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1、啤酒灌装生产线的 PLC控制系统设计摘要本次论文设计在现有的啤酒灌装生产线控制系统的基础上，通过对自动控制系统的研究设计出一套基于 PLC 与变频器控制的啤酒罐装生产线控制系统。论文首先说明了课题的意义，国内外发展的状况，课题研究的内容以及关于啤酒灌装生产线运动的控制要求。接着，根据啤酒的生化特性，设计出适合啤酒灌装的啤酒灌装机，也对灌装机的灌装过程做了一定简要的说明。然后设计出一个包含传送带与灌装机的灌装生产线工艺图，再根据控制要求采用 PLC 作为控制器设计出实现啤酒灌装生产过程的控制电路。本文对灌装控制过程中涉及到的各个细节进行了详细的论述，尤其在速度控制调节进行了大量的说明。在详细的说
2、明了整个灌装控制过程的同时，最后还给出了实现整个控制过程的程序。程序设计是按照控制实现不同的功能进行分块作为子程序来设计的。由于啤酒生产线的速度调节没有连接实物，没有速度反馈进行比较调节，无法做到对速度的恒速控制仿真，在最后章节中仅对啤酒灌装机内液面进行模拟仿真。关键字关键字：PLC 变频器 生产线设计工艺图 控制线路 程序 仿真The Design of PLC ControlSystem of Beer Production LineABSTRACTBased on the present control system of canned beer production line,this
3、 paperworks out a production line control system by adopting modern automatic controlmethods.It is in the light of PLC and the control of frequency converter.In the firstplace,the paper sets out the significance of this subject,and then its development athome and abroad.In addition,the content of th
4、is subject and the requirement ofcanned beer production lines movement are included in it.According to beersbiochemical characteristics,the design of a beer filler comes out,with a simpleinstruction of the process of filling.Next,this paper designs a production line chartcontaining conveyer belt and
5、 filler.According to the control requirements,it carriesout a control circuit adapting PLC as the controller.Except for the detailed processof filling,this paper presents the routine of process and its emulation,especially inspeed control adjustment.The routine is classified based on different funct
6、ions.Shortof the physical model and speed feedback,the speed adjustment of beer productionline cant carry out a constant-speed control.Therefore,this paper only simulatescylinder of the beer filler in the last chapter.Key Words:PLCThe inverterProduction line process designControlcircuitThe programTh
7、e simulation目 录第一章 绪论.11.1 课题研究的意义.11.2 国内外发展状况.11.3 本课题的研究内容.2第二章 啤酒特性及其灌装原理的分析.32.1 啤酒的物理特性.32.2 啤酒罐装方法选择.32.3 灌装原理分析及灌装机的设计.42.3.1 灌装原理的分析.42.3.2 罐装机的设计.42.3.3 罐装机工作过程.5第三章 啤酒灌装生产线的工艺设计.63.1 啤酒灌装生产线的工艺设计图.63.2 灌装过程俯视平面图.63.3 星轮与旋转灌装机同步转动设计.7第四章 啤酒灌装生产线控制系统的电路设计.94.1 啤酒罐装生产线的控制要求.94.2 主电路的分析与设计.94
8、.3 控制电路的分析与设计.114.3.1 对传送带速度控制的分析.114.3.2 对灌装机旋转速度控制的分析.114.3.3 对液缸内液位控制的分析.114.3.4 控制电路的设计.124.4 输入输出 I/O 分配.144.5 控制电路设备的端子接线及参数设置.154.5.1 编码器.164.5.2 变频器接线及其参数设置.164.5.3 EM235 的端子接线.184.5.4 传感器.184.5.5 真空泵.19第五章 啤酒灌装生产线的软件设计.205.1 啤酒灌装生产线程序流程图.205.2 对程序进行向导参数配置.215.2.1 对脉冲输出口 Q0.0进行向导配置.215.2.2 对
9、灌装机速度控制 PID运算参数设置.225.2.3 对液面高度控制 PID运算参数设置.225.3 生产线控制画面组态.23第六章 控制系统仿真.24第七章 总结与展望.25参考文献.26附录.27致谢.39天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书1第一章绪论1.1课题研究的意义随着电力电子技术、计算机技术，自动控制技术的迅速发展，众多工业企业均面临着传统生产线的改造和重新设计的问题。各行各业的企业、工厂为了提高产品质量，缩短生产周期，适应产品迅速更新换代的要求，产品生产正朝着缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方面发展。因此，啤酒厂的自动化灌装生产线中有越来越多的企业在使用先进的灌装技
10、术来提高机器的自动化控制水平和生产效率1。课题采用的 PLC 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，设计啤酒自动灌装生产线控制系统，通过软硬件的结合实现对啤酒大批量生产的同时，罐装灌装过程更加平稳、灌装工艺更加严密，次品、废品明显的减少，对实际工业生产产生巨大的作用。具体表现有：（1）提高生产效率。通过啤酒灌装自动化生产线，啤酒生产不需要人工的干预，减少人力资源，同时生产的速度要远远高出人工操作。（2）改善工作的环境。实施自动化控制后，生产现场不再需要人工对每一个环节进行实时的操作，只需要工作人员在控制室内监测生产线就可以。（3）提高管理水平。由于监
11、控系统对整个灌装运行情况进行了历史记录，管理人员可以随时调出来进行分析，可以逐步的对生产经营进行改善，大大的提高了生产管理的水平。1.2国内外发展状况国外啤酒罐装设备发展较为完善，机电一体化、管理与控制相结合是当前国外生产发展的趋势。如美国的 HiranWaller 公司、德国的 Gerrokaise 公司和日本的小森机械公司都实现了啤酒罐装生产线的全面计算机控制与管理。当前啤酒、饮料包装计算机化的发展方向是CIM（Computer Integrated Manufacturing），CIM 是一个采集、管理和处理、发送各类数据的综合系统，它有效地将机器人技术、自动操作系统、监视系统、自动分叉
12、技术和计算机协调中心等高尖端应用技术应用于整个啤酒包装领域，国外啤酒的计算机控制正走向成熟和完善阶段。我国建国以后，陆续建立了一些灌装设备生产厂。80 年代初，国家开始积极引进国外先进罐装技术，不少国有、集体企业陆续转行进入灌装机制造行业，他们具备较强的机械制造、设计能力，但是缺乏灌装机制造行业的专业技术和经验。20 多年来，多数企业主要是通过测绘仿制来研发和生产产品，新产品研发力量薄弱。近几年来，我国啤酒产业得到了迅速的发展，出现了年产 80 万吨的大型啤酒生产企业（燕京啤酒集团）。大型啤酒企业对啤酒灌装线的自动化程度和速度都提出了更高的要求。但是，我国的啤酒罐装机械还存在自动化程度低、速度
13、慢、破瓶率高、系统运行不稳定等缺陷。随着集散控制系统的日益完善，天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书2PLC 在工业控制领域应用的日益广泛，使我们利用先进控制技术改进自动化灌装生产线的控制系统，弥补其不足成为可能。1.3本课题的研究内容本课题的目的就是采用现代流行的先进控制技术，设计啤酒自动生产线的控制系统，通过控制器的控制实现啤酒自动化生产的控制。利用 PLC 作为控制器，结合传感器、变频器、变频电机等电气设备在保证啤酒生化特性不变质、变味的情况下严格的按照啤酒灌装的工艺进行灌装。要求 PLC 能控制灌装机灌装的速度以及传送带的速度，并且保证传送带输送啤酒空瓶能准确有效的传送到灌装机
14、的灌装阀下。灌装结束以后，满瓶必须有序地从灌装机出来，传到传送带上，传送带将灌满的瓶子传给下一道工艺。天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书3第二章 啤酒特性及其灌装原理的分析2.1 啤酒的物理特性啤酒以大麦芽、酒花、水为主要原料，经酵母发酵作用酿制而成的饱含二氧化碳的低酒精度酒。它的基体是水，应遵循流体力学的基本定理，如能量守恒、流体连续和力平衡等。由于它的主体是微生物和生化反应的代谢物以及某些无机物，其中微生物和代谢物中的二氧化碳和蛋白质，是啤酒灌装过程中必须正视的主要因素，这也是啤酒灌装区别于其它液态食品灌装的难度所在9。啤酒灌装过程中由空气中氧气的进入对啤酒质量的危害是致命性的，
15、如果瓶内空气不能处理得当，生产出来的啤酒将不适于饮用，甚至变质危害人体的健康。为此，我们需采取一定的手段，如尽量减少增氧量以减少微生物的生存空间。以下提出啤酒灌装过程需要注意的事项以及相应措施。灌装时必须注意以下内容：（1）避免啤酒损失，减少浪费，提高经济效益；（2）保证额定灌装量，为此必须保证灌装酒料过程速度恒定；（3）保持啤酒内在品质，这主要是考虑啤酒的生化特性；为此必须采取相应的措施：（1）防止啤酒染菌，必须保证灌装工作台、灌装机内部的干净整洁；（2）防止啤酒接触空气而氧化，考虑抽真空以及冲入二氧化碳气体；（3）防止啤酒中的 CO2损失，保证灌装阀与啤酒瓶之间压紧。特别需要注意的是，应尽
16、可能地避免啤酒以任何形式与氧接触，即使是很少的吸氧，都会极为敏感地影响啤酒的质量和保存期。因此，一定要想方设法将啤酒在灌装过程中的吸氧量控制在最低限度。有关设备制造工业部门，采用了各种各样以限制啤酒吸氧为目的的技术手段，如一次或多次抽真空技术以及其它类似的措施等。所有这些都是为了使啤酒与空气隔绝，以保持啤酒的原有品质。2.2啤酒灌装方法的选择每种饮料的灌装方法不尽相同，针对特定的饮料就需要特定的灌装方法。上一小节已经说明啤酒是一种经酵母发酵酿造而成的酒料，对空气中气体极为敏感，在灌装过程中需要严密的控制。只有从它的基本特性考虑，选取合适、正确地灌装方法，才能保证灌装出来的啤酒能饮用7,8。目前
17、，液体常见的灌装方法有以下几种方式：天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书4（1）常压罐装法。常压法也叫做纯重力法，即在常压下，液料依靠自重流进啤酒瓶内。大部分能流动的不含气体的液料都用此方法来灌装，例如白酒、果酒、牛奶、酱油，醋等等。（2）等压灌装法。这种方法首先对啤酒瓶进行充气，当瓶子和储酒槽之间达到压力平衡时，啤酒依靠液位差（即自重）自然地流入瓶子中。这种方法普遍应用于含气体的饮料中，如啤酒、汽水、汽酒等的灌装。此种方法可以减少这类产品中所含有的二氧化碳的损失，并能够防止灌装过程中过量气泡影响产品对的质量和定量精度。（3）真空灌装法。真空灌装时，瓶子内压力为负压。液体因为这一很小的
18、负压而被吸入瓶内。这种方法通常用来灌装较稀易流动的不含气的饮料，如牛奶，果汁，葡萄酒等（4）压力灌装法。利用外部的机械压力将液体产品填充到瓶子内，它适用于灌装比较粘稠物料，例如牙膏、豆瓣酱、香脂等等8。经过对啤酒灌装工艺要求进行全面的分析，再结合对啤酒的生化特性做出考虑以后，本人决定对啤酒灌装采用第二种灌装方法，即利用抽真空、用 CO2来背压的等压灌装方法。2.3灌装原理分析及灌装机的设计以上已经对啤酒的生化特性做了具体的分析，也得出了啤酒罐装的方法。在这里，将根据啤酒灌装所选用的方法对灌装机设计做出说明。以下对灌装原理以及灌装机设计做具体的分析。2.3.1 灌装原理的分析灌装是将液缸内液料装
19、入瓶中的过程。根据啤酒罐装的控制要求，这个过程必须保证灌装时的严密性3。设计灌装机的方法是采用抽真空、CO2做背压。具体设计思路是：在灌装阀将啤酒瓶压紧密封完好的条件下，抽真空阀打开，在酒瓶与真空通道之间形成一个通路，瓶中的空气通过这条通路排出酒外，在酒瓶中形成真空，在设定时间达到时，抽真空阀杆关闭，抽真空结束；接着充气阀打开，在酒瓶与灌装机内气缸的 CO2空间形成一个通路，CO2通过这个通路充进瓶中，在设定时间达到后时瓶内 CO2与灌装缸内压力相等，充气阀关闭，CO2充气完毕；液体阀打开，在酒瓶与罐装缸之间形成一个通路，物料由此通路进入瓶中，同时瓶中的 CO2以同等的速度经回气管流回灌装缸，
20、直到瓶中物料上升漫过回气管形成压力平衡，瓶中压缩后的 CO2封住物料继续流出；灌装完后的瓶子经一定时间静置后，关闭液体阀，切断液料缸与瓶子之间的通路；泄压阀打开，从而在酒瓶与大气之间形成一条通路，酒瓶中的压力由此得到释放。2.3.2 灌装机的设计天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书5上一小节对灌装过程分析后，这里做出灌装机的设计。本设计中，设计的灌装机共有 4个灌装阀，灌装机内从上到下按顺序依次是充气（CO2）缸、液缸、真空缸。下图仅仅描述了一个灌装阀，剩余的其他灌装阀设计结构完全相同。图 2.1 灌装机设计图Fig.2.1 A Design drawing of filling ma
21、chine本灌装机中有定中装置，卸压阀，真空阀，液体阀、回气阀等等，定中装置下有位置传感器，用于检测灌装阀下是否有瓶子。2.3.3 灌装机工作过程瓶装灌装机采用回转式等压灌装结构，也就是灌装机灌装阀、液缸等组成的旋转设备与啤酒瓶同步旋转，在旋转的过程中，按时间顺序完成以下操作过程：1、啤酒瓶经过传送带传送到灌装机灌装阀下定位2、托瓶盘上升（灌装准备，0.5s到位压紧）3、真空阀打开（预抽真空，0.5s后关闭）4、充气阀打开（CO2喷冲，0.5s 后关闭）7、液体阀打开（开始灌装，1.5s后断开）8、泄压阀打开（卸压，0.5s后断开）9、托瓶盘下降（灌装完成）10、满瓶啤酒瓶从灌装机出来经传送带
22、传送给下一道工序。整个灌装生产线设计完成。（注：以上时间值均是假设值，具体设置要以液体灌装速度来决定，可以做相应的变化，以上仅作为举例说明使用）1定中装置2卸压阀3真空阀4液阀5气阀6弹簧7反射环8回气管天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书6第三章 啤酒灌装生产线的工艺设计对啤酒灌装原理详细的介绍完成以后，下面具体的设计灌装生产线的工艺设计示意图。生产线由传送带，灌装机，星轮等部分组成，均由由三相变频电机带动旋转。3.1啤酒灌装生产线的工艺设计图以下对啤酒罐装生产线做简单的工艺设计，每部分具体结构并未在图中详细的标明。图 3.1 啤酒灌装生产线设计工艺图Fig.3.1 A Design
23、 drawing of beer filling production line生产线所有设备全部启动，一切设备在试机正常的情况下，空瓶子从洗瓶机出来以后，按照一定的间隔从上图的左侧传送带有条不紊地进行传送。瓶子到达旋转机器部分以后，由旋转星轮把瓶子带入回旋式灌装机下进行灌装。灌装结束以后，满瓶由灌装机右侧的星轮传送到传送带上，传到下一道包装工序，完成灌装的过程7。3.2灌装过程俯视平面图天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书7图中主要由 2 个星轮，1 个灌装机，一条传送带构成。灌装机中每个灌装阀所进行的工作分别独立的进行，但是工作的内容完全一致。灌装的时间分配在图中标明，其中托瓶盘上
24、升占用 10%的时间，抽真空占用 10%的时间，二氧化碳充气占用 10%的时间，酒料灌装占用 30%的时间，灌装结束后托瓶盘下降占用 10%的时间，剩余的 20%作为下一次灌装准备时间来用。平面图如下：图 3.2 啤酒灌装生产线俯视图Fig.3.2 A top view of beer filling production line3.3 星轮与旋转灌装机同步转动设计啤酒瓶传送涉及到星轮与旋转灌装机的速度匹配问题，因为保证了灌装机的线速度和星轮的线速度是一致，才能保证每个啤酒瓶能准确定位在灌装阀下进行灌装。为了达到灌装机旋转速度与星轮旋转线速度一致的要求，本人通过齿轮之间的相互协调来完成，因为
25、齿轮之间相互作用保证了它们之间的线速度一定相同。以下是本人设计出以下的齿轮工作原理图：图 3.3 工作台底部齿轮工作示意图Fig.3.3 A schematic diagram of gear天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书8在灌装机底盘内部安装着与星轮、灌装机半径分别相等的 3 个齿轮，这三个齿轮分别与星轮、灌装机同轴固定相连，安装如上图所示。星轮、灌装机的转动，只需要由一台能控制灌装机底部齿轮（也就是上图中位于中间位置的大齿轮）运动的电机即可，随着大齿轮运动将带动两边的小齿轮转动。由于转动的齿轮之间的线速度是相同的，则分别与齿轮半径相同的星轮及灌装机的线速度也一定相同。通过这种
26、简便的方法，就能保证星轮与灌装机的速度一致3。本论文设计的两个星轮转盘，它们的半径均是灌装机半径的一半，即星轮的周长是灌装机周长的二分之一。每个星轮有两个凹槽可以传送啤酒瓶，灌装机有四个灌装阀，这样设计的目的是保证由星轮传送的瓶子的间隔与灌装机上两个灌装阀之间的距离相等，即间隔距离=1/2 的星轮周长=1/4 的灌装机周长。同时使得星轮下齿轮的齿轮数是灌装机下齿轮数的1/2，这样灌装机每旋转 1/4 周，星轮就旋转了 1/2 周。在线速度相同、瓶子间距与灌装阀间距相同的条件下，只要保证在安装齿轮底盘的过程中确保灌装阀正下方的凹槽与星轮的凹槽位置相对摆正，在生产线运动工作时，就一定能保证了每一个
27、空啤酒瓶能从传送带上顺利、有序地传入灌装机的灌装阀下。同样道理，也使得罐满以后的啤酒瓶能从灌装机上顺利的由右侧星轮传到传送带上，依次有序的传出来，传到下一道工序中去。天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书9第四章 啤酒灌装生产线控制系统的电路设计4.1 啤酒罐装生产线的控制要求灌装自动化控制的设计是一个重要环节，要提高啤酒的生产效率，关键在于提高灌装过程的自动化程度及顺序控制的严密性。本设计要求使用可编程控制器、变频器、电动机、熔断器、交流接触器、按钮开关等硬件设备，通过利用以上电气设备设计出控制这个灌装的过程的电路，要求灌装必须完整、有效的进行，且需要注意考虑到啤酒的物理生化特性，以免
28、影响啤酒的饮用效果。为了达到以上目的，我采用 PLC 与变频器配合来控制调节传送带的速度和灌装机旋转速度，使啤酒罐装过程有条不紊的运行；另外还考虑液缸内液面恒高度的问题，因为液缸内液面高度与液缸底部的液体压强有关，压强与液体灌装的速度有直接关联。以下是根据控制要求设计出的基于 PLC 控制啤酒灌装生产线的原理图：图 4.1 PLC 控制啤酒灌装生产线的原理Fig.4.1 The principle of beer filling production line其中，传送带是是由变频电机传动轴直接带动传送带转动，而旋转式灌装机则是由变频电机带动齿轮旋转从而间接地带动灌装机旋转，液面高度的控制则是
29、通过水泵电机转速来控制。啤酒罐装生产线是以 PLC 作为控制器的，电路设计必须考虑考所需要控制的点数，选择合适的控制器的 CPU 单元以及扩展模块，然后再根据执行机构选择合适的电气设备。本章在后面的小节中将结合灌装控制需求，先设计出整个生产线的主电路图，再根据主电路选择出合适的电气设备，设计出合理控制电路图15。4.2主电路的分析与设计天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书10在生产线运动驱动设备选择上选择变频器和变频电机，而没有选择伺服驱动器和伺服电机主要是因为这里本设计中除了灌装机旋转需要比较精确的速度外，其他的并不需要特别精确；另外，伺服驱动器以及伺服电机的价格要高出普通的变频器和
30、变频电机。本设计中，对于电动机的控制采用一对一，即一台变频器驱动一台变频电机。变频电机选择可以变频调速的鼠笼式三相异步电机；变频器则采用日本松下电器公司的 VF0 变频器，该变频器能接收由 PLC 发出的脉冲宽度可调 PWM 脉冲进行调速，方便于人工点动加减速对传送带速度的控制。在下面主电路设计过程中共 5 台变频器，其中第一台控制传送带的变频器，它直接由 Q0.0 采用输出 PWM 脉冲来控制传送带电机；第二台控制灌装机旋转速度的变频器由 CPU224 XP 基本单元自带的的模拟量输出点 AQW0 来控制，这里使用 CPU224XP 基本单元的主要原因是它自带一路模拟量输出点，这样可以减少使
31、用模拟量输入输出模块，较少开支，提高经济效益；第三台控制液缸内液面恒定的变频器由扩展输入输出模块EM235 中的模拟量输出端子 AQW4 来控制。主电路中，另外还用到的两台变频器来控制抽取空啤酒瓶内空气用的吸气泵电机以及向空啤酒瓶内充入 CO2的充气泵电机。吸气泵、充气泵都可以看作是真空泵，只是前者用于从真空缸内吸气排到外界，后者从外界吸入的 CO2气体向 CO2气缸内充气。因为这两台台电机直接由基本操作面板 BOP 来控，不再需要 PLC 作控制，所以在本文 4.3 节的 PLC 控制电路设计图中，不再画出来。具体对真空泵的详细介绍在 4.5.5 节作出说明。主电路中使用到的电器元件有断路器
32、、接触器、变频电机、变频器、熔断器等电气元件，具体如下图所示：图 4.2 主电路设计图Fig.4.2 A design drawing of the main circuit天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书114.3 控制电路的分析与设计本设计涉及到速度、液位的控制调节，均可以采用，模拟量输入模拟量输出进行 PID 运算控制调节。但是为了程序更加的丰富，当然也考虑到控制调节更加适当，本人没有全部采用模拟量输入模拟量输出的方法进行控制。对传送带速度的调节我直接采用脉冲输出端Q0.0输出脉冲宽度可调脉冲 PWM 的方法进行控制，调速过程直接点动进行加减速，直到空啤酒瓶的传送速度最适合灌
33、装机的速度为止，这样可以人为的对传送带的速度进行任意的调控，方法简单；对灌装机旋转速度的调节，因为灌装过程需要的时间比较精确，速度调控必须要相对来说精确一些，我则采用旋转编码器测速与原先速度设定值进行比较，然后进行PID 调控，是一种脉冲量输入模拟量输出的方法；而对液缸内液位的控制，我则直接采用模拟量输入模拟量输出的方法即可11，14。4.3.1对传送带速度控制的分析在传送带的控制设计中，需要将传送带的速度调节到与灌装机的灌装速度匹配，以免传送带上出现少瓶或者瓶子堆堵的情况，影响生产效率。为了便于速度的调试，我这里直接采用手动点动的形式对传送带速度进行控制，点动传送带加速按钮传送带则缓慢加速，
34、点动传送带减速按钮，则传送带缓慢减速，采用的是脉冲宽度可调 PWM 脉冲调节控制。当减速、加速按钮均没有按下时，电动机匀速。在这里，只需要整个生产线设备开始运行时对传送带的速度做调节，如果整个生产线的瓶流量是正常的，一般不再需要对传送带的速度进行调节。也就是说，整个生产线在最初时启动时，调试完毕以后，即可进行正常的生产过程。4.3.2对灌装机旋转速度控制的分析灌装机的旋转部分速度的控制尤为重要，因为旋转部分的速度如果不适当，或者不稳定，将会导致灌装不正常，灌装不能实现保质保量最终影响啤酒生产效益。为此，对灌装机旋转部分速度的控制必须要准确。为了达到以上目的，我采用半闭环反馈设计，编程方式是脉冲
35、量输入模拟量输出，首先设置实现要求生产过程的运动速度，该速度转变为单位时间脉冲量，该脉冲量即速度设定值。然后将旋转编码器（编码器与电动机同轴相连）输出的单相脉冲反馈给控制器 PLC，由PLC 进行高速脉冲计数，而速度当前值采用定时中断采样，对运动中速度（脉冲）当前值采样。然后 PLC 进行 PID 运算，最后结果输出成模拟量控制变频器，从而控制电动机的转速。脉冲输入模式采用工作模式 0（输入 I0.0），即单路脉冲输入的内部方向控制加/减制计数方式，设置控制字为加计数11。4.3.3对液缸内液位恒定控制的分析本设计中，液料的灌装是一个最为核心的问题。在前面已经提到，灌装阀门打开以后，要使得在瓶
36、子在相同的灌装时间内，灌装的容量相同，必须考虑这个液缸内的酒液料的液面天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书12是恒定的，也就说，液缸与液料阀直接连通的底部，必须保证它的压强是恒定不变的。因为只有液缸内液料对液缸底部的压力恒定不变，才能保证灌装的速度是恒定的，只要液料灌装的速度恒定，在相同时间内，空瓶内的啤酒容积必然是相同的，只有这样才能保质保量。于是，这里涉及到一个对液缸内液面保持恒定的设计问题。设计对液面的控制，转换为对压力的一个恒压控制。在液缸的底部安装一个压力传感器，将传感器反馈回来的模拟量传给模拟量输入输出模块 EM235，再由 PLC 采用 PID 运算控制算法编程控制液位，
37、从而间接地控制了液缸内液面的恒定11。设计的原理框图，如下：图 4.3 恒液位控制原理图Fig.4.3 A schematic diagram of constant liquid level在上图中，设定压力 SV 是工艺要求的设定值，代表了一定的液面高度，这个高度决定了灌装酒料时的速率，液面越高则压力越大那么灌装速率也会越高。在这里设定的压力值必须合理，只有这样才能保证啤酒瓶从灌装机内出来以后，保证是属于罐满的状态。液缸内底部安装的压力传感器把压力值 PV反馈到模拟量输入输出模块的输入端，由 PLC 进行 PID 控制。控制运算得出比较的结果 E，如果 E 为正，说明实际的压力值 PV 是
38、小于最初的设定值SV的，那么 PID 的输出 U 就会增大，变频器的输出也会增大，水泵的转速提升，实际的压力值 PV 随着上升，而伴随着 PV 值得上升，E 亦逐渐的减小。当 PV 等于 SV 时，水泵电动机的转速维持在一个恒定值；如果 E 为负值，则说明情况刚好相反，即设定值 SV 小于反馈值 PV，那么 U、F、N 这三个量也会逐渐的减小，直到 PV=SV为止。4.3.4 控制电路的设计本设计中，共采用了数字量输入点 15 点，数字量输出点 25 点，模拟量输出点 2 点。控制部分 PLC 采用西门子 S7-200 中自带一路模拟量输出通道 CPU224XP 的 PLC，然后扩展外加一个模
39、拟量输入输出单元 EM235，这样即可满足 2 模拟量输出的要求。考虑到 CPU224XP 数字量输入输出点位 14 输入、10 输出，还远不能满足数字量输入输出口，于是扩展一个数字量输入输出模块具备 16输入、16 输出点的 EM223，这样就可以满足设计需求，而剩余的输入输出点可以备做它用。天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书13图 4.4 PLC 控制电路设计图Fig.4.4 A design drawing of the circuit controlled by PLC控制电路设计图中，因为需要使用到脉冲输出，所以使用的是晶闸管输出型 PLC，输入输出均采用 24V 直流电压
40、。上图中因输入输出端口较多，没有图中详细标明各个端口的作用，具体作用在后面的输入输出分配中做详细说明。以下是控制电路中所使用到的主要电气元件：天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书14表 4.1 主要电气元件Table4.1 Main electrical elements编号元件名称件数作用1可编程控制器 PLC1控制器1输入输出扩展模块 EM2231扩展数字量输入输出1模拟量处理模块 EM2351模拟量处理2松下 VF0 变频器5驱动、控制电机3变频电机5驱动执行机构4熔断器8电源、过载保护5交流接触器3控制变频器电路通断6过流继电器3电机过电流保护7断路器8控制电路通、断电8编码器
41、1测速9降压整流器2为 PLC 提供直流电压4.4 输入输出 I/O分配本次设计所使用的数字量输入点共计 15 点，数字量输出点 25 点；模拟量输入点 1 点，模拟量输出点 2 点。输入输出分配表如下图所示：表 4.2 输入端子Table4.2 Input terminal名称端子号作用编码器单路脉冲输入I0.0检测灌装阀 1 下是否有瓶子灌装阀 1 位置传感器I0.1编码器 1 反馈脉冲输入端启动传送带电动机 1I0.2启动传送带电动机 1停止传送带电动机 1I0.3停止传送带电动机 1对传送带加速按钮I0.4点动对传送带加速启动灌装机电动机 2I0.5启动灌装机电动机 2停止灌装机电动机
42、 2I0.6停止灌装机电动机 2启动所有变频器按钮I0.7启动电路图中所有变频器停止所有变频器按钮I1.0停止电路图中所有变频器对传送带减速按钮I2.0点动对传送带减速灌装阀 2 位置传感器I2.1检测灌装阀 2 下是否有瓶子灌装阀 3 位置传感器I2.2检测灌装阀 3 下是否有瓶子灌装阀 4 位置传感器I2.3检测灌装阀 4 下是否有瓶子液料泵启动按钮I2.4启动液料泵液料泵停止按钮I2.5停止液料泵液缸底部传感器输入AIW4压力传感器输入点天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书15表 4.3 输出端子Table4.3 Output terminal名称端子号作用传送带电动机 1Q0.
43、0控制传送带运动灌装机电动机 2Q0.1控制灌装机运动托瓶盘电磁阀 1Q0.2托瓶盘得电上升，失电下降托瓶盘电磁阀 2Q0.3托瓶盘得电上升，失电下降托瓶盘电磁阀 3Q0.4托瓶盘得电上升，失电下降托瓶盘电磁阀 4Q0.5托瓶盘得电上升，失电下降真空阀 1Q0.6灌装阀 1 抽瓶子内空气充气阀 1Q0.7灌装阀 1 充气液体阀 1Q1.0灌装阀 1 灌装泄压阀 1Q1.1灌装阀 1 泄压真空阀 2Q2.0灌装阀 2 抽瓶内空气充气阀 2Q2.1灌装阀 2 充气液体阀 2Q2.2灌装阀 2 灌装泄压阀 2Q2.3灌装阀 2 泄压真空阀 3Q2.4灌装阀 3 抽瓶内空气充气阀 3Q2.5灌装阀 3
44、 充气液体阀 3Q2.6灌装阀 3 灌装泄压阀 3Q2.7灌装阀 3 泄压真空阀 4Q3.0灌装阀 4 抽瓶内空气充气阀 4Q3.1灌装阀 4 充气液体阀 4Q3.2灌装阀 4 灌装泄压阀 4Q3.3灌装阀 4 泄压液料泵电机Q3.4控制水泵启动停、止传送带电机启动Q3.5传送带电机正转启动接触器Q3.6控制所有变频器通电旋转灌装机AQW0控制旋转灌装机变频器液料泵AQW4控制液料泵变频器4.5 控制电路设备的端子接线及参数设置天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书16电路中除了使用到西门子 PLC 的各种控制单元，还使用到了各种辅助电气设备。前面已经对 CPU 单元做了介绍，这里不再详
45、细叙述，仅对编码器，变频器，EM235 模块，压力传感器，做一定简要说明。4.5.1 编码器编码器采用增量式旋转编码器，套在变频电机的轴上作为测量旋状体的转速来使用。电动机旋装时，旋转编码器旋转，编码器发出脉冲。在这里本人采用的是单向脉冲入计数，将编码器 A 相输出的脉冲接入 PLC 的高速脉冲计数器输入端 I0.0，利用 PLC 定时中断计数，计算出电机转动在单位时间内的脉冲量。在这里，将编码器脉冲反馈值与设定值作比较，然后利用 PID 算法，最后输出控制就可以使电机维持在一个稳定的速度。变频电机的转速计算公式如下12,13：N=(m/nT)*60（4-1）那么，速度设定值转换为脉冲量就是：
46、m=(N/60)*nT（4-2）上式中，T 为某段时间内对编码器脉冲输出个数进行计数，假设编码器一周输出脉冲数为 n，在时间 Ts 内输出脉冲数个数为 m。4.5.2 变频器接线及其参数设置电路中使用 5 个变频器，灌装机的电动机，液料高度，传送带，抽气泵，充气泵。考虑到本次设计并非大型的生产设备，不需使用大功率，我采用日本松下电器公司的 VF0 变频器，它为单相交流变频器，电压是 200V230V，控制的电机输出功率是 0.21.5KW。松下 VF0变频器主电路、控制电路接线图如下2,10：图 4.4 变频器主电路接线图Fig.4.4 the wiring diagram Of freque
47、ncy converters main circuit天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书17图 4.5 控制电路接线方法Fig.4.5 A connection method to control circuit变频器的主电路图在连接正确以后，要将 PLC 输出端子与变频器按照控制要求正确连接。连接完成以后，需要对各个变频器分别设定参数。设计中，对传送带、灌装机、液面水泵电动机的控制我采用由控制端子控制的方式，通过 PLC 对控制端子行进编程控制；而真空泵则直接由基本操作面板 BOP 来控制。变频器的参数设置如下：表 4.4 传送带变频器参数设置Table4.4 The parame
48、ter setting of band carrier in frequency converte参数号参数名称设定值说明P08选择运行命令2选择外控操作P09频率设定信号1数字设定P22选择 PWM 频率信号1有 PWM 频率信号选择P23PWM 信号平均次数1频率指令平均次数P24PWM 信号周期1PWM 输入信号的周期P66设定数据清除1将所有数据清零表 4.5 灌装机、液缸变频器参数设置Table4.5 The parameter setting of filler and cylinder transduce参数号参数名称设定值说明P08选择运行命令2选择外控操作P09频率设定信号4
49、010V 电压信号P66设定数据清除1将所有数据清零因为灌装机变频器与液缸变频器都是由 PLC 及其扩展模块的模拟量输出端子控制，采用类似的接线方法，参数的设置也是一致的。在进行接线、参数设置以后，即可进行系统的调试。天津理工大学 2014 届本科毕业设计说明书184.5.3 EM235 的端子接线西门子 S7-200 的模拟量扩展模块 EN235 含有 4 路输入和 1 路输出，为 12位数据格式，其端子及其接线如图所示。RA、A+、A-为第一路模拟量输入端子，RB、B+、B-为第二路模拟量输入端子，RC、C+、C-为第三路模拟量输入端子，RD、D+、D-为第四路模拟量输入端子。M0、V0、
50、I0 为模拟量输出端子，电压输出大小为-10+10V，电流输出大小为 020mA。L+、M 接 EM235 的工作电源。如图中第一输入通道为电压信号输入接法，第二输入通道未作使用。如模拟量输出为电压信号，则接端子 V0 与 M0。本次设计，压力传感器输出 420mA 的信号至 EM235，所以模拟量信号输入设定为单极性信号，对 DIP 开关SW1SW6 分别设定为 ON、OFF、OFF、OFF、OFF、ON。对 DIP 开关的设置，即下图中右下角的配置开关。EM235 模块模拟量输出只有一点，采用电压-10+10V 输出形式。具体接线下图所示1,2：图 4.6 EM235 输入输出端接线Fig