饮料灌装机PLC控制系统设计毕业设计论文

毕业设计（论文）题目：基于PLC的汽水灌装机控制系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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摘要

本论文介绍了可编程控制器与世纪星监控软件在汽水灌装机中的控制方法和原理，采用了新的检测方法，实现了整个生产线的自动化。

本论文详细论述了汽水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 的汽水灌装机控制系统的基本结构。用日本OMRON系列可编程控制器设计了多移阀开启、破瓶检测、破瓶捡出、自动压盖等过程的自动控制。最后，简要介绍了世纪星组态软件，附有汽水灌装机控制系统的组态画面。本系统设计中完成了汽水灌装机控制系统的硬件的配置和软件方面的设计，并利用世纪星组态软件实现了实时监控系统的设计，使得整个设计形象，实用。

采用PLC来控制饮料生产线，实现了汽水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。

关键词：灌装机控制系统；可编程控制器；组态软件

Abstract

This paper introduces briefly the programmable logical controller and the century star monitoring software uses in the carbonated drinks filling machine of controlling method and the principle, used the new examination method, and achieve the automation of the entire production line.

This paper describes in detail the control system of the carbonated drinks filling machine design steps, a brief introduction of the carbonated 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. Design the control system of the carbonated drinks filling machine based on the programmable logical controller and designs the control system by OMRON for opening valve, inspecting and picking out the broken bottle. At last, the simulation software of configuration briefly and describe simulation process in detail, there are carbonated drinks production line configuration screen. This design completes the carbonated drinks production line hardware configuration and software design and uses century star configuration software to monitor real-time system, to achieve the image of the entire design image and practical.

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.

Keywords: Carbonated drinks filling machine control system, Programmable Logical Controller, Configuration software

目录

绪论 (1)

1 灌装控制系统总体介绍 (4)

1.1灌装机的主要类型 (4)

1.1.1 旋转型灌装机 (4)

1.1.2 直线型灌装机 (4)

1.2灌装的基本方法介绍 (5)

1.3灌装机以及灌装方式的确定 (6)

1.3.1 灌装机的确定 (6)

1.3.2 灌装方式的确定 (6)

2 汽水灌装机控制系统设计方案 (8)

2.1 总体设计思路 (8)

2.2汽水灌装机控制系统的具体流程 (8)

3 汽水灌装机控制系统的硬件设计 (10)

3.1PLC的选型 (10)

3.1.1 选择PLC控制的原因 (10)

3.1.2 PLC介绍 (10)

3.1.3 PLC型号的选择 (11)

3.2PLC硬件系统的连接 (12)

3.3灌装机的传动原理 (13)

3.4灌装机的重要硬件详解 (13)

3.4.1 灌装机的供瓶机构 (13)

3.4.2 瓶的升降机构 (13)

3.4.3 灌装阀的功能 (14)

4 汽水灌装机控制系统的软件设计 (15)

4.1系统程序的指令介绍 (15)

4.2可编程序控制器I/O分配 (15)

4.3工作过程分析 (16)

4.3.1 正常灌装流程 (16)

4.3.2 灌装出现次品的流程 (19)

4.3.3 次品捡出器 (20)

4.3.4 贮料缸的相关程序 (22)

5 监控程序的软件设计 (23)

5.1组态软件简介 (23)

5.1.1 组态软件的选择 (23)

5.1.2 世纪星组态软件简介 (23)

5.1.3 世纪星软件组成 (23)

5.2组态画面的具体设计 (24)

5.2.1 组态图形界面的设计 (24)

5.2.2 组态的变量设计 (25)

5.2.3 应用程序命令语言编辑 (26)

5.2.4 动画连接 (27)

6 监控系统通信的实现 (29)

6.1通信连接 (29)

6.1.1 CPM2A的通信连接方式 (29)

6.1.2 CPM2A的上位通信协议 (29)

6.1.3 编写上位机通信程序 (29)

6.1.4 实现上位机对PLC的监控 (30)

6.2计算机与PLC通信 (30)

6.3世纪星与PLC通信 (31)

6.4监控系统的现场调试 (32)

6.4.1 PLC系统的现场调试 (32)

6.4.2 上位计算机系统的现场调试 (32)

结论 (34)

致谢 (35)

参考文献 (36)

附件A (37)

附录B (45)

附件C (52)

附件D (56)

附件E (58)

绪论

（1）灌装机械的发展与现状

随着现代科学技术的发展，人民生活水平的提高，人们的消费习惯也随之相应的变化，同时对消费品的包装提出了更高的要求。而液态产品的包装在包装行业中占有很大比例，这是由于液体包装涉及的行业广泛、品种繁多，如饮料方面的汽水、果汁、牛奶、矿泉水、蒸馏水、啤酒、果酒等；调味品方面的酱油、醋、味精液、果酱等；药品方面的针剂、糖浆、酊剂、气雾剂等；农药乳剂、化工产品的各种瓶装、化妆品等，要满足日益增长的液体产品的需要，就应大力发展液体产品的包装技术。

人类自从采用容器盛装液体以后，就产生了灌装方法。十九世纪末二十世纪初以前，通常使用水罐、水杓进行人工灌装或直接将容器浸入液料中进行灌装，大约在1980年美国Horix、Kiefer和U.S.BottLers等三家公司开始制造容器灌装的机械装置。第一台商业用灌装机是Kiefer公司制造；Horix公司于1920年首次制造了重力灌装机，用于灌装番茄酱，这家公司至今仍生产灌装机，二十年代初这几家公司着手生产回转式灌装机，其中U.S公司制造的是纯真空灌装机，二十世纪以来。灌装机械工业发展迅速，那时灌装的速度取决于人工将瓶子对准灌装阀，等待瓶子灌装完毕所需的时间。

我国在解放前几乎没有灌装机械，灌装生产绝大部分处于手工操作，非常落后。70年代初，上海、北京、广州、青岛、烟台等地引进三十多条灌装线，其中有西德Seitz 厂产品、意大利Simonazi公司、美国Merer公司、日本三菱公司，另外还有许多罗马尼亚灌装线。随后，我国广东轻工机械厂、北京酿酒机械厂、上海化工机械厂等许多家仿制了不少灌装线，初步改善了灌装生产的落后面貌，但灌装机械的发展与国际先进水平的差距仍很大[8]。

（2）PLC在工业中的应用情况

PLC （Programmable Logical Controller，可编程序逻辑控制器）是以微处理器为基础，综合了计算机和自动化技术而开发的新一代工业控制装置，按照IEC（国际电工协会）国标标准定义是，可编程序控制器又称PC或PLC，它是以微型计算机为基础的一种为用于工业环境而设计的数字式电子系统，这种系统用可编程序存储面向用户指令的内部寄存器，完成规定的功能，如：逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等，通过数字量的输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC产品在抗电磁、噪声干

扰、有害废气的腐蚀、高温、粉尘等方面有很高的能力，能直接和现场各种单元、部件连接，坚固耐用，可靠性方面PLC的平均无故障时间可达5万小时以上，操作与维修十分方便，功能日益扩大。因此，PLC广泛的应用于许多工业领域，当然技术的日新月异、突飞猛进是PLC迅速扩展市场的根本原因。我国应用PLC还处于初级阶段，而且局限于钢铁、化工、汽车、机床、煤炭、电站等领域，其他行业的应用尚未普及，中国尚有广阔的应用领域等待开拓。我国的饮料包装设备在许多方面采用了PLC，并取得了非常好的效果，但仍有许多不足与欠缺。

（3）我国灌装业的缺陷

我国的饮料包装设备还存在自动化程度低、速度慢、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，PLC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汽水灌装机的控制系统，弥补其不足成为可能。

（4）汽水灌装机控制系统方案设想与优点

本课题的目的就是采用现代流行的先进控制技术，设计汽水的自动灌装控制系统，通过软、硬件功能的组态实现汽水灌装机系统的自动化控制，表现在：（a）减少事故。通过监控系统，可以对生产线中各设备的运行情况进行周密监视，发现异常，立即进行报警或停机，把事故控制在最小的范围内，从而提高运行的可靠性。

（b）提高经济效益。实施灌装过程监控后，可以实现大型汽水灌装机控制系统的全自动化，提高生产效率。

（c）改善工作环境。实施监控后，值班人员坐在控制室就可以随时了解整个汽水灌装机控制系统的运行情况，从以往人工操作、实时观察中解脱出来。

（5）论文的主要构成

本文第1部分对汽水灌装机控制系统的认识和灌装设备的介绍；第2部分介绍的是汽水灌装机控制系统的工艺流程，首先介绍了汽水灌装机控制系统的工作过程和传动原理，其次介绍了汽水灌装机控制系统的其他几个重要小部件；第3部分介绍的是汽水灌装机控制系统的硬件设计，主要有PLC的选型和PLC的连接。第4部分介绍的是汽水灌装机控制系统的软件设计，主要是对PLC软件和系统程序的设计进行介绍，并结合汽水灌装机控制系统的具体控制要求，对I/O进行分配；第5部分介绍的世纪星组态画

面的设计，首先对该软件进行了简单的介绍，然后结合PLC控制原理与程序流程图，实现组态画面的控制。第6部分是监控系统通信的实现和系统现场的调试。

1 灌装控制系统总体介绍

1.1 灌装机的主要类型

按灌装瓶的主要运动形式分类

1.1.1 旋转型灌装机

待灌瓶由传送系统（一般经洗瓶机由输送带输入）或人工送入灌装机进瓶机构，瓶子由灌装机转盘带动绕主立轴旋转运动进行连续灌装，转动近一周时瓶子己灌满，然后由转盘送入压盖机进行压盖，如图1.1所示。

图1.1 灌装过程的俯视图

这种灌装机在食品、饮料行业应用最广泛，如汽水、果汁、啤酒、牛奶的灌装，此机主要由流体输送（即供料系统）、容器输送（即供瓶系统）、灌装阀、大转盘、传动系统、机体、自控等部分所组成，其中灌装阀是保证灌装机能否正常工作的关键。1.1.2 直线型灌装机

灌装瓶沿着平直的直线运动，进行成排灌装。如图1.2，凡送来一排空瓶由推瓶板向前推送一次，到送至灌液管的下方时，阀门打开进行灌装，间歇进行操作。

I：定量灌装，Ⅱ：上盖，Ⅲ：将盖拧紧，Ⅳ：贴商标，Ⅴ：待装盒装箱1：推瓶板，2：限位拨盘，3，11，13：传送带，4：传送盘，5：瓶子，6：上盖机构，

7：料斗，8：拧紧机构，9：商标盒，10：浆糊盒，12：推料板，14：贮液箱，15：灌装管

图1.2 直线灌装机工作原理图

这种灌装机相对旋转灌装机来讲，结构比较简单，制造方便，但占地面积比较大，而且是间歇运动，生产能力的提高也受到一定限制，因此一般只用于无汽液料类的灌装，局限性较大。

1.2 灌装的基本方法介绍

各种液体产品的物理性质和化学性质均不相同，在灌装过程中，为了使产品的特性保持不变，必须采用不同的灌装方法。一般灌装机常采用下列几种灌装方法：（1）常压法

常压法也称纯重力法，即在常压下，液料依靠自重流进包装容器内。大部分能自由流动的不含气液料都可用此法灌装，例如白酒、果酒、牛奶、酱油、醋等。

（2）等压法

等压法也称压力重力式灌装法，即在高于大气压的条件下，首先对包装容器充气，使之形成与贮液箱内相等的气压，然后再依靠被灌液料的自重流进包装容器内。这种方法普遍用于含气饮料，如啤酒、汽水、汽酒等的灌装。采用此种方法灌装，可以减少这类产品中所含CO2的损失，并能防止灌装过程中过量起泡而影响产品质量和定量精度。

（3）真空法

真空法是在低于大气压的条件下进行灌装的，可按两种方式进行：

（a）压差真空式

即贮液箱内处于常压，只对包装容器抽气使之形成真空，液料依靠贮液箱与待灌容器间的压差作用产生流动而完成灌装，国内此种方法较常用。

（b）重力真空式

即贮液箱内处于真空，包装容器首先抽气使之形成与贮液箱内相等的真空，随后液料依靠自重流进包装容器内，因结构较复杂，国内较少用。真空法灌装应用面较广，它即适用于灌装粘度稍大的液体物料，如油类、糖浆等。也适用于灌装含维生素的液体物料，如蔬菜汁、果子汁等，瓶内形成真空就意味着减少了液料与空气的接触，延长了产品的保质期，真空法还适用于灌装有毒的物料，如农药等，以减少毒性气体的外溢，改善劳动条件。

（4）压力法

利用机械压力或气压，将被灌物料挤入包装容器内，这种方法主要用于灌装粘度较大的稠性物料，例如灌装番茄酱、肉糜、牙膏、香脂等。有时也可用于汽水一类软饮料的灌装，这时靠汽水本身的气压直接灌入未经充气等压的瓶内，从而提高了灌装速度，形成的泡沫因汽水中无胶体尚易消失，对灌装质量有一定影响[7]。

1.3 灌装机以及灌装方式的确定

1.3.1 灌装机的确定

旋转式灌装机无论在生产效率还是在生产质量上都远远高于直线型灌装机，对比直线性灌装机，旋转式灌装机的设备更高效化、自动化和节能化。今天的旋转式灌装机自动灌装机的生产能力己达每分钟2000瓶。因此本设计采用旋转式灌装机来进行研究。

1.3.2 灌装方式的确定

灌装方式的选择，除了考虑液体本身的工艺性能如粘度、重度、含气性、挥发性外，还必须考虑产品的工艺要求、灌装机的机械结构等综合因素。对于一般的食用液料如瓶装牛奶、瓶装酒类、碳酸饮料等，可以采用真空—等压法，也可直接采用等压法。真空—等压法是灌装前对瓶内抽取真空，然后再充入CO2进行等压灌装。为了减少灌装时酒料类的液体的含氧气量，以便延长产品的保质期，采用较大的真空度的—等压法更有利。采用真空法其灌装阀的结构较简单，液漏损失小。但是真空法较之等压法需增加设备成本，而且，氧气量对碳酸饮料的影响不大，在节能的方面考虑，可直接采用等压灌装法。

碳酸饮料采用等压灌装法可以有效的防止灌装过程中C02气体的损失，等压灌装即先向瓶子中充气，使容器内压力与贮液缸内的压力相等，再将贮液缸内的液体灌入容器内。贮液缸是全封闭的，它由贮液室、背压气室、回气室三室组成。在往贮液缸输送液

体之前，先往贮液缸内通入压缩气体（无菌空气或CO2，使贮液缸的气室保持一定的压力（0. 1 ~-0. 9MPa ），该气体压力必须等于或稍高于液体物料中CO2溶解量的饱和压力，使饮料中的CO2溶解。等压灌装法可以减少CO2的损失，保持含气饮料的质量，并能防止灌装中过量泛泡，保证灌装计量准确。所以本系统在设计中选用等压灌装法。

2 汽水灌装机控制系统设计方案

2.1 总体设计思路

根据要求和目前生产线的具体情况，并结合目前先进装配系统的设计方案，确定了以下总体设计思路。采用可编程控制器(PLC)作为控制系统的主控制元件，传感器作为检测元件构成生产、控制系统。一台上位计算机通过通讯网络与PLC相连，用于生产线的监控和产品数据的记录处理。整条汽水灌装机控制系统由一台PLC、灌装机以及次品捡出器和指示灯等其它元件构成。瓶子在灌装机中依次完成：1、进气，2、进液回气；

3、停止进液；

4、排除余液等4个步骤。同时生产线上的各种检测状态传感器全部接入到PLC中，由PLC根据传感器的检测状态通过编制好的程序控制整个系统工作。

操作时，在PLC上编制好的程序作为系统工作的条件。通过PLC上的开关和指示灯等进行对系统功能的操作和监控系统的工作过程[9]。

2.2 汽水灌装机控制系统的具体流程

系统采用了国际上较为先进的灌装设备—旋转型全自动灌装机。设计的灌装过程是：洗瓶机将瓶子的里外洗净并经检查后，由传送带送入自动灌装机的限位机构，根据规定的要求按一定的距离排列好，限位机构准确地将瓶送入瓶的升降机构。升降机构把升降托盘顶起，瓶子随之上升，当瓶口卡住阀门的定心罩时打开多移阀的气门，充气等压，然后打开液门，进行灌液，灌液完毕后进行压力释放，然后关闭液门、气门。完成上述几步之后，瓶子的升降机构立即进入下降滑道，在下降滑道的作用下，升降托盘被滑道强制下降，因而装好的瓶子随之下降到最低位置，当转过一定角度后，瓶子进入传递轮子的区域，被传递轮子退出，送去进行上盖并包装，这样就完成了整个灌装工作的一个工作循环过程。系统设计流程图如图2.1所示。

图2.1 系统设计流程图

3 汽水灌装机控制系统的硬件设计

3.1 PLC的选型

3.1.1 选择PLC控制的原因

可编程控制器是以微处理器为核心的专用计算机，是专为工厂现场应用环境设计的，利用它面向用户的编程语言，不仅能实现逻辑控制，还能实现各种顺序和定时控制以及复杂的闭环控制；利用它内部大量的辅助继电器可以实现无触点控制；利用它控制可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、在恶劣环境下能长时间不间断运行、编程容易且维护工作量小、还配有通讯接口和各种模块的特点，可以把它作为下位机放在自动生产线的工作现场完成各种控制任务。正是因为可编程控制器有这些优良的特性，再加上饮料灌装过程中有大量的顺序控制，所以选用PLC来对灌装设备进行控制。

3.1.2 PLC介绍

可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC （Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。

PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内，使控制器和被控对象连接方便。

70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑（Logic）判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。

国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：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。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计[3]。

可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，

可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有以下明显的特点：

（1）可靠性高，抗干扰能力强：PLC采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。同时在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

（2）编程直观、简单：梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

（3）适应性好：PLC产品在抗电磁、噪声干扰、有害废气的腐蚀、高温、粉尘等恶劣条件有很高的能力。能直接和现场各种单元相连接。

（4）功能完善，接口功能强：除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

虽然计算机控制技术已经产生，但是PLC控制因为它的高性能、成本低、并且对恶劣的环境有很强的适应能力而在工业控制的广泛应用中保持优势[2]。

3.1.3 PLC型号的选择

本设计选用OMRON公司的CPM2A型PLC。能基本满足系统设计的要求。

日本OMRON公司是世界上生产可编程序控制器（PC）的著名厂家之一，OMRON 的大、中、小、微型机各具特色各有所长，在中国市场上的占有率位居前列，在国内用户中享有较高声誉。

1999年，OMRON在推出CS1系列的同时，在小型机方面相继推出CPM2A/CP M2C/CPM2AE、CQM1H等机型。

CPM2A是CPM1A之后的另一系列机型。CPM2A的功能比CPM1A有新的提升，例如，CPM2A指令的条数增加、功能增强、执行速度加快，可扩展的I/O点数、PC内部器件的数目、程序容量、数据存储器容量等也都增加了；所有CPM2A的CPU单元都自带RS232C口，在通信联网方面比CPM1A改进不少。

CPM2A的基本指令与CPM1A相同，都是14种，但CPM2A的应用指令增加到105种、185条；CPM2A的工作速度明显加快，基本指令LD的执行时间为0.64us，应用指令MOV的执行时间为7.8us；程序容量增加到4096字；读/写DM增加到2048字；最

大I/O点数可扩展到120点；内部器件数目也有增加，如内部辅助继电器区（IR）928位，特殊继电器区（SR）448位，定时器/计数器256位，辅助继电器区（AR）384位[1]。

3.2 PLC硬件系统的连接

系统采用了OMRON的CPM2A型号PLC，其主机上有12点输入，8点输出。汽水灌装机控制系统的控制环节采用上位机和下位机组成，下位机直接控制汽水灌装机控制系统中各个设备的工作运行，上位机负责对系统的工作运行的状况进行监视，其中上位机通过COM端口用RS-232与PLC相连进行通信的，而PLC需先接入220V交流电源，再将启动﹑停止按钮以及各个限位开关通过24V直流电源连接到PLC的输入端口上，系接线图，如图3.1所示[4]。

图3.1 系统硬件连接图