中央广播电视大学本科毕业论文

安徽广播电视大学本科毕业论文

题目：《可编程控制器在饮料包装生产线上应用的探讨》

学校名称：安徽广播电视大学合肥分校

专业名称：  10秋机电一体化本科班

课题名称：  可编程控制器在饮料

包装生产线上应用的探讨   

学生姓名：        李 克 嵩

指导教师：        马自 忠         

2012年12月5日

安徽广播电视大学合肥分校毕业设计（论文）任务书

（生本人应该按照指导教师下达的任务要求认真誊写）

学号：1034001252072；姓名：李克嵩； 班级：10秋机械设计制造及自动化；指导教师：马 自 忠

一、课题名称：

题目：《可编程控制器在饮料包装生产线上应用的探讨》

二、课题设计的技术要求与数据（或论文主要内容）：

【主要内容】：可控编程器以其控制自动化程度、高效编程、简单易操作广泛应用于工业自动化控制领域，利用PLC可控逻辑编程器的包装系统，可扩展性强，操作灵活，可控精度高，显著消除包装工序、贴标等造成的误差，极大地提高了企业生产效率、产品质量。可编程控制器在饮料包装生产线中起着核心作用。

三、课题设计（论文）任务及要求：

1、了解可编程控制器

2、了解可编程控制器在生产线上的作用

四、进度计划与应完成的工作：

第一阶段：2012.09.05—20：选题，搜集资料。

第二阶段：2012.09-----11：编写主要内容和论文要求。

第三阶段：2012.11.01—10：结论，谢辞 。          【第一稿完成】

第四阶段：2012.11.12—28：对第一稿进行修改。

五、同组设计（论文）完成者：   李克嵩

六、主要参考文献、资料：

[1]高钦和《可编程控制器应用技术与设计实例》[M]人民邮电出版社2006.北京

[2]谢少荣，罗均，吴安德。《常用可变程序控制器及其应用》[M]化工出版社.2006北京

[3]鲁远栋。《PLC机电控制系统应用设计技术》[M]电子工业出版社。2006北京

[4]周万珍，高鸿斌《PLC分析与设计应用》[M]电子工业出版社2005.北京

七、 指导教师签字：                  

          时    间：          年    月    日

内容摘要

  可编程控制器具有多种功能以及很高的可靠性，这使得它在工厂中倍受欢迎。在工业控制中得到了广泛使用，成为现代工业自动化的支柱。本文从可编程控制器的产生和发展过程，分析了可编程控制器PLC在饮料包装生产线上的作用及发展，结合本人在网络上接学校所了解到的信息，对PLC 应用中的问题进行了分析，系统体现了PLC 的先进性、稳定可靠性、安全性、可扩展型、可维护性、可操作性的优点，并畅想了PLC的发展前景。

关键词

可编程控制器 自动化控制 包装工业

目        录

内容摘要………………………………………………………………… 1

1、引言……………………………………………………………………1

2、可编程控制器的功能特点…………………………………… 3

2.1使用方便，编程简单………………………………… 3

2.2功能强，性能价格比高……………………………… 3

2.3硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强………… 3

2.4可靠性高，抗干扰能力强…………………………… 4

2.5系统的设计、安装、调试工作量少………………… 4

2.6维修工作量小，维修方便…………………………… 4

3、可编程控制器在罐装饮料生产线上的作用………………………  5

   3.1、罐装饮料生产线的简介……………………………………… 5

   3.2、可编程控制器代替人工进行罐装、检测、等工作………… 5

   3.3、可编程控制器的自动罐装及自动传输……………………… 7

   3.4、可编程控制器在生产线上的发展趋势……………………… 8

4、结束语………………………………………………………………  10

5、谢词……………………………………………………………………10

可编程控制器在饮料包装生产线上应用的探讨

专业：10春机械设计制造及其自动化；学号：1034001252072； 姓名：李克嵩

1、引   言

可编程控制器(Programmable Logic Controller)，而实际生活中谈到的PLC，全称叫可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），继1969年由美国数字设备公司首先研制出第一台可编程控制器，近30年来，随着计算机技术的飞速发展，PLC可编程控制器不断地吸收和融合当今最先进的CPU技术，可编程控制器在工业自动化领域广泛的使用，目前已成为电气控制领域的主流技术，正不断更新和发展。PLC编程语言的国际标准IECll31—3；IECll31—3使得所有PLC使用相同的概念，平台程序可以互相移植，从而整体降低自动化控制系统的费用。随着人们生活价值观、生活水平的不断提高，人们对饮料、果汁、奶制品等各种饮料产品的需求不断增加，这使得各企业对饮料的包装生产线技术提出了更高的要求，可编程控制器在其中作为核心控制器部件，起着决定性作用。

2.1、可编程控制器的功能特点

可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。

2.1使用方便，编程简单

采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。

2.2功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

2.3硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。

硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

2.4可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

2.5系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

2.6维修工作量小，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故。

3、可编程控制器在罐装饮料生产线上的作用

3.1、罐装饮料生产线的介绍

  罐装饮料生产线是由电机、传送带、传感器、电磁阀构成的系统。罐装饮料生产线系统工作示意图，如图1所示。采用电机驱动皮带将饮料瓶传送到罐装装置口下方，传感器检测到瓶子到来后，电磁阀打开，进行罐装，当传感器感应到饮料装满后，电磁阀关闭，饮料被传送到盖盖装置下方，机械手盖盖，完成后，进行分拣，最后成品装箱。

  饮料的罐装是采用饮料灌装机，饮料灌装机将罐装生产线装置集合在一起，使饮料的罐装稳定、高效的完成。

3.2、可编程控制器代替人工进行罐装、检测、等工作

  空瓶的检测、满瓶检测、灌装液位检测、标签检测等等，采用PLC实现自动化控制是必然的，对于现代化的灌装生产线大都采用回转式布置，结合DCS即Distributed Control System集散控制系统适应分散的过程控制，以集中的监视、操作、管理达到掌握全线工作状况为目的，使工作人员无论在办公室还是在生产现场，都能实时的通过控制管理系统了解全厂的生产运行状况和运行中的各项技术指标。实际工况中，灌装生产线控制流程大致分为以下三大步，

㈠①首先空瓶送入站→②PLC可编程控制器→③自动卸载机→④自动清洗机→⑤电脑空瓶检查仪→⑥废品送出站 + 全自动装压盖机；

㈡①瓶盖料库→②电脑瓶盖检测→③全自动装压盖机；

㈢①饮料混合器→②PLC可编程控制器→③全自动装压盖机（㈠+㈡）→④电脑液面测量→⑤电脑贴标机→⑥电脑喷墨打印机→⑦PLC可编程控制器→⑧自动装箱机→⑩成品送出站；

通过㈠、㈡、㈢，绘制其流程图如图1所示，

图1 灌装生产线

从图1中可看出，可编程控制器PLC贯穿于灌装生产线始终，从而达到自动化控制，高效管理的目的。

  由此可见PLC可编程控制系统可以代替人工精确操作设备，达到更好的生产效果。除此之外还有些产品需要更加精确的控制，人工操作将花费大量的人力，精力，时间等等，如果采用PLC可编程控制系统来精确操作，那将大大的减少各个方面的花费。例如哇哈哈饮料就需要插入吸管。饮料需要插上吸管，吸管的精确控制显得尤为关键。吸管投放单元根据饮料包装生产线的生产任务要求，抓取吸管并投放在瓶上，完成添加吸管的功能。其吸管与饮料瓶于传送带上分布图如图2所示。

吸管抓取后放在饮料瓶上，生产上采用C4机器手（采用“PLC+运动控制单元”的控制系统，李占贤等人将其成功的应用于并联机械手的控制中，并通过PLC完成了机械手轨迹规划、控制数据通讯等任务，保证了机械手的性能）。依靠视觉系统，机械手进行工作，抓取后放到饮料瓶上。由于机械手的高灵活性及智能性，一般生产上具有两台机械手的吸管投放单元工作模式以保证生产过程的连续，大大提高了整条生产线的柔性。

图2吸管及瓶装传送图

通过上述过程，可见PLC可编程控制器就是基于一定功能任务开发的，主要流程简化为图3所示，

图3 PLC可编程控制器任务结构

从图3可看出，PLC可控编程器就是根据每一个功能块，设计响应的程序，去完成响应的任务，实现多任务多功能控制策略，实现智能化等特征。

3.3可编程控制器的自动罐装及自动传输

国内现有大部分生产线采用三菱FX 系列PLC 作为设备的自动控制系统。制作绿茶的过程：瓶装绿茶的制作分为绿茶制作和饮料瓶制作两部分，这两部分是在不同流水线进行的；制作绿茶首先是融糖和萃茶，然后将半成品茶进行高温消毒，之后将茶水灌装在饮料瓶中；设备有：溶糖和萃茶用到的高速溶解机，搅拌机；高温消毒用到的UHT 高温消毒机。同时进行饮料瓶的制造，饮料瓶的原料是PET 树脂，经过粉碎，融化，铸胚，吹瓶等步骤制造而成。制成的饮料瓶经过消毒，送入灌装间，经过灌装，旋盖等工序。此时由于绿茶的温度还很高（大约86- 89 摄氏度），所以还要进入冷瓶机进行冷却，采用蒸汽冷却，冷却过后的绿茶再经过套标机套上商标。在生产厂区主要设备工作电压都是380V。变压过程如下：通过开闭锁送入的电压是10KV，进入高压配电柜，配电柜将电力输送给变压器，经过变压器把10KV 的电压变成400V，再送往各负载。三菱FX2N 系列是小型化、高速度、高性能的PLC 产品，包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块。控制点数为16 至256 点(主单元：16/32/48/64/80/128 点)：系统配置既固定又灵活，可以在基本单元上连接单元或扩展，可进行16～256 点的灵活输入出组合。在基本单元，扩展单元上可分别连接扩展模块还可连接FXon 系列扩展模块除了具有满足特殊要求的大量特殊功能模块外，6 个基本Fx2n，单元中的每一个单元可扩充到256 个I/O；能进行高速运算；基本指令为：0.08us；应用指令为1.52 至几百us；包括8K 步内置RAM 寄存器；3072 点辅助继电器、256 点计时器、235 点计数器和8000 点数据寄存器；使用标准型号实时时钟；增加了过程控制；完全充足的网络模块使数据通信更容易；使用32 位处理、浮点数、方根和三角几何指令等数学功能。三菱FX2N 系列PLC 的特点是：①高可靠性：平均无故障运行时间为50000h；②适应性强：可在各种恶劣的工业环境中正常运行；③多样化的软件资源；④简单的编程方法。

使用变频器控制的自动传送系统，变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器外部端子调速可分为模拟量调速和多段速调速。模拟量调速可用电压DC0~10V 或电流DC4~20mA，进行无级调速。该厂用0~10V 模拟电压作为给定量，进行开环调速；多段速采用外部输入端子进行三段速调速。三段速分别设置为15Hz﹑30Hz﹑45Hz。在模拟量调速时，通过调整W1﹑W2 的分压比设置KA1 闭合时变频器高速运行，KA2 闭合时为低速运行，当KA1﹑KA2 都断开时，变频器为最高速。通过编程，PLC根据操作台发出的信号，选择控制方式：模拟量调速或多段速调速。变频器的多段速调速比模拟量调速有较高优先级。根据工艺要求，灌装机前面的输送带分成若干段。各带上均有光电传感器探测瓶流速度。PLC 根据瓶流调整各段输送带的速度。变频器的调速方式为两种：①来自灌装机主机变频器的模拟信号DC 0- 10V，经过隔离器转换为线性DC0~10V，再经过电位器分压作为变频器的给定信号，以控制电机，这样可以做到输送带与灌装机的速度很好匹配。②采用多段速控制端子，通过PLC 编程，由PLC发出控制信号以控制速度。PLC 根据灌装机操作台发出的信号来判断使用那种速度控制方式，又根据瓶流情况选择高低速。在模拟信号控制时是通过辅助继电器的组合，经分压控制变频器输出速度。在多段速时通过PLC 的输出分别调节各个变频器的输出频率以达到多段输送带的速度匹配及与灌装机的速度匹配。在模拟控制方式调整中，电位器分压比的调整是个关键。在两种速度控制方式下，分别调整各变频器的多段速度频率及电位器的分压比，做到了输送带速度与灌装机速度很好的匹配，运行稳定可靠。     

PLC自动传送系统可以自动传送工件由上一道到下一道工序。由于生产使用的瓶子和瓶坯数量多，所以采用专用传输装置，既安全可靠、方便快捷，又降低了工人的劳动强度，从而大大提高了生产效率。系统由PLC、伺服电机驱动器、伺服电机、减速系统、皮带传送机构以及机架等系统组成。工作过程：在实际工作时，传送带上固定了托盘以托放工件。托盘一侧安装导轨，一侧安装两个橡胶轮滚动。整个自动传送装置工作过程简述如下：当从左侧放入工件时，光电开关发生信号，传送带启动，并加速向右侧前进传送工件。当遇到接近减速开关时，传送带将进行第一级减速。遇到光电开关时，工件已送到位，传送带安全停车。当工件从右侧取出时，工件将从光电开关上经过，光电开关同时发生信号，传送带启动加速退回。经过光电开关时，将进行第二级减速。遇到光电开关时，安全停车。如此反复运行。当工件较小时，可以一次性传送两件，这时，应把双件／单件按钮旋至双件位置。在系统中，所需的输入开关量为29 点，开关量输出为11 点。考虑到经济性和系统维修的方便性，选择整体式PLC。由于本系统的控制是顺序控制，故选用日本三菱公司生产的FX1N 一64MR 型PLC 来控制较为合理方便，它有32 点输入，32 点输出。由于传送带在实际工作时，其传输速度特别高，电机转速达到3000r/min，所以必须考虑到生产设备及操作人员的安全。首先，在机械方面，采取了一系列的措施，在传送带两侧设立了防护带，以防操作人员误入。同时，在机架左右两侧，均安装了弹簧减震器。其次，除在控制厢上设立急停按钮外，还在机架的4 个角安装了急停按钮，以便发生误操作时紧急停车，在编写软件时，通过梯形网程序对设备参数进行判断，使其产生相应的急停指令。另外，为安全起见，接好线后，要对伺服电机进行试运转，即电机的JOG 功能(只有电机和驱动器在运转)。如果电机在JOG下能正常运转，这就意味着电机和驱动器状态良好，且它们之间的接线也是良好的。

3.4、可编程控制器在生产线上的发展趋势

  微观上说，拿罐装饮料来说，从消毒到检测、罐装、封口、上盖、上标、包装基本达到自动化，人工需要做的只有检查设备运行是否正常，现在的饮料生产线上的PLC只是单机检测，例如灌装机PLC只是检测空瓶是否灌满，封口机检测是否封口，这些单机检测并不是成组控制的。现在PLC设备出现问题需要人工去设备上进行操作，例如复位、撤销等等，假设我们能够有一台中央电脑，管制多个PLC设备，无论其中的任何一个出现问题，我们都不用到车间去设备边上操作，只要在中央电脑上利用远程控制进行复位撤销等工作，这样以来我们减少人力物力浪费在检测设备上，如果设备出现机械性故障在去维修，这就是我们未来发展的方向，可编程控制器的成组控制。

宏观上说，可编程控制器灌装机生产线的优势在于为制造业提供性能优良、稳定可靠的灌装生产线；材料浪费少，在大规模生产中节约成本；根据生产流程进行编程控制，生产效率高；生产过程对环境污染小等等。因此，为适应21世纪高新技术的产业化、满足宏观和开发高性能的灌装生产线势在必行。可以预言，灌装生产线制造技术必将以其无可替代的优势成为21世纪迅速普及的高新技术  。

4、结束语

  可控编程器广泛应用于工业控制领域，已经越来越受欢迎，利用PLC可控逻辑编程器的包装系统，实现灵活操作，可控精度高，控制系统的设计、安装、调试和维修方便，极大地提高生产效率、产品质量，可扩展性强，显著消除包装工序、印刷贴标等造成的误差。归纳之，可编程控制器在现代的智能化、高速化要求下的饮料包装机中起着决定性作用。

5、谢词

从今年九开始，合肥电大的老师们就对我们的毕业设计倾注了很多的心血，毕业设计的顺利完成离不开他们无微不至的关怀，在此对他们表示真诚的感谢！尤其要感谢我的毕业设计导师马自忠副教授，从一开始马老师严谨的治学精神、丰富的学识就对我产生了很大的影响。

  业设计的完成，也预示着我的人生中关键的二年半即将画上一个句号。借此机会，我要感激我的父母给予了我生命，教我如何做人；感谢所有教过我的老师、工程师，他们传授了我宝贵的知识，做人的哲理；感谢我所有的朋友，他们给予我莫大的帮助，伴我度过愉快而有意义的时光。

参 考 文 献

[1]高钦和《可编程控制器应用技术与设计实例》[M]人民邮电出版社2006.北京

[2]谢少荣，罗均，吴安德。《常用可变程序控制器及其应用》[M]化工出版社.2006北京

[3]鲁远栋。《PLC机电控制系统应用设计技术》[M]电子工业出版社。2006北京

[4]周万珍，高鸿斌《PLC分析与设计应用》[M]电子工业出版社2005.北京