本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文參考文獻(xiàn)譯文及原文學(xué) 院專 業(yè)年級班別學(xué) 號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師液體灌裝機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對飲料和酒精的需求量也在不斷增加。因此，高端的工業(yè)自動化灌裝設(shè)備也被推廣。本文設(shè)計(jì)并制造了一種啤酒灌裝機(jī)自動生產(chǎn)線的智能控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)由和利時(shí) lm3106a PLC（可編程邏輯控制器）和 hollyview 工業(yè)控制組態(tài)軟件和士林 ss22-023-0.75k 逆變器組成。我們進(jìn)行了能耗試驗(yàn)和罐裝啤酒生產(chǎn)試驗(yàn)的控制。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)的生產(chǎn)效率提高了 11.27。能源消耗的系統(tǒng)也減少了。因此，該系統(tǒng)具有較高的工作效率和節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于未來的生產(chǎn)中。關(guān)鍵詞：灌裝機(jī)，可編程邏輯，控制器（可編程序控制器） ，運(yùn)動控制，小型機(jī)械，設(shè)備制造1 簡介灌裝機(jī)屬于包裝機(jī)械的范疇，是灌裝材料的機(jī)械，是灌裝生產(chǎn)線最重要的方面之一。我國的包裝機(jī)械已經(jīng)發(fā)展成了液體食品產(chǎn)業(yè)，對世界有著重要的影響并在市場上有較高占有率。它已經(jīng)發(fā)展成液體食品行業(yè)，對世界有著重要的影響并在市場上有較高占有率 [1]。因此，液體灌裝機(jī)市場有很好的發(fā)展?jié)摿?。目前，各種灌裝機(jī)生產(chǎn)廠生產(chǎn)的灌裝機(jī)在灌裝能力、效率、適用范圍和自動化程度等方面，各有優(yōu)缺點(diǎn)。在很大程度上制約了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。使用灌裝機(jī)不僅可以提高勞動生產(chǎn)率，減少產(chǎn)品損失，保證包裝質(zhì)量，而且可以減少環(huán)境污染和包裝材料的使用量。因此，現(xiàn)代包裝行業(yè)一般采用機(jī)械化灌裝機(jī)。該灌裝機(jī)用于汽水（啤酒、汽水、啤酒、可樂）灌裝。采用和利時(shí) LM PLC 控制灌裝機(jī)。中央處理器模塊負(fù)責(zé)灌裝機(jī)系統(tǒng)的開關(guān)量控制，包括灌裝頭電磁閥的運(yùn)動、電磁閥的氣缸控制、電磁閥可以節(jié)省材料來控制灌裝機(jī)的啟停。并擁有各種光電開關(guān)、液位傳感器檢測等。本機(jī)配有高精度自動等壓灌裝閥，它的灌裝速度，瓶裝的液面高度是穩(wěn)定的，與空氣壓力差恒定。最大灌裝容量 1250 毫升，最小灌裝容量 240 毫升，適合玻璃瓶、寵物瓶、罐等，控制形式包括自動控制和手動控制 [2]。本機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)采用變頻電機(jī)，可根據(jù)生產(chǎn)的要求合理調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。液壓缸是配備液位自動控制器，如果在這個(gè)過程中，有空瓶現(xiàn)象，機(jī)器即可自動停充。本設(shè)計(jì)是基于可編程序控制器的控制系統(tǒng)，集成了可編程序控制器、變頻器控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用，多段變頻器調(diào)速控制，使電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化作為反饋信號檢測，從而實(shí)現(xiàn)對灌裝機(jī)的灌裝速度的控制，使灌裝機(jī)編程方便，提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。同時(shí)使灌裝機(jī)維修方便，節(jié)省了調(diào)整程序的時(shí)間，增加了灌裝機(jī)的靈活性，使其運(yùn)行穩(wěn)定可靠，同時(shí)。灌裝機(jī)是由屬于機(jī)械類，包裝機(jī)械，是灌裝生產(chǎn)線的重要組成部分。我國的包裝機(jī)械已經(jīng)發(fā)展成了液體食品產(chǎn)業(yè)，對世界有著重要的影響并在市場上有較高占有率。因此，目前各種灌裝機(jī)生產(chǎn)廠生產(chǎn)的灌裝機(jī)在灌裝能力、效率、適用范圍和自動化程度等方面，各有優(yōu)缺點(diǎn)。在很大程度上制約了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。灌裝機(jī)是一種包裝機(jī)械，廣泛用于食品、化工、制藥等行業(yè) [3]。這臺機(jī)器配有各種光電開關(guān)、液位傳感器檢測設(shè)備，高精度自動壓力灌裝閥，灌裝速度快，液體灌裝高度穩(wěn)定，機(jī)器壓力恒定。最大充填量量；240 毫升最低填充量，適用于玻璃瓶、PET、罐等。控制形式包括自動控制和手動控制兩種方式。電機(jī)傳動采用變頻調(diào)速電機(jī)，可根據(jù)生產(chǎn)的生產(chǎn)，合理調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于灌裝缸裝有自動電平控制，如果在灌裝過程中出現(xiàn)空瓶子現(xiàn)象，可以自動停止 [4]。本設(shè)計(jì)是基于可編程序控制器的灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的研究，采用集成可編程邏輯控制器（可編程控制器） ，通過可編程控制器（可編程控制器）對變頻器進(jìn)行多段調(diào)速，使電機(jī)轉(zhuǎn)速作為反饋信號的變化進(jìn)行檢測，從而控制灌裝機(jī)的灌裝速度，從而使灌裝機(jī)編程方便和提高工業(yè)生產(chǎn)效率。同時(shí)使灌裝機(jī)維修方便，節(jié)省了調(diào)整程序的時(shí)間，增加了灌裝機(jī)的靈活性，使其運(yùn)行穩(wěn)定可靠，同時(shí)。灌裝機(jī)是由屬于機(jī)械類，包裝機(jī)械，是灌裝生產(chǎn)線的重要組成部分。2 系統(tǒng)的組成2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在采用 PLC 作為主控設(shè)備的控制系統(tǒng)中，傳感器作為檢測器件，變頻器作為電機(jī)調(diào)速控制裝置，通過一個(gè)通信協(xié)議或與 ht7a00t 人機(jī)人機(jī)接口連接電腦。圖 2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)它的作用是監(jiān)控生產(chǎn)線和記錄數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品，灌裝控制系統(tǒng)由一個(gè)主可編程邏輯控制器（PLC ）和 3 個(gè)輔助擴(kuò)展可編程邏輯控制器（PLC） ，PLC 主要是lm3106a，通過它控制灌裝機(jī)的檢測開關(guān)，面板上的按鈕，變頻器控制電機(jī)和電磁閥?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）根據(jù)檢測到的傳感器信號，并通過編輯程序來完成一系列動作，如填充圖 2.1。2.2 控制系統(tǒng)算法該系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號由變送器轉(zhuǎn)換成電信號，并裝進(jìn)控制器。在信號的基礎(chǔ)上，可編程邏輯控制器自動顯示數(shù)據(jù)。在比較兩種轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制信號的偏差，對變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速，以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用實(shí)際的數(shù)據(jù)來消除轉(zhuǎn)速偏差。通過改變機(jī)械擾動引起的偏差，使到生產(chǎn)線的電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，同時(shí)保證生產(chǎn)線效率。本系統(tǒng)是一個(gè)基于電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用比例、積分和微分（積分）控制算法在可編程序控制器中實(shí)現(xiàn)。在可編程邏輯控制器（可編程控制器）中，估計(jì)值按照設(shè)定的時(shí)間值采樣。假設(shè)時(shí)間周期為 t，初始值為零。用矩形積分代替精度連續(xù)積分。用差分法代替連續(xù)微分法，可以簡化為（1） 。在這個(gè)公式里面， 是系統(tǒng)偏移。SB該算法具有 2 個(gè)特點(diǎn)，一是快速響應(yīng)，另一個(gè)是超調(diào)。在穩(wěn)健的性能和跟蹤性能方面，它表現(xiàn)出良好的控制效果。通過實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)取得了良好的控制效果。該公式在可編程控制器內(nèi)部被解釋為一個(gè)連續(xù)控制系統(tǒng)，簡化為離散控制系統(tǒng)。2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)該灌裝機(jī)采用和利時(shí) LM 系列可編程邏輯控制器（PLC）控制實(shí)現(xiàn)自動操作和自動控制整個(gè)生產(chǎn)線。這一部分的原理是通過分度撥輪，將空瓶取出再對其進(jìn)行填充，如圖 2.2，在指令下，將瓶頸抬升，定位裝置的壓料口進(jìn)行填充密封[5]。再次將瓶子里空氣抽回真空狀態(tài)后，將液體鋼瓶內(nèi)二氧化碳?xì)怏w的背壓注入到瓶子里，當(dāng)氣瓶內(nèi)的氣體壓力等于鋼瓶壓力時(shí)，在彈簧的作用下，閥門打開。這時(shí)，在重力引導(dǎo)作用下，液體通過形狀的傘反射環(huán)上的消聲器自動進(jìn)入瓶內(nèi)，在瓶子中的二氧化碳再循環(huán)到液體鋼瓶。當(dāng)瓶子液面達(dá)到一定高度時(shí)，它會使到氣管關(guān)閉，此時(shí)，機(jī)器會自動停止在液體灌裝。然后放液閥和閥關(guān)閉，當(dāng)瓶子落下，排水瓶頸為高壓氣體以防止液體與氣體噴涌溢流。填充部分完整實(shí)現(xiàn)。1.行星撥盤 2.撥盤 3.軸圖 2.2 運(yùn)輸瓶的機(jī)械結(jié)構(gòu)3 硬件設(shè)計(jì)3.1 控制器的選擇根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備、電氣柜的控制要求，選擇 lm3106a 可編程控制器。可編程序邏輯控制器（可編程控制器）有 14 點(diǎn)輸入和 10 點(diǎn)晶體管輸出，共有 24 個(gè)數(shù)字輸入/輸出點(diǎn)，用 24 伏直流電源供電，在終端上做輸出，在終端下是做輸入。LM 系列可編程邏輯控制器（PLC）具有獨(dú)特的保護(hù)功能，可以實(shí)現(xiàn)用戶程序和停電保持區(qū)的數(shù)據(jù)永久保存，機(jī)器消除權(quán)力的原因丟失數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；同時(shí)，它支持五種編程語言國際化，適合不同的程序員需要；LM 系列應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，有良好的客戶基礎(chǔ)，因此，可靠性和安全系數(shù)大大好。除了模塊，有三個(gè)輔助模塊，分別是 lm3401，lm3320，和 LM3310。中央處理器模塊集成了一定數(shù)量的輸入/輸出點(diǎn)，在同一時(shí)間，一個(gè)部分的輸入 /輸出點(diǎn)具有高速計(jì)數(shù)器，高輸出，和其他功能 [6]。隨著系統(tǒng)需求的不斷擴(kuò)大，需要更多的輸入/輸出點(diǎn)連接到可編程邏輯控制器（可編程控制器） ，此時(shí)可以通過匹配擴(kuò)展模塊來增加更多的輸入/輸出點(diǎn)和更多的功能，以實(shí)現(xiàn)對某些條件的控制。3.2 工業(yè)電源選擇本系統(tǒng)采用西門子的 100 的工業(yè)電源，具有高可靠性、高效率、高集成度的特點(diǎn)。滿足了提高工作效率、節(jié)約能源的系統(tǒng)要求。3.3 變頻傳動的選型交流伺服電機(jī)驅(qū)動永磁同步伺服電機(jī)和交流異步伺服電機(jī)。交流永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁體組成，定子繞組形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，只要負(fù)載的大小不超過同步轉(zhuǎn)矩。隨旋轉(zhuǎn)磁場的永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，它類似于基本交流永磁同步電動機(jī)。交流異步伺服電機(jī)定子由繞組勵磁繞組和控制繞組的 90 個(gè)繞組組成。交流繞組的接入和控制的相位差勵繞組的角度，使定子旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生橢圓，轉(zhuǎn)子斷磁，在電磁力的牽引下旋轉(zhuǎn)。目前，在精密計(jì)算機(jī)數(shù)控（數(shù)控）系統(tǒng)中，交流永磁同步電機(jī)被廣泛使用。隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，有的變頻器在伺服功能、控制精度與傳統(tǒng)的交流伺服系統(tǒng)和沒有明顯的差距，因此它們有集中發(fā)展的趨勢。采用數(shù)字信號處理器（數(shù)字信號處理器）來控制伺服驅(qū)動器。它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件廣泛應(yīng)用于智能功率模塊驅(qū)動電路的核心設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成的驅(qū)動電路，也具有過壓，過電流，過熱，欠壓故障檢測和保護(hù)電路，在主電路中加入了軟啟動電路，以減少啟動過程中的影響。首先通過三相全橋功率驅(qū)動單元整流電路輸入三相電源或電源整流器，相應(yīng)的直流（DC） 。整流后是良好的三相電流或城市電力，然后通過變頻三相正弦脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制） ，用電壓型逆變器驅(qū)動三相永磁同步交流伺服電機(jī)。動力驅(qū)動單元的整個(gè)過程可以簡化為交-直-交整流單元（ACDC） ，它是三相橋式整流電路的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)電機(jī)的工作效率和設(shè)備的要求，變頻器的選擇是石林 ss22-023-0.75 K，三相交流額定電壓是 200-230 伏，適配電機(jī)功率為 1.9 kW，額定電流為 5 A。shss22 型逆變器的體積很小，它屬于小型產(chǎn)品，可以空間小的控制柜，調(diào)試簡單方便。它的控制方式為正弦波 SPWM，控制性能強(qiáng)，其載波頻率范圍為0 至 15 千赫，在降低電機(jī)的電磁噪聲有效，模擬接口的通用性，負(fù)載能力強(qiáng)，提供多功能的輸出端子信號。它主要用于立體倉庫系統(tǒng)行業(yè)，食品，飲料和包裝行業(yè)。3.4 觸摸屏的選擇觸摸屏根據(jù)原理和使用材料的不同，可分為電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏和聲波傳感器、紅外線觸摸屏觸摸屏。電阻式觸摸屏精度高，但其價(jià)格昂貴且容易損壞，電容式觸摸屏設(shè)計(jì)合理，新穎性更直觀，更有趣，高耐久性，但也容易受到環(huán)境影響和成本較高。電容式觸摸屏功能性方面的全面性和穩(wěn)定性，它已經(jīng)擁有了相當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~，在各種觸摸屏。紅外線觸摸屏價(jià)格低廉，但其易受光線干擾的影響。聲波感應(yīng)式觸摸屏如果有水滴或塵埃干擾，其反應(yīng)會變慢，甚至不能工作?？偨Y(jié)每一類觸摸屏都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們根據(jù)需要，選擇和利時(shí)是觸摸屏的觸摸屏，該模型是 ht7a00t。4.3 寸黑白 192x64，輸入電源電壓為 24V 直流。4 程序設(shè)計(jì)4.1 輸入/輸出分配系統(tǒng)表 4.1 灌裝機(jī)輸入/輸出分配表%IX0.0 低液位 %QX0.0 主發(fā)動機(jī)%IX0.1 高液位 %QX0.1 液壓泵%IX0.2 主機(jī)故障 %QX0.2 供應(yīng)電磁閥%IX0.3 液體故障泵 %QX0.3 電磁閥%IX0.4 輸送帶故障 %QX0.4 排氣電磁閥%QX0.5 進(jìn)氣電磁閥%QX0.6 輸送帶根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)我對輸入和輸出端子的定義，確保布線完成。4.2 主程序框圖圖 4.1 控制系統(tǒng)程序框圖圖 4.1 是沖瓶機(jī)順序程序功能圖。這個(gè)程序是在按下啟動按鈕 ym002 和分布式控制系統(tǒng)（DCS）遠(yuǎn)程控制、邏輯與輸出，其次是邏輯或，然后觸發(fā)復(fù)位觸發(fā)器，這一點(diǎn)在遙控狀態(tài)，DCS 的狀態(tài)是，在同一時(shí)間以不在本地控制狀態(tài)，與 DC 為 0，此時(shí)只有遠(yuǎn)程控制啟動噴淋泵工作。局部控制工作時(shí)，按下啟動按鈕 M004，DCS 以沒有結(jié)果也為 1，此時(shí)，觸發(fā)設(shè)置、沖瓶泵啟動 [7]。按下啟動 ym003 和 DCS 遠(yuǎn)程控制按鈕后，邏輯與可以輸出，其次是邏輯或，然后觸發(fā)復(fù)位，此時(shí)遙控狀態(tài)，DCS 系統(tǒng)在狀態(tài) 1，同時(shí)以不在本地控制狀態(tài)，和 DC 為 0，此時(shí)只有遠(yuǎn)程控制噴淋泵停止工作 [8]。局部控制工作時(shí)，按下啟動按鈕 M003 DCS，因?yàn)闆]有結(jié)果也為 1，此時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，沖瓶泵停止。4.3 配置接口設(shè)計(jì)圖 4.2 配置界面根據(jù)系統(tǒng)的要求，我選擇了冬青視圖組態(tài)軟件，完成了組態(tài)設(shè)計(jì) [9]。冬青視圖提供了一個(gè)豐富、簡單、易于使用的界面，提供了大量的圖形元素和圖形庫，同時(shí)也為用戶創(chuàng)造畫廊精靈并提供易于使用的界面；產(chǎn)品的歷史曲線、報(bào)表報(bào)表和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能都大幅提高，軟件的功能性和可用性都有很大地提高 [10]實(shí)驗(yàn)的成功率，利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)就可完成自動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；它節(jié)省了能源，提高了實(shí)驗(yàn)效率 [11]。圖 4.2 是配置界面設(shè)計(jì)圖。它將一個(gè)好的程序下載到可編程控制器，當(dāng)觸摸屏程序，有一個(gè)點(diǎn)的接口如圖 4.2，在剛開始時(shí)，它是對每個(gè)開關(guān)運(yùn)行一個(gè)單一的點(diǎn)，當(dāng)觸摸屏界面，它需要做一個(gè)模擬的關(guān)鍵點(diǎn)移動操作開關(guān) [12]?？删幊绦蚩刂破骺梢膺B接可編程邏輯控制器輸出。5 測試從工作效率的角度來看，以瓶容量為 500ml 為例，普通灌裝機(jī)的工作效率平均是 400 瓶每小時(shí)。優(yōu)秀的灌裝機(jī)的工作效率平均可達(dá)到 700 瓶每小時(shí)。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)和 100 次測試，每次測試一小時(shí)，智能灌裝機(jī)的工作效率平均可達(dá)到每小時(shí) 779 瓶。該系統(tǒng)提高了工作效率 11.27%。從節(jié)能環(huán)保的角度看，空載功耗，滿載功耗相比傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率如圖5.1。它減少能源消耗的設(shè)計(jì)要求。圖 5.1 能量消耗對比圖6 結(jié)果本設(shè)計(jì)主要是采用可編程邏輯控制器（可編程控制器）和變頻器控制電機(jī)做旋轉(zhuǎn)皮帶傳動，然后將瓶子轉(zhuǎn)移到灌裝機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了配瓶的速度和灌裝速度的協(xié)調(diào)，提高了生產(chǎn)效率。本設(shè)計(jì)的基本思想是：在系統(tǒng)啟動后，按下電機(jī)啟動開關(guān)，如果電機(jī)是異常的，熱電流繼電器立即切斷和保護(hù)電機(jī)，如果電機(jī)是正常的，那么電機(jī)啟動下一步工作。電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，在傳送帶作用下驅(qū)動灌裝瓶運(yùn)動，通過光電傳感器，對瓶子計(jì)數(shù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)到可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可編程邏輯控制器（PLC ）根據(jù)瓶子的運(yùn)動速度在內(nèi)存里進(jìn)行比較，確定是否有調(diào)速的需要，如果不需要控制電機(jī)的速度，它就按照原來的速度運(yùn)行，如果有需要調(diào)速，可編程邏輯控制器（PLC）輸出控制信號到變頻器進(jìn)行多級調(diào)速控制，轉(zhuǎn)換器接收控制信號，可編程邏輯器收到后（PLC）發(fā)出的控制信號，進(jìn)行內(nèi)部處理。一個(gè)特定的頻率電壓的輸出，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的頻率控制。變頻器輸出反饋信號輸入到可編程邏輯控制器，實(shí)現(xiàn)對變頻器的保護(hù)。本設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)具有操作簡單、工作可靠、界面友好、節(jié)能、綜合保護(hù)等功能，具有較高的自動監(jiān)測程度、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，具有良好的推廣應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)[1] Shiro Yamakawa,et al, “Trade of between IM-DD and coherent system in high data rate optical inter orbit links,” SPIE, No.3615, pp.80~89, 1999.[2] C.Q.Qi, “PLC 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