流水线自动灌装PLC控制系统设计毕业设计.docx

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毕业设计成果

（方案）

设计题目：

流水线自动灌装PLC控制系统设计

二级学院 航空机械制造学院

专 业 机电一体化技术

班 级 机电1401

学 号 201400191025

姓 名 章全权

指导教师 李红章（副教授）

诚信声明

指导教师签名:

2

学生签名:

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计，是本人在老师的指导下，独立完成所取得的成果。

尽我所知，设计中除特别加以标注的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。

本声明的法律结果由本人承担。

1毕业设计背景与思路 1

1.1设计背景 1

1.2设计思路 1

1.2.1流水线自动灌装PLC控制系统分析 1

1.2.2流水线自动灌装PLC控制系统功能分析 3

2基础知识 4

2. 1PLC简介 4

2. 1.1 PLC定义 4

2.1.2 PLC的基本结构 4

2. 1.3PLC的工作原理 5

2. 1.4 编程语言 6

3流水线灌装自动化PLC控制系统硬件设计 7

3. 1PLC设计介绍 7

3.2饮料灌装流水线的基本结构 7

3. 3PLC的选择 8

3. 3.1PLC选择原则 8

3. 3.2PLC机型选择 8

3.4流水线灌装自动化PLC硬件选择 8

3.5PLC外部硬件设计 10

3.5.1PLCI/0地址分配表 10

3.5.2PLC外部接线图 11

4流水线灌装自动化PLC控制系统软件设计 12

4.1 PLC程序设计方法 12

4.2顺序功能图设计 12

4.3系统梯形图程序设计 13

4.4语句表 15

5流水线自动灌装 17

5.1 PLC程序仿真 17

5.2硬件调试 20

总结 21

参考文献 22

1毕业设计背景与思路

1.1设计背景

随着工业自动化水平日益提高，众多工业企业均面临着传统生产线的改造和重新设计问题。

PLC（可编程序控制器）是以微处理为核心的工业控制装置，它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。

饮料灌装机用于灌装各种各样的瓶装饮料，适合大中型饮料生产厂家，早期的灌装机械大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方法。

本系统采用的饮料分装计量是通过时间和单位时间流量来确定的，计量精度由课编程控制器（PLC）控制确定。

PLC控制具有编程简单、工作可靠、使用方便等特点，在工业自动化控制领域中广泛应用。

1.2设计思路

1.2.1流水线自动灌装PLC控制系统分析

分析流水线自动灌装PLC控制系统如图1-1

图1-1流水线自动灌装PLC控制系统分析图

1.2.2流水线自动灌装PLC控制系统功能分析

（1） 用光电传感器检测空瓶，当空瓶到达储罐下方时，流水线电机停止，料仓口打开,开始灌料，3秒后，料仓口关闭，电机运转，在下一次灌料时，用微波测位移传感器检测瓶中灌料分量是否合格，若合格则到下个环节，若不合格机械手取走瓶。

（2） 保证料仓中物料的补给，流水线电机单方向运转。

此设计是对流水线自动灌装PLC控制的设计。

根据任务书，先对任务书进行分析，根据设计任务书，先对设计题目进行分析，把握整体思路，分析该如何满足设计要求，再对相关注意事项进行改动与任务书相符合。

任务书分析后，针对控制需要对编程控制器进行选择，确定编程控制器PLC。

根据PLC和任务需要对元器件进行选择，确定需要哪些元器件。

随后进行I/O分表的分配，建立PLC外部接线图。

根据设计题目，编写流程分析图。

针对流程分析图，在PLC编程软件上进行分步编写梯形图，逐步完成梯形图的编写；再整体把握设计对控制要求，完善梯形图的编写；最后进行语句表的转换，初步完成设计。

PLC编程软件上完成梯形图后导出，在PLC仿真软件上进行仿真，看是否能达到设计要求。

根据仿真效果再次修改设计，逐步达到要求，完成设计。

2基础知识

2.1 PLC简介

2.1.1 PLC定义

可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

它能执行各种形式和各种级别的复杂控制任务，应用面广，功能强大，使用方便，是当代工业自动化的主要支柱之一。

2.1.2 PLC的基本结构

PLC主要是由CPU模块、输入模块、输出模块、编程计算机和编程软件组成，其控制系统示意图如图2-1所示。

图2-1PLC控制系统示意

（1） CPU模块

CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。

在CPU控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。

存储器用来储存程序和数据。

（2） 储存器

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。

系统存储器用于存放PLC的系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。

现在的PLC一般均采用可电擦除的E2PR0M8

存储器来作为系统存储器和用户存储器。

（3） 输入、输出模块

输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手和脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。

输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入CPU；输出接口电路的作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。

PLC的输入输出接口电路一般采用光耦合隔离技术，可以有效地保护内部电路。

（4） 电源

PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能正常工作。

2.1.3PLC的工作原理

PLC的工作方式为循环扫描方式，当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（1） 输入采样阶段

在读取输入阶段，PLC把所有外部数字量输入电路的通、断状态读入过程映像输入寄存器。

夕卜接的输入电路闭合时，对应的过程映像输入寄存器为1状态（或称为ON）,梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开；外接的输入电路断开时，对应的过程映像输入寄存器为0状态（或称为OFF）,梯形图中对应的输入点的常开触点断开,常闭触点接通。

如果没有启用模拟量输入滤波，CPU在正常扫描周期中不会读取模拟量输入值。

用户程序访问模拟量输入时，将立即从扩展模块中读取模拟量值。

（2） 用户程序执行阶段

PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在储存器中顺序排列。

在STOP模式，不执行用户程序。

在RUN模式的程序执行阶段，如果没有跳转指令，CPU从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序。

CPU在执行指令时，从I/O过程映像寄存器或别的位元件寄存器中读出其0、1状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，将运算的结果写入到线圈对应的映像储存器中，因此，各寄存器（只读的过程映像输入寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。

（3） 输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时,才是PLC的真正输出。

2.1.4编程语言

五种标准化编程语言：

顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和指令表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。

顺序功能图是一种结构块控制程序流程图，梯形图和功能模块图是图形化语言，指令表、结构文本两种文本语言,梯形图的应用直观，与指令表可以相互转换。

3流水线灌装自动化PLC控制系统硬件设计

3.1PLC设计介绍

可编程控制器有较高的可靠性和叫较高的灵活性，该设计主要对PLC程序的结构、特点、各器件的性能以及对被控对象的控制过程进行具体研究，并通过PLC来实现对流水线灌装系统的控制，随着PLC功能的不断提高和完善，PLC几乎可以完成流水线灌装控制系统所需要的要求，应用PLC控制系统是为了实现被控对象提出的各项性能指标和工艺要求。

3.2饮料灌装流水线的基本结构

整个灌装流水线的基本结构如图3-1、图3-2所示。

整个流水线由主传送带、次品传送带、灌装装置、机械手拿取装置、定位传感器、次品检测传感器等组成。

电动机的启动和停止，灌装装置的灌装，次品的检测、机械手的拿取都是由PLC控制的。

流水线由传感器实时监控，由PLC控制，控制准确，自动化程度高。

图3-2灌装流水线基本结构图

3.3PLC的选择

3.3.1 PLC选择原则

（1） 对输入/输出点的选择

要先弄清楚控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的15~

20%留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC的点数。

（2） 对存储容量的选择

对用户存储容量只能作粗略的估算。

（3） 对I/O响应时间的选择

对开关量控制的系统，PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，

可不必考虑I/O响应问题。

（4） 根据输出负载的特点选型

不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。

3.3.2 PLC机型选择

选择西门子系列S7-200系列PLC,同时结合输入、输出量的个数，而S7-200系列CPU模块的CPU224,有14输入，10输出，符合使用要求并且留有余量，故选S7-200系列CPU224作为本设计的CPU模块。

3.4流水线灌装自动化PLC硬件选择

（1）按钮

按钮的选择原则：

（1）根据使用场合，选择控制按钮的种类。

（2）根据用途，选用合适的型式。

（3）按控制回路的要求，确定不同的按钮数。

（4）按工作状态指示和工作情况

12

的要求选择按钮及指示灯的颜色。

（2） 电动机

电动机Ml型号为Y132M-4,额定电压为交流380V,额定电流为15A,频率为50HZ,功率为7.5KW,转速为1440r∕min°电动机M2型号为Y90S-4,额定电压为交流380V,额定电流为2.8A,频率为50HZ,功率为1.1KW,转速为1440r∕min°

（3） 微波液位仪

微波液位仪原理图如图3-3所示：

相距为S的发射天线和接收天线，相互构成一定角度。

波长为入的微波从被测液面反射后进入接受天线。

接收天线接收到的微波功率将随着被测液面的高低不同而异。

接受天线接收到的功率Po为：

上式中,Pt为发射天线的发射功率;Gt为发射天线的增益;Go为接收天线的增益:

d

为两天线与被测表面间的垂直距离。

当发射功率、波长、增益均恒定时，上式可改写为:

公式（3-2）

上式中，K1为取决于发射功率、天线增益与波长的常数；K2为取决于天线安装方法和安装距离的常数。

由上式可知，只要测到接收功率P。

，就可得到被测液面的高度。

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公式（3-1）

图3-3微波液位仪原理图

（4） 传感器的选择

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。

物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电磁电等效应。

被测信号量的