1、第 1 页 共 24 页基于 PLC 矿泉水灌装系统摘 要随着时代的发展，科技的进步，越来越多的行业正在向着自动化的方向发展。1913 年，汽车大王福特在他的工厂里设置第一条自动化生产线。之后自动化生产线的生产模式被迅速推广，医药、汽车、食品等行业争相使用高效率、低成本的生产自动化生产线。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。本文所涉及的矿泉水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。本设计采用三菱 FX 系列 PLC 及多电动机控制，对自动化生产线的喷头、传
2、送带以及拦截杆进行多动作的操作。从我国基本国情的角度出发，国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国自动化生产线综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导 21 世纪初期我国自动化生产线关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现自动化生产线的跨跃式发展。关键词：自动控制、PLC、灌装、传感器、生产线第 2 页 共 24 页前 言目前，就我国发展形势而言，自动化生产线的引进和快速发展是不可避免的。商品的快速消耗，使我国必须加快商品生产的步伐并提高产品的质量。自动化生产线的发展，促使了我国的供求走向的健康有序的发展，也必然会慢慢渗透到我国的各个
3、行业中。据调查统计表明，饮料行业自引进自动化生产线设备以来，生产力得到了大幅的提升，其产能大致提升为未引进前的 3-5 倍。其中，灌装精度更是手工灌装所无法比拟的。由此可见，自动化生产线的引进必然是大大的利于行业的发展和进步。自动化生产线的发展前景是不容小视的，就我国目前各大领域来说，依然有很多行业还未触及到自动化生产线，也就是说，其产能还未得到有效的开发。那么，现在落实自动化生产线的普及和开发是当务之急，也与针对邓小平同志所提出的“科学技术是第一生产力”相呼应。第 3 页 共 24 页第一章 课题概述1.1 本课题的设计以 PLC 控制为核心，采用电动机、流量计等辅助手段来完成矿泉水自动灌装
4、设计。内容及要求：1、利用 PLC 编程软件设计程序，对整个自动化生产线电路进行控制。2、设计拦截杆的电路图。 （主要为电机的正反转以及延时动作电路）3、设计流量计的接线图，根据流量计来执行对拦截棒及传送带的开停。以 PLC 控制为核心，采用电动机、流量计等辅助手段来完成矿泉水自动灌装设计。1.2 本课题设计的目的和意义通过此次设计，是对我专业学习的总结和考验，也是学习成果的真实体现和自身能力的提高，并且在这次综合的研究课题中又是一个新的学习过程，同时加强我的实际动手能力和操作能力。首先让我了解了灌装矿泉水自动化生产线基本构造、原理和运行过程，使自己对 PLC 的程序控制有了初步的认识和后续工
5、作的设想。通过对灌装矿泉水自动化生产线的设计，让我融汇贯通我所学的理论知识和实践知识，以及综合分析问题、解决问题的能力有极大的提高和促进。在制作过程中能够把所学的知识系统的、有条理的连接起来，并能在自己的脑海中得以巩固，还加强了我对系统各部分内在关系的认识，这能培养我们适应新器件、新技术不断更新的能力，从而开发我们的创新能力。它是一座由校园到社会的桥梁，从一个按课本听课写作业的学生转变为一个在岗位工作的技术人员，这是一个突变，往往会面临许多的新问题，带来许多的不适应，所以在这次课题设计中的种种问题和生活中的常规工作，对我能够平稳过度这一阶段有着非常重要的意义，将为以后的工作打下扎实的基础。第
6、4 页 共 24 页第二章 方案总体设计2.1 控制方案的设计本次灌装矿泉水自动化生产线是根据四口灌装矿泉水自动化生产线的原理来设计的。其工作流程及原理如下：首先，人工将矿泉水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） ，启动机器，传送带将瓶子往前移，移至光电传感器下端时，传感器自动计数。瓶子前端有一铁杆拦住所有瓶子，当光电传感器计数至 4 个时，传感器此时传输信号给PLC，PLC 控制后拦截杆，后拦截杆拦截第五个瓶子。延时 2S 后，传送带停止工作。PLC 传输信号给气缸上的电磁阀，电磁阀开通，气泵对气缸充气，下压喷口到瓶口内，
7、行程开关打向另一侧，传输信号给 PLC，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算流量，喷口注水。灌装至流量计显示流量达成（一般为 1L） ，此时，流量计传输信号给 PLC，PLC 关断电磁阀，喷口停止灌水。之后 PLC 传输信号给气缸电磁阀，喷口上抬置顶，行程开关复位。而后 PLC 控制主电机带动传送带。前一铁杆收回，而后拦截杆不收回，让前面四个瓶子继续传送，第五个瓶子不传送。延时 4S 后，前拦截杆伸出，而后拦截杆杆收回，光电传感器继续计数，第五个瓶子继续往前传送至第一个铁杆，而后往复此循环。如图 2.1 所示。第 5 页 共 24 页空水瓶前拦截杆后拦截杆喷口喷
8、口喷口喷口流量计流量计流量计贮水箱电 磁 阀传送带光 电 传 感 器汽缸汽缸电磁阀空压机流量计行程开关运行方向图 2-1 控制系统结构示意图2.2 计量控制设计本设计的重点在于利用椭圆齿轮流量计控制 PLC 以达到计量控制的目的。在这一步中，当喷口下压到底，PLC 控制电磁阀打开出喷口，椭圆齿轮流量计开始计数，流量计计数至 1L 的时候（椭圆齿轮流量计的工作原理及二次仪表的选择见 3.2.1 和 3.2.2） ，流量计传输信号给 PLC，PLC 马上关断电磁阀，接下来才能进行下一步骤。如图 2.2第 6 页 共 24 页P L C流 量 计电 磁 阀1 . 打 开 喷 口2 . 流 量 计 计
9、 数3 . 计 量 达 到 1 L4 .关断电磁阀图 2-2 计量系统工作流程图2.3 传送带电气控制设计传送带主电路为简单的正反转控制电路（如图 2.3） ，传送带的要求的速度为匀速。如果速度过快，则水瓶在急停时容易出现瓶身跌倒，致使液体外泄。传送带过慢同样不可取，因为过慢影响工作效率，将对工厂的产量产生影响。第 7 页 共 24 页图 2-3 主 电 机 电 路 接 线 图第 8 页 共 24 页图 3-2 椭圆齿轮流量计第 3 章 硬件设计3.1PLC 的选择本自动化生产线共有个输入以及各输出，结合实际需求与成本控制故采用三菱 FX2N-48MR-001 型PLC(如图 3.1.1)。该
10、款 PLC 价格适中，性能稳定，适用于本设计。 内置 8K 容量的 RAM 存储器，最大可以扩展到 16K CPU 运算处理速度 0.08S/基本指令 在 FX2N 系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块3.2 流量计3.2.1 椭圆齿轮流量计的特点流量测量与流体的流动状态无关，这是因为椭圆齿轮流量计是依靠被测介质的压头推动椭圆齿轮旋转而进行计量的(如图 3.2)。粘度愈大的介质，从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的量愈小，因此核测介质的粘皮愈大， 泄漏误差愈小，对测量愈有利。椭圆齿轮流量计计量精度高，适用于粘度较高的介质流量的测量，但不适用于含有固体颗粒 的流体(固体颗粒会将齿轮卡死，以致无
11、法测量流量)。如果被测液体介质中夹杂有气体时，也会引起测量误差。椭圆齿轮流量计是容积式流量计的一种，用于精密的连续或间断的测量管道中液体的流量或瞬时图 3-1 FX2N-48MR-001第 9 页 共 24 页流量它特别适合于重油、聚乙烯醇、树脂 等粘 度较高介质的流量测量。3.2.2 椭圆齿轮流量计的安装椭圆齿轮流量计在安装前应清洁管道若液体内含有固体颗粒，则必须在管道上游加装过滤器；若含气体应安装排气装置。椭圆齿轮流量计对前后直管段没有一定的要求。它可以水平或垂直安装。安装时，应使流量计的椭圆齿轮转动轴与地面平行。3.2.3 椭圆齿轮流量计的使用按照要求正确安装后的椭圆齿轮流量计，使用时即
12、可保证足够的精度，通常累计值的精度可达 0.5 级，是一种较为准确的流量计量仪表。但是，如果使用时被测介质的流量过小，仪表的泄漏误差的影响就会突出，不能够保证足够的测量精度。因此，不同型号规格的椭圆齿轮流量计对最小使用流量有对应的允许值，只有当实际被测流量大于该下限流量允许值时，测量精度才能得到保证。其次，使用椭圆齿轮流量计时注意被测介质的温度不能过高，否则不仅会增加测量误差，而且有使齿轮发生卡死的可能。为此，椭圆齿轮流量计在仪表所规定的使用温度范围内使用。长期使用后的椭圆齿轮流量计，其内部的齿轮会被腐蚀和磨损，从而影响测量精度。因此，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
13、标定3.3 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) 。 本设计主要采用的是直动势电磁第 10 页 共 24 页阀。直动式电磁阀原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧力把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但一般通径不超过 25mm。3.4 微型电动机体积、容量较小，输出功率一般在数百瓦以下的电机和用途、性能及环境条件要求特殊的电机
14、。全称微型特种电机，简称微电机。常用于控制系统中，实现机电信号或能量的检测、解算、放大、执行或转换等功能，或用于传动机械负载，也可作为设备的交、直流电源。微特电机门类繁多，大体可分为直流电动机、交流电动机、自态角电机、步进电动机、旋转变压器、轴角编码器、交直流两用电动机、测速发电机、感应同步器、直线电机、压电电动机、电机机组、其他特种电机等 13 大类。微特电机在结构上大体可分为 3 类 ：电磁式。基本组成与普通电机相似，包括定子、转子、电枢绕组、电刷等部件，但结构格外紧凑。组合式。常见的有两种：上述各种微电机的组合；微电机与电子线路的组合。例如直流电动机与传感器的组合，X 方向与 Y 方向直线电动机的组合等。非电磁式。外形结构与电磁式一样，如旋转类产品作成圆柱形，直线类产品作成方形，但内部结构因其工作原理不同而差别很大。3.5 传感器的选择3.5.1 行程开关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，在机床图 3-3 电磁阀图 3-4 微型电动机
