啤酒灌装流水线控制设计.docx
- 文档编号:24940407
- 上传时间:2023-06-03
- 格式:DOCX
- 页数:33
- 大小:153.43KB
啤酒灌装流水线控制设计.docx
《啤酒灌装流水线控制设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《啤酒灌装流水线控制设计.docx(33页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
啤酒灌装流水线控制设计
晋中学院
本科毕业设计
题目啤酒灌装流水线控制设计
院系机械学院
专业机械设计制造及其自动化
姓名
学号
学习年限2011年9月至2015年7月
指导教师职称
申请学位工学学士学位
2015年5月11日
啤酒灌装流水线控制设计
学生姓名:
指导教师:
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。
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。
本设计综合可编程控制器和变频器控制的诸多优点,通过可编程控制器输出来控制变频器的多段速调速,让电动机转速跟随检测的反馈信号而变化,实现对灌装啤酒传送带速度的自动控制,使其与灌装机的速度相匹配,提高工业生产的效率。
关键词:
PLC变频器灌装
Thedesignofcontrolbeerproductionline
Author’sName:
GengxiaoweiTutor:
ZhaiXiaohua
ABSTRACT:
Withtheincreasinglevelofindustrialautomation,manyindustrialenterprisesarefacedwiththetransformationoftraditionalproductionlineandre-designproblem.PLC(programmablelogiccontroller)isamicroprocessorasthecoreofindustrialcontroldevices,itwillrelaythetraditionalcontrolsystemcombinedwithcomputertechnologyinrecentyearsinindustrialautomation,mechanicalandelectricalintegration,thetransformationoftraditionalindustriessuchasgenerallyapplied.Inviewofthis,thedesignersoftheuseofPLCfunctionsandfeaturesdesignedabeveragefillingproductionlinecontrolsystem.
This design composite integrated programmable controller and inverter control of the many advantages of the programmable controller to control the inverter output multi-speed governor, so that motor speed feedback signal to follow the detection of change, to realize the speed of filling beer belt automatic control, and filler to match the speed and improve the efficiency of industrial production.
KEYWORDS:
The programmable controllerFrequencytransformer
Filling
1引言
随着国民经济的发展和人民生活的改善,我国啤酒工业也得到了空前的发展。
我国的啤酒需求量日趋增大,随着市场竞争的加剧与消费群体的日益成熟,对啤酒的质量和风味的要求也越来越高。
由于啤酒生产的工艺复杂,目前我国大多数啤酒生产企业技术装备落后,自动化程度低,产品质量不稳定,如何提高啤酒生产的综合自动化水平,增强我国啤酒工业的综合实力和国际竞争力是一个刻不容缓的研究课题。
把啤酒装入啤酒瓶是其加工储存过程中一个重要工序,人工完成这个工序是一个繁重的过程,效率非常低。
为了提高产量,节省人力,同时保障人身安全,啤酒加工厂家需要一个自动化程度很高的灌装控制系统。
可编程控制器可靠性高,组合灵活,编程简单,维修方便。
利用PLC能很好的实现对灌装现场的控制。
因此,设计一套PLC编程软件实现啤酒自动灌装的啤酒自动灌装控制系统。
PLC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,和原来的控制系统相比,增加了算术运算、数据转换、过程控制、数据通信等功能,能够很方便的完成大型而复杂的任务。
PLC是以微处理器为核心的专用计算机利用它面向用户的编程语言,不仅能始实现逻辑控翻,还能实现各种顺序和定时控制以及复杂的闭环控制。
[3]利用它内部大量的辅助继电器可以实现无触点控制;利用它控制时可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强;编程容易且维护工作量小;还配有通讯接口和各种摸块的特点,可以把它作为工作下位机放在自动生产线的工作现场完成各种控制任务。
[10]
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
变频调速是异步电动机控制的一种比较合理和理想的调速方法,它通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速,利用变频器拖动电动机,起动电流小,可以实现软起动、多段速调速和无级调速,方便的进行加减速控制。
[7]
将可编程控制器和变频器二者结合起来,通过可编程控制器输出来控制变频器的多段速调速,让电动机转速跟随检测的反馈信号而变化,实现对灌装啤酒传送带速度的自动控制,使其与灌装机的速度相匹配,提高工业生产的效率。
2总体方案设计
2.1方案比较
在这里我想两种方案,思路如下。
方案一:
单片机控制。
基本原理:
图2-1单片机控制框图
利用单片机作为整个系统的控制核心。
光电传感器配合单片机的外部中断功能,检测出当前时刻传送带的转速。
单片机内部对检测出的速度进行数据处理以及比较,根据偏差的的正负利用电机驱动芯片控制电动机的转速增减,最终达到一个动态稳定的过程。
方案二:
PLC控制。
基本原理:
利用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。
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。
图2-2PLC控制框图
2.2方案选择
方案一利用单片机控制具备体积小,开发周期短,成本低的特点,它的缺点也很明显,就是抗干扰能力差。
在生产线上的设备,最基本也是最高的要求就是设备能够在工业现场长时间无差错的运行下去。
方案二中,充分体现出PLC抗干扰能力强的特点。
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,选择方案二作为本次设计的设计方案。
2.3总设计思路
罐装传送带控制系统的系统设计思路是利用PLC和变频器控制电动机转动带动皮带传动,然后将要灌装的瓶传送给灌装机,达到瓶流速度和灌装速度的协调,从而提高工作效率。
,系统启动后按下电机正转开关,电机开始转动,带动皮带传动,待灌装的瓶子在皮带的传动作用下经过光电传感器,传感器对空瓶进行检测计数送往PLC进行数据处理,同时空瓶检测指示灯亮。
当空瓶到达灌装位置,传感器检测到瓶子到位信息处理后送往PLC进行处理,同时瓶子到位指示灯亮,电机停止运转,停顿2秒,开始灌装,同时灌装报警器启动,罐装过程时间多少由液位计检测,罐装过程有LED显示液位,装满1秒后,不再显示并发出响声报警。
灌装结束传感器检测到满瓶并计数,同时满瓶检测指示灯亮起,电机启动带动传送带,瓶速检测传感器得到的瓶流速度和PLC存储器里面设定的值进行比较,判断是否需要进行调速,如果不需要调速电机按照原来的速度运转,如果需要进行调速,则PLC输出控制信号给变频器多段速调速控制端,变频器接受到PLC传送过来的控制信号后经内部处理,输出特定频率的电压实现对电机的变频调速。
报警提示
空瓶检测传感器
瓶子出口
满瓶检测传感器
电动机瓶子检测传感器
图2-3啤酒灌装流水线系统示意图
3控制系统硬件选型
3.1电机的选择
3.1.1电动机种类的选择
电动机的选择要根据电动机的具体使用环境和工作要求等情况来确定,结合电动机的选择原则:
(1)当生产机械对电动机的启动、制动、调速性能要求不高时应尽量采用交流电动机;
(2)对于负载平稳,且无特殊要求的长期工作制机械,应选用鼠笼型电动机;对于具有有级调速的生产机械,应采用鼠笼型多速异步电动机;(3)对于功率较大,又不需要调速的生产机械,应采用同步电动机等。
据此初步采用选用三相笼型异步电动机。
[4]
3.1.2电动机外形结构的选择
电动机的外形结构有开启式、防护式,封闭式、密封式、防爆式。
结合啤酒灌装的生产环境,我在防护式和封闭式中选择。
防护式用于干燥和灰尘不多,没有腐蚀性和爆炸性气体存在的环境中;封闭式适用于潮湿、多灰尘、易受风雨腐蚀的恶劣环境中。
啤酒灌装环境潮湿,选用封闭式。
[10]
3.1.3电动机型号的选择
结合电动机种类和外形需要封闭式的三相笼型异步电动机,我选用了Y系列电动机,并选用应用较多的四级电动机。
该系列为一般用途全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机,具有防止灰尘、铁屑或其他杂物侵入电动机内部的特点,适用于电源电压为380V且无特殊要求的机械上,如运输机、搅拌机、农业机械等。
部分型号参数如下。
表3-1部分Y系列三相异步电动机的技术数据
电动机型号
额定功率/kW
满载转速/(r/min)
堵转转矩/淡定转矩
最大转矩/额定转矩
质量/kg
Y90L-4
1.5
1400
2.3
2.3
27
Y100L1-4
2.2
1430
2.2
2.3
34
Y100L2-4
3
1430
2.2
2.3
38
Y112M-4
4
1440
2.2
2.3
43
Y132M-4
5.5
1440
2.2
2.3
68
基于该系统的控制要求与各类型电动机的结构特点和工作场合,并考虑到经济性和实用性。
本次设计选用的电动机参数如下。
电机
型号
功率
/kW
电压
/V
额定
电流/A
转速/(r/min)
功率
因数
级数
效率/%
Y100L1-4
2.2
380
5.0
1420
0.82
4
81
3.2PLC的选择(西门子PLC)
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化,具有网络通信能力,功能更强,可靠性高。
其中S7-200是超小型化的PLC,它适用于各行各业,各种场合中的自动检测、监测及控制等;S7-300是模块化小型PLC系统,能满足中等性能要求的应用;S7-400是用于中、高档性能范围的可编程控制器。
S7-200在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备,可以满足各种各样的自动化控制的需要。
由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令系统,使得S7—200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。
[12]
S7-200系列PLC常用的5种CPU模块如下。
表3-2S7-200系列PLC5种CPU模块比较
指标
CPU221
CPU222
CPU224
CPU224XP
CPU226
数字量I/O
6入/4出
8入/6出
14入/10出
14入/10出
24入/16出
模拟量I/O
2入/1出
扩展模块数量
2
7
7
7
根据啤酒灌装生产线示意图,PLC控制系统输入信号有10个,其中6个开关量,3个传感器输入开关量,一个传感器输入模拟量;输出信号有6个,模拟输出量1个,综合以上信息,并结合经济实用性的考虑,控制系统选用西门子S7-200CPU224,型号CPU224CNDC/DC/DC6ES7 214-1AD23-0XB8,尺寸(W×H×D)120.5×80×62mm,重量360g,功耗7W。
该型号的PLC输入点为14,输出点为10。
由于四个传感器均不是输入开关量,于是扩展一个数字量输入输出模块EM223D14/D04XDC24V,用于输出为数字量的传感器接入电路;再扩展一个模拟量输入输出单元EM235用于输入量为模拟量的传感器接入电路,这样就可以满足设计的需求,而剩余的输入输出点可以备作它用。
3.3变器频的选择
通用变频器的选择包括型式选择和容量选择两个方面,变频器类型要根据负载的要求选择。
对于风机、泵类等平方转矩,低速下负载转矩较小,通常可选择专用或普通功能型通用变频器;恒转矩类负载,如挤压机、搅拌机、传送机、厂内运输电车、起重机等,则有两种情况:
①采用普通功能型变频器,为了实现恒转矩调速,常采用加大电动机和变频器容量的办法,以提高低速转矩;②更多的是采用具有转矩控制功能的高功能型变频器实现恒转矩负载的调速运行,这种变频器低速转矩大,静态机械特性硬度大,不怕冲击负载,具有挖土机特性;轧钢、造纸、塑料薄膜加工线这一类于要求高精度、快响应的生产机械,采用矢量控制高性能型通用变频器。
[9]根据以上信息我们在西门子M系列中选型。
表3-3西门子M系列变频器比较
型号
MM420
MM430
MM440
主要应用领域
“通用型”
供电电源电压为三相交流 (或单相交流),具有现场总线接口的选件,可以用于传送带,材料运输机,泵类,风机和机床的驱动。
“水泵和风机专用型”
具有优化的操作面板(BOP-2)(可以实现手动/自动切换),可用于特定控制功能的软件,以及优化的运行效率(节能运行)
“适用于一切传动装置”
具有高级的矢量控制功能 (带有或不带编码器反馈)可用于多种部门的各种用途,例如传送带系统,纺织机械,电梯,卷扬机以及建筑机械等。
功率范围
0.12-11kW
7.5-250kW
0.12 kW 至 200 kW (CT:
恒转矩)0.12kW至250kW (VT:
变转矩
电压范围
200V至 240V,单相交流200V至 240V,三相交流380V至 480V,三相交流
380V至 480V,三相交流
200V至 240V,单相交流200V 至240V,三相交流380V 至 480V,三相交流500V 至 600V,三相交流
控制
线性 V/f 控制特性
多点设定的v/f 控制特性(可编程的 v/f 控制特) FCC (磁通电流控制)
线性 v/f 控制特性多点设定的 v/f 控制特性)
FCC (磁通电流控制)
线性 v/f 控制特性
多点设定的 v/f 控制特性
多点设定的 v/f 控制特性 (可编程的 v/f 控制特性) FCC (磁通电流控制)矢量控制
依据电机参数:
电压380V,额定功率2.2Kw,额定电流5.0A我选的是西门子系列M440,且该系列具有矢量控制。
变频器容量的选择:
变频器容量的选择前提是变频器的额定电流大于电机的额定电流。
变频器的额定电流:
Ib>Idk1k3/k2(3-1)
式中Ib—变频器的额定电流(A);
Id——电动机的额定电流(A);
k1—最大负载系数,为所需最大转矩与电动机额定转矩之比;
k2—变频器过载能力系数,取k2=1.5;
k3-余量系数,取k3=1.1。
Idk1k3/k2=5.0x2.3x1.1/1.5=8.4(A)即变频器的额定电流要大于8.4A。
通过查阅MM440变频器选型手册,整理得以下表格。
表3-4部分MM440变频器技术参数
电压
功率/kW
hp
额定输入电流/A
额定输出电流/A
M440变频器订货号
电源电压220V-240V单相交流
1.5
2.0
13
7.4
6SE6440-2UC21-5BA0
2.2
3.0
17.6
10.4
6SE6440-2UC22-2BA0
3.0
4.0
23.7
13.6
6SE6440-2UC23-0CA0
电源电压220V-240V三相交流
1.5
2.0
5.6
7.4
6SE6440-2UC23-5BA0
2.2
3.0
7.6
10.4
6SE6440-2UC23-2BA0
3.0
4.0
10.5
13.6
6SE6440-2UC23-0CA0
电源电压380V-480V三相交流
3.0
4.0
6.7
7.7
6SE6440-2UD23-0BA0
4.0
5.0
8.5
10.2
6SE6440-2UD24-0BA0
5.5
7.5
11.6
13.2
6SE6440-2UD25-5CA0
电机功率2.2Kw,且变频器的额定电流要大于8.4A,因此本设计选用变频器6SE6440-2UC23-0CA0,额定电压三相220V,功率3.0Kw,额定电流10.5A。
3.4接触器的选型
接触器是一种用来接通或断开带负载的交直流主电路或大容量控制电路的自动化切换器,主要控制对象是电动机。
通用接触器可大致分以下两类。
(1)交流接触器。
主要有电磁机构、触头系统、灭弧装置等组成。
常用的是CJ1、0CJ12、CJ12B等系列。
(2)直流接触器,一般用于控制直流电器设备,线圈中通以直流电,直流接触器的动作原理和结构基本上与交流接触器是相同的。
接触器的选型有诸多因素外与负载密切相关,接触器的额定电流应大于或等于被控电路的额定电流。
[11]
对于电动机负载,可按以下经验公式计算:
IC=PNX103/KUN(3-2)
式中IC为接触器主触点电流,单位A;
PN为电动机额定功率,单位kW;
UN为电动机额定电压,单位为V;
K为经验系数,一般取1-1.4。
IC=PNX103/KUN=2.2x103/(1-1.4)x380=4.1-5.79A
选用接触器的额定电流应大于等于IC,根据《电气控制系统与PLC应用技术》表1-1CJ20系列交流接触器的主要技术参数选用CJ20-16额定电流16A,额定电压380V,额定功率7.5Kw。
3.5电缆的选型
电(线)缆工作电流计算公式:
I=P÷(U×1.732×cosΦ) (3-3)
P-功率(W);U-电压(380V);cosΦ-功率因素(0.8);I-相线电流(A)。
电动机2.2KW负载的线电流:
I=P/1.732Ucosφ=2200/(1.732*380*0.8)=4.78A
根据负载的性质和数量修正电流值。
此项目负载中数量少,同时使用,可以取使用系数为0.5到0.8,这里取0.7,电流修正值为3.3A。
就可以按这个电流选择导线、空开、接触器、热继电器等设备。
变频器3kW负载的线电流:
I=P/1.732Ucosφ=3000/(1.732*380*0.8)=5.70A
修正电流I=4.0A。
BVR-表示聚氯乙烯绝缘,铜芯(软)布电线,常常简称软线。
由于电线比较柔软,常常用于电力拖动中和电机的连接以及电线常有轻微移动的场合。
[8]
额定电压:
电线浸水1小时,经受交流50Hz250V(450/750V)、2000V(300/500V)电压实验5分钟不击穿。
工作温度:
正常工作最高温度不超过70℃,BVR-105型工作最高温度则为105℃,电线的敷设温度应不低于0℃。
允许弯曲半径:
电线外径(D)小于25mm者不小于4D;电线外径(D)为25mm及以上者应不小于6(D)。
颜色:
红、黄、蓝、绿、黑、棕、黄绿、白等,可根据要求定制。
用途:
适用与交流额定电压450/750V及以下动力、日用电器、仪器仪表及电信设备等线路,且多用于各种机械设备。
根据前面计算,选择BVR4平米电线,三芯,电缆允许的安全工作电流20A,PLC选择界面为1.5平方的导线。
3.6开关电器选择
低压断路器,俗称自动空气开关,主要在低压配电线路或开关柜中作为电源开关使用,并对线路、电气设备及电动机等进行保护。
空气开关工作原理:
当工作电流超过额定电流、短路、失压等情况下,自动切断电路。
[5]
空气开关还分几P,1P就是1根线进出,2P就是2根线进出,以此类推。
家里一般就用到1P或者2P,1P和2P的区别就是1P只能断开1根火线,2P是能同时断开火线和零线也就是1P+N,所以相对来说2P的更好点。
如果你负载的设备额定电压是220V时,就可以用1P或2P的空气开关,如果是380V,就需要3P或4P了,对负载设备不需要零的就只选3P就可以了,如电动机、风机、水泵等只用3P空气开关;如是380V的开水器、热水器之类的设备,就需要4P了,而且还要带漏电保护功能的空气开关,这是为防止漏电事故,保障人身安全是必须的要用的。
[5]
目前家庭使用DZ系列的空气开关(带漏电保护的小型断路器),常见的有以下型号/规格:
C16、C25、C32、C40、C60、C80、C100、C120等规格,其中C表示脱扣电流,即起跳电流。
工业上常见的型号有:
动力电路用DW和DZ型分20,32,50,63,80,100,125,160,250,400,600,800,1000...(单位A)。
选择要点:
空气开关额定电压大于等于线路额定电压;空气开关额定电流和过电流脱扣器的额定电流大于等于线路计算负荷电流。
空气开关型号:
D代表动力,C代表照明。
C65N1P-:
C1AC2AC4AC6AC10AC16AC20AC25AC32AC40AC50AC63A;
C65N2P-:
C1AC2AC4AC6AC10AC16AC20AC25AC32AC40AC50AC63A;
C65N3P-:
C1AC2AC4AC6AC10AC16AC20AC25AC32AC40AC50AC63A;
C65N4P-:
C1AC2AC4AC6AC10AC16AC20AC25AC32AC40AC50AC63A;
C65N1P-:
D1AD2AD4AD6AD10AD16AD20AD25AD32AD40AD50AD63A;
C65N2P-:
D1AD2AD4AD6AD10AD16AD20AD25AD32AD40AD50AD63A;
C65N3P-:
D1AD2AD4AD6AD10AD16AD20AD25AD32AD40AD50AD63A;
C65N4P-:
D1AD2AD4AD6AD10AD16AD20AD25AD32AD40AD50AD63A。
电流计算:
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 啤酒 灌装 流水线 控制 设计