饮料罐装生产流水线的plc控制机电自动化专业毕业设计

饮料罐装生产流水线的plc控制机电自动化专业毕业设计内容摘要：

2 所示。 控制面板上有启动 /停止按钮、急停按钮、下位 /上位选择开关、手动 /自动选择开关、正反转点动按钮、故障复位按钮、计数清零按钮及各种指示灯等。 完成以上的控制动作，需要通过 可编程控制器来对生产线的控制。 PLC 基础 可编程控制器是工业自动化的基础平台。 在工业现场中用于对大量的数字量和模拟量进行控制，例如电磁阀的开闭，电动机的启停、温度、压力、流量的设定，产品的计数与控制等。 可编程控制器的缩写为 PLC（ Programable Logical Controller），是将计算机技术、自动化技术和通信技术融为一体，专为工业环境下应用而设计的控制设备。 20 世纪 60 年代，生产过程及各种设备的控制主要是继电器控制系统。 继电器控制简单、实用， 但存在着明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，图 11 饮料灌装生产流水线模型 4 难以实现较复杂的控制特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，一旦动作顺序或生产工艺发生变化时，就必须进行重新设计、布线、装配和调试，所以通用性和灵活性较差。 生产上迫切需要一种使用方便灵活、性能完善、工作可靠的新一代生产过程自动控制系统。 1968 年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数宇公司研制出了第一代可编程序控制器，它具有逻辑运算、定时、计数等顺序等功能。 20 世纪 80 年代后，由于计算机技术的迅猛的发展， PLC 采用通用微处理器为核心，具有了函数运算、高速计数、中断技术、 PID 控制等功能，称为 PC(Programable Controller) 即可编程控制器。 但由于 PC（ Personal Computer）已成为个人计算机的代名词，为了不与之混淆，人们习惯上仍将可编程控制器称为 PLC。 经过短短的几十年发展，可编程控制器已经成为自动化技术的三大支柱（ PLC、机器人和 CAD/CAM）之一。 1982 年，国际电工委员会（ IEC）制定了 PLC 的标准，在 1987 年 12 月颁布的第三稿中，对可编程控制器的定义是：“可编程控 制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。 它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 ” 可编程控制器的特点 (1) 可靠性高，抗干扰能力强 微机虽然具有很强的功能，单抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度的变化等都可以使一般通用微机不能正常工作。 而 PLC 是专为工业环境应用而设计的，故对于可能受到的电磁干扰、高低温及电源波动等影响，已在 PLC 硬件及软件的设计上采用了措施。 如在硬件方面采用了电和磁的屏蔽，对 I/O接口采用了光电隔离，对电源及 I/O 接口线采用了多种滤波等。 而在软件方面采用了故障检测、诊断、信息保护和恢复等手段，一旦发生异常， CPU 立即采取有效措施，防止故障扩大，使 PLC 的可靠性大大提高。 (2) 机构简单，应用灵活 5 PLC 在硬件结构上采用模块化积木式结构，各种输入输出信号模块、通信模块及一些特殊功能模块品种齐全。 针对不同的控制对象，可以 方便、灵活地组合成不同要求的控制系统。 硬件接线简单，一般不需要很多配套的外围设备。 (3) 编程方便，易于使用 PLC 采用了与继电器控制电路有许多相似之处的梯形图作为主要的编程语言，程序形象直观，指令简单易学，编程步骤和方法容易理解和掌握，不需要具备专门的计算机知识，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可以在短时间内学会。 (4) 功能完善，适用性强 PLC 具有对数字量和模拟量很强的处理功能，如逻辑运算、算术运算、特殊函数运算等。 PLC 具有常用的控制功能，如 PID 闭环回路控制、中断控制等。 PLC 可以扩展特殊 功能，如高速计数、电子凸轮控制、伺服电动机定位、多轴运动插补控制等。 PLC 可以组成多种工业网络，实现数据传送、上位监控等功能。 设计 PLC 控制时，应遵循以下基本原则 (1) 最大限度地满足被控对象的控制要求 充分发挥 PLC 的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计 PLC 控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。 这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。 同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控 制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。 (2) 保证 PLC 控制系统安全可靠 保证 PLC 控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。 这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。 例如：应该保证 PLC 程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。 (3) 力求简单、经济、使用及维修方便 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导 致运行资金 的增加。 因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。 这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使6 控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。 (4) 适应发展的需要 由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。 这就要求在选择 PLC、输入 /输出模块、 I/O 点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。 实际上 PLC 控制系统的设计，按照国外发 达国家的标准：首先考虑的是系统的安全性、可靠性设计，然后才是根据控制工艺要求进行控制流程设计，然后就是编写切实可行、高效的 PLC 程序，这里在安全性、可靠性设计要求的前提下，编写相应的 PLC程序非常重要，硬件上保证的安全性，以及软件 PLC 程序中的安全考虑应该同步进行。 2. 饮料灌装生产流水线的 PLC 控制要求和内容及硬件设计 控制任务 自动化生产线模型设计了手动和自动两种工作模式。 手动模式用于设备的调试和计数统计的复位。 自动模式下允许启动生产线运行。 控制系统中包括紧急情况的处理以及故障诊断与显示报警 功能。 (1) 急停功能 当设备发生故障时，按下急停按钮，停止设备的一切运行。 (2) 手动模式  在手动模式下，可以通过点动按钮使传送带电动机正转或反转，用于调试设备。  在手动模式下，可以通过复位按钮对计数统计值进行清零。  在手动模式下，可以通过选择开关设置下位（ PLC）或上位（ HMI）控制。 (3) 自动模式  在自动模式下，按下启动按钮，系统启动，电动机正转，传送带运行。  空瓶子达到灌装位置时，电动机停转，灌装阀门打开。  灌装时间到，灌装阀门关闭，电动机正转，传送带继续运行。  在自动模式下，按下停止按钮， 系统停止，电动机不转，传送带停止运行。 (4) 工件计数统计 控制系统可以实现工件的计数统计，包括毛坯数，正品数和废品数。 正品数显示在控制面板的数码管上。 7 (5) 模拟量检测 灌装液罐的液位由模拟量液位传感器进行监视。 液位低于下限时，要打开进料阀门，液位高于上限时，要关闭进料阀门。 (6) 故障报警 当设备发生故障时，控制系统能够立即响应，控制面板上相应的故障指示灯会闪亮。 故障排除后，按下故障复位按钮，生产线才能自动运行。 控制方案设计原则 自动化控制系统的被控对象一般为机械加工设备、电器设备、生产 线或生产过程。 控制方案设计主要包括硬件设计、软件程序设计、施工设计及现场调试等几部分内容。 确定系统控制任务与设计要求 首先要了解机械运动与电气执行元件之间的关系，仔细分析被控对象的控制过程和控制要求，熟悉工艺流程及设备性能，明确各项任务的要求、结束条件及控制方式。 对于较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立的部分，这样可以化繁为简，有利于编程和调试。 制定电气控制方案 根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定控制系统的工作方式，例如：全自动、半自动、手动、单机运行、多机联线运行等。 还要确定控制系统应有的其他功能，例如故障诊断与显示报警、紧急情况的处理、管理功能、网络通信等。 确定控制系统的输入输出信号 根据被控对象对控制系统的功能要求，明确控制对象输入输出信号的类型及信号数值范围。 控制对象的类型 （ 1）数字（开关）量型 数字量输入对象：按钮、选择开关、行程开关、限位开关、光电开关等各种开关型传感器。 数字量输出对象：继电器、电磁阀、电动机起动器、 指示灯、蜂鸣器等。 （ 2）模拟量型 模拟量输入对象：温度、压力、流量、液位、电动机电流等各种模拟量传感器。 8 模拟量输出对象：电动调节阀、变频器等执行机构。 控制对象的数值范围 （ 1）数字（开关）量型 外部输入信号电压等级： DC24V、 DC48~125V、 AC120/230V。 外部负载电压等级：DC24/48V、 DC48~125V、 AC120/230V。 （ 2）模拟量型 外部输入传感器信号的类型（如电压、电流、电阻等）及测量的量程范围。 外部负载的类型（如电压或电流）及对应的输出值范围。 PLC 选型与硬件配置 (1). PLC 选型 PLC 主要主要考虑一下几点： I/O 信号的点数：根据已确定的 I/O 设备统计所需要的 I/O 信号的点数，选择是否支持扩展机架的 CPU。 网络通讯的模式：根据控制要求的信号传输方式所需要网络接口的形式，选择支持现场总线的网络、工业以亚太网络或点到点通讯的 CPU。 如果网络有路由要求，则选择集成了该功能的 CPU。 (2). 硬件配置 考虑到生产规模的扩大、生产工艺的改进、控制任务的增加以及维护重接线的需要，在选择硬件模块时要留有适当的余量。 根据已经确定的 I/O 设备统计 所需要的 I/O 信号的点数和类型，预留 10%~15%的容量，选择 I/O 信号模块。 根据特殊功能要求选择智能单元 . 根据通信要求选择通信接口模块。 I/O 分配 通过对输入输出设备的分析、分类和整理，进行相应的 I/O 地址分配，应尽量将相同类型的信号、相同电压等级的信号地址安排在一起，以便施工和布线，并绘制 I/O接线图。 控制程序设计 9 按照控制系统的要求进行 PLC 程序设计是工程设计的核心。 程序设计时，应将控制任务进行分解，编写完成不同功能的程序块，包括循环扫描主程序、急停处理子程序、手动运行 子程序、自动运行子程序、故障报警子程序等。 编写的程序要在实验室进行模拟运行与调试，检查逻辑及语法错误，观察在各种可能的情况下各个输入量、输出量之间的变化关系是否符合设计要求，发现问题及时修改设计。 3. S7300 硬件介绍 S7300 硬件模块 S7300/属于模块式 PLC，主要由机架、电源模块、 CPU 模块、信号模块、通信模块、功能模块、接口模块等组成，所有模块均安装在机架上。 S7300 系统 PLC 如图 31 所示。 CPU CPU 模块如图 32 所示，早期的 CPU 是指 2020 年 10 月以前的产品， 2020 年 10月以后的产品为新型的 CPU。 在 PLC 控制系统中， CPU 模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。 3 2 图 31 S7300 系列 PLC 1电源 2CPU 3信号模块。