啤酒灌装生产线控制系统设计.docx

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啤酒灌装生产线控制系统设计

毕业设计[论文]

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摘要

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）是以微处理器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，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。

作为通用工业控制计算机，其实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，在世界工业控制中发挥着越来越重要的作用。

鉴于此，设计者利用PLC的功能和特点设计出了一款啤酒灌装生产流水线控制系统。

文章刚开始介绍了PLC的相关知识，接着以啤酒灌装流水线为例，采用三菱公司的FX系列可编程序控制器，介绍了PLC在啤酒灌装流水线中的应用，给出了详细的程序设计过程。

利用PLC控制啤酒灌装生产过程，传送带调速系统，可有效提高灌装生产效率，并显著增加控制系统的可靠性和柔性。

最后提出了用控制方面较为成熟的PID算法来控制全自动灌装压盖机贮液缸内液位和压力的想法。

关键词:

可编程控制器；灌装流水线；顺序功能图；梯形图；PID调节

Abstract

Withtheincreasinglevelofindustrialautomation,manyindustrialenterprisesarefacedwiththetransformationoftraditionalproductionlineandre-designproblem.PLC（programmablelogiccontroller）isamicroprocessorasthecoreofindustrialcontroldevices,itwillrelaythetraditionalcontrolsystemcombinedwithcomputertechnologyinrecentyearsinindustrialautomation,mechanicalandelectricalintegration,thetransformationoftraditionalindustriessuchasgenerallyapplied.Asageneral-purposeindustrialcontrolcomputer,therealizationofindustrialcontrolwiringlogicalleapinlogictostorage,industrialcontrolintheworldisplayinganincreasinglyimportantrole.Inviewofthis,thedesignersoftheuseofPLCfunctionsandfeaturesdesignedabeveragefillingproductionlinecontrolsystem.

ThearticleintroducedthePLCbeginningoftherelevantknowledge,andthentodrinkbottlinglineasanexample,theuseofMitsubishiFXseriesprogrammablelogiccontroller,PLC,introducedinthebeveragebottlinglineintheapplication,givenadetailedprogramdesignprocess.PLCcontroloftheuseofbeveragefillingproductionprocess,whichcaneffectivelyimprovetheproductionefficiencyoffilling,andsignificantlyincreasethereliabilityofcontrolsystemsandflexible.andtakeouttheideaofcontrolthelevelandpressureinfullyautomatedfillingGlandwithamorematurePIDalgorithminthefieldofcontrolfinally.

Keywords:

fillinglines;LadderDiagram；PIDregulation

1绪论

1.1啤酒包装工业的发展现状

众所周知，从1979年至今，我国的啤酒工业经历了二次增长高潮。

第一次是在1979年～1988年，其间啤酒厂由70多个发展到80多个，啤酒产量由40～50万吨增加到880万吨；第二次从1990年到现在，啤酒厂进一步增加了100余个，1998年啤酒产量达到1987.67万吨，居世界第二。

啤酒生产企业中也不乏涌现出了年产量80万吨的大型啤酒生产企业（燕京啤酒集团）。

由于我国人口众多，人均啤酒消费量只有世界的1/2，大大低于世界平均消费水平。

预计今后数年，我国啤酒增长率仍会维持在一个较高的水平上。

2001年啤酒产量为2274万吨，2002年啤酒产量达到2386万吨，首次超过美国成为世界第一个啤酒生产大国。

根据食品工业部门预测，啤酒今后几年增长率维持在8%左右。

1.1.1国内啤酒包装设备的发展状况

我国啤酒包装设备的生产厂家在60年代初到70年代末只有几家，其生产能力处于一种引进国内设备并加以仿制的阶段，如70年代末，广州轻工业机械设计研究所消化吸收西德、意大利、美国、日本等过的进口设备，开发出8000瓶/每小时的啤酒洗瓶、灌瓶、压盖、贴标生产线。

到80年代，国内普及包装设备的生产厂家有几十个，但制造水平、设备性能与国外先进水平相比差距较大，在1987年上半年我国从西欧、东欧、日本等过引进200多条灌装线。

大90年代啤酒饮料加工设备的成套与配套生产企业接近600家。

然而，这些生产企业主要还是靠引进国外的生产线并在国内加以仿制，或者消化吸收了西德.意大利等国的先进技术开发国内的包装设备。

引进的生产线需耗费大量资金不说，还存在许多弊端，如：

设备的部分元件属于专用元件，万一发生故障，而国内没有相应的元件替代，以至于花重金引进的先进设备成了库房内的一堆废物。

在啤酒生产旺季，引起损失是不可估量的。

所以研制开发先进的啤酒包装设备被提到日程上来。

现有的啤酒包装生产线大多采用单机操作，生产能力较低（据统计，我国目前约有480家啤酒厂，而年生产能力在10万吨规模的企业不足10%）。

根据食品工业对啤酒饮料的发展预测，啤酒饮料加工规模将向大型化发展，其加工设备必须趋向大型化，以高速、高产、高性能、低消耗、操作方便、直观、便于调试为特点，以采用集散控制。

全线自动化为发展方向。

1.1.2国外啤酒包装设备的控制和管理情况

国外的啤酒包装设备发展较为完善，机电一体化、管理与控制相结合是当前啤酒灌装生产发展的最重要的一个趋势。

如美国的HiranWaller公司、德国的Gerrokaise公司和日本的小森机械公司都实现了啤酒包装生产线的全面计算机控制与管理。

当前啤酒、饮料包装计算机化的发展方向是CIM（ComputerIntegratedManufacturing），CIM是一个采集、管理和处理、发送各类数据的综合系统，它有效地将机器人技术、自动操作系统、监视系统、自动分叉技术和计算机协调中心等高尖端技术应用技术应用于整个啤酒包装领域，国外啤酒的计算机控制正走向成熟和完善阶段，而我国基本上还处于机械化和自动化时期，计算机的应用只限于部分工艺和设备。

因此，在这方面还有许多工作有待于包装工作者去探索与研究。

1.1.3啤酒的包装工艺

玻璃瓶作为啤酒的包装在绝大多数人心目中占有传统习惯性优势。

据统计，到目前为止，玻璃瓶包装仍占我国啤酒包装的九成以上。

然而，纵观国际啤酒包装市场，啤酒成品包装的多样化。

系列化已成为不争的事实。

除了国内常见的玻璃瓶包装之外，还有国人难得一见的槽车装啤酒和PET材料多型瓶啤酒。

在国际化啤酒包装趋势下，国内的啤酒包装业将改变玻璃瓶啤酒“一枝独秀”的局面，向多样化、系列化、安全。

经济型转化。

啤酒作为一种含气的液体饮料，其包装容器有玻璃瓶、易拉灌、聚醋瓶等，在此我们以玻璃瓶为例来介绍其包装工艺：

废瓶剔除

压盖

灌装

空瓶检测

洗瓶

供瓶

装箱

成品检测

喷码

贴标

杀菌

废品剔除

图1-1啤酒包装工艺过程

新瓶或回收瓶由全自动洗瓶机的理瓶机构将瓶子顺序地送入洗瓶机，其洗瓶工艺是：

（a）进行初洗，即将瓶子内外表面易除掉的污物用废水喷淋并使之排空。

（b）在热水或碱液中将内外表面的污垢及瓶标洗掉。

（c）残留在瓶内外表面上的污垢在热水中泡软并依次用碱液、热水、温水及清水喷洗瓶子的内外表面并排空。

（d）后将瓶子倒立排空0.5~1分钟。

瓶子在机器内洗净，时间为6~22分钟，碱液处理约为占52~65%，其中浸泡时间为49~63%，喷冲时间为2.8~15%。

最适合的洗瓶温度为60~85度范围之内，碱液的浓度为1.0~2.5%。

洗瓶之后由卸瓶机构将干净的瓶子送出，经传送带将瓶子送入全自动灌装压盖机，灌装、压盖完毕后，压好盖的瓶子直接通过旋转机构进入杀菌机进行杀菌，啤酒一般采用热喷淋连续杀菌机，其喷淋的过程分为若干温区，其温度实现自动控制，各温区的温度随操作时间的延长，其温度由低~高~低，最高温度为69℃。

由杀菌机送出的瓶子，经输送链送入贴标机贴标，一般要贴颈标和身标。

最后，瓶装产品进入装箱机械。

在啤酒的包装过程中最为重要的一个环节就是灌装，所谓灌装就是将液体产品装入瓶、灌、桶等包装容器内的操作。

由于啤酒属于含气饮料，在其灌装过程中一般采用等压灌装法，即先向清洗干净的玻璃瓶中充入气体，使瓶内压力与贮液缸内的压力相等，再将贮液缸内的啤酒灌入玻璃瓶内的过程。

1.2可编程序逻辑控制器（PLC）的现状及特点

PLC（programmablelogicalcontroller，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90%的PLC市场由国外占领，中、大型PLC中，几乎100%是国外产品，以美国MODICON公司、GE公司、西德SIEMENS，日本三菱公司为主。

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。

如1996年中国轻工业机械总公司南京轻工机械厂在烟台啤酒厂成功设计制造出了3.6万瓶/小时的啤酒灌装线。

该灌装线消化吸收了德国先进技术，其输瓶控制系统采用中央电脑统一控制，局部分散管理模式，其控制器件就选用了德国西门子的S5-115U型PLC943中央处理单元和ET100远程终端。

在啤酒灌装线中，通过控制程序、控制变频装置和其它电机、电磁阀等执行元件，使输瓶系统在统一协调管理下，分别跟踪洗瓶机、灌装机、杀菌机和贴标机等不同的运行速度，实时处理供瓶量，使整条生产线输瓶系统始终处在最佳的供瓶状态。

1.3本章小结

近几年来，我国啤酒产业得到了迅速的发展，出现了年产80万吨的大型啤酒生产企业（燕京啤酒集团）。

大型啤酒企业对啤酒灌装线的自动化程度和速度都提出了更高的要求。

而经过为期几次的参观，对我国啤酒饮料生产厂家蓝马啤酒和青岛啤酒渭南分公司的情况进行了较深的了解。

正如前面章节所述，我国的啤酒包装机械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化灌装生产线的控制系统，弥补其不足成为可能。

本课题的目的就是采用现代流行的先进控制技术，设计啤酒自动生产线的控制系统，通过PLC的控制实现啤酒自动化生产线的控制。

2啤酒灌装生产线总体设计方案

2.1啤酒罐装传送带调速系统要求

要求PLC根据瓶流通过变频器调整输送带的速度，即PLC根据瓶流情况选择多段速控制，做到输送带速度与灌装机速度很好的匹配。

系统构成如下图所示。

由光电检测开关检测瓶流速度，不同的瓶流速度对应变频器的不同速度，由PLC的输出端子去控制变频器的多段速控制端，实现速度的调整，实现与灌装速度相匹配。

PLC

变频器

光电

灌装机

瓶子

电动机

图2.1系统构成图

在灌装速度不变的情况下，瓶流速度必须和灌装速度保持一致，为了保持一致，需要用一个光电传感器把检测到的瓶流脉冲输入到PLC，由PLC控制变频器多段速调速。

2.1.1方案比较

方案一：

无级调速

基本原理：

变频器控制

中间处理单元

PLC控制

传输皮带

电动机

变送器（光电传感器.传输电路）

图2.2方案一方框图

由于变频器的频率指令信号可以从变频器的模拟输入端子送入，进行变频器的无级调速，且其模拟端子的输入信号可以是0~10V、-10V~+10V、4~20mA。

因而我们将用光电传感器检测瓶流速度反馈信号送入PLC与已知的罐装速度信号做差得到差值电压V，然后对V进行处理，将处理结果经中间处理单元（D/A转换器、电平匹配处理单元等）处理后变为连续的电信号输入变频器的模拟信号输入端，从而控制变频器的频率连续变化，让变频器改变输出频率驱动电动机，实现对电动机的调速控制即控制瓶流速度与罐装速度相匹配。

使用该方法需要注意两点：

一是必须根据变频器的输入阻抗来选择PLC的模拟输出模块，二是必须选择PLC的模拟输出模块与变频器的输出信号范围相一致。

方案二：

多段速调速

基本原理：

变频器

PLC控制

电动机

传输皮带

光电检测器

图2.3方案二方框图

通过变频器的多功能输入端的设定，即设定多级速度频率，可以实现多级调速运转，并可通过外部信号选择使用某一级速度，本次设计为3级速度频率。

用PLC的开关量输入输出模块控制变频器的多功能输入端，以控制电机的正转和转速等，实现有级调速。

Y0

Y1

Y2

Y3

Y4

X6

X7

PCOM

LCOM1

CCOM2

STF

STR

RH

RM

RL

A

B

C

SD

SD

图2.4多段速调速连线框图

变频器的多段速调速可以通过RH、RM、RL三个输入端子的不同组合来设定7个不同的速度，并且速度多可以单独的通过控制面板在0～120HZ之间任意设定，设定范围广。

第1、2、3速在出厂时分别设定为50HZ、30HZ、10HZ，第4～7速未设定，需通过手动进行相关的设定。

如果将设定参数P63设定为8：

REX（多段15速选择），就可以通过RH、RM、RL、REX四个端子的不同组合来设定15速选择，但此时变频只能单向运转，不能反转运行。

REX

RH

RM

RL

转速编号

0

1

0

0

1

0

0

1

0

2

0

0

0

1

3

0

0

1

1

4

0

1

1

0

5

0

1

0

1

6

0

1

1

1

7

1

0

0

0

8

1

1

0

0

9

1

0

1

0

10

1

0

0

1

11

1

0

1

1

12

1

1

1

0

13

图2.5多段速调速速段分配表

用此方法可以有两种基本算法：

算法一：

多段调速之一次调解法，即用光电传感器检测瓶流速度并送入PLC与已知的罐装速度做差得到差值电压V，然后对V进行处理，得出需要调解的速度段数，由PLC输出以控制变频器的频率控制端，变频器改变输出频率驱动电动机，实现对电动机的调速即控制瓶流速度与罐装速度相一致，达到设计目的。

算法二：

多段调速之渐次调解法，即用光电传感器检测瓶流速度并送入PLC与已知的罐装速度做差得到差值电压V，然后对V进行处理，将V与给定值进行比较，若小于一定范围，则速度降级，若大于一定范围，则速度升级，若在一定范围内，则速度级数不变。

另外，如果转速超越允许范围而过快，则PLC的Y3端口输出L1灯报警信号;反之如果转速低于允许范围而过慢，则由PLC的Y4端口输出L2灯报警信号，整个转速控制过程由PLC输出以控制变频器的频率控制端，以使变频器改变输出频率驱动电动机，从而实现对电动机的调速即控制瓶流速度与罐装速度一致，达到设计目的。

在该方案中，我们还增加了变频器的故障反馈保护系统，由变频器的A端输出，当变频器发生故障时，反馈控制信号经A端传送到PLC的输入控制端口X11端，经PLC逻辑运算后由Y5端输出，控制接触器KM4动作，及时切断变频器的主电源，起到保护作用。

2.1.2方案选择与方案论证

方案二的算法一调解速度比较迅速，但有时调解的速度级差较大，会对电动机有伤害，影响电动机的寿命；方案一的算法二调解速度较慢，虽然调解速度的级差较小，但比较平滑，有利于保护电机，而且接线简单，抗干扰能力强，使用方便，可靠性高，同用模拟信号进行速度给定的方法相比，这种方式的设定精度高，成本低，也不存在由飘移或偏差过大带来的各种问题。

且方案二能够对变频器起到很好的保护作用，能够及时避免变频器因为故障而损毁。

方案一为无级调速，调速精度高，控制效果好，平滑性好，但由于在中间处理单元中出现了模拟信号，就会存在温漂、信号电压差等误差影响，且算法较复杂，在选择PLC时还要求根据变频器的输入阻抗来选择PLC的模拟输入模块，同时还要让PLC的模拟输出模块与变频器的输入信号范围相一致，对于精度要求不高的系统，成本和效益比较差。

另外在多段调速中，系统的控制信号为数字信号，所以频率设定值比较准确，不会受温漂的影响。

且调速实现比较简单，易于实现，对于精度要求不高的场合非常适用。

因此，综合考虑各方面因素及要求，选择方案二的算法二作为本次设计的设计方案，经实验论证后也是完全可行的。

2.2灌装机灌装方法的选择

由于液料的物理化学性各有差异，对灌装也就有不同的要求。

液料由储料缸灌入包装容器，常有如下几种方法：

（1）常压法灌装

常压法灌装，是在大气压力下依靠被灌液料的自重流入包装容器内的灌装方法。

常压灌装的工艺过程为：

a.进液排气，即液料进入容器，同时容器内的空气被排出。

b.停止，即容器内的液料达到定量要求时，进液自动停止。

常压法主要用于灌装低粘度、不含气的液料，如牛奶、白酒、果汁等。

（2）等压法灌装

等压法灌装，是利用储液箱上部气室的压缩空气，给包装容器充气，使二者的压力接近相等，然后被灌液料靠自重流入该容器内的灌装方法。

等压灌装的工艺过程为：

a.充气等压

b.进液回气

c.停止进液

d.释放压力，即释放瓶颈内残留的压缩气体至大气内，避免瓶内突然降压引起大量冒泡，影响包装质量和定量精度。

等压法适用于含气饮料，如啤酒、汽水等的灌装，可减少其所含二氧化碳气体损失。

（3）真空法灌装

真空法灌装是低于大气压力的条件下进行灌装的方法。

即让储液罐内部处于常压状态，只对包装容器内部抽气，使其形成一定的真空度，液料依靠两容器内的压力差，流入包装容器并完成灌装。

真空法灌装的工艺过程为：

a.瓶抽真空

b.进液排气

c.停止进液

d.余液回流，即排气管中的残液经真空室回流至储液箱内。

真空法使用于灌装粘度低一些的液料，如油类、糖浆等。

（4）压力法灌装

压力法灌装是借助机械或气液压等装置控制活塞往复运动，将精度较高的液料从储料缸吸入活塞内，然后再强制压入待灌容器中。

由于能够借助较大外力，放可大大提高灌装速度。

由于啤酒属于含气饮料，在其灌装过程中一般采用等压灌装法，即先向清洗干净的玻璃瓶中充入气体，使瓶内压力与贮液缸内的压力相等，再将贮液缸内的啤酒灌入玻璃瓶内的过程。

2.2.1定量灌装

在现代灌装生产线的生产作业中，必须要保证定量灌装的高精确性，使灌装量的误差保持在合理的水平。

现行的定量灌装方式主要有量筒式灌装、称重式灌装、电磁阀灌装、电磁感应式灌装。

量筒式灌装主要以机械设备为主，与机械制造和加工有很大的关系，灌装速度较慢，产品维修率高；称重式灌装可以达到很高的精度，但由于其称重比较复杂，因而速度较慢；电磁感应式灌装原理较复杂，当今生产线上推广应用较少，还处于研发阶段；比较可行的方法是采用电磁阀灌装。

电磁阀灌装机的灌装阀的开关由电磁阀控制，灌装精度更高，计时恒压定量灌装原理，可使灌装量的误差在千分之五以下。

电动定量灌装系统及电磁阀控制计量装置，可进行精确的灌装，减少浪费。

2.2.2啤酒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、图3.3所示。

整个流水线由主传送带、次品传送带、灌装装置、次品推动装置、定位传感器、次品检测传感器等组成。

电动机的启动和停止，灌装装置向上、向下移动和灌装，次品的检测、推动都是由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。

2.2.3瓶子的输送

此灌装生产线的宽度仅够一个瓶身通过，且两端空隙不超过两毫米，瓶与瓶之间无空隙，使瓶子保持一条笔直的直线。

瓶子从理瓶机出来后，进入主传送带，由传送带送到灌装区。

2.2.4次品的分离

当灌满的瓶子从灌装区出来后进入次品检测区，当有次品通过次品检测区时，次品检测接近开关发给PLC一个信号，并由此启动次品推动装置及次品传送带，分离出次品后，主传送带恢复运行。

3啤酒灌装传送带调速系统设计

3.1系统概述

近年来，社会的发展和进步对各行各业提出了越来越高的要求。

机械化加工企业为了提高生产效率和市场竞争力，采用了机械化流水线作业的生产方式，对不同的产品分别组成了自动流水线。

产品不断地更新换代，也同时要求相应的控制系统随之改，提高产品生产的效率。

在这种情况下，硬连接方式的继电接触式控制系统就不能满足经常更新的要求了。

这是因为，一是成本高，二是周期长。

在早期还出现过矩阵式顺序控制器和晶体管逻辑控制系统，由于这些装置体积大，功能少，本身存在很多不足，虽然在能够提高控制系统的通用性和灵活性，但均未得到广泛应该。

随着大规模集成电路和微处理器的发展和应用，在上世纪60年代出现了能够以软件手段来实现各种控制功能的革命性控制装置—可编程逻辑控制器（PLC）。

它把计算机的功能完备、通用性和灵活性好等优点和继电接触式控制系统的操作方便、简单易懂、价格低廉等优点结合起来了，因此它是一种能够完全适应于工业环境的通用控制装置。

PLC和原来的