摘要
随着自动化水平的提高，企业对自动化生产线控制的要求也越来越高。为了实现高效率生产体系，将PLC自动化装置与计算机技术结合，实现高速率、高智能、高环保的灌装流水线工控自动控制功能。本设计是采用FX2N系列控制，通过设置IO变量和内存变量进行模拟仿真，介绍了PLC灌装流水线系统的应用和工作原理，实现了饮料灌装的自动化生产。本文给出了详细的灌装方法原理流程和PLC系统的结构原理流程，描述了项目的可行性与功能的结构原理，实现了PLC饮料灌装的生产过程，颠覆了传统的灌装生产线技术，体现出了可编程控制系统的稳定性与可靠性。本文主要描述了基于PLC的灌装流水线系统的方案分析、硬件设计、软件设计及PLC组态编程模拟仿真过程及其调试问题的解决方法。
关键词：PLC自动化装置，PLC灌装流水线，可编程控制系统
第1章绪论
1.1灌装流水线系统的背景分析
鉴于我国的饮料灌装自动化程度不及西方发达国家的自动化技术先进，机械设备自动化程度较落后，而我国又世界人口大国，具有潜在的巨大消费市场，自动化灌装设备的生产技术不成熟已经成为我国在灌装行业发展的一个主要问题。因此，我国不断发展自身技术，向高生产率、高安全性、高智能化、高环保、集高新技术自动化控制的智能化等方向发展。而基于PLC的灌装流水线系统将大大提高我国的饮料灌装生产的产量和效率。
1.2灌装流水线系统的意义
PLC主要是以微处理器为中心的工业自动化控制设备。它是由计算机和接触器自控系统组成的，它解决了接触器控制系统中的触点的不稳定、安全性低的缺点。用PLC自控技术去实现灌装饮料的生产，体现出了灌装流水线的自动化水平和智能化水平。不仅提高了生产数量，更是提高了生产效率，对我国企业饮料产品的生产有着巨大的影响。[1]
我国工业水平的提高解决了国内传统生产线的滞后和效率低的问题。而PLC实现了将传统的接触器系统和智能计算系统结合在一起，在工业自动化生产控制系统等方面得到普及。作为自动控制系统，在工业灌装流水线系统中发挥着越来越重要的作用。PLC控制系统具有编程简单易懂、自控效率高等特点，在工业自动化生产控制领域有着广泛应用；它是集触摸屏主机、输入设备和输出设备的一体化设备，能够在各种工业条件下使用；
基于传统灌装生产线的控制过程主要是用接触器物理接触控制，但接触器使用复杂性高，且智能化程度不够，生产效率跟不上。而PLC是集自动化控制系统和传统接触器的结合，不仅克服了传统继电接触性差，不稳定等问题，还结合了计算机技术，不仅利于维修检测，编程语言也是简单易懂，采用梯形图指令，让用户更容易上手。用户根据说明书使用，即可掌握PLC的操作方法。
第2章系统方案设计分析
2.1系统灌装方法
灌装方法采用恒量灌装法，在数据词典设置内存变量液位值，当灌装液位达到液位设定值时，灌装传感器关闭，灌装设备停止灌装。采用恒量灌装法的好处就是利用传感器与变量设定值之间的关系，能够准确灌装，即能减少浪费，又能根据瓶子大小去设置灌装量，具备多功能调节，用途较广泛。
2.2系统灌装结构分析
灌装流水线系统主要由传送带电机、传送带、液位、灌装、加盖、包装四种传感器等设备组成；传送带电机的启动、暂停、复位、灌装设备的上下移动暂停、瓶子的左右移动暂停、各状态指示灯、传感器的感应等都是由PLC控制系统控制的；具有自动化程度高、工作效率快、方便控制检修等优点。
2.3系统的工作过程原理
按下启动按钮时，传送带电机启动，传送带运行，瓶子开始移动，当瓶子到达灌装或加盖或包装传感器位置时，瓶子暂停，执行灌装、加盖或包装动作；执行灌装动作时，当灌装容积到达液位传感器设定值时，停止灌装；执行加盖和包装动作时，通过定时器设定值2秒，即2秒完成加盖或包装动作；完成包装后，计数完成数量+1。按下暂停按键，所有传感器和传送带电机都关闭，处于待命状态。按下复位按键时，所有传感器、传送带电机都置零，回到最初状态。
2.4系统设计方法流程图
首先按下SB1启动按键时，传送带开始运行，指示灯亮绿灯，当瓶子到达灌装传感器位置时，灌装传感器触发，灌装传感器指示灯亮绿灯，传送带指示灯亮红灯，此时开始灌装，当灌装容量达到100时，液位传感器触发，停止灌装，灌装指示灯亮红灯，传送带运行亮绿灯，此时液位传感器关闭；瓶子到达加盖传感器时，加盖传感器触发，指示灯亮绿灯，传送带指示灯红灯，执行加盖动作，2s后，加盖传感器指示灯红灯，传送带继续运行绿灯；到达包装位置时，包装传感器触发指示灯亮绿灯，传送带红灯，2s后包装完成，计数指示灯亮；绿灯代表包装完成数量+1，传送带指示灯绿灯，继续运行。当按下SB3暂停按键时，传送带暂停工作；当按下复位按键SB2时，所有传感器指示灯置零。系统流程图如2-1所示。
图2-1系统流程图
第3章PLC灌装流水线系统的硬件设计
3.1 PLC的简介
PLC自动控制系统是结合计算机、工控、网络通讯等技术形成的新一代自动控制系统，它能够代替接触器等传统设备去实现控制功能。PLC自动控制系统具有简单易操作、应用广泛、生产效率高、抗干扰能力强等特点。
3.2 PLC的选择
选择合适的PLC型号对控制系统来说是很重要的。PLC型号的选择首先要根据功能和实际使用情况，去选择造价成本低且效率高的PLC机型。因此基于PLC的灌装饮料系统是选自三菱FX2N系列。FX2N系列具有体积小，速度快，高性能和所有方面都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。
由于本控制系统有两个特点：一是输入输出设备多，二是控制模块多，且是顺序控制逻辑。而PLC的选择主要考虑以下几点：一是根据IO点数去选择是否支持拓展支架的CPU，二是根据信号传输的网络接口的形式，选择支持点对点通讯的CPU。因此选择FX2N系列既满足了IO点数和网络通讯的需要，又满足了被控对象的控制要求。
3.3 PLC系统的工作原理
PLC系统的工作原理包含三个模块，输入采样模块、程序执行模块和输出模块三个模块。输入、执行、输出过程为一个扫描周期。
输入采样模块是通过PLC控制器以扫描方法读写输入数据，并保存到I/O对应单元内。输入的采样结束后开始进入程序执行模块。程序执行模块是通过PLC控制器有秩序地扫描梯形图。扫描结束后进入输出模块，通过PLC控制器就进入输出刷新模块。与此CPU根据I/O区域对应的输入状态和数据进行刷新解析，再通过输出电路传输到相应的输出设备。
3.4 IO分配表
本设计灌装流水线系统有7个输入端口，5个输出端口。IO分配表如表3-1所示。
3.5系统主电路设计
传送带主要通过传送带电机M1去驱动运行，通过接触器KM1去控制传送带电机的运行和暂停，并且通过热继电器
FR1去提供过载保护，当过压或者过流时，热继电器就会断开，电机停止运行；三相电源通过断路器QF1-3引入，QF断路器也具备短路保护功能。其灌装过程的主电路如3-1图所示。
图3-7主控制电路图
第4章PLC灌装流水线系统的软件设计
4.1 PLC组态编程及程序设计原理
组态王是一款适合模拟仿真的模拟软件，是新型的工业自控系统集计算机软件、硬件为一体的闭合系统。它是基于计算机系统进行编程的。组态王通过网络通讯与一些常用I/O设备进行联机运行。I/O设备包括有可编程自控模块、各种仪器仪表等。组态王主要采用ActiveX技术去驱动，联合程序和组态王使系统运行速率更快更稳定。它具备实用性、安全性好、绿色环保、操作简易、开发周期短等特点。通过组态王调试仿真测试之后，该控制系统能够实现检测瓶子的位置并进行相应的灌装、加盖、包装等操作，并能够高效率地实现控制系统的要求。此外，该系统的抗干扰能力、环境适应性、安全性较高、操作方便、程序简便易懂、实用性较高。
基于PLC的灌装饮料系统是选自三菱FX2N系列，采用设置IO变量和内存变量，联合OPC，实现组态模拟仿真。设置启动、暂停、复位、灌装传感器、液位传感器、加盖传感器、包装传感器、运行指示灯、传送带电机、灌装、加盖、包装为IO变量，旋转、移动1、移动2、瓶子1、瓶子2、计数1、计数2、液位、标签等为内存变量，建立主画面，将各个变量关联到对应的设备上，再采用事件命令语言，使画面运行更稳定。组态王画面如图4-1所示。
画面命令语言如下：
if(\本站点运行指示灯==1)
{
if(\本站点传送带电机==1)
\本站点旋转=\本站点旋转+1;
if(\本站点旋转==12)
\本站点旋转=0;
/////瓶子1
if(\本站点瓶子1==1&&\本站点传送带电机==1)
\本站点移动1=\本站点移动1+20;
if(\本站点移动1==200||\本站点移动2==200)
{\本站点罐装传感器=1;
}
else
\本站点罐装传感器=0;
if(\本站点移动1==400||\本站点移动2==400)
{\本站点加盖传感器=1;
}
else
\本站点加盖传感器=0;
if(\本站点移动1==600||\本站点移动2==600)
{\本站点包装传感器=1;
}
if(\本站点移动1!=600&&\本站点移动2!=600)
\本站点包装传感器=0;
/////////
if(\本站点移动1==600)
\本站点计数1=\本站点计数1+1;
if(\本站点计数1==10)
{\本站点移动1=0;\本站点标签=0;
\本站点传送带电机=1;
\本站点计数1=0;
}
if(\本站点罐装==1&&\本站点移动1==200)
\本站点液位=\本站点液位+10;
if(\本站点液位==100&&\本站点移动1==200)
{\本站点液位传感器=1;}
if(\本站点移动1==220)
{\本站点液位=0;
\本站点液位传感器=0;}
if(\本站点包装==1&&\本站点移动1==600)
\本站点标签=1;
/////瓶子2
if(\本站点瓶子2==1&&\本站点传送带电机==1)
\本站点移动2=\本站点移动2+20;
/////////
if(\本站点移动2==600)
\本站点计数2=\本站点计数2+1;
if(\本站点计数2==10)
{\本站点移动2=0;\本站点标签2=0;
\本站点传送带电机=1;
\本站点计数2=0;
}
if(\本站点罐装==1&&\本站点移动2==200)
\本站点液位2=\本站点液位2+10;
if(\本站点液位2==100&&\本站点移动2==200)
{\本站点液位传感器=1;}
if(\本站点移动2==220)
{\本站点液位2=0;
\本站点液位传感器=0;}
if(\本站点包装==1&&\本站点移动2==600)
\本站点标签2=1;
}
图4-1组态王画面
当按下启动按键时，传送带电机开始启动，瓶子1开始以20+速度移动；当瓶子1移动到灌装传感器位置时，灌装传感器启动，传送带电机暂停，灌装指示灯变绿色，开始灌装，此时液位指示灯亮，开始以10+速度计数，当液位计数到100时停止灌装，瓶子1继续以20+速度前进；当瓶子1到达加盖传感器时和包装传感器时，步骤一样，只要瓶子到达传感器位置，传送带电机就暂停，执行相应任务；瓶子2与瓶子1程序设置一样，运行步骤也一样，以此类推；
当按下暂停按键时，所有指令都暂停，程序不执行待机；
当按下复位按键时，所有指令都置零取消，返回初始状态。
4.2程序流程图
按下启动按钮X0，常开开关X0闭合，运行指示灯Y0通，此时运行指示灯亮，运行指示灯开关Y0闭合，形成自锁；此时中间继电器M0启动，上升沿开关M0触发闭合，传送带电机Y1通，传送带电机Y1被置位启动；启动运行梯形
图如图4-2所示。
图4-2启动运行梯形图
当瓶子到达灌装、加盖、包装传感器位置时，X3灌装传感器、X5加盖传感器、X6包装传感器三个传感器开关触碰动作，信号由0-1，触发上升沿开关，使上升沿开关闭合，Y1传送带电机复位，传送带暂停运行；即当瓶子到达灌装传感器、加盖传感器或包装传感器任意一个位置时，电动机暂停。瓶子暂停动作梯形图如图4-3所示。
图4-3瓶子暂停动作梯形图
4.3系统梯形图设计
当瓶子到达灌装传感器位置时，灌装传感器上升沿开关X3触碰启动闭合，灌装继电器Y2置位，开始灌装动作，灌装指示灯亮(组态王画面显示，灌装指示灯关联灌装继电器);当灌装容量达到液位传感器设定值时(在组态王命令语言程序设定也为传感器触发值为100，可改为任意值)，X4液位传感器触发闭合，灌装继电器Y2复位，暂停灌装
动作，灌装指示灯灭，传送带电机Y1置位，传送带电机启动；灌装运行梯形图如图4-4所示。
图4-4灌装运行梯形图
当瓶子到达加盖传感器位置时，加盖传感器开关X5触发闭合，加盖继电器Y3置位，开始加盖动作，同时加盖常开开关Y3闭合，时间继电器T0启动，计时开始。加盖计时2秒后，时间继电器T0置位，T0常开开关闭合，加盖继电器
Y3复位，传送带电机Y1置位，加盖完成，传送带继续运行。加盖运行梯形图如图4-5、4-6所示。
当瓶子到达包装传感器位置时，包装传感器开关X6触发闭合，包装继电器Y4置位，开始包装动作，同时包装常开开关Y4闭合，时间继电器T1启动，计时开始。包装计时2秒后，时间继电器T1置位，T1常开开关闭合，包装继电器Y4复位，传送带电机Y1置位，包装完成，传送带继续运行。包装运行梯形图如图4-7所示。
图4-7包装运行梯形图
在包装完成后，即T1闭合时，此时灌装数量D0计数+1，计数包装好的瓶子数量。当按下复位按键X1时，运行指示灯Y0、传送带电机Y1、灌装继电器Y2、加盖继电器Y3、包装继电器Y4全部复位。计数复位运行梯形图如图4-8所示。
图4-8计数复位运行梯形图
此饮料灌装系统是一项流程复杂的系统，包含了传感器、电机传送带、限位开关、接触器等，在模拟仿真中由于三菱与PLC连接调试存在误差，因此在组态动态显示上会存在延时问题，如果是用硬件进行连接实验，延时问题可能会得以解决；本文着重书写操作流程，注重实验结果，没有考虑实际使用出现故障或实际生产需求较大时该如何处置。
第5章灌装流水线系统调试
5.1调试过程
首先打开梯形图编写软件GX Works2，新建工程后再建梯形图，该系统的CPU选择的是FX2N系列。编制灌装运行控制梯形图如图5-1所示。
图5-1灌装系统控制梯形图
转化保存文件命名为灌装梯形图。打开文件在线调试模拟写入即可。还可以打开监控画面进行监看。
第二步，打开OPC软件MX OPC Configurator，新建驱动运行连接，选择CPU类型等进行参数配置，参数配置完成后，在Comment备注名字，选择完成。如图5-2所示。
图5-2建立OPC参数配置图
第三步，新建数据变量，注意：名称Name和I/O变量Address名称要一致，设置名称后选择Browse…,选择数据类型如图5-3所示。
图5-3新建数据变量步骤图
设置完成后点击保存，如图5-4所示。
图5-4建立完成保存步骤图
以此类推，建立所有变量，并保存OPC文件。
第五步组态王画面的建立，新建画面，如图5-5所示。
图5-5灌装系统组态王画面图
配置OPC服务器，选择新建，进入图5-6画面，选择同步读同步写。
图5-6配置连接OPC服务器图
在数据词典中建立变量，与PLC的I/O口一致。如图5-7所示。
图5-7数据词典建立变量图
最后一步进行三者联动，此时的中间继电器M0导通，传送带电机运行，瓶子开始移动，如图5-8、图5-9所示。
图5-8梯形图模拟运行图
图5-9组态王模拟运行图
当瓶子到达灌装传感器位置时，灌装传感器启动，灌装传感器指示灯变绿，以10+速度开始灌装，如图5-10所示。
图5-10组态王灌装运行画面图
当瓶子的灌装容量达到100时，液位传感器触发，停止灌装，灌装指示灯变红，此时运输带指示灯变绿，传送带继续前行，如图5-11所示。
图5-11组态王灌装完成图
后面步骤类似，当瓶子到达加盖传感器或包装传感器位置时，对应传感器指示灯亮，进行相应动作，直到包装完成后，数量计数变为1。如图5-12所示。
图5-12包装完成计数图
5.2不足之处
在组态王仿真画面过程中，存在瓶子移动不同步的现象，命令语言程序设置瓶子1、2等移动距离是一样的，但仿真画面出现移动不同步现象，经过查阅资料显示，这是由于联机的延时误差导致的，也正是由于移动不同步，导致瓶子无法同时到达三个传感器位置，同时进行灌装加盖包装动作，这也是组态王软件的延时弊端。如用硬件进行实验，可实现同步移动并且同时进行相应动作，这样的灌装效率会更高。
参考文献
[1]吴晓蕊,刘玉.基于PLC的饮料灌装流水线设计[J].电子制作,2019(19):2.
[2]田海,崔桂梅,王晓红,等.西门子PLC控制网络的配置策略与应用[J].电气传动,2010(1):5.
[3]赵乾,李喜鸽.现代电气控制及PLC应用技术[J].信息记录材料,2017,18(2):2.
[4]廖常初.PLC编程及应用[M].机械工业出版社,2014.
[5]武少斌,殷际英,陈卫.自动化生产线中的饮料灌装技术[J].中国科技博览,2009(36):1.
[6]郝敏钗.基于PLC饮料灌装流水线控制系统设计[J].计算机光盘软件与应用,2012(11):2.
[7]詹朔,王永国,牛晶.基于PLC的饮料灌装生产流水线控制系统设计[J].科技经济导刊,2019(30):1.
[8]黄金娥.基于PLC的自动生产线设计[J].煤炭技术,2012,31(4):2.
致谢
通过毕业论文设计，我又重新温习了PLC可编程控制系统的知识点，学习了更深层的设计思维理念，更加注重实际使用情况，学会查阅资料去验证该项目的可行性，让我更加了解PLC的原理构造和功能使用，了解到生活中处处都离不开PLC可编程控制系统的作用。在设计过程中所面临的挑战不少，通过查阅资料、观看视频、与同学、指导老师沟通交流，一点点解决问题。正所谓水滴石穿，只要你敢于探索，问题自然就迎刃而解。在书写论文的过程中，也锻炼了自己的耐心，自律能力，动手能力和思维能力，有助于在工作中增强信心，增强处理能力，使思维能力更加多元化。时光匆匆，一下子大学生活就要接近尾声了，在此感谢在大学生活中帮助过我的同学以及老师们，在设计论文遇到困难时悉心指导帮助我解决问题。再次感谢在论文设计中以及大学生活中曾经帮助我的良师益友们及在引用文献中的作者们。最后，感谢学院让我认识了诸多良师益友，你们的鼓励，就是我前进的动力。本人学识有限，论文中若有疏漏或不足，诚恳请老师们批评指正。在今后工作生活中会不断学习完善自己。
1、如文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等，请点击“文章版权申述”（推荐），也可以打举报电话：18735597641(电话支持时间：9:00-18:30)。
2、网站文档一经付费（服务费），不意味着购买了该文档的版权，仅供个人/单位学习、研究之用，不得用于商业用途，未经授权，严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等，侵权必究。
3、本站所有内容均由合作方或网友投稿，本站不对文档的完整性、权威性及其观点立场正确性做任何保证或承诺！文档内容仅供研究参考，付费前请自行鉴别。如您付费，意味着您自己接受本站规则且自行承担风险，本站不退款、不进行额外附加服务。
原创文章，作者：1158，如若转载，请注明出处：https://www.447766.cn/chachong/195422.html,
