【正文】 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 2 概述 一．課題研究背景 幾年前，自動化技術(shù)只占包裝機械設(shè)計的 30%，現(xiàn)在已占 50%以上，大量使用了微電腦設(shè)計和機電一體化控制。 本設(shè)計的目的是利用“ PLC”技術(shù)平臺自主開發(fā)創(chuàng)新， 將機械、電氣和自動化等技術(shù)有機結(jié)合，構(gòu)成實用的飲料灌裝生產(chǎn)線模擬系統(tǒng)。 該控制系統(tǒng)可節(jié)省大量電氣元件、導(dǎo)線與原材料 ,縮短設(shè)計周期 ,減少維修工作量 , 提高加工零件合格率 ,進而提高生產(chǎn)率，而且程序調(diào)整修改方便靈活，提高了設(shè)備的柔性和靈活性。 三．設(shè)計 要求 系統(tǒng)主要基于 PLC200，主要功能是完成飲料灌裝生產(chǎn)過程，明確裝瓶，傳送，蓋蓋，檢測過程，并可以啟動，移位，復(fù)位按鈕進行操作，實現(xiàn)手動，自動全過程。 ： PLC 型號、相關(guān)元器件的選擇以及外部接口電路的設(shè)計。 ：實驗室中連接硬件線路，模擬運行，完成程序的調(diào)試。流水線的實時監(jiān)控，由傳感器檢測。 按下啟動按鈕后，生產(chǎn)線進入自動工作狀態(tài)，具備工作條件后，瓶子隨著傳送帶進入灌裝工序，灌裝完成后傳送帶繼續(xù)啟動運行。檢測滿瓶過程中計數(shù)（正品與次品分別計數(shù)）。 （ 2） 控制要求： ①一旦啟動， M1 主傳送帶驅(qū)動電機啟動并保持到停止開關(guān)動作或者灌裝設(shè)備下的傳感器檢測到一個瓶子時停止，瓶子裝滿飲料后，傳送帶驅(qū)動電機 M1 必須自動啟動，并保持到又檢測到一個瓶子或停止開關(guān)動 作。欠壓保護。 M2 次品傳送帶電動機 （ 1） 功能：帶動次品傳送帶運行 （ 2） 控制要求： ①一旦啟動，則 M2 次品傳送帶驅(qū)動電機啟動，并保持到停止開關(guān)動作。欠壓保護。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 7 M3 灌裝電動機 （ 1） 功能：保持料箱液位 （ 2） 控制要求： ①當料箱中下陷位傳感器動作時， M3 啟動給飲料注入原料，當上限位傳感器動作時， M3 停止。 ③通過交流接觸器實現(xiàn)失壓。 ④通過熱繼電器實現(xiàn)過載，欠相保護。 （ 2） 控制要求： ①當瓶子定位在灌裝設(shè)備下時，停頓 1S，灌裝設(shè)備開始工作，灌裝過程為 5S，灌裝過程應(yīng)有報警顯示， 5S 后停止灌裝并不再顯示報警。電動定量灌裝系統(tǒng)及電磁閥控制計量裝置，可進行精確灌裝，減少浪費。液面低于下陷位液面是恒壓儲液罐為空。 恒壓儲液罐下面是灌裝頭部分，夾瓶裝置由汽缸 1 驅(qū)動下降，下降到位后，夾瓶裝置由汽缸 2 加緊定位，定位夾緊后，灌裝頭由汽缸 3 驅(qū)動下降，到位后灌裝頭電磁閥打開，開始灌裝，延時 5秒電磁閥關(guān)閉，灌裝頭上升，夾瓶裝置放松上升，傳送帶電機啟動。但由于 PC 容易和個人計算機（ Personal Computer）混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用 PLC作為可編程序控制器的縮寫。 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)主要存在以下兩個缺點，一是可靠性差，排除故障困難，因為它是接觸控制，所以當觸點 發(fā)生磨損和斷裂等損壞情況時很難做出相應(yīng)處理；二是靈活性差，總體成本較高。因此當市場需要適應(yīng)新的變化時，PLC 就應(yīng)運而生了。用戶在購到所需的 PLC 后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將 PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。國際電工學(xué)會（ IEC）曾先后于 1982 年、 1985 年和 1987 年發(fā)布了可編程序控制器標準草案的第一，二，三稿，并在 1987 年 2月對 PLC 作了如下定義： 可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計。 PLC的產(chǎn)生和定義 可編程控制器的縮寫為 PLC（ Programmable Logical Controller），是將計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的控制設(shè)備。繼電器控制簡單、實用，但存在著明顯的缺點：設(shè)備體積大，可靠性差，動作速度慢，功能少，難以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制特別是由于它是靠硬連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，一旦動作順序或生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，就必須進行重新設(shè)計、布線、裝配和調(diào)試，所以通用性和靈活性較差。 可編程序控制器一直在發(fā)展中，所以至今尚未對其下最后的定義。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn) 過程。 1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數(shù)宇公司研制出了第一代可編程序控制器，它具有邏輯運算、定時、計數(shù)等順序等功能。但由于 PC（ Personal Computer）已成為個人計算機的代名詞，為了不與之混淆，人們習(xí)慣上仍將可編程控制器稱為 PLC。 1982 年，國際電工委員會（ IEC）制定了 PLC 的標準，在 1987 年 12月頒布的第三稿中，對可編程控制器的定義是：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。這是 PLC 控制優(yōu)于微機控制的一大特點。 在 PLC 設(shè)計中，可以從硬件和軟件兩方面采取措施，防止以上故 障的發(fā)生，以提高其可靠性。 濾波 :對供電系統(tǒng)及輸入 /輸出線路采用多種形式的濾波，如 LC式π型濾波 網(wǎng)絡(luò)，以消除高頻干擾和削弱各種模塊之間的相互影響。 隔離 :在微處理器與輸入 /輸出電路之間，采用光電隔離，有效地隔離輸入 /輸出間電的聯(lián)系，減少故障和誤 動作的可能。 采用模塊式結(jié)構(gòu) :這種結(jié)構(gòu)有助于故障情況下短時修復(fù)。 ②軟件措施有： 故障檢測 :軟件定期地檢測外界環(huán)境，對諸如掉電、強干擾信號等情況能及時進行處理。 設(shè)置了警戒時鐘 WDT:如果程序每循環(huán)執(zhí)行時間超過了 WDT 規(guī)定時間，預(yù)示了程序進入死循環(huán)，立即報警。 對程序及動態(tài)數(shù)據(jù)進行電池后備 :停電后，利用后備電池供電，有關(guān)狀態(tài)及信息就不會因此而丟失。例如美國通用電氣公司制成的PC控制模塊平均無故障率可達 1 千萬小時之多，組成系統(tǒng)后的平均無故障率可達 4 至 5 千萬小時。目前大多數(shù) PLC 采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”，即有傳統(tǒng)控制線 路的清晰直觀，又適合電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣和微機應(yīng)用水平，易于接受，與常用的匯編語言相比，更受歡迎。 PLC 是為車間操作人員而設(shè)計的，一般只要很短時間的訓(xùn)練即能學(xué)會使用。當然， PLC的功能開發(fā)，需要有軟件專家的幫助。所以 PLC 取代繼電器控制，而且具有 繼電器所不具備的無可比擬的優(yōu)點。 （ 4）功能完善 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 12 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)字和模擬量輸入輸出、邏輯和算術(shù)運算、定時、計數(shù)、順序控制、功率驅(qū)動、通信、人機對話、自檢、記錄和顯示功能，使用設(shè)備水平大提高。為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了一些小型PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 （ 6）減少了控制系統(tǒng)設(shè)計及施工的工作量 由于 PLC 采用軟件編程來達到控制功能，而不同于繼電器控制采用接線來達到控制功能，同時 PLC 又能率先進行模擬調(diào)試，并且操作化功能和監(jiān)視化功能很強，這些都減少了許多的工作量。對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號（交流或直流，開關(guān)量或模擬量，電壓或電流，脈沖或電位，強電或弱電），設(shè)計有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備直接連接。 由于 PLC 具備了以上特點，它把微計算機技術(shù)與繼電器控制技術(shù)很好地融合 在一起，最新發(fā)展的 PLC 產(chǎn)品，還把直接數(shù)字控制（ DDC）技術(shù)加進去，并具有 監(jiān)控計算機聯(lián) 網(wǎng)的功能。 Keyene 的 PLC 是基于工業(yè)自動化的生產(chǎn)要求，專業(yè)對應(yīng)生產(chǎn)需要而研發(fā)的PLC。 Keyence 是從傳感器和光學(xué)元件起家，在軟件研發(fā)上的投入非常大，因此它的 PLC 在數(shù)據(jù)采集處理，通信連接，自動化管理上非常突出，而且使河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 13 用性能可靠。 設(shè)計 PLC 基本原則 設(shè)計 PLC 控制時，應(yīng)遵循以下基本原則 (1) 最大限度地滿足被控對象的控制要求 充分發(fā)揮 PLC 的功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計中最重要的一條原則。同時要注意和現(xiàn)場的工程管理人員、工程技術(shù)人員、現(xiàn)場操作人員緊密配合，擬定控制方案，共同解決設(shè)計中的重點問題和疑難問題。這就要求設(shè)計者在系統(tǒng)設(shè)計、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確保控制系統(tǒng)安全可靠。 (3) 力求簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便 一個新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，但新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護也將導(dǎo)致運行資金的增加。這就要求設(shè)計者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護方便、成本低，不宜盲目追求自動化和高指標。這就要求在選擇PLC、輸入 /輸出模塊、 I/O 點數(shù)和內(nèi)存容量時，要適當留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進。 (5) PLC的應(yīng)用 由于 PLC自身的特點和優(yōu)勢， PLC已經(jīng)在工業(yè)控制中得到大量廣泛的應(yīng)用，包括機械，冶金，化工，電力，建筑等，應(yīng)用范圍也在不斷擴大。 邏輯控制是 PLC最基本的應(yīng)用，它可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制裝置，可實現(xiàn)組合邏輯控制，定時控制和順序邏輯 控制等功能。 PLC使用專用的運動控制模塊，可對直線運動或圓周運動的位置，速度和加速度進行控制，實現(xiàn)單軸，雙軸和多軸位置控制，并使順序控制和運動控制有機結(jié)合在一起。 PLC通過其模擬量 I/O模塊，及數(shù)據(jù)處理運算功能，實現(xiàn)對模擬量的閉環(huán)控制。 現(xiàn)代 PLC具有數(shù)學(xué)運算，數(shù)據(jù)傳送轉(zhuǎn)換排序和查表功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集分析處理等操作。 PLC的通信包過主機與遠程 I/O之間的通信，多臺 PLC之間的通信， PLC與其他智能設(shè)備之間的通信。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 15 PLC 的選擇 S7— 200 PLC 的選擇包括對 PLC 的機型、容量、 I/O 模塊、 電源等的選擇。早些時候稱為 CPU21X，其后的改進型稱為 CPU22X。 S722X 系列 PLC 可提供 5 種不同的基本單元和多種規(guī)格的擴展單元。 表 21 給出了 22X 系列 CPU 的基本配置。此外， S7200 系列 PLC 允許在程序中立即讀寫輸入、輸出口，允許在程序中使用中斷，允許設(shè)定通訊任務(wù)的處理時間，允許設(shè)置停止模式數(shù)字量輸出狀態(tài)，可以由用戶自己定義存儲器的掉電保護區(qū)，可以允許數(shù)字量時間，允許設(shè)置停止模式數(shù)字量輸出狀態(tài)，可以由用戶自己定義存儲器的掉電保護區(qū)，可以允許數(shù)字量及模擬量輸入加濾波器，還具有窄脈沖捕捉功能，為復(fù)雜的工業(yè)控制提供了方便。 結(jié)構(gòu)描述： S7200 CPU 將一個微處理器、一個集成電源和數(shù)字量 I/O 點集成在一個緊湊的封裝 中，從而形成了一個功能強大的小型可編程邏輯控制器。 銘牌：型號： Y132M4 功率： 頻率： 50HZ 電壓： 380V 電流： 接法：△ 轉(zhuǎn)速： 1440r/min 電機上一般有這樣的銘牌，用來表示電機參數(shù)。如表 22 所示 表 22 電機磁極個 數(shù)及轉(zhuǎn)速 磁極個數(shù) 2 極 4 極 6 極 8 極 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 17 P（ 磁極對數(shù) ） 1 2 3 4 轉(zhuǎn)速 3000 1500 1000 750 p—— 電機旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)。 電機轉(zhuǎn)速與頻率的公式 n=60f/p 上式中 n—— 電機的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn) /分）； 60—— 每分鐘（秒）； f—— 電源頻率（ HZ）； 在 變頻調(diào)速 系統(tǒng)中，根據(jù)公式 n=60f/p 可知： 改變頻率 f 就可改變轉(zhuǎn)速 降低頻率↓ f，轉(zhuǎn)速就變?。杭? 60 f↓ / p = n↓ 增加頻率↑ f，轉(zhuǎn)速就加大： 即 60 f↑ / p = n↑ 表 23 物理量與單位 物理量 符號 基本單位 單位符號 公式 功 W 焦耳（焦） J W=Fs=Pt 功率 P 瓦特（瓦） W P=W/t=Fv 電流 I 安培（安 ) A I=U/R=W/R 電壓 U 伏特（伏） V U=IR 電阻 R 歐姆（歐） Ω R=U/I=W/II 電功 W 焦耳（焦） J W=UIt=Wt 電功率 P 瓦特（瓦）