基于PLC的饮料罐装生产流水线控制的设计.docx

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基于PLC的饮料罐装生产流水线控制的设计

摘要

传统的自立袋罐装机多采用继电器控制，随着执行机构的增多，功能的增强，使得机器越来越复杂，给制造、调整、使用和维修均带来不便，并且会使故障率增加。

　　由于目前罐装机行业竞争激烈，企业要在竞争中站稳脚跟，需要不断的改进产品质量，向自动化、高效化发展。

PLC由于其抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性价比高等优点被广泛应用于各种工业控制领域。

利用PLC实现对自立袋罐装机的控制，结构简化，维护方便，可以节约调整时间，增加设备的柔性，同时运行稳定可靠。

采用PLC和旋转编码器作为饮料罐装机的控制系统，通过PLC的高速计数器将旋转编码器的转角读取，根据转角位置发出控制信号，简化了饮料罐装机安装调试工作，同时增加了饮料罐装机的柔性，提高了可靠性和工作效率。

关键词：

饮料罐装机;PLC;旋转编码器

目录

摘要I

第1章绪论1

第2章可编程控制的简介……………………………………………………..7

2.0PLC的定义和特点……………………………………………………….7

2.1PLC的主要功能和应用………………………………………………...9

2.2PLC的系统组成及功能…………………………………………………10

2.3PLC的基本工作原理…………………………………………………..15

2.4PLC的主要技术指标…………………………………………………..16

第三章方案的比较与论证……………………………………………………..17

3.11方案一…………………………………………………………………17

3.12方案二………………………………………………………………..18

3.2方案的比较论证……………………………………………………….18

3.3方案的选择…………………………………………………………….18

第四章饮料罐PLC控制系统……………………………………………………18

4.0生产流程图…………………………………………………………….18

4.1控制系统时序图及程序流程图……………………………………….19

4.2PLC控制部分输入和输出信号………………………………………..20

致谢………………………………………………………………………………22

参考文献……………………………………………………………………….23

第1章绪论

可编程序控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。

20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1968年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标，对控制系统提出的具体要求基本为：

a。

它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单成本低。

b。

它能把计算机的功能和继电器控制系统结合起来。

但编程要比计算机简单易学、操作方便。

c。

系统通用性强。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世界上第一台PLC，并在GM公司汽车生产线上首次试用成功，实现了生产的自动化。

其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来，但是主要应用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC。

其定义：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称PC（PROGRAMMABLECONTROLLER），但是为了不和PERSONALCOMPUTER混淆，仍习惯称为PLC。

目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出现SOFTPLC，更是PLC领域无限的发展前景。

CentralProcessingUnit（CPU）isthebrainofaPLCcontroller.CPUitselfisusuallyoneofthemicrocontrollers.Aforetimethesewere8-bitmicrocontrollerssuchas8051,andnowtheseare16-and32-bitmicrocontrollers.Unspokenruleisthatyou’llfindmostlyHitachiandFujicumicrocontrollersinPLCcontrollersbyJapanesemakers,SiemensinEuropeancontrollers,andMotorolamicrocontrollersinAmericanones.CPUalsotakescareofcommunication,interconnectednessamongotherpartsofPLCcontrollers,programexecution,memoryoperation,overseeinginputandsettingupofanoutput.PLCcontrollershavecomplexroutinesformemorycheckupinordertoensurethatPLCmemorywasnotdamaged（memorycheckupisdoneforsafetyreasons）.Generallyspeaking,CPUunitmakesagreatnumberofcheck-upsofthePLCcontrolleritselfsoeventualerrorswouldbediscoveredearly.YoucansimplylookatanyPLCcontrollerandseethatthereareseveralindicatorsintheform.oflightdiodesforerrorsignalization.

Systemmemory（todaymostlyimplementedinFLASHtechnology）isusedbyaPLCforaprocesscontrolsystem.Asideform.thisoperatingsystemitalsocontainsauserprogramtranslatedformaladderdiagramtoabinaryform.FLASHmemorycontentscanbechangedonlyincasewhereuserprogramisbeingchanged.PLCcontrollerswereusedearlierinsteadofPLASHmemoryandhavehadEPROMmemoryinsteadofFLASHmemorywhichhadtobeerasedwithUVlampandprogrammedonprogrammers.WiththeuseofFLASHtechnologythisprocesswasgreatlyshortened.Reprogrammingaprogrammemoryisdonethroughaserialcableinaprogramforapplicationdevelopment.

Usermemoryisdividedintoblockshavingspecialfunctions.Somepartsofamemoryareusedforstoringinputandoutputstatus.Therealstatusofaninputisstoredeitheras“1”oras“0”inaspecificmemorybit/eachinputoroutputhasonecorrespondingbitinmemory.Otherpartsofmemoryareusedtostorevariablecontentsforvariablesusedinusedprogram.Forexample,timevalue,orcountervaluewouldbestoredinthispartofthememory.

PLCcontrollercanbereprogrammedthroughacomputer（usualway）,butalsothroughmanualprogrammers（consoles）.ThispracticallymeansthateachPLCcontrollercanprogrammedthroughacomputerifyouhavethesoftwareneededforprogramming.Today’stransmissioncomputersareidealforreprogrammingaPLCcontrollerinfactoryitself.Thisisofgreatimportancetoindustry.Oncethesystemiscorrected,itisalsoimportanttoreadtherightprogramintoaPLCagain.ItisalsogoodtocheckfromtimetotimewhetherprograminaPLChasnotchanged.Thishelpstoavoidhazardoussituationsinfactoryrooms（someautomakershaveestablishedcommunicationnetworkswhichregularlycheckprogramsinPLCcontrollerstoensureexecutiononlyofgoodprograms）.

AlmosteveryprogramforprogrammingaPLCcontrollerpossessesvarioususefuloptionssuchas:

forcedswitchingonandoffofthesysteminput/outputs（I/Olines）,programfollowupinrealtimeaswellasdocumentingadiagram.Thisdocumentingisnecessarytounderstandanddefinefailuresandmalfunctions.Programmercanaddremarks,namesofinputoroutputdevices,andcommentsthatcanbeusefulwhenfindingerrors,orwithsystemmaintenance.Addingcommentsandremarksenablesanytechnician（andnotjustapersonwhodevelopedthesystem）tounderstandaladderdiagramrightaway.Commentsandremarkscanevenquotepreciselypartnumbersifreplacementswouldbeneeded.Thiswouldspeeduparepairofanyproblemsthatcomeupduetobadparts.Theoldwaywassuchthatapersonwhodevelopedasystemhadprotectionontheprogram,sonobodyasidefromthispersoncouldunderstandhowitwasdone.Correctlydocumentedladderdiagramallowsanytechniciantounderstandthoroughlyhowsystemfunctions.

1.1本课题研究目的和意义：

　PLC控制做为流水线控制的核心有着可靠性高，抗干扰能力强，硬件配套齐全，功能完善，适用性强，硬件配套齐全，功能完善，适用性强；系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低。

利用大学知识熟悉PLC的编写与应用，在实践中检测知识理论。

1.2PLC的应用和发展趋势：

PLC的应用是基于其以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，因而在制造、冶金、能源、交通、化工、电力等领域有着广泛的应用，成为现代工业控制的支柱之一。

根据这些特点，可将其应用形式归纳为以下几种：

开关量逻辑控制、模拟量控制、过程控制、定时和计数控制、顺序控制；、数据处理、通信和联网。

现代PLC的发展有两个主要趋势：

其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展，即现今开始发展的嵌入式PLC控制方式；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。

　　1、大型网络化　主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。

网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O框架相连；向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。

　　2、多功能　随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。

　　如研制出了多回路闭环控制模块、步进电机控制模块、仿真模块和通信处理模块等。

并为用户提供了方便的人机界面，用户程序多级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，通过工业现场总线PROFIBUS以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。

3、高可靠性　由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。

PLC即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全密封的模板依然可正常工作，在操作运行过程中模板还可热插拔。

1.3本文主要研究工作

第二章可编程控制器的简介

2.0PLC的定义和特点

1．PLC的定义

美国电气制造商协会NEMA在1980年给可编程控制器作了如下的定义：

“可编程控制器是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。

一部数字电子计算机若是用来执行PLC的功能，亦被视同为PLC，但是不包括鼓式或机械式顺序控制器。

”

国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又颁发了第二稿，1987年2月颁发了第三稿。

草案中对可编程控制器的定义是：

“可编程控制器是一种数字式的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外围设备，都按易于工业系统连成一个整体，易于扩充功能的原则设计。

”

此定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，即它也是一种计算机。

它是“专为在工业环境下应用而设计”的计算机。

这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。

它能完成逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作，它还具有“数字量或模拟量的输入/输出控制”的能力，并且非常容易与“工业控制系统连成一体”，易于“扩充”。

定义还强调了可编程控制器直接应用于工业环境，它需具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。

这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。

应该强调的是，可编程控制器与以往所讲的鼓式、机械式的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。

由于PLC引入了微机处理机及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，能灵活地修改，即用软件方式实现“可编程”的目的。

2．PLC的特点

（1）可靠性高，抗干扰能力强。

PLC是为工业控制而设计的，除了对器件的严格筛选外，在硬件和软件两个方面还采用可屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的抗干扰能力，其平均无故障时间达到30万-50万小时以上。

（2）编程直观、简单。

考虑到大多数电气技术人员熟悉电气控制线路的特点，PLC没有采用微机控制中常用的汇编语言，而是采用了一种面向控制过程的梯形图语言。

梯形图语言与继电器原理图相类似，形象直观，易学易懂，电气工程师和具有一定知识的电气技术人员都可在短时间内学会，计算机技术和传统的继电器控制技术问的隔闶在PLC上完全不存在。

因此，许多国家生产的PLC都把梯形图语言作为第一用户语言，此外，还可采用指令表进行编程控制。

（3）适应性好。

PLC是通过程序实现控制的。

当控制要求发生改变时，只要修改程序即可。

由于PLC产品已标准化、系列化、模块化，因此能灵活方便地进行系统配置，组成规模不同、功能不同的控制系统。

其适应能力非常强，既可控制一台机器，一条生产线，也可控制一个复杂的群控系统；既可以现场控制，又可以远距离控制。

（4）功能完善，接口功能强。

PLC具有数字量和模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，使设备控制水平大大提高；其接口功率驱动范围较大，不像普通的计算机输出信号需放大才能驱动负载，极大地方便了用户。

其常用的数字量输入输出接口，就电源而言有110V，220V交流和5V，48V直流等多种，负载能力可在0.5A-5A的范围内变化，模拟量的输入输出有±50mV，±10V和0mA-10mA，4mA-20mA等多种规格，可以很方便地将PLC与各种不同的现场控制设备顺序连接，组成应用系统。

由于PLC具有以上特点，因此与传统的继电器一接触器控制和现在流行的电脑控制相比较，在电梯这样的大型电气设备的控制系统中采用PLC实现控制应是最佳选择。

近年来，PLC在处理速度、控制功能、通信能力及控制领域等方面都不断有新的突破，正向着电气控制、仪表控制、计算机控制一体化（EIC）方向发展，PLC装置已成为自动化系统的基本装置。

2.1PLC的主要功能和应用

PLC的主要功能是控制和监控，运用到电梯控制系统中的功能：

取代全部或部分继电器；取代传统选层方法，结合光电编码器实现了数字选层；解决调速问题；实现复杂的调配管理。

PLC的应用范围极广，经过30多年的发展，目前PLC已经广泛应用于冶金、石油、化工、建材、电力、矿山、机械制造、汽车、交通运输、轻纺、环境等各行各业。

几乎可以说，凡是有控制系统存在的地方就有PLC。

概况起来，主要应用有5个方面。

1．开关量控制

这是PLC最基本的应用领域，可用PLC取代传统的接触器－继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。

在单击控制、多集群控和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例，如机床电气控制、起重机、皮带运输机和包装机械的控制，注塑机的控制，电梯的控制，饮料灌装生产线、家用电器（电视机、冰箱、洗衣机等）自动装配线的控制，汽车、化工、造纸、轧钢自动生产线的控制等。

2．模拟量控制

目前，很多PLC都具有模拟量处理功能，通过模拟量I/O模块可对温度、压力、速度、流量等连续变化的模拟量进行控制，而且编程和使用都很方便。

大、中型的PLC还具有PLD闭环控制功能，运用PLD子程序会或使用专用的智能PLD模块，可以实现模拟量的闭环控制。

随着PLC规模的扩大，控制的回路已从几个增加到几十个甚至上百个，可以组成较复杂的闭环控制系统。

PLC的模拟量控制功能已广泛应用于工业生产各个行业，例如自动焊机控制、锅炉运行控制、连轧机的速度和位置控制等都是典型的闭环控制的应用场合。

3．运动控制

运动控制是指PLC对直线运动或圆周运动的控制，也称为位置控制。

早期PLC通过开关I/O模块与位置传感器和执行机构的连接来实现这一功能，现在一般都使用专用的运动控制模块来完成。

目前，PLC的运动控制广泛应用在金属切削机床、电梯、机器人等各种机械设备上，典型的如PLC和计算机数控装置（CNC）组合成一体，构成先进的数控机床。

4．数据处理

现代PLC都是具有不同程度的数据处理功能，能够完成数学运算（函数运算、矩阵运算、逻辑运算）、数据的移位、比较、传递、数值的转换和查表等操作，对数据进行采集、分析和处理。

数据处理通常用在大、中型控制系统中，如柔性制造系统、机器人的控制系统等。

5．通信联网

通信联网是指PLC之间、PLC与上位计算机或其他智能设备之间的通信，利用PLC和计算机的RS-232或RS-422接口、PLC的专用通信模块，用双绞线和同轴电缆或光缆将它们连成网络，实现相互间的信息交换，构成“集成管理、分散控制”的多级分布式控制系统，建立工厂的自动化网络。

2.2PLC系统的组成及功能

PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。

因此，它的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两部分组成的。

硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，它们相辅相成，缺一不可。

没有软件的PLC系统称为裸机系统，不起任何作用。

反之，如果没有硬件系统，软件系统也失去了基本的外部条件，程序根本无法运行。

2.2.1PLC的硬件系统

PLC的硬件系统由基本单元、I/O扩展单元及外部设备组成。

如图3.1所示PLC的硬件系统结构框图。

1.CPU运算和控制中心起“心脏”作用

纵：

当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。

横：

输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入