 3.4 Limit switch schematic3.4 交流接觸器選型1、交流接觸器原理及組成：當線圈通電時，靜鐵芯產生電磁吸力，將動鐵芯吸合，由于觸頭系統是與動鐵芯聯動的,因此動鐵芯帶動三條動觸片同時運行,觸點閉合,從而接通電源。當線圈斷電時,吸力消失, 動鐵芯聯動部分依靠彈簧的反作用力而分離,使主觸頭斷開,切斷電源。交流接觸器主要由電磁系統（包括吸引線圈、動鐵芯和靜鐵芯）；觸頭系統（包括三組主觸頭和一至兩組常開、常閉輔助觸頭,它和動鐵芯是連在一起互相聯動的）；滅弧裝置（一般容

39、量較大的交流接觸器都設有滅弧裝置,以便迅速切斷電弧,免于燒壞主觸頭）；絕緣外殼及附件,各種彈簧、傳動機構、短路環、接線柱等。具體見圖3.5和圖3.6 圖3.5 交流接觸器實物圖Fig 3.5 Ac contactor physical figure圖3.6 交流接觸器原理圖Fig 3.6 The principle diagram of the ac contactor2、交流接觸器的選用，應根據負荷的類型和工作參數合理選用。具體分為以下步驟：（1）選擇接觸器的類型交流接觸器按負荷種類一般分為一類、二類、三類和四類，分別記為AC1 、AC2 、AC3和AC4 。一類交流接觸器對應的控制對象是無

40、感或微感負荷，如白熾燈、電阻爐等；二類交流接觸器用于繞線式異步電動機的起動和停止；三類交流接觸器的典型用途是鼠籠型異步電動機的運轉和運行中分斷；四類交流接觸器用于籠型異步電動機的起動、反接制動、反轉和點動。（2）選擇接觸器的額定參數根據被控對象和工作參數如電壓、電流、功率、頻率及工作制等確定接觸器的額定參數。接觸器的線圈電壓，一般應低一些為好，這樣對接觸器的絕緣要求可以降低，使用時也較安全。但為了方便和減少設備，常按實際電網電壓選取。電動機的操作頻率不高，如壓縮機、水泵、風機、空調、沖床等，接觸器額定電流大于負荷額定電流即可。接觸器類型可選用CJl0、CJ20等。對重任務型電機，如機床主電機、

41、升降設備、絞盤、破碎機等，其平均操作頻率超過100次min，運行于起動、點動、正反向制動、反接制動等狀態，可選用CJl0Z、CJl2型的接觸器。為了保證電壽命，可使接觸器降容使用。選用時，接觸器額定電流大于電機額定電流。對特重任務電機，如印刷機、鏜床等，操作頻率很高，可達60012000次h，經常運行于起動、反接制動、反向等狀態，接觸器大致可按電壽命及起動電流選用，接觸器型號選CJl0Z、CJl2等。交流回路中的電容器投入電網或從電網中切除時，接觸器選擇應考慮電容器的合閘沖擊電流。一般地，接觸器的額定電流可按電容器的額定電流的1.5倍選取，型號選CJ10、CJ20等。用接觸器對變壓器進行控制時

42、，應考慮浪涌電流的大小。例如交流電弧焊機、電阻焊機等，一般可按變壓器額定電流的2倍選取接觸器，型號選CJl0、CJ20等。對于電熱設備，如電阻爐、電熱器等，負荷的冷態電阻較小，因此起動電流相應要大一些。選用接觸器時可不用考慮(起動電流)，直接按負荷額定電流選取。型號可選用CJl0、CJ20等。由于氣體放電燈起動電流大、起動時間長，對于照明設備的控制，可按額定電流1.11.4倍選取交流接觸器，型號可選CJl0、CJ20等。接觸器額定電流是指接觸器在長期工作下的最大允許電流，持續時間8h，且安裝于敞開的控制板上，如果冷卻條件較差，選用接觸器時，接觸器的額定電流按負荷額定電流的110%120%選取。

43、對于長時間工作的電機，由于其氧化膜沒有機會得到清除，使接觸電阻增大，導致觸點發熱超過允許溫升。實際選用時，可將接觸器的額定電流減小30%使用。3.5繼電器選型電磁繼電器原理：電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸

44、點，可以這樣來區分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態的靜觸點稱為“常閉觸點”。繼電器一般有兩股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。具體見圖3.7和3.8。圖3.7 電磁繼電器實物圖Fig3.7 Electromagnetic relay physical figure圖3.8 繼電器工作原理圖Fig3.8 Working principle of the relay3.6 漏電保護器選型漏電保護器，又叫漏電開關，也叫漏電斷路器，工作時將漏電保護器安裝在線路中，一次線圈與電網的線路相連接，二次線圈與漏電保護器中的脫扣器連接。當用電設備正常運行時，線路中電流呈

45、平衡狀態，互感器中電流矢量之和為零（電流是有方向的矢量，如按流出的方向為“”，返回方向為“”，在互感器中往返的電流大小相等，方向相反，正負相互抵銷）。由于一次線圈中沒有剩余電流，所以不會感應二次線圈，漏電保護器的開關裝置處于閉合狀態運行。當設備外殼發生漏電并有人觸及時，則在故障點產生分流，此漏電電流經人體大地工作接地，返回變壓器中性點（并未經電流互感器），致使互感器申流入、流出的電流出現了不平衡（電流矢量之和不為零），一次線圈申產生剩余電流。因此，便會感應二次線圈，當這個電流值達到該漏電保護器限定的動作電流值時，自動開關脫扣，切斷電源。具體見圖3.9和3.10。圖3.9 漏電保護器實物圖Fig

46、3.9 Leakage protector physical figure 圖3.10 漏電保護器原理圖Fig3.10 The principle diagram of the leakage protector3.7灌裝部分I/O分配表 表3.1 沖瓶機I/O分配表 Table3.1 I/O allocation table blunt bottle machine%IX0.0理瓶機瓶滿%QX0.0主機%IX0.1主機故障%QX0.1理瓶機%IX0.2理瓶機故障%QX0.2沖瓶機%IX0.3沖瓶泵故障%QX0.4輸送帶表3.2 灌裝機I/O分配表Table3.2 Filling machin

47、e I/O allocation table%IX0.0低液位%QX0.0主機%IX0.1高液位%QX0.1進液泵%IX0.2主機故障%QX0.2進水電磁閥%IX0.3進液泵故障%QX0.3進酒電磁閥%IX0.4輸送帶故障%QX0.4排氣電磁閥%QX0.5進氣電磁閥%QX0.6輸送帶表3.3 旋蓋機I/O分配表Table3.3 Screw cap machine I/O allocation table%IX0.0理蓋機蓋滿%QX0.0主機%IX0.1主機故障%QX0.1理蓋機%IX0.2理蓋機故障%QX0.2輸送帶%IX0.3輸送帶故障表3.4 貼標機I/O分配表Table3.4 Label

48、ing machine I/O allocation table%IX0.0照瓶傳感器%QX0.0分瓶帶瓶使能信號%IX0.1標簽檢測%QX0.1伺服放大器上電%IX0.2伺服報警%QX0.2%QX0.3伺服脈沖信號%QX0.4分瓶帶瓶主電%QX0.5輸送帶電機%QX0.6伺服放大器使能%QX0.7伺服放大器復位3.8 灌裝部分系統流程圖圖3.11灌裝部分系統流程圖Fig3.11 Filling parts of the system flow chart第四章 系統軟件設計4.1 PLC編程語言介紹基本的編程語言有：梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）和語句表（STL）。LAD 和 FBD是

49、面向圖形的語言。在 LAD 中通過串聯或并聯結構中連接各個觸點來 創建控制方案，而在 FBD 中則是通過AND和OR方框互連在一起的。STL是一種面向文本的語言，以列表方式描述控制任務。梯形圖因為其比較直觀并且容易接受因而很受普通編程人員的歡迎。梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統的電路圖很相似，具有直觀易懂的優點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設計稱為編程。PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、內部輔助繼電器等，但是它們不是真實的物理繼電器，而是一些存儲

50、單元（軟繼電器），每一軟繼電器與PLC存儲器中映像寄存器的一個存儲單元相對應。該存儲單元如果為“1”狀態，則表示梯形圖中對應軟繼電器的線圈“通電”，其常開觸點接通，常閉觸點斷開，稱這種狀態是該軟繼電器的“1”或“ON”狀態。如果該存儲單元為“0”狀態，對應軟繼電器的線圈和觸點的狀態與上述的相反，稱該軟繼電器為“0”或“OFF”狀態。使用中也常將這些“軟繼電器”稱為編程元件。開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按其精度可分為12bit、14bit、16bit等；按信號類型可分為電流型(4-20mA,0-20mA)、電壓型

51、(0-10V,0-5V,-10-10V)等。除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。梯形圖兩側的垂直公共線稱為母線(Bus bar)，。在分析梯形圖的邏輯關系時，為了借用繼電器電路圖的分析方法，可以想象左右兩側母線（左母線和右母線）之間有一個左正右負的直流電源電壓，母線之間有“能流”從左向右流動。右母線可以不畫出。根據梯形圖中各觸點的狀態和邏輯關系，求出與圖中各線圈對應的編程元件的狀態，稱為梯形圖的邏輯解算。梯形圖中邏輯解算是按從左至右、從上到下的順序進行的。解算的結果，馬上可以被后面的邏輯解算所利用。邏輯解算是根據輸入映像寄存器中的值，而不是根據解算瞬時外部輸

52、入觸點的狀態來進行的。PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入PLC系統，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。4.2 和利時編程軟件特點PowerPro 軟件是和利時公司專為LM系列PLC所開發的基于Windows的編程工具。PowerPro軟件具有控制方案的編輯和仿真調試功能，是LM系列PLC的硬件配置和軟件編程的標準軟件包。PowerPro與傳統的PLC編程軟件相比，有如下

53、一些特點和功能：（1）程序語言標準化在上世紀90年代中后期，IEC發布了自動化行業程序語言的國際標準。先是IEC1113-3標準，后來修訂為IEC61131-3標準，以幫助PLC、NC及DCS等自動化行業統一編程語言，促進編程技術的進步。PowerPro是完全符合IEC61131-3標準的編程軟件，具有IL、LD、ST、FBD、SFC、CFC等多種語言編程方式。（2）內部器件變量化LM系列PLC沒有常規PLC那么多的內部器件，如定時器、計數器等，取而代之的是變量。變量是PowerPro 特有的一個概念，類似于高級語言的形式。這些變量按需要聲明，使用多少，就聲明多少。變量名還可按其功用命名，比起

54、器件編號更便于辨認。變量還可分為全局與局部、輸入與輸出、掉電保持與不保持等多種類型。同時，利用PowerPro強大的計算功能，還可以定義多種的數據類型。不僅包括布爾型、字節型、字型、雙字型，而且還包括指針、枚舉、多維數組、單精度浮點數等類型。（3）程序組織模塊化PowerPro對程序的組織是完全模塊化的。PowerPro提出POU的概念，POU（Program Oginization Unit）即為程序組織單元。PowerPro 的程序組織單元包括程序、函數和功能塊。這三者共同完成了一個工程。PowerPro對程序的組織，都是主程序通過對其他POU的調用來實現的。這既便于多人參與編程，又便于程

55、序重用、閱讀、調試，還可節省內存，確保程序安全。同時，PowerPro是一個開放的系統，用戶可以根據需要，開發出適合自己的指令。（4）模塊設定軟件化PowerPro是一個開放的系統。一方面，讀者可以根據需要開發自己的指令；另一方面，PowerPro將PLC的許多參數和模塊設定通過指令的形式開放給用戶，用戶可以根據自己的需求，在程序中完成設定，諸如：串口通訊參數的設定等。（5）編程監控一體化PowerPro 軟件有獨特的視圖和報警功能，可以在運行和調試時提供一個可視化的界面。另外，PowerPro還提供有非常強大的仿真和調試功能，可以更方便地檢查程序邏輯的正確性。圖4.1 PLC設計頁面Fig

56、4.1 PLC page of design4.3 梯形圖設計 圖4.2 沖瓶機主程序Fig 4.2 Bottles of main program(DI)X000 AT %IX0.0: BOOL;(理瓶機瓶滿)X001 AT %IX0.1: BOOL;(主機故障)X002 AT %IX0.2: BOOL;(理瓶機故障)X003 AT %IX0.3: BOOL;(噴沖泵故障)(DO)Y000 AT %QX0.0: BOOL;(主機)Y001 AT %QX0.1: BOOL;(理瓶機)Y002 AT %QX0.2: BOOL;(噴沖泵)Y003 AT %QX0.4: BOOL;(輸送)（中間點）M000 AT %MX500