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6up自动饮料灌装系统的设计毕业设计doc

2021-10-31 02:18

  摘 要 随着工业自动化水平日益提高,众多工业企业均面临着传统生产线的改造和重新设计问题。PLC(可编程序控制器)是以微处理器为核心的工业控制装置,它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起,近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。作为通用工业控制计算机,其实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃,在世界工业控制中发挥着越来越重要的作用。在饮料行业,自动化生产线的生产方式是推广的最普及的一种生产模式,它促使灌装的速度大幅提升,同时也使得灌装精度更高,给企业带来了不可小觑的生产力。鉴于此,设计者利用PLC的功能和特点设计出了一款饮料灌装生产流水线控制系统。 本文所涉及的饮料灌装自动化生产线采用PLC控制,流量计计量,确保了灌装的速度和精度。本文详细论述了饮料灌装机控制系统的设计步骤,通过对灌装机系统的充分了解,以行业现状为出发点,结合其他行业自动控制技术的应用情况,提出了基于PLC的饮料灌装机控制系统的基本结构。本系统设计中完成了饮料灌装机控制系统的硬件的配置和软件方面的设计,实现了饮料灌装机控制系统的自动化。对劳动生产率的提高,对饮料的质量和产量的提高都具有深远的意义。利用PLC控制饮料灌装生产过程,可有效提高灌装生产效率,并显著增加控制系统的可靠性和柔性。 关键词:可编程控制器;自动化;灌装;生产线 Abstract With the increasing level of industrial automation, many industrial enterprises are faced with the transformation of traditional production line and re-design problem. PLC (programmable logic controller) is a microprocessor as the core of industrial control devices, it will relay the traditional control system combined with computer technology in recent years in industrial automation, mechanical and electrical integration, the transformation of traditional industries such as generally applied. As a general-purpose industrial control computer, the realization of industrial control wiring logical leap in logic to storage, industrial control in the world is playing an increasingly important role. In beverage industry, automated production line mode of production is to promote the most popular a kind of production mode, it causes the filling speed increases, but make the filling a higher precision, to bring enterprise cannot small gaze of productivity. In view of this, the designers of the use of PLC functions and features designed a beverage filling production line control system. This paper involves the drinks filling automation production line adopts PLC control, flow meter metering, insure the filling speed and precision. This paper describes in detail the control system of the drinks filling machine design steps, a brief introduction of the drinks filling machine control system and base on the self-industry and the application of the other trade on auto-control technique, proposed the frame of the control system based on programmable logical controller. This design completes the drinks production line hardware configuration and software design, to achieve the automation of the carbonated drinks filling machine. Not only improve the labor productivity, but also has far-reaching significance of the improvement of quality and yield. PLC control of the use of beverage filling production process, which can effectively improve the production efficiency of filling, and significantly increase the reliability of control systems and flexible. Keywords: Programmable controller;Automation;Filling;roduction line 目 录 摘 要 I Abstract II 前 言 1 1.概述 2 1.1概论 2 1.2设计任务与要求 3 1.3相关预备知识 3 1.3.1 PLC的定义 3 1.3.2 PLC的基本组成 3 1.3.3 PLC的功能与特点 4 1.3.4 PLC的应用范围 4 1.4总体方案设计 5 2.系统机械结构设计 7 2.1 电机的选择 7 2.1.1 丝杠电机的选择 7 2.1.2 传送带电机的选择 10 2.2 滚珠丝杠副的计算 11 2.2.1 最大工作载荷Fm的计算 11 2.2.2 最大动载荷C的计算 11 2.2.3 额定动载荷Ca的校核 11 2.2.4 刚度的验算 12 2.3 滚动轴承的选择 12 2.3.1 丝杠滚动轴承的选择 13 2.3.2 滚筒滚动轴承的选择 13 2.4 联轴器的选择 14 2.4.1 传送带电机联轴器的选择 14 2.4.2 丝杠电机联轴器的选择 14 2.5 灌装机储液箱的尺寸确定 14 3.电气控制系统硬件设计 15 3.1 总体方案分析 15 3.2 控制系统的I/O点及地址分配 15 3.2.1 输入信号I/O点地址分配 15 3.2.2 输出信号I/O点地址分配 16 3.3 电气元件选型 17 3.3.1 PLC的选型 17 3.3.2 断路器的选型 17 3.3.3 接触器的选型 18 3.3.4 行程开关的选型 18 3.3.5 光电传感器的选型 18 3.3.6 流量计的选型 19 3.3.7 电磁阀的选型 19 3.4 电气控制系统原理图 20 3.4.1 电气原理图总体设计 20 3.4.2 传送带电机接线 丝杠电机接线 电磁阀接线 控制系统接线.电气控制系统软件设计 23 4.1 STEP7-Micro/WIN软件介绍 23 4.2 电气控制系统程序设计 25 4.2.1 电气控制系统流程图 25 4.2.2 传送带前进 26 4.2.3 光电传感器开始计瓶数 27 4.2.4 喷口下压 28 4.2.5 系统开始进行灌装 29 4.2.6 喷口上抬 30 4.3 PLC程序调试 31 4.3.1 调试思路 31 4.3.2 调试结果 31 总结与体会 34 致 谢 35 参考文献 36 附录:系统程序梯形图 37 前 言 工业现代化的进程,对生产过程的自动控制和信息通信提出了更高的要求。随着计算机和网络通讯技术的发展,企业对生产过程的自动控制和信息通讯提出了更高的要求。工业自动化系统已经从单机的PLC控制发展到多PLC及人机界面 (HMI,Human Machine Interface)的网络控制。 全自动灌装生产线是由数台自动灌装机械经控制系统进行集中控制,并按照各自功能完成一定任务进行顺序、连续生产的一系列机器组合。通过对饮料罐装自动控制的介绍,使我们对灌装这个行业有了更深的了解,也对自动化这个名词有了进一步的了解。我国的饮料罐装自动化相对于西方发达国家来讲还有很大的差距。设备陈旧,技术落后,成为阻碍我们灌装行业发展的一个严重问题。鉴于这些问题,我国企业不断发展自身的实力,逐步朝着生产高速化、设备结构合理化、设备的多功能化、设备的绿色化、控制的智能化等方向发展。推出适合自己需求的产品来。 早期的灌装生产流水线大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方式。这些方式存在一些缺点。例如:灌装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。本设计鉴于PLC可靠性高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便三大特点,利用PLC技术平台自主开发创新,将机械、电气和自动化等技术有机结合,将传统的继电器-接触器控制功能用PLC代替,构成实用、可靠的饮料灌装生产线PLC控制系统。该控制系统可节省大量电气元件、导线与原材料,缩短设计周期,减少维修工作量, 提高加工零件合格率,进而提高生产率,而且程序调整修改方便灵活,提高了设备的柔性和灵活性。具有整体技术经济效益。 PLC控制具有编程简单、工作可靠、使用方便等特点,已经在工业自动化控制领域得到了广泛的应用。 1.概述 1.1概论 现代社会工业自动化水平日益提高,众多工业企业均面临着传统生产线的改造和重新设计问题。几年前,自动化技术只占包装机械设计的30%,现在已占50%以上,大量使用了微电脑设计和机电一体化控制。提高包装机械自动化程度的目的:一是为了提高生产率;二是为了提高设备的柔性和灵活性;三是为了提高包装机械完成复杂动作的能力。? 饮料灌装机用于灌装各种各样的瓶装饮料,适合大中型饮料生产厂家,早期的灌装机械大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方法。这些方法存在一些缺点。例如:灌装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。本系统采用的饮料分装计量是通过时间和单位时间流量来确定的,计量精度由可编程控制器(PLC)控制确定。PLC控制具有编程简单、工作可靠、使用方便等特点,在工业自动化控制领域广泛应用。专为PLC应用而实际的触摸屏集主机、输入和输出设备于一体,适合在恶略的工业环境中使用。?饮料灌装装置主要包括两部分:恒压储液罐灌液和计数部分。在恒压储液罐灌液不封,里面有上限液位和下线液位传感器,它们淹没时是1状态。液面低于下线液位时恒压储液罐为空。饮料通过进液电磁阀流入恒压储液罐,液面达到上限位时进液电磁阀断电关闭,使液位保持恒定。鉴于PLC可靠性高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便三大特点,利用PLC技术平台自主开发创新,将机械、电气和自动化等技术有机结合,将传统的继电器-接触器控制功能用PLC代替,构成实用、可靠的饮料灌装生产线PLC控制系统。该控制系统可节省大量电气元件、导线与原材料,缩短设计周期,减少维修工作量,?提高加工零件合格率,进而提高生产率,而且程序调整修改方便灵活,提高了设备的柔性和灵活性。具有整体技术经济效益。 PLC 控制为核心,采用电动机、流量计等辅助手段来完成6 口0.5L 饮料瓶的自动灌装系统设计。设计电控系统、传动系统,完成机械结构图、电气原理图和控制程序设计。 设计要求: 1、毕业设计(论文)由学生本人独立完成。 2、完成整个系统的方案选型,元件选择,软件设计。 3、技术指标: 1) 饮料瓶容积:0.5L 2) 每次灌装瓶数:6 3) 灌装节拍:5~15S,可调节; 4) 精度:5mL 1.3相关预备知识 1.3.1 PLC的定义 可编程控制器,简称PLC(Programmable logic Controller),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义: “PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其控制定时控制计数控制步进(顺序)控制PID控制数据控制PLC具有数据处理能力通信和联网其它PLC还有许多特殊功能模块,适用于各种特殊控制的要求,如定位控制模块、CRT 模块可靠性高,抗干扰能力强功能完善,适用性强易学易用,深受工程技术人员欢迎目前,在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业,随着PLC性能价格比的不断提高,其应用领域不断扩大。从应用类型看,PLC的应用大致可归纳为以下几个方面: 开关量逻辑控制.运动控制.过程控制.数据处理 图1-2 控制系统流程图 2.系统机械结构设计 系统的总体结构如图2-1所示,移动部件上下移动的距离为100mm,应快速到达,时间为1s,选丝杠的公称直径为d=20mm,估计移动部件总重量为G=100N。其下方设置一条滚动的带传动设备,使饮料瓶能随皮带到达灌装口。 图2-1 系统总体结构 2.1 电机的选择 2.1.1 丝杠电机的选择 1)丝杠电机转轴上总转动惯量Jeq的计算 加在丝杠电机转轴上的总转动惯量Jeq是进给伺服系统的主要参数之一,它对选择电机具有主要意义。Jeq主要包括电动机转子的转动惯量与滚珠丝杠以及移动部件等折算到电动机转轴上的转动惯量等。Jeq的具体计算方法如下: 已知:滚珠丝杠的公称直径d0=20mm,总长480mm,导程Ph=5mm,材料密度P=7.85*10-3kg/cm3,移动部件总重力G=100N。 算得各零部件的转动惯量如下:滚珠丝杠的转动惯量Js=0.6kg.cm2,滑块折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.398kg.cm2。 初选丝杠电机的型号为75BC380A,为三相反应式,步矩角为1.5度,查得该型号步进电机转子的转动惯量Jm=0.2kg.cm2。 由Jeq=Js+Jw+Jm,带入数据,则计算得加在丝杠电机转轴上的总转动惯量Jeq=Js+Jw+Jm=0.6+0.398+0.2=1.198kg.cm2。 2)等效负载转矩的计算 丝杠电机转轴所承受的负载转矩在不同的工况下是不同的。通常考虑两种情况:一种是快速上升,另一种是快速下降。显然快速上升时,负载转矩较大。 设快速上升时电机转轴所承受的负载转矩为Teq,则 Teq=Tamax+Tf+T0 (2-1) 式中:Tamax——快升时电动机转轴上最大加速转矩,单位为N.m; Tf——部件移动时电动机转轴上的摩擦转矩,单位为N.m; T0——滚珠丝杠预紧后折算到电机转轴上的摩擦转矩,单位为N.m; 快速空载启动时折算到电机转轴上的最大附加转矩: Tamax=(2π*Jeq*n)/(60t) (2-2) 式中:Jeq——电机转轴上总转动惯量,单位为kg.m2; n——电机的转速,单位为r/min; t——电机加速所用时间,单位为s,在0.3~1s之间取; 其中:n=(vmax*α)/(360*δ) (2-3) 式中:vmax——空载最快移动速度,本机器为6000mm/min; α——步进电机步矩角,预选电动机为1.5度; δ——脉冲当量,δ=0.01mm; 将以上各值代入式(2-3),算得n=2500r/min。 设t=0.4s,传动系统总效率η=0.7,求得: Tamax=(2π*1.198*10-4*2500)/(60*0.4*0.8)≈0.196N.m 移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩: Tf=(F摩*Ph)/( 2πη) (2-4) 式中:F摩——导轨的摩擦力,单位为N; Ph——滚珠丝杠导程,单位为m; η——传动系统总效率,一般取η=0.7~0.85; 其中:F摩=μ(Fc+G) (2-5) 式中:μ——导轨的摩擦因素(滑动导轨取0.15~0.18,滚动导轨取0.003~0.005),取μ=0.15; Fc——垂直方向的工作负载,车削时为Fc,立铣时为Fz,单位为N,取Fc=0; G——运动部件总重力,单位为N,本设备G=100N; 将以上各值代入式(2-5),算得F摩=15N。 由式(2-4)可知,移动部件运动时,折算到电动机转轴上的摩擦转矩为: Tf=(F摩*Ph)/( 2πηi)=(15*0.005)/(2*3.14*0.7*2)=0.00853N.m 滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩: T0=(FYJ*Ph)(1-η02)/( 2πηi) (2-6) 式中:FYJ——滚珠丝杠的预紧力,一般取滚珠丝杠工作载荷FM的1/3,单位为N; η0——滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取η0

  =0.9; 由于滚珠丝杠副的传动效率很高,所以有式(2-6)算出的T0值很小,与Tamax和Tf比起来,通常可以忽略不计。 最后由式(2-1),求得快速启动时电机转轴所承受的负载转矩: Teq=Tamax+Tf+T0=0.196+0.0085=0.2045N.m 3) 丝杆电机的校核 将上述计算说得的Teq乘上一个K,用K*Teq的值来初选丝杠电机的最大静转矩,其中的系数K称作安全系数。对于开环控制,一般应在2.5~4之间选取。取K=4,则丝杠电机最大静转矩: Tjmax

  =4Teq=4*0.2045=0.818N.m 上述初选的丝杠电机型号为75BC380A,该电机的最大静转矩Tjmax=0.98N.m,满足要求。 2.1.2 传送带电机的选择 1)传送带电机的初选 若传送带滚筒直径D=70mm,6up左右滚筒用45#钢实心柱型,滚筒长约100mm(支撑部分不包含在内),已知45#钢的密度为ρ=7.85g/cm3。 取传送带两滚筒轴间的间距为2m,平均100mm放一个瓶子,每一个瓶子容量为0.5L,质量为0.5kg。这时传送带上瓶子的最大质量为10kg,传送带的最大速度为0.1m/s。 则滚筒的体积V=π(D/2)2*h=3.14*3.52*10=384.65cm3,所以滚筒的质量m=V*ρ=384.65*7.85=3.02kg。若此时加上支撑部分的质量,则总质量为4.25kg。 这时两个滚筒的转动惯量为J1=(1/2)*m*(D/2)2=0.5*4.25*3.52=26.03kg.cm2。 传送带上的瓶子质量折算到电机主轴上的转动惯量为: J2=(365w/4g)*(v/n) 2 (2-7) 式中:w——传送带上的最大重量,单位为N,此处w=10kg*9.8m/s2; v——传送带上瓶子的速度,单位为m/s; n——滚筒的转速,单位为r/s; 其中v/n简化得v/n=πD,代入得:J2=365*10*(3.14*0.07)2/4=44.085kg.cm2。 初选传送带电机型号为86BYG250B-SAFRBC-0202,该电机转子转动惯量为J3=3.0kg.cm2。 总转动惯量J0= J1+ J2+ J3=26.05+44.085+3.0=73.115kg.cm2。 2)传送带电机的校核 该电机的启动时间为0.03s,则电机转轴上所受的转矩为: M= J0*(2πn)/(60t)=(73.115*6.28*27.3*10-2)/(60*0.03)=0.696N.m 以M乘以一个系数K,即以KM来初选电机的最大静转矩,取K=4,则传送带电机的最大静转矩Tjmax为: Tjmax

  =4M=0.696*4=2.784N.m 所选电机最大静转矩为5N.m,满足要求。 2.2 滚珠丝杠副的计算 2.2.1 最大工作载荷Fm的计算 滚珠丝杠副的最大工作载荷Fm是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力,也叫进给力。它包括滚珠丝杠副的进给力、移动部件的重力以及作用在导轨上的切削力所产生的摩擦力。由图1-2可知,丝杠只受进给方向载荷F=G=100N。又有Fm=KF,K为颠覆力矩影响系数,这里取K=1.15。所以Fm=1.15*100=115N。 2.2.2 最大动载荷C的计算 滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用,最大动载荷计算原理与滚动轴承相同。滚珠丝杠的最大动载荷C可用以下公式计算: C=*fm*Fm (2-8) 式中:L——滚珠丝杠副的工作寿命,单位为106r; fm——运转状态系数,无冲击状态取1~1.2,一般状态取1.2~1.5,有冲击振动取1.5~2.5,此处取fm=1.5; Fm——滚珠丝杠副最大工作载荷,单位为N; 其中:L=60nt/106 (2-9) 式中:n——丝杠转速,n=1000v/L0(v为最大载荷下的进给速度,可取最高速度的1/3~1/2;L0为丝杠的基本导程,单位为mm),计算时,可根据快进速度vmax和丝杠最大转速nmax初选一个数值(L0

  =1000vmax/nmax),待刚度验算后再确定; t——额定使用寿命,单位为h,可取t=15000h; 将以上数值代入式(2-9)得L=60*(1000*6/0.005)*15000/106=1080(106r)。 再由式(2-8)计算得C=*1.5*115=1769.83N=1.77kN。 2.2.3 额定动载荷Ca的校核 滚珠丝杠的型号为CDM2005-2.5-P3,其额定动载荷Ca=10kN,远大于C=1.77kN,所以满足要求。 2.2.4 刚度的验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化,从而影响定位精度和运动 平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母之间滚道的接触 变形等。 丝杠的拉伸或压缩变形量σ1在总变形量中占的比重比较大,可按下式计算: σ1= (2-10) 式中:Fm——丝杠的最大工作载荷,单位为N; α——丝杠两端支撑间的距离,单位为mm; E——丝杠的材料弹性模量,钢的E=2.1*105MPa; S——丝杠按底径d2确定的截面积,单位为mm2; M——转矩,单位为N.mm; I——丝杠按底径d2确定的截面惯性矩,单位为mm4; 其中,“+”号用于拉伸,“-”号用于压缩。由于转矩M一般较小,所以式中第2项在计算时可以忽略不计,因此有σ1=(115*500)/(2.1*105*20)=0.01369。滚珠与螺纹滚道间的接触变形量σ2可从产品型号中查出。 丝杠总变形量σ=σ1+σ2。一般总变形量σ不应大于规定精度的一半,本产品精度不大,所以丝杠够用。 2.3 滚动轴承的选择 如今滚动轴承多为已标准化的构件。因而,在机械设计中,设计滚动轴承的部件时,只需: 1)正确选择出能满足约束条件的滚动轴承,包括:合理选择轴承和校核所选择的轴承是否能满足强度、转速、经济等方面的约束; 2)进行滚动轴承部件的组合设计,包括:合理选择轴承的类型、内径以及诸如公差等级、特殊结构等。 2.3.1 丝杠滚动轴承的选择 由于丝杠滚动轴承主要受轴向力,所以选择角接触轴承。已知内径为20mm,所以初选轴承GB/T 292-1994,角接触轴承7002C型,其主要参数: 内径:d=15mm; 外径:D=32mm; 宽:B=9mm; 极限转速:24000r/min; 基本额定动载荷:Cr=6.25kN; 基本额定静载荷:C0=3.42kN; 则轴承的寿命可由以下公式计算: Lh10==; (2-11) 其中ε=3,设轴承的转速为n=6000r/min,则当量动载荷FP=XFR+YFA=0.44*0+1.4*115=161N。所以轴承的寿命为: Lh10===1.63*105h。 寿命足够了。 2.3.2 滚筒滚动轴承的选择 综前所述,选用角接触轴承,选轴承GB/T 292-1994,角接触轴承7004AC,其主要参数: 内径:20mm; 外径:42mm; 宽:12mm; 极限转速:19000r/min; 基本额定动载荷:10.0kN; 基本额定静载荷:5.78kN; 2.4 联轴器的选择 联轴器的选用,首先按工作条件选则合适的类型,然后再根据转矩、轴径及转速查有关手册选择尺寸。 2.4.1 传送带电机联轴器的选择 传送带电机转子直径为28mm,所以根据所传送的转矩、轴径及转速,从联轴器标准件中选取联轴器型号:GY4,其主要参数: 轴孔直径:28mm; 轴孔长度:62mm; 许用转矩:40N.m; 许用转速:9500r/min; 转动惯量:0.0093kg.m2; 2.4.2 丝杠电机联轴器的选择 丝杠电机转子直径为8mm,所以根据所传送的转矩、轴径及转速,从联轴器标准件中选取联轴器型号:NL1,其主要参数: 轴孔直径:8mm; 轴孔长度:23mm; 公称扭矩:40N.m; 许用转速:6000r/min; 2.5 灌装机储液箱的尺寸确定 储液箱的长宽高尺寸是根据储液箱的有效容积来确定,它的长宽高按1:1:1或1:2:3结合系统的发热和散热及热平衡原则来计算,因为系统发热少,所以无需热平衡校核。参照现有的水箱尺寸,定其长宽高分别为:900mm,500mm,200mm。储液箱需要进行喷丸、酸洗和表面清洗,内壁可以涂一层塑料薄膜或清漆。 3.电气控制系统硬件设计 3.1 总体方案分析 本次自动饮料灌装系统生产线是根据六口自动饮料灌装系统生产线的原理来设计的,其工作流程及原理如下: 首先,人工将饮料瓶放置在自动化生产线上(自动化生产线的宽度仅够一个瓶身通过,且两端空隙不超过2毫米,瓶与瓶之间无空隙,传送带前后端各有一铁杆拦住所有瓶子,并且两端各有一光电传感器计瓶数)。启动机器,后拦截杆收回,传送带将瓶子往前移,移至后光电传感器下端时,后光电传感器自动计数。计数至6个时,后光电传感器传输信号给PLC,PLC控制后拦截杆,后拦截杆拦截第7个瓶子,后光电传感器清零。延时2S后,传送带停止工作。此时PLC传输信号给丝杠电机,丝杠电机带动丝杠使喷口向下运动。当喷口下压到下限位时,喷口下限位行程开关打向另一侧,使PLC传输信号给喷口上的电磁阀,电磁阀开通,椭圆齿轮流量计开始计流量,喷口开始注水。当流量计显示流量达500ml时,流量计传输信号给PLC,PLC关断喷口电磁阀,喷口停止注水。随后PLC传输信号给丝杠电机,丝杠电机带动喷口上抬置顶,触发喷口上限位行程开关。此后PLC控制传送带电机带动传动带,前拦截杆收回,瓶子移动,前光电传感器开始计满瓶数。当计数至6个时,前光电传感器传输信号给PLC,PLC控制前拦截杆伸出,后拦截杆收回,前光电传感器清零,后光电传感器继续计数,而后往复循环 3.2 控制系统的I/O点及地址分配 3.2.1 输入信号I/O点地址分配 输入信号I/O点地址分配如表3.1所示。 表3-1 输入信号I/O点地址分配 名称 代码 地址编号 启动按钮 SF1 I0.0 停止按钮 SF2 I0.1 喷头上限位行程开关 BG1 I0.2 喷头下限位行程开关 BG2 I0.3 前挡杆前限位行程开关 BG3 I0.4 前挡杆后限位行程开关 BG4 I0.5 后挡杆前限位行程开关 BG5 I0.6 后挡杆后限位行程开关 BG6 I0.7 后光电开关 KF1 I1.0 前光电开关 KF2 I1.1 1号喷头流量计信号 BG7 I1.2 2号喷头流量计信号 BG8 I1.3 3号喷头流量计信号 BG9 I1.4 4号喷头流量计信号 BG10 I1.5 5号喷头流量计信号 BG11 I1.6 6号喷头流量计信号 BG12 I1.7 3.2.2 输出信号I/O点地址分配 输出信号I/O点地址分配如表3.2所示。 表3-2 输出信号I/O点地址分配 名称 代码 地址编号 传送带启动 QA03 Q0.0 前挡杆伸出电磁阀 MB1 Q0.1 前挡杆收回电磁阀 MB2 Q0.2 后挡杆伸出电磁阀 MB3 Q0.3 后挡杆收回电磁阀 MB4 Q0.5 传送带停止 MB01 Q0.4 1号喷口电磁阀 MB11 Q0.6 2号喷口电磁阀 MB12 Q0.7 3号喷口电磁阀 MB13 Q1.0 4号喷口电磁阀 MB14 Q1.1 5号喷口电磁阀 MB15 Q1.2 6号喷口电磁阀 MB16 Q1.3 喷口下压 QA05 Q1.4 喷口上抬 QA06 Q1.5 3.3 电气元件选型 3.3.1 PLC的选型 从上面分析可知系统共有开关量输入16个,开关量输出14个。参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格,选用主机CPU226 AC/DC/继电器。如表3-3所示。 3.3.2 断路器的选型 断路器选用原则: 1)空开额定工作电压大于等于线)空开额定电流大于等于线)空开电磁脱扣器整定电流大于等于负载最大峰值电流(负载短路时电流值达到脱扣器整定值时,空开瞬时跳闸。一般D型代号的空开出厂时,电磁脱扣器整定电流值为额定电流的8-12倍。)也就是说短路跳闸而电机启动电流是可以避开的。 断路器的作用: 断路器的作用是切断和接通负荷电路,以及切断故障电路,防止事故扩大,保证安全运行。而高压断路器要开断1500V,电流为1500-2000A的电弧,这些电弧可拉长至2m仍然继续燃烧不熄灭。故灭弧是高压断路器必须解决的问题。 吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离,另一方面通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散,同时把弧隙中的带电粒子吹散,迅速恢复介质的绝缘强度。 根据三个电动机的额定电流,选择断路器QA01、QA02、QA04的型号为DZ47-63-C16。如表3-3所示。 3.3.3 接触器的选型 接触器是一种用来接通或断开带负载的交直流主电路或大容量控制电路的自动化切换器,主要控制对象是电动机。通用接触器可大致分以下两类。 1)交流接触器。主要有电磁机构、触头系统、灭弧装置等组成。常用的是CJ1、0CJ12、CJ12B等系列。 2)直流接触器,一般用于控制直流电器设备,线圈中通以直流电,直流接触器的动作原理和结构基本上与交流接触器是相同的。 接触器的选型有诸多因素外与负载密切相关一般三相异步电机的起动电流为额定电流的3-5倍。所以接触器的额定电流为:4IN=36A 综上所述,本系统选用CJX2-09接触器:额定电压为220V。如表3-3所示。 3.3.4 行程开关的选型 行程开关又称限位开关或位置开关。它是一种根据运动部件的行程位置而切换电路工作状态的控制电器。行程开关的动作原理与控制按钮相似,在机床设备中,事先将行程开关根据工艺要求安装在一定位置上,部件在运行中,装在其上撞块压下行程开关顶杆,使行程开关的触点动作而实现电路的切换,达到控制运动部件行程位置的目的。 根据系统的整体要求,选择行程开关的型号为LX19-001。如表3-3所示。 3.3.5 光电传感器的选型 本设计采用的是欧姆龙的光电传感器(光电开关),型号为E3JK-5M3,直流正负12~240V,交流24~240V。如表3-3所示。 该光电传感器的特点有:1)检测距离长; 2)对检测物体的限制少; 3)响应时间短; 4)分辨率高; 5)可实现非接触的检测; 6)可实现颜色判别; 7)便于调整。 3.3.6 流量计的选型 根据系统整体要求,选用椭圆齿轮流量计,型号为LWGY。如表3-3所示。 椭圆齿轮流量计是容积式流量计的一种,用于紧密的连续或间断的测量管道中液体的流量或瞬时流量,精度较高。长期使用的椭圆齿轮流量计,其内部的齿轮会被腐蚀和磨损,从而影响测量精度。因而,要经常注意观察,并定期拆下进行检查,若条件允许最好定期进行标定。 3.3.7 电磁阀的选型 国内外的电磁阀从原理上分为三大类(即:直动式、分步直动式、先导式),而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类(直动膜片结构、分步膜片结构、先导式膜片结构、直动活塞结构、分步活塞结构、先导活塞结构)。本设计采用的主要是直动式电磁阀。 根据系统整体要求,选用直动式电磁阀,型号为BS12C。如表3-3所示。 表3-3 电气元件选型表 序号 代号 名称 型号 数量 备注 1 SF1 按钮 LA19-11 1 绿色 2 SF2 按钮 LA19-11 1 红色 3 BG1~BG12 行程开关 LX19-001 12 4 KF1~KF2 光电传感器 E3JK-5M3 2 5 BF 流量计 LWGY 6 椭圆式 6 CPU226 可编程控制器 CPU226 AC/DC继电器 1 7 MA1 传送带电机 86BYG250B-SAFRBC 1 200W 8 MA2 丝杠电机 75BC380A 1 500mW 9 QA01 断路器 DZ47-63-C16 1 10 QA02、QA04 电机断路器 DZ47-63-C16 2 11 QA03 电机接触器 CJX2-09 1 AC220V 12 QA05、QA06 电机接触器 CJX2-09 2 AC220V 13 LB 电源滤波器 DF200-10A-01 1 220/10A 14 DY 24V直流电源 AC/DC 24V 1 10A 15 PG 电源指示灯 XB2-BW31M1C 1 AC220V 16 MB1~MB4 电磁阀 BS12C 4 直动式 17 MB11~MB16 电磁阀 BS12C 6 直动式 18 MB01 电磁制动器 1 19 KF1~KF12 继电器 JZ7-11 12 20 FA 熔断器 MDA-12A 1 限流12A 3.4 电气控制系统原理图 3.4.1 电气原理图总体设计 根据设计需求分析,需要2个电机,电机分别有:传送带电机、丝杠电机,丝杠电机正反转控制丝杆的上下运动,并带动喷口上下运动。所有电机过载保护均采用熔断器保护。另外选择CPU226作为主机,设计显示灯有:电源显示灯。设有电磁阀作为各种状态的输出,电磁阀的数量为10个。输入有两个光电传感器,用来计空瓶数和满瓶数。 3.4.2 传送带电机接线所示,传送带由一个三相异步电机控制。当QA03接触器闭合时,传送带启动;当QA03接触器断开时,传送带停止。QA03的闭合与否可由启动按钮和停止按钮控制,也可由自动运行过程中PLC说给的相应型号来控制。 图3-2 传送带电机电气图 3.4.3 丝杠电机接线所示,丝杠由电机正反转控制。当QA05接触器闭合时,丝杠电机正转,带动丝杠向下运动;当QA06接触器闭合时,丝杠电机反转,带动丝杠向上运动。QA05与QA06的闭合断开以及正反转由PLC控制 图3-3 丝杠电机电气图 3.4.4 电磁阀接线所示,为电磁阀接线图。电磁阀不能直接连在PLC上,应该使用中间继电器来实现。MB1~MB4为控制前后挡杆伸出或收回的电磁阀,MB11~MB16为控制灌装关断的电磁阀。 图3-4 电磁阀电气图 3.4.5 控制系统接线所示,为控制系统接线图。控制系统的输入有两个光电开关,用来计瓶数;输出接中间继电器,用来实现电磁阀的关断。控制系统选用CPU226作为主电路板来驱动整个电路。 图3-5 控制系统电气图 4.电气控制系统软件设计 4.1 STEP7-Micro/WIN软件介绍 STEP7-Micro/WIN是在WINDOWS平台上运行的S7-200系列PLC的专用编程软件,操作界面简单方便,能解决复杂的自动化任务,可快速进入,节省编程时间,其主要功能及特点如下。 程序结构简单,通过一个主程序调用其他子程序或中断程序,保证了程序结构的清晰;可以用语句表(STL)和梯型图(LAD)编程;可以进行符号编程;通过符号表分配符号和绝对地址,并可打印输出;支持三角函数,开方,对数运算功能;指令集易学,指令由容易记的缩写组成。相同的指令只需稍加修改就可用于不同的功能(例如指令MOVE根据传送的方式不同有不同的形式);易于使用的组态向导,包括文本显示器,PID控制器,CPU间的数据传输的通讯功能,高速计数器;可用于CPU硬件设置,包括扩展模块设置,输入延时,实时时钟设置,口令分配,通讯系统的网络地址设置等;二进制运算功能,包括移位、循环移位、转换、与、或、异或等逻辑运算,计数器、定时器设置,16位、32位整数运算,浮点数运算,比较指令运算,数值转换等;可在线、离线编程;通过键盘的快捷键可编辑全部功能,语句和程序段可使用剪切、粘贴和插入功能,可取消上一次操作,在用户程序中还可以查找文字和操作等。 进行PLC控制逻辑程序设计应遵循以下几个基本步骤。 (1)分解被控对象或机器 把要控制的对象或机器分解成相互独立的部分,这些分解将影响功能描述及资源的分配。 (2)建立功能规范 写出被控对象或机器的每部分的描述,它包括输入/输出点(I/O)、操作的功能描述、每个执行器(线圈、电机、驱动器等)的允许状态(执行前要满足的状态)、操作接口的描述、与被控对象或机器的其他部分的接口。 (3)安全电路的设计 控制设备在不安全的状态下出现故障,会造成不希望的启动或机器操作的变化。当不希望的或不正确的机器操作会造成人身伤害或严重的财产损失时,应该考虑采用和CPU独立的机电冗余来防止不安全的操作。 在安全电路设计中应该考虑下面的任务:防止会造成危害的不适合的执行器操作;识别那些保证不危险操作的条件,并决定如何独立于CPU检测这些条件;当控制对象得电或断电时CPU和I/O如何影响控制对象;设计独立于CPU的手动或机电冗余来阻止危险的操作;向CPU提供独立电路的适当的状态信息,以便于程序员和操作界面得到所需要的信息;识别其它的和控制对象安全操作有关的安全要求。 (4)详细说明操作站 根据功能描述的要求建立操作站的配置图,包括:与控制对象或机器有关的每个操作站的位置总图、操作站的设备机械图(显示、开关、指示灯等)、与CPU或扩展模块有关的电气图。 (5)建立PLC配置图 根据功能描述的要求建立控制设备的配置图,包括控制对象或机器有关的每个CPU的位置图、CPU和扩展I/O模块的机械布局图(包括控制柜和其他设备)、每个CPU和扩展模块的电气图(包括设备型号,通讯地址和I/O地址)。 (6)建立符号名表 如果选择了符号名寻址,需要对绝对地址建立一个符号名表。符号名表不仅包括物理输入输出信号,也包括程序中用到的其他元件。 为完成广泛的自动化任务,S7-200CPU提供许多类型的指令。在S7-200CPU中有两类基本指令:SIMATIC和IEC1131-3,当选用SIMATIC指令集时,用户可通过选择语句表(STL)编辑器、梯形图(LAD)编辑器、功能块图(FDB)编辑器来编辑程序。 IEC指令集不提供语句表编辑器。 利用梯形图编辑器可以建立与电气接线图等价的类似程序。梯形图程序让CPU仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件,根据结果决定逻辑输出的允许条件。逻辑通常被分解成小的,容易理解的片,这些片通常被称为“梯级”或“段”,程序一次执行一个段,从左到右,从上到下,一旦CPU执行到程序的结尾,又从上到下重新执行程序。梯形图用图形符号表示的指令包括三个基本形式:触点—代表逻辑“输入”条件,例如,开关,按钮,内部条件等;线圈—通常代表逻辑“输出”结果,例如,灯,电机启动器,中间继电器,内部输出条件等;盒—代表附加指令,例如,定时器,计数器或数学运算指令。 梯形图易于理解,世界通用,直观性好,调试程序时各触点通断及输出线圈状态均可通过程序一眼看出。 利用功能块图编辑器可以可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令。它没有梯形图编辑器中的触点和线圈,但是有与之等价的指令,这些指令是作为盒指令出现的。程序逻辑由这些盒指令之间的连接决定。也就是说,一个指令(例如AND盒)输出可以用来允许另一条指令(例如定时器),这样可以建立所需要的控制逻辑。图形逻辑门表示格式有利于程序流的跟踪。 4.2 电气控制系统程序设计 4.2.1 电气控制系统流程图 电气控制系统流程图如图4-1所示,首先,人工将饮料瓶放置在自动化生产线上(自动化生产线的宽度仅够一个瓶身通过,且两端空隙不超过2毫米,瓶与瓶之间无空隙,传送带前后端各有一铁杆拦住所有瓶子,并且两端各有一光电传感器计瓶数)。启动机器,后拦截杆收回,传送带将瓶子往前移,移至后光电传感器下端时,后光电传感器自动计数。计数至6个时,后光电传感器传输信号给PLC,PLC控制后拦截杆,后拦截杆拦截第7个瓶子,后光电传感器清零。延时2S后,传送带停止工作。此时PLC传输信号给丝杠电机,丝杠电机带动丝杠使喷口向下运动。当喷口下压到下限位时,喷口下限位行程开关打向另一侧,使PLC传输信号给喷口上的电磁阀,电磁阀开通,椭圆齿轮流量计开始计流量,喷口开始注水。当流量计显示流量达500ml时,流量计传输信号给PLC,PLC关断喷口电磁阀,喷口停止注水。随后PLC传输信号给丝杠电机,丝杠电机带动喷口上抬置顶,触发喷口上限位行程开关。此后PLC控制传送带电机带动传动带,前拦截杆收回,瓶子移动,前光电传感器开始计满瓶数。当计数至6个时,前光电传感器传输信号给PLC,PLC控制前拦截杆伸出,后拦截杆收回,前光电传感器清零,后光电传感器继续计数,而后往复循环。 图4-1 电气控制系统流程图 4.2.2 传送带前进 如图4-2所示,为传送带启动控制程序。按下启动按钮,则传送带启动;若不按停止按钮,则状态转移使后拦截杆收回;若按下停止按钮,则传送带停止。 图4-2 传送带启停控制程序 4.2.3 光电传感器开始计瓶数 如图4-3所示,为光电传感器控制程序。传送带将瓶子往前移,移至后光电传感器下端时,后光电传感器自动计数。计数至6个时,后光电传感器传输信号给PLC,PLC控制后拦截杆,后拦截杆拦截第7个瓶子,后光电传感器清零。前光电传感器程序结构与后光电传感器相同,这里不作赘述。 图4-3 光电传感器控制程序 4.2.4 喷口下压 如图4-4所示,系统后拦截杆拦截第7个瓶子并延时2S后,传送带停止工作。此时PLC传输信号给丝杠电机,丝杠电机带动丝杠使喷口向下运动。 图4-4 喷口下压控制程序 4.2.5 系统开始进行灌装 如图4-5所示,当喷口下压到下限位时,喷口下限位行程开关打向另一侧同时喷口停止下压,使PLC传输信号给喷口上的电磁阀,电磁阀开通,喷口开始注水。 图4-5 灌装过程控制程序 如图4-6所示,喷口开始注水时,椭圆齿轮流量计开始计流量。当流量计显示流量达500ml时,流量计传输信号给PLC,PLC关断喷口电磁阀,喷口停止注水。图中为1号流量计控制程序,其他流量计控制程序与其类似。 图4-6 流量计控制程序 4.2.6 喷口上抬 如图4-7所示,PLC关断喷口电磁阀,喷口停止注水,随后PLC传输信号给丝杠电机,丝杠电机带动喷口上抬置顶,触发喷口上限位行程开关。此后PLC控制传送带电机带动传动带,前拦截杆收回,瓶子移动,前光电传感器开始计满瓶数。 图4-7 喷口上抬控制程序 4.3 PLC程序调试 4.3.1 调试思路 将设计好的程序写入PLC后,首先逐条仔细检查,并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试,实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟,各输出量的通/断状态用PLC上有关的发光二极管来显示,一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。可以根据功能表图,在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号,如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序,调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定,即在某一转换条件实现时,是否发生步的活动状态的正确变化,即该转换所有的前级步是否变为不活动步,所有的后续步是否变为活动步,以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。 在调试时应充分考虑各种可能的情况,对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线,都应逐一检查,不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序,直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。 如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大,为了缩短调试时间,可以在调试时将它们减小,模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。 在设计和模拟调试程序的同时,可以设计、制作控制台或控制柜,PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。 4.3.2 调试结果 (1)传送带启动,后杆收回,如图4-8所示 图4-8 (2)喷头停止下压,开始灌水,如图4-9所示 图4-9 (3)传送带启动,前杆收回,喷头停止上抬,如图4-10所示 图4-10 (4)传送带停止,如图4-11所示 图4-11 总结与体会 经过了这一段的学习和工作,我终于完成了基于PLC的自动饮料灌装系统的设计。从开始接到论文题目到系统的实现,再到论文文章的完成,每走一步对我来说都是自己所学知识的尝试与挑战,这也是我在大学期间完成的最大的项目。在这段时间里,我学到了很多知识也有很多感受,从对PLC控制自动化系统的设计所需技术和知识很不了解的状态,我开始了独立的学习和试验,查看相关的资料和书籍,让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰,使自己非常稚嫩的作品一步步完善起来,每一次改进都是我学习的收获,每一次试验的成功都是对我不断努力的肯定。从中我也充分认识到了PLC在工业现场应用的重要性,以及它为我们生活带来的便利。 本次是在刘老师指导下,完成的基于PLC的自动饮料灌装系统的设计。在整个过程中遇到了许多未接触过的知识,全都需要自己查阅资料,自我学习,感觉自己学习到了很多新东西。现在回想起来感觉自己还是井底之蛙,对好多东西都不了解。看来以后工了中还有许多需要学习的。另外通过这次设计,我对Word、AutoCAD、Solid Works和STEP7-Micro/WIN等软件越来越熟悉了,对电气系统的设计的思想有了一定基础。这次毕业设计对我的以后工作都有着重要意义。 致 谢 时光匆匆如流水,转眼便是大学毕业时节,春梦秋云,聚散真容易。离校日期已日趋临近,毕业论文的的完成也随之进入了尾声。 本课题在选题和设计过程中得到了刘老师的悉心指导,为我指点迷津,帮组我开拓思路,精心点拨、热忱鼓励。在做毕业设计的过程中,过去四年中学过的东西如机械设计、机械原理、机械制造技术基础、机械制图、现代电气控制及PLC应用技术等得到了复习和巩固。使我认识到在学习和生活中,必须通过实践来加强对理论的学习。 从开始进入课题到论文的顺利完成,一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助,在这里请接受我诚挚的谢意!同时四年寒窗,所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识,更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。很庆幸这些年来我遇到了许多恩师益友,无论在学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾,让我在诸多方面都有所成长。感恩之情难以用语言量度,谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。 参考文献 [1]谢兆鸿,阮小平,刘协舫.GHS---8型粘稠液体灌装机控制系统设计.武汉食品工业学院学报,1982. 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