基于plc的旋轉灌裝機控制系統(tǒng)設計 本科畢業(yè)論文

《基于plc的旋轉灌裝機控制系統(tǒng)設計 本科畢業(yè)論文》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《基于plc的旋轉灌裝機控制系統(tǒng)設計 本科畢業(yè)論文（74頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、江蘇大學本科畢業(yè)設計 繼 續(xù) 教 育 學 院 C o l l e g e O f C o n t i n u i n g E d u c a t i o n Of J i a n g s u U n i v e r s i t y 本 科 畢 業(yè) 論 文 基于PLC的旋轉灌裝機控制系統(tǒng)設計 學生學號： 學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師姓名：

2、 指導教師職稱： 年 月 基于PLC的旋轉灌裝機控制系統(tǒng)設計 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 教師職稱： 摘 要 食品機械是專為食品工業(yè)服務的，包裝機械大約有70%是為食品包裝服務的，特別是近年來飲料工業(yè)迅速發(fā)展，使得液體灌裝設備的需求大量增長。美國、日本等國的包裝設備正在向高效率、高精度、高自動化程度方向發(fā)展。我國的包裝機械起步較晚，主要是采用引進一消化的發(fā)展模式

3、，雖能滿足生產(chǎn)需求，但技術含量不高，特別是對光、磁和計算機等先進技術的應用較少，從而使得我國包裝機械的包裝精度和運行穩(wěn)定性同國外設備相比存在著較大差距。 本論文對集清洗、灌裝、加蓋三合一體的旋轉型灌裝機一XG-24128進行控制系統(tǒng)研究，使其對500ml PET瓶灌裝速度可達18000BPH以上，單個封蓋頭的工作效率可達2000-2200瓶/小時，灌裝容量誤差不大于3%。，在高速灌裝下能夠實現(xiàn)高的灌裝精度和運行穩(wěn)定性，自動生產(chǎn)可以實現(xiàn)無瓶不灌裝和無瓶不加蓋。并對XG-24128型灌裝機的關鍵技術-一個伺服泵同時控制兩個灌裝頭并實現(xiàn)連續(xù)灌裝的控制設計進行研究。 首先，對XG-24128型灌裝

4、機進行控制系統(tǒng)方案設計。在研究XG-24128型灌裝機整體結構的基礎上分析其灌裝的工藝流程，并根據(jù)設計要求確定灌裝機控制系統(tǒng)的整體方案。 其次，明確控制系統(tǒng)的硬件配置。根據(jù)灌裝機的設備狀況和工藝要求，確定PLC的類型及相關模塊，對I/O 口進行定義，并對伺服電機、步進電機和其他電器元件進行選型和布置。 接著，對XG-24128型灌裝機的關鍵技術-一個伺服泵同時控制兩個灌裝頭并實現(xiàn)連續(xù)灌裝的控制設計進行研究。分析連續(xù)灌裝時灌裝頭位置的確定，對灌裝速度進行初步分配，并對其換向機構進行研究。 最后，在硬件配置的基礎上，對XG-24128型灌裝機進行控制系統(tǒng)的軟件設計。在對XG-24128型灌裝

5、機控制過程進行分析的基礎上編制相應的程序和系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)其灌裝流程。進行人機界面的設計，使PLC和觸摸屏配合使用，充分發(fā)揮觸摸屏的優(yōu)勢使系統(tǒng)操作更方便快捷。 關鍵詞：灌裝機，PLC控制，伺服泵，運動控制，連續(xù)灌裝 IV Based on the PLC rotary filling machine control system design Abstract：The foodstuff machinery serves the whole food industry, and the about 70 percentof packing machinery serves the

6、 foodstuff packaging, especially, beverage industryrapidly develops recently so that there is an increased demand for liquid fillingequipment. There is a new tendency among the packaging equipment of America andJapan towards the direction of high efficiency, high accuracy, and high automation.Domest

7、ic packaging machinery developed late, and it principally used thedevelopment mode of import-absorb, although it can meet the demand for production,the technology content is low, especially, it hardly applies advanced technology suchas photo, magnetic and computer and so on. Therefore, there is a gr

8、eat gap betweenthe packaging accuracy and stability of the domestic packaging machinery and theoverseas equipment. The thesis emphasizes on researching on the control system of XG-24128 ― rotaryfilling machine which integrates washing, filling and spinning caps. The machineryfills the 500ml pet bo

9、ttle at a speed of 18000BPH, the efficiency of single tip sealinglid can reach 2000-2200 bottle/hour, and the blunder of filling capability isnt morethan 3%o, so that it can maintain high accuracy and stability at high speed, moreover,the automatic production can reach the goal ― no bottles no filli

10、ng, no stopper.Meantime, the thesis also research the key technology of XG-24128 that the fillingsection uses one servo pump to control two tips filling fluid in order to improve thefilling speed and continuous filling. Firstly, this article designs the program of control system. On the basis ofres

11、earching the whole structure of XG-24128, it analyses the process flow of thefilling and determines the whole program of the control system of filling machineaccording to the demand of design. Secondly, this article defines the hardware collocation of control system. Itdetermines the type and corre

12、lation module of PLC, defines the I/O in light of theprocess requirements and equipment status of filling machinery, and selects andarranges such electrical sections as servo and feeler search. Furthermore, the article researches the key technology of XG-24128 that thefilling section uses one servo

13、 pump to control two tips tilling fluid in order to improvethe filling speed and continuous filling, analyses how to locate the tips filling fluidduring the continuous filling, distributes the speed of filling, and researching thereverse mechanism. Finally, the paper designs software of control sys

14、tem of XG-24128 filling machineon basis of hardware collocation. On basis of analyzing control procedure it draws uprelevant programs and system software with a view to achieving the filling process.While designing software it tries to design HMI of the filling machine. Key words: Filling machine,

15、PLC control, Servo pump, Kinesis control, Continuousfillin 目 錄 中文摘要...................................................... II Abstract..................................................... III 第1章緒論..................................................... 1 1.1論文研究的背景和意義...........................

16、...............1 1.2灌裝技術在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀.....................................2 1.3灌裝機械概述.................................................3 1.3.1基本概念.................................................3 1.3.2灌裝機的分類..............................................4 1.4 PLC簡介.................................

17、..................6 1.4.1 PLC的特點...............................................6 1.4.2 PLC的應用范圍............................................7 第2章XG-24128型灌裝機控制系統(tǒng)方案設計........................10 2.1 XG-24128型灌裝機的工藝要求..................................10 2.2 XG-24128型灌裝機的整體結構.........................

18、.........10 2.3 XG-24128型灌裝機控制系統(tǒng)的方案設計............................13 2.3.1電氣控制系統(tǒng)的組成........................................13 2.3.2 XG-24128型灌裝機的工藝流程................................14 2.3.3 XG-24128型灌裝機的控制方案...............................15 第3章XG-24128型灌裝機控制系統(tǒng)硬件設計.........................1

19、7 3.1 PLC控制系統(tǒng)設計............................................17 3.1.1 PLC選型...............................................18 3.1.2輸入/輸出點的確定IV.......................................22 3.2執(zhí)行機構的選擇...............................................26 3.2.1伺服電機控制設計.....................................

20、.....26 3.2.2步進電機控制設計..........................................30 3.2.3其他執(zhí)行機構控制設計......................................32 3.4硬件配置圖..................................................36 3.5本章小結....................................................38 第4章XG-24128型灌裝機灌裝關鍵技術研究.........................38

21、 4.1灌裝流程....................................................39 4.2復位........................................................41 4.3灌裝........................................................42 4.3.1初次吸液.................................................42 4.3.2灌裝頭位置的確定..............................

22、............43 4.3.3灌裝速度的確定............................................44 4.4換向........................................................49 4.4.1換向流程.................................................49 4.4.2換向參數(shù)設計.............................................51 第5章XG-24128型灌裝機控制系統(tǒng)軟件設計........

23、................53 5.1灌裝機PLC控制程序設計........................................53 5.1.1 PLC控制系統(tǒng)軟件設計思想...................................53 5.1.2 PLC編程軟件GX Developer簡介...............................56 5.1.3控制程序設計.............................................58 5.2人機界面設計................................

24、.................64 第6章結朿語....................................................67 參考文獻........................................................68 67 第1章 緒論 1.1論文研究的背景和意義 隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對包裝品的需求越來越大，而且與傳統(tǒng)包裝工業(yè)相比，包裝技術向精確、節(jié)約、高效型方向發(fā)展，從而使得包裝機械不論在技術還是在制造水平上都需要新的突破[1]。 全球包裝機械無論是從技術、產(chǎn)品或市場占有情況等諸多方面比較，

25、美國和日本稱得上是包裝強國，德國和意大利緊隨其后。美國是世界工業(yè)的領頭羊，因其包裝工業(yè)起步較早，發(fā)展至今已有完備的包裝工業(yè)體系。其包裝設備與其他產(chǎn)品一樣，以高、精、尖著稱，而且由于計算機信息技術比其他國領先，且計算機在工業(yè)中的使用和普及比其他國家都早，所以計算機技術被廣泛應用于包裝機械中，較早地形成了機電一體化控制模式[2]。日本與美國相比，起步相對較晚，但60年代至90年代，日本包裝業(yè)大量引進先進技術，并在此基礎上消化吸收，成果顯著，使其包裝工業(yè)的制造水平持續(xù)快速發(fā)展。日本小型和微型電子技術較為成熟，所以其包裝工業(yè)雖然起步較晚，但在消化他國的技術中，將其擅長的微電子技術應用其中，特別是后來的

26、工業(yè)機器人技術和模塊化技術等的應用，為包裝工業(yè)的發(fā)展提供了更多的空間，至今仍影響著包裝機械的走向。 與美國和日本的包裝機械不同，德國的包裝機械在制造技術和包裝性能上有其獨有的優(yōu)勢，特別是啤酒和含氣體飲料的灌裝設備解決了氣泡和遺漏等灌裝難題，實現(xiàn)了高速灌裝。德國包裝機械的另一特點是率先實現(xiàn)了包裝機械的成套性，中大型包裝設備可以同時實現(xiàn)對包裝容器的預處理、稱重、包裝、封口等多個工序[3]。意大利著重發(fā)展其食品包裝機械，在外形上對其他國家的包裝機械進行一定程度的改良，而且更注重包裝生產(chǎn)的穩(wěn)定性。 美國和日本等發(fā)達工業(yè)國家發(fā)展工業(yè)之時正是我國制造工業(yè)的低谷，包裝機械與其他工業(yè)產(chǎn)品一樣也是新中國成立

27、之后才開始起步的。包裝工業(yè)的發(fā)展期主要是改革開放之后，隨著我國經(jīng)濟開始迅速發(fā)展，人民的消費水平也大大增強，從而使得生產(chǎn)設備特別是包裝機械的需求變得空前緊缺。此時為了提高我國包裝工業(yè)的技術水平，大量進口國外的先進技術和生產(chǎn)線，消化吸收并進行改良，發(fā)展自己的包裝工業(yè)[3][4]。 食品機械是專為食品工業(yè)服務的，包裝機械大約有70%是為食品包裝服務的，特別是近年來飲料工業(yè)發(fā)展迅速，使得液體灌裝設備的需求大量增長。傳統(tǒng)的灌裝機或灌裝生產(chǎn)線對灌裝環(huán)境的要求較高，比如灌裝材料含氣體和不含氣體、常溫灌裝和高溫灌裝、塑料容器和玻璃容器抑或金屬容器等，都有其專用的灌裝生產(chǎn)線，且不能互用。在灌裝機方面，特別是液

28、體灌裝機產(chǎn)品上，國外發(fā)達國家尤其是美國和日本的灌裝設備精度高，灌裝自動化程度高，且同一型號的灌裝機可以實現(xiàn)不同規(guī)格、不同灌裝介質(zhì)和不同灌裝容器的灌裝，大大拓寬了包裝機械的使用環(huán)境。除此之外，近年來美國和日本等發(fā)達工業(yè)國家的灌裝機在灌裝速度上也有很大提升，Krones公司生產(chǎn)的灌裝機灌裝頭的數(shù)量已可達178頭，灌裝機直徑大至5米，且可以實現(xiàn)灌裝機直徑增大轉速提升的情況下保證灌裝容器的穩(wěn)定性[2]。灌裝生產(chǎn)效率、灌裝質(zhì)量和生產(chǎn)自動化程度的提升很大程度上推動了灌裝機械的發(fā)展。 我國灌裝設備的制造水平與這些國家相比還存在比較大的差距，國內(nèi)灌裝機生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小，且很多生產(chǎn)企業(yè)主要還是靠引進國外的技術和

29、生產(chǎn)線，或在此基礎上對同類產(chǎn)品進行仿造。國內(nèi)24工位的飲料灌裝機，對于500ml PET瓶灌裝速度為12000BPH，單個封蓋頭的工作效率為1500~1800瓶/小時，且灌裝的容量誤差較大，與國外產(chǎn)品有較大的差距。本課題研究目的和意義是對集清洗、灌裝、加蓋三合一體的旋轉型灌裝機-XG-24128進行控制系統(tǒng)研究，使其對500 ml PET瓶灌裝速度可達18000BPH以上，單個旋蓋頭的工作效率可達2000-2200瓶/小時。而且在高速灌裝下能夠保證高的灌裝精度和灌裝穩(wěn)定性，且自動生產(chǎn)可以實現(xiàn)無瓶不灌裝和無瓶不加蓋的功能。 1.2灌裝技術在國內(nèi)外的研究觀狀 目前，美國、德國和意大利等國的灌裝

30、設備設計制造水平相對較高，灌裝產(chǎn)品也呈現(xiàn)以下幾個方面的動向[4]： 第一，灌裝速度提高。灌裝效率成為衡量灌裝機械發(fā)展的重要指標，從而使得灌裝機械向規(guī)?；⒏咝史较虬l(fā)展。許多大型企業(yè)著力于研究如何通過最大限度地增加灌裝頭的數(shù)量，或加快灌裝輪盤的轉速，或提高不同灌裝介質(zhì)的最大灌裝速度，或改善灌裝閥的結構等方法來提高灌裝效率。 第二，灌裝機械的結構革新。力在改變傳統(tǒng)灌裝機結構笨重復雜，中間傳動元件多傳動精度降低，操作專業(yè)性高且維護成本高等缺點，最大程度地減少灌裝機的結構零部件，降低制造成本，使得保證其生產(chǎn)的穩(wěn)定性的同時使操作簡單易學。 第三，灌裝環(huán)境適應性好。同一臺灌裝機可以對不同灌裝介質(zhì)進

31、行灌裝，可對不同類型、不同大小的灌裝容器進行灌裝；當灌裝環(huán)境改變時，重要零部件的更換和維修方便簡單，零件的通用性增強。 第四，灌裝機的技術含量提升。電氣控制技術已成熟應用于灌裝機械中，特別是PLC技術廣泛應用，人機界面實現(xiàn)操作交互，故障自我診斷，實現(xiàn)了設備運行的高效智能。近年來光、磁技術的大量研究成果也越來越多地應用到工業(yè)生產(chǎn)中，灌裝機械要實現(xiàn)高灌裝速度、高灌裝精度和高自動生產(chǎn)化必將大量使用光、磁、計算機等先進技術。 我國灌裝機械的發(fā)展與美國和日本等發(fā)達工業(yè)國家相比雖然還有很大差距，但是近年來由于經(jīng)濟快速發(fā)展，更多地包裝產(chǎn)品進入人們的日常生活，從而需要更多的包裝機械對其進行生產(chǎn)，所以包裝機

32、械發(fā)展空間越來越大。我國的灌裝設備和灌裝技術發(fā)展較晚，主要靠引進國外先進技術，并結合國內(nèi)的生產(chǎn)環(huán)境對其進行改良。同時，由于我國在光、電、磁及計算機應用上的研究與國外發(fā)達國家存在不小的差距，這也使得我國灌裝機械在技術上的發(fā)展受到制約。 我國灌裝機械近年來向高自動化程度及高集成性方向發(fā)展，結構上力求簡單而不影響功能，一臺灌裝機可以同時實現(xiàn)進瓶、清洗、灌裝、加蓋、出瓶、稱量等功能；在控制系統(tǒng)上，從原來的繼電器控制逐漸向PLC控制轉換；同時為了操作更加方便，觸摸屏越來越多地被使用[5]。國內(nèi)一些企業(yè)和高校對灌裝機的研究主要集中在其控制系統(tǒng)和灌裝精度方面，例如對一藥品灌裝機采用全伺服PLC控制系統(tǒng)，且

33、設計有灌裝跟蹤系統(tǒng)及隨機稱量系統(tǒng)，使得灌裝自動化程度高，灌裝質(zhì)量好，且實現(xiàn)灌裝精度的隨時檢測。國內(nèi)灌裝機大多采用計量泵模式，這種灌裝模式最大的缺點是不能實現(xiàn)對各個灌裝泵的單獨控制。為了滿足高精度（灌裝容量誤差不大于3%。）、高灌裝速度（灌裝速度達到18000BPS以上）的要求，XG-24128型伺服泵高速清洗灌裝加蓋三合一機采用伺服電機與陶瓷柱塞泵相結合的結構，利用伺服電機響應速度快，易控制，陶瓷柱塞泵精度高等優(yōu)勢，實現(xiàn)灌裝機的高速和高精度的灌裝，且能實現(xiàn)對各個灌裝泵的單獨控制。同時為了節(jié)約成本，采用一個伺服泵同時控制兩個灌裝頭并實現(xiàn)連續(xù)灌裝的控制設計，提高灌裝速度。 1.3灌裝機械概述

34、1.3.1基本概念 灌裝機械的主要作用是將液體介質(zhì)充填到包裝容器中，灌裝機械一般可以實現(xiàn)灌裝、封口、稱量等功能[6]。 液體灌裝中，對灌裝精度和穩(wěn)定性影響最大的是灌裝介質(zhì)的黏度，其次是是否含有氣體，是否會起泡及是否含微小固體物及其含量等。根據(jù)灌裝介質(zhì)的黏度，灌裝的液體介質(zhì)可分為流體（如牛奶、清涼飲料及酒類等低度液體）、半液體（如調(diào)味醬、果醬等黏度大，灌裝需借外力的液體）、黏滯流體（如調(diào)味醬、果醬等黏度大，需借外力才能流動的液體）。根據(jù)灌裝介質(zhì)中是否含氣體或是否會生成氣體可將灌裝介質(zhì)分為：硬飲料（含酒精成分的含氣飲料）、軟飲料（不含酒精成分的含氣飲料）、不含氣體液體（如白酒和醋等）。由于灌裝

35、產(chǎn)品的物理化學性質(zhì)，特別是黏度、含氣量不同，灌裝要求也有所不同，常用的液體灌裝方法有：常壓灌裝法、等壓灌裝法、真空灌裝法、壓力灌裝法、虹吸灌裝法。 1.3.2灌裝機的分類 1、按灌裝方法分類[6][7] 常壓灌裝機：顧名思義，是在常壓下將灌裝介質(zhì)灌裝到容器中所用的設備。常用于灌裝不含氣體的灌裝介質(zhì)，如醋、醬油、藥水類等。 負壓灌裝機：灌裝前先對灌裝容器抽真空使其形成負壓，然后再將灌裝介質(zhì)充填其中。適宜于灌裝低黏度的液體，比如油類、糖漿、含維生素的飲料、農(nóng)藥、化工試劑。但不適合于灌裝含芳香性的酒類，因為會增加酒香氣的損失。 等壓灌裝機：灌裝前先向灌裝容器中充氣，使得容器中的氣體壓力與

36、儲液缸內(nèi)相同，然后將灌裝介質(zhì)充填到灌裝容器中的設備。主要用于含氣體的灌裝介質(zhì)的灌裝設備，可減少氣體的損失。 壓力灌裝機：灌裝介質(zhì)黏度高難灌裝時，采用壓力灌裝機，借助于外力作用使其充填到灌裝容器中的設備，主要用于高黏度灌裝介質(zhì)的灌裝。 2、按包裝容器的主要運動形式分類 旋轉型灌裝機：灌裝機的各個組成部分均為轉盤式，按相同的線速度進行旋轉，使得灌裝容器在各個灌裝盤之間運動。用此類灌裝機進行灌裝時，灌裝容器從灌裝開始工位開始灌裝，同時跟隨灌裝盤一起轉動，主軸旋轉一周完成一個灌裝容器的灌裝，灌滿后的灌裝容旋轉至下一組件進行下一工序的動作。旋轉型灌裝機的實物圖如圖1-1所示。 直線式灌裝機：灌裝

37、容器沿直線運動，并且灌裝時灌裝容器是靜止的，灌裝完成之后跟隨傳動機構一起進入下一個工序。直線型灌裝機實物圖如圖1-2所示，直線式灌裝機應用較早，灌裝技術較為成熟，但直線式比旋轉式的空間利用率小，而且灌裝時是靜止的，其灌裝效率受到一定影響，一般用于藥品的灌裝，正逐漸被旋轉型灌裝機替代。 圖1-1旋轉型灌裝機 圖1-2直線式灌裝機 3、按自動化程度分手工灌裝機：灌裝過程全部采用人工操作控制，多為無氣類液料的灌裝。但目前較少使用。半自動化灌裝機：在液體灌裝中，上瓶、卸瓶均以手工操作，但灌裝過程為自動。自動化灌裝機：早期的自動化灌裝機功能單一，一般只完成一個工序；近

38、年來自動化灌裝機功能越來越多，可實現(xiàn)洗瓶、灌裝、封口等多個工序，適合用于大型的流水灌裝線上。 1.4 PLC簡介 1.4.1 PLC的特點 可編程控制器（Programmable Logic Controller, PLC)是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計[8]。它采用可編程序的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制器、計數(shù)、定時和算術運算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或自動化設備以及生產(chǎn)過程。 繼電器是一種小信號的自動控制電器，利用電流、電壓、速度、時間、溫度等物理量的預定值作為控制信號來實現(xiàn)接通和分斷電路。這種控制

39、模式常采用繼電器與接觸器結合使用的控制方式，由各類有觸頭的電氣元件組成，通過觸頭的閉合或斷開來實現(xiàn)對電機的啟動控制、制動和調(diào)速控制。這種控制方式的主要特點是價格低，線路設計簡單，安裝和調(diào)整都相對方便，是簡單機械設備最基本的控制形式[9]。 近年來，PLC以其獨有的特點迅速發(fā)展起來，越來越多地應用于工業(yè)生產(chǎn)中，與繼電器模式相比，PLC具有以下優(yōu)點： 1)在應用方面，PLC采用了微處理機技術和通信技術，可廣泛應用于順序控制、運動控制、通信、數(shù)據(jù)管理等領域，并具有極強的柔性；而繼電器的應用范圍有限，對小型問題的解決往往連線復雜，使得控制柜龐大，可靠性降低，不具有柔性。 2) 在控制速度上，P

40、LC控制是由程序控制大量的內(nèi)部軟元件實現(xiàn)的，并不實際動作，所以PLC控制中，只有程序的執(zhí)行時間，各軟元件的動作并無延時，相對來說響應速度快，機械故障少。 3) 在可維護性上，繼電器控制模式是依靠電氣元件的機械觸頭動作來實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的功能，控制中使用的所有電氣元件都要進行接線，這就使得安裝變得相對較麻煩，而且出現(xiàn)故障時也不好找出故障根源，使系統(tǒng)維修和保養(yǎng)起來相對費時；PLC控制中大量的繼電器功能都是由系統(tǒng)軟元件或內(nèi)部繼電器來完成的，因此相對繼電器模塊來說，穩(wěn)定性有很大提高。另外，在施工和設計過程中，PLC控制也比繼電器控制更為方便省時。 灌裝機作為包裝機械的重要組成部分，最大的特點就是動

41、作復雜、頻繁，且有較多的執(zhí)行元件[9]。在這種場合使用繼電器邏輯控制必然需要大量的中間繼電器，而這些中間繼電器在用PLC控制的情況下，就可以對其內(nèi)部的輔助繼電器進行編程來取代。從物理介質(zhì)方面來講前者是要用具體的電氣元件來組合，而后者只是用到PLC的內(nèi)部寄存器，在PLC編程容量許可的范圍內(nèi)，可以不花費額外的費用來實現(xiàn)復雜的邏輯控制。一般的PLC都有上百點內(nèi)部輔助繼電器甚至更多，且還有多種專用的內(nèi)部繼電器，足可以應付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是對PLC進行編程。除此之外，PLC相對于其他的工業(yè)控制系統(tǒng)還具有更多的優(yōu)點[8]-[10]: 1) 易操作且共用性好 PLC技術經(jīng)過多年的研究和

42、發(fā)展已日趨成熟，其產(chǎn)品也從原來的整機式向模塊式發(fā)展，并且產(chǎn)品品種多，種類齊全。設計時設計者可根據(jù)控制系統(tǒng)的特點及需求選用其PLC模塊組成控制系統(tǒng)，然后進行輸入和輸出點的定義及接線即完成了所需系統(tǒng)的硬件設計。硬件配置確定以后，通過修改用戶程序可以快速改變控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 2) 功能多，環(huán)境適應性好 簡單可編程控制器可以實現(xiàn)邏輯運算、計時、計數(shù)和順控等功能，此外，還有各種功能模塊可供選擇，如可進行數(shù)據(jù)轉換的A/D和D/A模塊、用于伺服電機和步進電機運動控制的定位模塊及PLC之間交換數(shù)據(jù)的通信模塊等，實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場不同類型數(shù)據(jù)的控制，可以應用于各類復雜程度不等的控制對象，控制對象可以從一臺生

43、產(chǎn)機械到一個生產(chǎn)過程。用戶根據(jù)自己的需求確定硬件配置后就可以組成所需的控制系統(tǒng)。 3) 良好的穩(wěn)定性和防干擾能力 可編程控制器是“專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計”的產(chǎn)品，防干擾能力好。 4) 編程易學易懂 可編程控制器采用梯形圖形式進行編程，易學易懂，對參與人員的專業(yè)水平要求不高，可操作性強，用戶能方便的讀取程序并對程序進行編寫和修改。 5) 設計、安裝、調(diào)試方便簡單 模塊化設計，且中間繼電器少，大大減少了時間延遲及由于機械觸頭帶來的故障問題，使用性能好，且設計、安裝、維護的工作量也大為減少。 6) 封裝性好、能耗不高 體積小，封裝性好，結構更為緊湊、堅固，重量輕，功耗相對于其他控制

44、系統(tǒng)而言大為降低，是電氣控制系統(tǒng)的首選產(chǎn)品。 1.4.2 PLC的應用范圍 由于PLC適應性廣，使用穩(wěn)定性好，防干擾能力強等優(yōu)點，己被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域，特別是大中型企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大化和自動化，使得近年來對PLC的需求量越來越大[10] 。 (1)開關量的邏輯控制 不同的控制系統(tǒng)雖然控制方式不同，但都能實現(xiàn)開關量的邏輯控制。用繼電器一接觸器模式實現(xiàn)邏輯控制時，需要使用大量的機械觸頭，從而使得連線多，系統(tǒng)動作時間延遲性大，穩(wěn)定性變差，且維修成本大。用PLC取代繼電器，可以采用系統(tǒng)軟元件來實現(xiàn)其控制要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。特別是自動生產(chǎn)線的控制，優(yōu)勢更加明顯，如數(shù)控機床的電

45、氣控制、包裝機械控制、運輸帶控制等。 (2)運動控制 PLC有專門的運動控制模塊，如QD70系列，可以實現(xiàn)對多軸的復雜運動進行控制，控制精度高，響應速度快。并且PLC有專門的運動控制中央處理器，可以實現(xiàn)最多對96軸的運動控制，配合以定位模塊，尤其適合于大型的運動控制系統(tǒng)。 (3)閉環(huán)過程控制 閉環(huán)過程控制與邏輯控制相對，它主要是對模擬量進行控制，這些模擬量都是連續(xù)變化的，如壓力、溫度等。PLC配備有模擬量輸入模塊和模數(shù)及數(shù)模轉換模塊，可以實現(xiàn)數(shù)字量和模擬量之間的相互轉換。閉環(huán)過程控制現(xiàn)己廣泛應用到中、大型PLC控制中，過程控制廣泛應用于熱處理爐、壓力灌裝機械、塑料成型設備等。 (4)

46、數(shù)據(jù)處理 PLC具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，不僅可以進行邏輯運算，還可以進行復雜的數(shù)學運算，如函數(shù)運算、矩陣運算等功能。此外，PLC如一般計算機一樣可以進行數(shù)據(jù)存儲、不同設備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取? (5)通信聯(lián)網(wǎng) PLC通過USB接口、 RS232/RS485接口以及各種不同類型的連接電纜，以實現(xiàn)多個可編程控制器、可編程控制器與操作終端、可編程控制器與其他設備等之間互相通信，進行數(shù)據(jù)的傳輸和處理，并以此來構成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，形成集中管理加分散控制的分布式控制系統(tǒng)。 第2章XG-24128型灌裝機控制系統(tǒng)方案設計 2.1 XG-24128型灌裝機的工藝要求 課題研究的是伺服泵高速清洗灌裝旋蓋三合一

47、機，為24頭旋轉型液體灌裝機，主要灌裝介質(zhì)為食用油和普通飲料。該灌裝機結構上主要由風道進瓶組件、清洗組件、灌裝組件、旋蓋組件、出瓶組件五大部分組成，要求對于500ml的PET瓶可以實現(xiàn)高速穩(wěn)定精確灌裝，且實現(xiàn)無瓶不灌裝、無瓶不加蓋及在線清洗等功能。 課題研究的24頭旋轉型伺服泵高速清洗灌裝旋蓋三合一機型號為XG-24128，下述中均以XG-24128代表此灌裝機，它的主要技術要求為： (1) 灌裝速度從12000瓶/h提高到18000瓶/h以上； (2) 灌裝對象為500ml的PET瓶，灌裝介質(zhì)為食用油和普通飲料； (3) 灌裝的容量誤差《3%。，不合格品數(shù)量《0.3%，包材利用率

48、》99.7%； (4) 保證灌裝時無滴漏、無泡沫產(chǎn)生； (5) 保證無瓶不灌裝，無瓶不加蓋； (6) 可以實現(xiàn)完整的CIP清洗（不拆卸設備、零部件、管道的情況下，通過使用清洗溶液對設備進行清洗后能達到食品生產(chǎn)的衛(wèi)生級要求）； (7) 單個封蓋頭的工作效率達到2000-2200瓶/小時以上； (8) 灌裝機設計符合國標GB16789-1997食品機械安全衛(wèi)生要求。 2.2 XG-24128型灌裝機的整體結構 論文所研究的XG-24128型灌裝機三維示意圖（灌裝組件隱藏了防塵罩）如 圖2-1所示，結構部分主要分為風道進瓶組件、清洗組件、灌裝組件、加蓋組件、 出瓶組件等部分組成，結

49、構圖如閣2-2所示，各組件及其作用如下： 11圖2-1灌裝機三維示意圖 圖2-2灌裝機結構圖 1—機箱組件；2—風道進瓶組件；3—過渡盤Ⅰ ； 4一洗瓶組件； 5—過渡盤Ⅱ； 6—灌裝組件；7—過渡盤Ⅲ；8—供蓋組件；9 一加蓋組件；10—出瓶組件 1、機箱組件 機箱組件的主要作用是固定和支撐其他組件、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)，保證其具有正確的相對位置及運轉時的穩(wěn)定性，從而使整個灌裝系統(tǒng)正常工作[11]。 2、風道進瓶組件 XG-24128型灌裝機的灌裝對象為500ml PET瓶，由于空瓶質(zhì)量較輕，所以進瓶動力由風力提供。風道進瓶組件的左右刮瓶板配合使用，卡在瓶口的螺

50、旋位置，使其在風力作用下沿刮瓶板向下一組件移動。風道進瓶組件的末端設計有一電磁體擋瓶機構，在擋瓶機構作用下，空瓶保持一定間距進入過渡盤I ，以防止卡瓶。 3、過渡盤I 空瓶由風道進瓶組件進入洗瓶組件的過渡盤。 4、洗瓶組件 主要對空瓶內(nèi)外壁進行清洗?？掌繌倪^渡盤I進入洗瓶組件后沿空間曲線導軌先旋轉180度垂直倒置瓶口向下，清潔水由分水盤流經(jīng)管道，經(jīng)過噴頭高速噴出沖洗瓶子內(nèi)壁后沿內(nèi)壁流出；同時，清洗區(qū)的外噴頭噴水清潔瓶子外壁。清洗過的瓶子沿曲線導軌再旋轉180度瓶口向上，清洗后的瓶子經(jīng)由過渡盤II進入灌裝組件準備灌裝。 5、過渡盤II 空瓶由清洗組件進入灌裝組件的過渡盤。 6、灌裝

51、組件 灌裝組件由24個灌裝頭組成，空瓶進入灌裝組件后運動到灌裝位置時開始灌裝。灌裝采用跟蹤灌裝模式，灌裝頭與液面始終保持一定距離，既可提高灌裝速度，又可減少氣泡和飛濺。灌液的同時，瓶子跟隨灌裝組件一起轉動，運動到出瓶位置時，灌滿的瓶子經(jīng)由過渡盤III進入加蓋組件。灌裝組件的24個灌裝頭山12套伺服泵控制，每套伺服泵控制沿180度直線分布的兩個灌裝頭，每套伺服泵都配備有一套由步進電機控制的換向機構，用于控制陶瓷泵在三個液口之間轉換。灌裝開始工位處安裝有有無瓶檢測傳感器，當傳感器檢測到相應工位無瓶時，PLC發(fā)出指令控制對應的伺服菜不動作，實現(xiàn)無瓶不灌裝。灌裝組件安裝有灌裝主電機，同時也是整個灌裝

52、機的運轉電機，通過齒輪傳動系統(tǒng)帶動其他組件旋轉，使瓶子從進瓶組件完成整個灌裝流程由出瓶組件出瓶。 7、過渡盤Ⅲ 瓶子由灌裝組件進入旋蓋組件的過渡盤。 8、供蓋機構 供蓋機構的作用是向加蓋系統(tǒng)提供瓶蓋，并且保證在供蓋機構的作用下，瓶蓋進入旋蓋頭時開口向下，以便于旋蓋。同時，供蓋機構的末端設有電磁體擋蓋機構，當傳感器檢測到相應工位無瓶時，擋蓋機構作用，使空瓶位相對應的旋蓋頭無蓋，實現(xiàn)無瓶不加蓋。 9、加蓋組件 灌滿液體的瓶子經(jīng)由過渡盤III進入加蓋組件，在旋蓋頭的作用下將瓶蓋旋緊，完成加蓋。旋蓋組件共有8個旋蓋頭，由8套伺服電機采用扭矩控制模式對扭矩進行控制，以保證自動上蓋率的同時，防

53、止擰不緊或擰裂等情況。 10、出瓶組件 灌滿并加蓋完成以后的瓶子在導瓶盤作用下進入出瓶組件，由3個后輸送電機帶動，在出瓶口出瓶，完成整個灌裝流程。 2.3 XG-24128型灌裝機控制系統(tǒng)的方案設計 2.3.1電氣控制系統(tǒng)的組成 上一小節(jié)簡單介紹了 XG-24128型灌裝機的結構部分，主要由進瓶-洗瓶-灌裝-加蓋-出瓶等組件組成，控制系統(tǒng)的作用就是對開關、按鈕、傳感器等輸入信號進行分析，從而做出響應來控制各執(zhí)行機構完成相應的動作，使整個灌裝過程準確而有序得進行。圖2-3為常用的電氣控制系統(tǒng)的組成圖。 (1)輸入元件 輸入元件的主要作用是將操作者的命令或由傳感器、編碼器等

54、檢測到的其他外部信息輸入到控制中心。常用的輸入元件有主令電器（按鈕開關、行程開關等）、各類傳感器（位置傳感器、壓力傳感器等）、編碼器（反映物體的相對或絕對運動距離）等。 (2)控制中心 控制中心的主要作用是對輸入信號進行存儲、分析、運算或判斷，將工作命令以輸出信號的形式傳遞給執(zhí)行機構。常用的控制中心部件有可編程控制器(PLC)和繼電器。 (3)執(zhí)行機構 執(zhí)行機構的作用是接收控制中心的輸出信號，執(zhí)行工作命令常用的執(zhí)行機構有：電動機、電磁體、伺服電機、步進電機等。 2.3.2 XG-24128型灌裝機的工藝流程 工藝流程是控制系統(tǒng)設計的主要依據(jù)，也是控制系統(tǒng)依托機械部分要實現(xiàn)的目

55、標，不同的工藝流程，其控制方案也不同。 圖2-4為XG-24128型灌裝機的工藝流程圖，由工藝流程圖可以看出，灌裝工藝由分為瓶子和瓶蓋兩條分支?？掌吭陲L力作用下進入風道進瓶組件后，經(jīng)由過渡盤I進入到洗瓶組件，在洗瓶組件完成瓶子內(nèi)外壁的清潔后進入灌裝組件進行灌裝，灌裝完成后的瓶子在過渡盤III帶動下進入加蓋組件；與此同時，瓶蓋在供蓋機構作用下進入加蓋組件，對灌滿后的瓶子完成加蓋動作后，在出瓶機構的作用下出瓶，完成整個灌裝流程。此工藝流程也是旋轉型灌裝機的典型工藝流程。 2.3.3 XG-24128型灌裝機的控制方案 根據(jù)XG-24128型灌裝機的工藝要求，對照其灌裝的工藝流程，依據(jù)一般

56、電氣系統(tǒng)的組成確定控制系統(tǒng)各部分如下： 輸入元件：按鈕開關（控制復位、啟動、停止、清洗、急停）、傳感器（有瓶灌裝檢測、有瓶放蓋檢測、缺蓋檢測、無蓋檢測、極限位置檢測、出瓶堵瓶檢測、灌裝完成檢測等）、變頻器、編碼器。 控制中心：XG-24128型灌裝機輸入/輸出信號多，且要求控制速度快而準確，時間延遲盡可能小，控制對象既有開關量也有模擬量，需對20臺伺服電機和12臺步進電機進行運動控制，且所有執(zhí)行機構的運動需協(xié)調(diào)一致，所以控制中心采用PLC控制系統(tǒng)，這也是工業(yè)控制中常用的控制形式。 執(zhí)行元件：伺服電機：共有20套伺服系統(tǒng)（伺服馬達+伺服驅動器），其中12臺伺服電機與12套陶瓷泵相連，在P

57、LC系統(tǒng)的控制下帶動陶瓷泵準確完成吸液及灌液動作；其余8臺伺服電機與8套旋蓋頭相接，為旋蓋頭完成旋蓋動作提供動力。 步進電機：步進電機（步進馬達+步進驅動器）共有12套，用于灌裝陶瓷泵的精確換向。 電動機：共有13套，分別是系統(tǒng)運轉主電機即灌裝主電機（1套）、出瓶輸送電機（1套）、上蓋風機（1套）、后輸送電機（4套）、沖冼泵電機（1套）、理蓋器電機（1套）、上蓋振動電機（1套）、散熱風機（1套）、進液泵電機（1套）、吹干機電機（1套）。 電磁體：止蓋電磁體、擋瓶電磁體。 指示燈：顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)。 為了便于用戶操作，且能隨時觀察到系統(tǒng)的運轉狀態(tài)，系統(tǒng)采用HMI (人機界面，Huma

58、n Machine Interface)控制灌裝機的機械動作⑿，控制系統(tǒng)框圖如圖2-5所示。圖2-5控制系統(tǒng)框圖 第3章XG-24128型灌裝機控制系統(tǒng)硬件設計 控制系統(tǒng)的硬件配置視控制對象不同而總體來說要考慮控制對象的工藝要求、設備狀況、工作環(huán)境、輸入輸出點的多少等條件[13]。 一般來說，控制系統(tǒng)的硬件設計中，輸入元件的設計較為簡單，而控制中心和執(zhí)行機構的設計及型號選取直接影響整個控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。本章針對控制對象-XG-24128型灌裝機的工藝要求及灌裝流程，重點介紹其控制中心及執(zhí)行機構的設計，并在此基礎上完成整個控制系統(tǒng)的硬件配置及連接。 從第2章介紹XG-24128型灌裝

59、機控制系統(tǒng)的總體方案可知，控制系統(tǒng)不僅要對電磁體、電動機進行控制，還要對伺服電機、步進電機進行復雜的運動控制，使整個灌裝動作精確、有序地完成，這就對其硬件配置提出了更高的要求。 3.1 PLC控制系統(tǒng)設計 傳統(tǒng)的繼電器控制有很多弊端，將成熟的計算機技術和虛擬技術與繼電器控制連接起來，使得影響繼電器控制的觸點虛擬化，作為控制器的內(nèi)部繼電器或軟元件來使用，并應用于在工業(yè)生產(chǎn)中就形成了 PLC控制。所以從原理上來說，PLC是“專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計”的專用計算機，它的結構和組成也具有一般計算機的特點：以中央處理單元為核心，在系統(tǒng)程序的管理下運行。PLC的基本組成如圖3-1所示。 PLC同

60、一般計算機一樣，使用之前需要先下載系統(tǒng)程序。在設計階段，確定所用的PLC的類型及相關模塊，對控制對象的運動進行分析后，編制控制對象所用的用戶程序，將這些程序及與控制對象相關的設置存儲在PLC的中央處理器中，中央處理器根據(jù)用戶程序對這些信息進行處理后，把執(zhí)行機構的工作命令以輸出信號的形式從輸出接口傳送到接觸器、電磁體、伺服電機等執(zhí)行機構來完成工作命令。在運行過程中，PLC CPU除了通過輸入接口和輸出接口進行信號傳輸外，還可以通過擴展接口接收來自擴展単元的信號，此外，監(jiān)控器、其他PLC、外部存儲器等還可以通過外部設備接口與PLC CPU進行信號傳輸。 3.1.1 PLC選型 根據(jù)

61、圖3-1所示PLC的基本組成，對照控制對象-XG-24128型灌裝機的設計要求：精確、可靠、柔性好、干擾小、協(xié)調(diào)性好等特點，并根據(jù)灌裝機控制對象的要求，選用如表3-1所示的三菱公司的PLC及相關模塊來組成XG-24128型灌裝機的控制系統(tǒng)。工業(yè)觸摸屏（HMI)選用三菱公司的GT1575-VTBA型觸摸屏（附件及連接電纜的型號在表中未列出）。 1、基板 基板是整個PLC系統(tǒng)的支撐體，它的主要作用是安裝選定的各個模塊[14]?；迳弦话阈枰惭b有電源模塊，基板將電源模塊產(chǎn)生的電壓提供給CPU、輸入模塊、輸出模塊、運動控制模塊等，同時承擔著在CPU、 I/O模塊、運動控制模塊之間進行控制

62、數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔谩９嘌b機的PLC系統(tǒng)采用的是主基板一擴展基板的形式，通過擴展電纜進行數(shù)據(jù)傳輸。選用的Q33B型主基板可安裝3個模塊，1級擴展基板Q68B可安裝8個模塊，2級擴展基板Q65B可安裝5個模塊。 2、電源模塊 電源模塊的作用是提供5V電壓，通過基板將電壓供給CPU及其他模塊。進行電源模塊選擇時，電源模塊5V電壓的額定輸出電流必須大于安裝在基板上的所有模塊所消耗的電流和。表3-2為主基板上各模塊的DC 5V消耗電流與電源模塊的輸出電流表。 按上表所示方法對擴展基板1和擴展基板2進行電源輸出電流的校核： 擴展基板1上各模塊DC 5V消耗電流的合計值為(2.97A)<電源模塊Q6

63、1P的輸出電流（6A)，滿足要求； 擴展基板2上各模塊DC 5V消耗電流的合計值為（0.955AX電源模塊Q61P的輸出電流（6A)滿足要求。 3、I/O模塊 I/O模塊是指輸入模塊和輸出模塊，輸入模塊和輸出模塊的規(guī)格及數(shù)量依控制系統(tǒng)所需的點數(shù)來確定，所需點數(shù)越多，則所需I/O模塊數(shù)也越多，但最大模塊數(shù)及最多點數(shù)由所選用的CPU來定。系統(tǒng)選用的Q06HCPU為高性能Q系列PLC CPU,它的單機最大I/O控制點數(shù)為40%點，可控制模塊數(shù)可達64塊，若系統(tǒng)所需的I/O控制點數(shù)更多，可選用擴展I/O模塊來增加控制點數(shù)。灌裝機選用的I/O模塊為三菱Q系列CPU的I/O模塊，它具有以下特點：（1

64、)體積小，積木式I/O模塊[14]。（2)功能多：DC輸入模塊的輸入響應時間可以在設定軟件中進行設定，高速輸入模塊最快響應時間可以達到0.1ms； DC晶體管輸出模塊具有短路保護功能，避免因短路等原因對I/O模塊造成損傷。（3)維護和保養(yǎng)相對容易，模塊裝卸方便，可以對每個輸出模塊進行單獨設置，而且可以在編程軟件上確定安裝模塊的構成，也可以在編程軟件上對安裝模塊進行設置，使得維護非常方便。（4)安全性好，可在線對模塊進行更換，系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，不用停止整個控制系統(tǒng)就可以更換模塊并且兼容性能好。鑒于以上特點，廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。 4、運動控制模塊 運動控制模塊是三菱PLC智能功能模塊中對運

65、動進行控制時運用比較多的一種，它主要是與步進電機或伺服電機配合使用來實現(xiàn)復雜的速度控制或是定位控制。按照控制軸數(shù)的多少，運動控制模塊有1軸、2軸、4軸、8軸，不僅可以實現(xiàn)直線控制、直線插補，還具備圓弧插補、螺旋插補、多種原點回歸方式等功能[15]。灌裝機控制系統(tǒng)選用的是可用于8軸控制的QD70P8定位模塊對灌裝伺服電機及換向步進電機進行速度控制。關于QD70P8定位模塊的使用及特點在伺服電機及步進電機的控制中有詳細介紹。 5、觸摸屏 工業(yè)控制中，為了方便用戶操作及觀察，經(jīng)常需要用到人機界面。人機界面的主要作用是輸入工作命令、設置參數(shù)等進而控制系統(tǒng)的動作，而且用戶還可以從人機界面上讀取信息，

66、了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 XG-24128型灌裝機選用的人機界面是三菱電機的GT1575系列的觸摸屏，該系列的觸摸屏分辨率為640*480，顯示色為256色，可視角度廣，亮度高，帶有多種類型的接口可連接控制系統(tǒng)、運動控制器、電機和計算機等，也可以與打印機、音頻設備相接，對信號進行輸出。 三菱電機的GT1000系列的觸摸屏配合以設計好的運行或監(jiān)控畫面可以實時顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)；對其接口進行相應的設置并與可編程控制器相連，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，不存在操作或命令延遲現(xiàn)象；畫面顯示功能更加豐富，可顯示單張畫面，也可顯示多張畫面或畫中畫等；搭載了 64位RISC CPU,高速處理器實現(xiàn)了高速運算，使操作更為快捷；除了與三菱電機的其他產(chǎn)品連接通訊速度快之外，接口的通用性好，與其他品牌的相應產(chǎn)品連接時信息和數(shù)據(jù)的交換速度也很快。 此外，三菱電機該系列的觸摸屏除了最基本的一對一功能外，也能一臺觸摸屏對多臺設備進行操作、監(jiān)控或多臺觸摸屏串聯(lián)起來同時與同一產(chǎn)品連接；一臺觸摸屏有4個通道，分別對每個通道進行設置后可連接不同的產(chǎn)品；該系統(tǒng)的觸摸屏容量增加到57MB，畫面設計時可以存儲更多的高清晰度圖片，可