基于plc的旋转灌装机控制系统设计_本科毕业论文(编辑修改稿)

基于plc的旋转灌装机控制系统设计_本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

继电器是一种小信号的自动控制电器，利用电流、电压、速度 、时间、温度等物理量的预定值作为控制信号来实现接通和分断电路。 这种控制模式常采用继电器与接触器结合使用的控制方式，由各类有触头的电气元件组成，通过触头的闭合或断开来实现对电机的启动控制、制动和调速控制。 这种控制方式的主要特点是价格低，线路设计简单，安装和调整都相对方便，是简单机械设备最基本的控制形式 [9]。 近年来， PLC以其独有的特点迅速发展起来，越来越多地应用于工业生产中，与继电器模式相比， PLC 具有以下优点： 1)在应用方面， PLC 采用了微处理机技术和通信技术，可广泛应用于顺序控制、运动控制、通信、 数据管理等领域，并具有极强的柔性；而继电器的应用范围有限，对小型问题的解决往往连线复杂，使得控制柜庞大，可靠性降低，不具有柔性。 2) 在控制速度上， PLC 控制是由程序控制大量的内部软元件实现的，并不实际动作，所以 PLC 控制中，只有程序的执行时间，各软元件的动作并无延时，相对来说响应速度快，机械故障少。 3) 在可维护性上，继电器控制模式是依靠电气元件的机械触头动作来实现整个控制系统的功能，控制中使用的所有电气元件都要进行接线，这就使得安装变得相对较麻烦，而且出现故障时也不好找出故障根源，使系统维修和保养起 来相对费时； PLC 控制中大量的继电器功能都是 由 系统软元件或内部继电器来完成的，因此相对继电器模块来说，稳定性有很大提高。 另外，在施 工 和设计过程中， PLC 控制也比继电器控制更为方便省 时。 灌装机作为包装机械的重要组成部分，最大的特点就是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件 [9]。 在这种场合使用继电器逻辑控制必然需要大量的 中间 继电器，而这些中间继电器在用 PLC 控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程来取代。 从物理介质方面来讲前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是用到 PLC 的内部寄存器，在 PLC编程容量 许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的逻辑控制。 一般的 PLC 都有江苏大学本科毕业设计 7 上百点内部辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部继电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对 PLC进行编程。 除此之外， PLC 相对于其他的工业控制系统还具有更多的优点 [8][10]: 1) 易操作且共用性好 PLC 技术经过多年的研究和发展已日趋成熟，其产品也从原来的整机式向模块式发展，并且产品品种多，种类齐全。 设计时设计者可根据控制系统的特点及需求选用其 PLC模块组成控制系统，然后进行输入和输出点的定义及接线即完成了所需系 统的硬件设计。 硬件配置确定以后，通过修改用户程序可以快速改变控制系统的工作状态。 2) 功能多，环境适应性好 简单可编程控制器可以实现逻辑运算、计时、计数和顺控等功能，此外，还有各种功能模块可供选择，如可进行数据转换的 A/D 和 D/A 模块、用于伺服电机和 步 进电机运动控制的定位模块及 PLC 之间交换数据的通信模块等，实现对生产现场不同类型数据的控制，可以应用于各类复杂程度不等的控制对象，控制对象可以从一台生产机械到一个生产过程。 用户根据自己的需求确定硬件配置后就可以组成所需的控制系统。 3) 良好的稳定性和防干扰 能力 可编程控制器是 “ 专为工业环境下应用而设计 ” 的产品，防干扰能力好。 4) 编程易学易懂 可编程控制器采用梯形图形式进行编程，易学易懂，对参与人员的专业水平要求不高，可操作性强，用户能方便的读取程序并对程序进行编写和修改。 5) 设计、安装、调试方便简单 模块化设计，且中间继电器少，大大减少了时间延迟及由于机械触头带来的故障问题，使用性能好，且设计、安装、维护的工作量也大为减少。 6) 封装性好、能耗不高 体积小，封装性好，结构更为紧凑、坚固，重量轻，功耗相对于其他控制系统而言大为降低，是电气控制系统的首 选产品。 PLC 的应用范围 由于 PLC 适应性广，使用稳定性好，防干扰能力强等优点，己被广泛应用于工业生产的各个领域，特别是大中型企业生产规模的不断扩大化和自动化，使得近年来对 PLC 的需求量越来越大 [10]。 江苏大学本科毕业设计 8 (1)开关量的逻辑控制 不同的控制系统虽然控制方式不同，但都能实现开关量的逻辑控制。 用继电器一接触器模式实现逻辑控制时，需要使用大量的机械触头，从而使得连线多，系统动作时间延迟性大，稳定性变差，且维修成本大。 用 PLC 取代继电器，可以采用系统软元件来实现其控制要求，系统稳定性好。 特别是自 动生产线的控制，优势更加明显，如数控机床的电气控制、包装机械控制、运输带控制等。 (2)运动控制 PLC 有专门的运动控制模块，如 QD70 系列，可以实现对多轴的复杂运动进行控制，控制精度高，响应速度快。 并且 PLC 有专门的运动控制中央处理器，可以实现最多对 96轴的运动控制，配合以定位模块，尤其适合于大型的运动控制系统。 (3)闭环过程控制 闭环过程控制与逻辑控制相对，它主要是对模拟量进行控制，这些模拟量都是连续变化的，如压力、温度等。 PLC 配备有模拟量输入模块和模数及数模转换模块，可以实现数字量和模拟量之间的相 互转换。 闭环过程控制现己广泛应用到中、大型 PLC控制中，过程控制广泛应用于热处理炉、压力灌装机械、塑料成型设备等。 (4)数据处理 PLC 具有强大的数据处理能力，不仅可以进行逻辑运算，还可以进行复杂的数学运算，如函数运算、矩阵运算等功能。 此外， PLC 如一般计算机一样可以进行数据存储、不同设备之间的数据传输等。 (5)通信联网 PLC 通过 USB 接口、 RS232/RS485 接口以及各种不同类型的连接电缆，以实现多个可编程控制器、可编程控制器与操作终端、可编程控制器与其他设备等之间互相通信，进行数据的传输和处理 ，并以此来构成数据网络，形成集中管理加分散控制的分布式控制系统。 第 2 章 XG24128 型灌装机控制系统方案设计 XG24128 型灌装机的工艺要求 课题研究的是伺服泵高速清洗灌装旋盖三合一机，为 24头旋转型液体灌装机，主要灌装介质为食用油和普通饮料。 该灌装机结构上主要由风道进瓶组件、清洗组件、灌装组件、旋盖组件、出瓶组件五大部分组成，要求对于 500ml 的 PET 瓶可以实现高速稳定精确江苏大学本科毕业设计 9 灌装，且实现无瓶不灌装、无瓶不加盖及在线清洗等功能。 课题研究的 24 头旋转型伺服泵高速清洗灌装旋盖三合一机型号为 XG24128，下述中均以 XG24128 代表此灌装机，它的主要技术要求为： (1) 灌装速度从 12020 瓶 /h提高到 18000 瓶 /h以上； (2) 灌装对象为 500ml 的 PET 瓶，灌装介质为食用油和普通饮料 ； (3) 灌装的容量误差《 3%。 ，不合格品数量《 %，包材利用率》 %； (4) 保证灌装时无滴漏、无泡沫产生； (5) 保证无瓶不灌装，无瓶不加盖； (6) 可以实现完整的 CIP 清洗（不拆卸设备、零部件、管道的情况下，通过使用清洗溶液对设备进行清洗后能达到食品生产的卫生级要求）； (7) 单个封盖头的工作效率达到 20202200 瓶 /小时以上； (8) 灌装机设计符合国标 GB167891997 食品机械安全卫生要求。 XG24128 型灌装机的整体结构 论文所研究的 XG24128 型灌装机三维示意图（灌装组件隐藏了防尘罩）如 图 21所示，结构部分主要分为风道进瓶组件、清洗组件、灌装组件、加盖组件、 出瓶组件等部分组成，结构图如阁 22所示，各组件及其作用如下： 11图 21 灌装机三维示意图江苏大学本科毕业设计 10 图 22 灌装机结构图 1— 机箱组件； 2— 风道进瓶组件； 3— 过渡 盘 Ⅰ ； 4 一洗瓶组件； 5— 过渡盘 Ⅱ ； 江苏大学本科毕业设计 11 6— 灌装组件； 7— 过渡盘 Ⅲ ； 8— 供盖组件； 9 一加盖组件； 10— 出瓶组件 机箱组件 机箱组件的主要作用是固定和支撑其他组件、控制系统、传动系统，保证其具有正确的相对位置及运转时的稳定性，从而使整个灌装系统正常工作 [11]。 风道进瓶组件 XG24128 型灌装机的灌装对象为 500ml PET 瓶，由于空瓶质量较轻，所以进瓶动力由风力提供。 风道进瓶组件的左右刮瓶板配合使用，卡在瓶口的螺旋位置，使其在风力作用下沿刮瓶板向下一组件移动。 风道进瓶组件的末端设计有一电磁体挡瓶机构，在挡瓶机构作用下，空瓶保持一定间距进入过渡盘 I ，以防止卡瓶。 过渡盘 I 空瓶由风道进瓶组件进入洗瓶组件的过渡盘。 洗瓶组件 主要对空瓶内外壁进行清洗。 空瓶从过渡盘 I进入洗瓶组件后沿空间曲线导轨先旋转180 度垂直倒置瓶口向下，清洁水由分水 盘流经管道，经过喷头高速喷出冲洗瓶子内壁后沿内壁流出；同时，清洗区的外喷头喷水清洁瓶子外壁。 清洗过的瓶子沿曲线导轨再旋转180 度瓶口向上，清洗后的瓶子经由过渡盘 II进入灌装组件准备灌装。 过渡盘 II 空瓶由清洗组件进入灌装组件的过渡盘。 灌装组件 灌装组件由 24 个灌装头组成，空瓶进入灌装组件后运动到灌装位置时开 始灌装。 灌装采用跟踪灌装模式，灌装头与液面始终保持一定距离，既可提高灌装速度，又可减少气泡和飞溅。 灌液的同时，瓶子跟随灌装组件一起转动，运动到出瓶位置时，灌满的瓶子经由过渡盘 III 进入加盖组件。 灌装组件的 24 个灌装头山 12 套伺服泵控制，每套伺服泵控制沿 180 度直线分布的两个灌装头，每套伺服泵都配备有一套由 步 进电机控制的换向机构，用于控制陶瓷泵在三个液口之间转换。 灌装开 始工位处安装有有无瓶检测传感器，当传感器检测到相应工位无瓶时， PLC 发出指令控制对应的伺服菜不动作，实现无瓶不灌装。 灌装组件安装有灌装主电机，同时也是整个灌装机的运转电机，通过齿轮传动系统带动其他组件旋转，使瓶子从进瓶组件完成整个灌装流程由出瓶组件出瓶。 过渡盘Ⅲ 瓶子由 灌装组件进入旋盖组件的过渡盘。 江苏大学本科毕业设计 12 供盖机构 供盖机构的作 用是向加盖系统提供瓶盖，并且保证在供盖机构的作用下，瓶盖进入旋盖头时开口向下，以便于旋盖。 同时，供盖机构的末端设有电磁体挡盖机构，当传感器检测到相应工位无瓶时，挡盖机构作用，使空瓶位相对应的旋盖头无盖，实现无瓶不加盖。 加盖组件 灌满液体的瓶子经由过渡盘 III进入加盖组件，在旋盖头的作用下将瓶盖旋紧，完成加盖。 旋盖组件共有 8 个旋盖头，由 8 套伺服电机采用扭矩控制模式对扭矩进行控制，以保证自动上盖率的同时，防止拧不紧或拧裂等情况。 出瓶组件 灌满并加盖完成以后的瓶子在导瓶盘作用下进入出瓶组件，由 3个后 输送电机带动，在出瓶口出瓶，完成整个灌装流程。 XG24128型灌装机控制系统的方案设计 电气控制系统的组成 上一小节简单介绍了 XG24128 型灌装机的结构部分，主要由进瓶 洗瓶 灌装 加盖 出瓶等组件组成，控制系统的作用就是对 开 关、按钮、传感器等输入信号进行分析，从而做出响应来控制各执行机构完成相应的动作，使整个灌装过程准确而有序得进行。 图 23为常用的电气控制系统的组成图。 江苏大学本科毕业设计 13 (1)输入元件 输入元件的主要作用是将操作者的命令或由传感器、编码器等检测到的其他外部信息输入到 控制中心。 常用的输入元件有主令电 器（按钮开 关、行程开关等）、各类传感器（位置传感器、压力传感器等）、编码器（反映物体的相对或绝对运动距离）等。 (2)控制中心 控制中心的主要作用是对输入信号进行存储、分析、运算或判断，将工作命令以输出信号的形式传递给执行机构。 常用的控制中心部件有可编程控制器 (PLC)和继电器。 (3)执行机构 执行机构的作用是接收控制中心的输出信号，执行工作命令常用的执行机构有：电动机、电磁体、伺服电机、步进电机等。 XG24128 型灌装机的工艺流程 工艺流程是控制系统 设计的主要依据，也是控制系统依托机械部分要实现的目标，不同的工艺流程，其控制方案也不同。 图 24为 XG24128 型灌装机的工艺流程图，由工艺流程图可以看出，灌装工艺由分为瓶子和瓶盖两条分支。 空瓶在风力作用下进入风道进瓶组件后，经由过渡盘 I进入到洗瓶组件，在洗瓶组件完成瓶子内外壁的清洁后进入灌装组件进行灌装，灌装完成后的瓶子在过渡盘 III 带动下进入加盖组件；与此同时，瓶盖在供盖机构作用下进入加盖组件，对灌满后的瓶子完成加盖动作后，在出瓶机构的作用下出瓶，完成整个灌装流程。 此工艺流程也是旋转型灌装机的典型 工艺流程。 XG24128 型灌装机的控制方案 根据 XG24128 型灌装机的工艺要求，对照其灌装的工艺流程，依据一般电气系统的组成确定控制系统各部分如下： 江苏大学本科毕业设计 14 输入元件：按钮开 关（控制复位、启动、停止、清洗、急停）、传感器（有瓶灌装检测、有瓶放盖检测、缺盖检测、无盖检测、极限位置检测、出瓶堵瓶检测、灌装完成检测等）、变频器、编码器。 控制中心： XG24128 型灌装机输入 /输出信号多，且要求控制速度快而准确，时间延。