基于PLC控制的液体罐装机系统（西门子）26

工程学院 毕业设计（论文）

机械与电气工程 学院 机械电子工程 专业

毕业设计(论文)题目基于PLC控制的液体罐装机系统（西门子）

学 生 姓 名

班 级 11级机

学 号 201

指 导 教 师

完 成 日 期 20年 06 月 01 日

基于PLC控制的液体罐装机系统（西门子）

Liquid filling Machine Control system based on

总计 毕业设计（论文） 41 页 表 格 2 个

插 图 22幅

PLC

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摘要

在目前工业自动化程度要求越来越高的环境下，对灌装食品的安全要求越来越高，为使灌装出的食品整齐、美观并且具有良好的包装质量，要求灌装机具有精确的动作、定位精度及较高的生产率和一定的柔性，因此对灌装机的控制要求是越来越高。传统的继电器已经不能满足现代生产的要求了。所以研制高效、经济且有一定柔性的新型灌装机械是非常迫切的。本文利用PLC的功能和特点设计出了一款饮料灌装生产流水线控制系统。主要用了西门子S7-200PLC，传感器，继电器等。采用 PLC 是用了它的自动控制能力好的特点，这样可以在生产过程中无需有人控制。设计了以 S7-200系列 PLC 为基础的灌装机控制系统，硬件设计包括控制系统的硬件配置、输入输出点分配、计数显示和PLC外部接线图的绘制；软件设计包括梯形图、语句表设计和控制系统流程图的绘制。

关键词：工业控制 PLC I/O端口分配表 灌装机

I

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ABSTRACT

Are increasingly demanding in the current industrial automation environment, safety requirements for filling food more and more high, in order to make filling out of food and tidy, beautiful and has a good packing quality, request the filler has accurate action, positioning accuracy and higher productivity and a flexible, therefore to the control requirement of the filling machine is more and more high. The traditional relay already cannot satisfy the requirement of modern production. So efficient, economic, and a flexible new type filling machine is very urgent. The functions and characteristics based on PLC has devised a beverage filling production line control system. Mainly using the Siemens S7-200 PLC, sensor, relay, etc. PLC is to use the automatic control ability good characteristics of it, so that we can in the process of production control without someone. Was designed based on the S7-200 series PLC of the filler control system, the hardware design including the hardware configuration of the control system, input and output point distribution, counting PLC external wiring diagram and the drawing of display; Software design including the ladder diagram, the statement table design drawing and flow chart of control system.

Keywords: Industrial control;PLC; I/O port allocation table;Filling machine;

II

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目录

摘要 ...................................................................................................................................................................... I ABSTRACT ........................................................................................................................................................ II 第一章 引言 ....................................................................................................................................................... 1

1.1论文研究的背景和意义 ....................................................................................................................... 1 1.2液体灌装技术在国内外的研究现状 ................................................................................................... 1 第二章 灌装机控制系统总体介绍 ................................................................................................................... 3

2.1灌装机的主要类型 ............................................................................................................................... 3

2.1.1旋转型灌装机 ............................................................................................................................ 3 2.1.2直线型灌装机 ............................................................................................................................ 4 2.2灌装的基本方法介绍 ........................................................................................................................... 4 2.3灌装机以及灌装方式的确定 ............................................................................................................... 5

2.3.1灌装机的确定 ............................................................................................................................ 5 2.3.2灌装方式的确定 ........................................................................................................................ 5

第三章 灌装机PLC系统介绍 .......................................................................................................................... 7

3.1设计内容 ............................................................................................................................................... 7 3.2 PLC的组成和工作原理 ....................................................................................................................... 7 3.3PLC的特点及应用 ................................................................................................................................ 8 3.4 系统可靠性设计 .............................................................................................................................. 11 第四章 灌装机PLC控制系统设计 ................................................................................................................ 13

4.1PLC的选型 .......................................................................................................................................... 13 4.2控制流程图 ......................................................................................................................................... 15 4.3程序梯形图编制 ................................................................................................................................. 16 第五章 灌装机PLC控制系统组态设计 ......................................................................................................... 26

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5.1组态软件的选择 ................................................................................................................................. 26

5.1.1西门子PLC与组态软件的通讯方式 ...................................................................................... 26 5.2组态画面的设计 ................................................................................................................................. 29 结语 ................................................................................................................................................................... 31 参考文献 ........................................................................................................................................................... 32 附录 ................................................................................................................................................................... 33

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第一章 引言

1.1论文研究的背景和意义

由于经济的迅速增长，包装品的市场份额要求也越来越大，这样就意味着不管是在技术层面还是在制造方面上都需要打破一个新的局面。

包装机械与国外先进技术相比，我国灌装生产在设计及加工制造水平等方面均存在较大差距。在设计方面上，我国灌装机的一些关键零部件还处于仿制阶段，特别是高速灌装的设计能力与国外先进技术存在较大差距。在加工制造方面，国内灌装设备制造企业可生产整套灌装线设备，基本能满足需求，但产品规格不齐全，灌装速度主要集中在中、低两个层次，而且自动化水平和控制水平低、先进技术应用较少。设备质量在稳定性和灌装精确性等方面与国外进口设备相比还存在一定距离。主要表现在:灌装机生产企业规模小，且一部分企业的技术和生产线仍不先进，有一部分通过引进国外技术或产品的改进。

如何使PLC在灌装机中实现控制功能，在相关的研究文献报道中用PLC对灌装机进行控制的研究并不多见，以至于人们难以根据它的具体情况，正确选择参数进行系统控制，也就难于满足提高质量和效率，降低成本的要求，自动控制技术、电力电子技术、检测技术和信息技术不断发展。液体灌装机构自动化水平也需要越来越高。提高自动化的水平不仅可以提高效率、产品的质量，同时也能保证工人的人身安全。为了提高产品的质量，缩短生产周期，顺应产品迅速更新换代的要求，产品生产正在向缩短生产周期，降低成本，提高生产资料等方向发展。综上所述，在本着节约资金、降低成本，提高生产效率，保障人身安全的情况下对灌装设备进行自动化设计。

本课题是对灌装、计数，二合一体的液体灌装机进行控制系统研究和设计，这样，可以使得技术改型后的灌装机械设备提高灌装机械设备的稳定性和精确度，能够实现灌装的自动化生产和科学化管理。

1.2液体灌装技术在国内外的研究现状

灌装机控制系统作为灌装机的核心，国外灌装机发展日趋成熟，而我国灌装机设计及制造水平、设备性能与国外相比存在较大差距，多年来国内灌装机制造企业仍然主要依靠引进国外设备再在国内加以仿制，或消化吸收国外先进技术，从而开发国内灌装设备。

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第一章 引言

从产品结构看，我国灌装机与国外灌装机产品质量差距表现在产品性能低，稳定性和可靠性差，外观造型不美观。国外灌装机电气元件选用较为优良。国内灌装机选用的元器件中较多质量差，寿命短，可靠性低，从而整体产品的质量也受到影响；国产灌装机机械性能较为落后，大多速度慢、稳定性差、灌装精度低；另外设备表面的加工工艺存在较大差别，且造价不同。从产品开发看，国内产品基本还停留在仿制阶段，缺少研发基地，科研经费投入不到销售额的1%，而国外高达10%。

在国外，如美国，日本，德国，英国和意大利的液体灌装制造水平很高，液体灌装技术趋于完善。其主要表现为生产的高速化，设备的多功能化，控制的智能化,设备结构合理化等。其产品也呈现出如下几个方面的发展新动向:

高效，稳定更具有灵活性，机器装配的弹性好。包装机器的主要特点是智能化，而机器设备的稳定性和可靠性也是重要指标。该设备规范是由包装工业技术蓬勃发展的欧美国家指定，为确保可行性，制定出相应的指标及准则。

现在国内的该类设备大多是计量式，有着低速，低精度等缺点。本文主要是设计灌装、自动检测装罐，计数的灌装机，其目的是低成本，且高效率，高精度。通过检测灌装瓶实现自动灌装，这将使得灌装效率大大提高。

液体灌装机按灌装原理可分为常压灌装机、灌装机和真空压力灌装机。以啤酒灌装为例，压盖压力较高的填充方法比常压下的充液，储存的钢瓶压力要比瓶的压力，啤酒瓶的压力要大好多。

国内外技术实现灌装线基本上是：回转酒缸的旋转运动，放在酒钢槽的空瓶通过机械将被固定在E上酒钢真空阀门的开启，关闭好处理真空瓶，拍砖干运行，打开瓶子灌装CO2气体，阀真空凸轮打开真空值。有，瓶子将空气与二氧化碳气体混合，打开阀门再次，二氧化碳气体瓶灌装，灌装阀上的压力阀在瓶内接近背压气体压力在操作恩九叶瓶壁进入瓶内，通过气动或电气控制灌装阀实现啤酒灌装。

当今国际先进的啤酒灌装、压盖机的控制系统主要由光电开关位置检测部分、走瓶，酒钢高速的一部分，由PLC控制、触摸屏等部件。灌装机、机械结构的密封和可编程控制装置、变频无级调速、人机界面等现代我和全自动控制技术，是机电一体化的结合。

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第二章 灌装机控制系统总体介绍

液体灌装机主要用于洗液、护理液、口服液、消毒液、洗眼液、营养液、酒水、注射液、农药、医药、香水、食用油、润滑油及特殊行业的液体灌装。

2.1灌装机的主要类型

按灌装瓶的主要运动形式分类：旋转型（图2.1）、直线型（图2.2） 2.1.1旋转型灌装机

图2.1旋转型灌装机

（a）图 （b）图

旋转灌装机如图2.1（b）图，待灌瓶由传送系统（一般经洗瓶机由输送带输入）或人工送入灌装机进瓶机构，瓶子由灌装机转盘带动绕主立轴旋转运动进行连续灌装，转动近一周时瓶压盖机进行压盖，其灌装过程的俯视图图2.1（a）图。

这种灌装机在食品、饮料行业应用最广泛，如汽水、果汁、啤酒、牛奶的灌装，此机主要由流体输送（即供料系统）、容器输送（即供瓶系统）、灌装阀、大转盘、传动系统、机体、自控等部分所组成，其中灌装阀是保证灌装机能否正常工作的关键。

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第二章 灌装控制系统总体介绍

2.1.2直线型灌装机

包装容器或灌装瓶由一个工位直线式间接运动到另一个工位，并在间歇时完成灌装的机器称为直线型灌装机。该机沿着平直的直线运动，并在停歇时进行成排灌装，如图2.2（a）

图，凡送来一排空瓶由推瓶板向前推送一次，到送至灌液管的下方时，阀门打开进行灌装，

间歇进行操作。可以参考直线灌装机工作原理图2.2（b）图。

2 （a）图 图2.2直线型灌装机 （b）图 这种灌装机相对旋转灌装机来讲，结构比较简单，制造方便，但占地面积比较大，而 是间歇运动，生产能力的提高也受到一定限制，因此一般只用于无汽液料类的灌装，局限性较大。

2.2灌装的基本方法介绍

各种液体产品的物理性质和化学性质均不相同，在灌装过程中，为了使产品的特性保持不变，必须采用不同的灌装方法。一般灌装机常采用下列几种灌装方法：

（1）常压法

常压法也称纯重力法，即在常压下，液料依靠自重流进包装容器内。大部分能自由流动的不含气液料都可用此法灌装，例如白酒、果酒、牛奶、酱油、醋等。

（2）等压法

等压法也称压力重力式灌装法，即在高于大气压的条件下，首先对包装容器充气，使之形成与贮液箱内相等的气压，然后再依靠被灌液料的自重流进包装容器内。这种方法普遍用

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于含气饮料，如啤酒、汽水、汽酒等的灌装。采用此种方法灌装，可以减少这类产品中所含CO2的损失，并能防止灌装过程中过量起泡而影响产品质量和定量精度。

（3）真空法

真空法是在低于大气压的条件下进行灌装的，可按两种方式进行： （a）压差真空式

即贮液箱内处于常压，只对包装容器抽气使之形成真空，液料依靠贮液箱与待灌容器间的压差作用产生流动而完成灌装，国内此种方法较常用。

（b）重力真空式

即贮液箱内处于真空，包装容器首先抽气使之形成与贮液箱内相等的真空，随后液料依靠自重流进包装容器内，因结构较复杂，国内较少用。真空法灌装应用面较广，它即适用于灌装粘度稍大的液体物料，如油类、糖浆等。也适用于灌装含维生素的液体物料，如蔬菜汁、果子汁等，瓶内形成真空就意味着减少了液料与空气的接触，延长了产品的保质期，真空法还适用于灌装有毒的物料，如农药等，以减少毒性气体的外溢，改善劳动条件。

（4）压力法

利用机械压力或气压，将被灌物料挤入包装容器内，这种方法主要用于灌装粘度较大的稠性物料，例如灌装番茄酱、肉糜、牙膏、香脂等。有时也可用于汽水一类软饮料的灌装，这时靠汽水本身的气压直接灌入未经充气等压的瓶内，从而提高了灌装速度，形成的泡沫因汽水中无胶体尚易消失，对灌装质量有一定影响。

2.3灌装机以及灌装方式的确定

2.3.1灌装机的确定

旋转式灌装机无论在生产效率还是在生产质量上都远远高于直线型灌装机，对比直线性灌装机，旋转式灌装机的设备更高效化、自动化和节能化。因此本设计采用直线式灌装机来进行研究，对其研究是否能起到推动改进作用。 2.3.2灌装方式的确定

灌装方式的选择，除了考虑液体本身的工艺性能如粘度、重度、含气性、挥发性外，还必须考虑产品的工艺要求、灌装机的机械结构等综合因素。对于一般的食用液料如瓶装牛奶、瓶装酒类、碳酸饮料等，可以采用真空—等压法，也可直接采用等压法。真空—等压法是灌

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第二章 灌装控制系统总体介绍

装前对瓶内抽取真空，然后再充入CO2进行等压灌装。为了减少灌装时酒料类的液体的含氧气量，以便延长产品的保质期，采用较大的真空度的—等压法更有利。采用真空法其灌装阀的结构较简单，液漏损失小。但是真空法较之等压法需增加设备成本，而且，氧气量对碳酸饮料的影响不大，在节能的方面考虑，可直接采用等压灌装法。

碳酸饮料采用等压灌装法可以有效的防止灌装过程中CO2气体的损失，等压灌装即先向瓶子中充气，使容器内压力与贮液缸内的压力相等，再将贮液缸内的液体灌入容器内。贮液缸是全封闭的，它由贮液室、背压气室、回气室三室组成。在往贮液缸输送液体之前，先往贮液缸内通入压缩气体（无菌空气或CO2，使贮液缸的气室保持一定的压力（0. 1 ~-0. 9MPa ），该气体压力必须等于或稍高于液体物料中CO2溶解量的饱和压力，使饮料中的CO2溶解。等压灌装法可以减少CO2的损失，保持含气饮料的质量，并能防止灌装中过量泛泡，保证灌装计量准确。所以本系统在设计中选用等压灌装法。

液体灌装机的一般流程是将装有空瓶的箱子堆放在托盘上，由输送带送到卸托盘机，将托盘逐个卸下，箱子随输送带送到卸箱机中，将空瓶从箱子中取出，空箱经输送带送到洗箱机，经清洗干净，再输送到装箱机旁，以便将盛有饮料的瓶子装入其中。从卸箱机取出的空瓶，由另一条输送带送入洗瓶机消毒和清洗，经瓶子检验机检验，符合清洁标准后进入灌装机和封盖机。液体由灌装机装入瓶中。装好液体的瓶子经封盖机加盖封住并输送到贴标机贴标，贴好标签后送至装箱机装入箱中再送到堆托盘机堆放在托盘上送入仓库。

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第三章 灌装机PLC系统介绍

3.1设计内容

饮料灌装机的PLC控制系统设计：

（1）系统通过开关设定为自动和手动两种操作模式；启动后，传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或罐装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止；瓶子装满饮料后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。

（2）当瓶子定位在罐装设备下时，停顿1秒，罐装设备开始工作，罐装过程为5秒钟，罐装过程应有报警显示，5.5秒后停止并不再显示报警。

（3）用两个传感器和若干个加法器检测并记录空瓶数和满瓶数，一旦系统启动，必须记录空瓶数和满瓶数，设最多不超过99999999瓶。

（4）可以手动对计数值清零（复位）。 3.2 PLC的组成和工作原理

PLC 英文全称Programmable Logic Controller, 中文全称为可编程逻辑控制器，定义是: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/输出控制各种机械或生产过程。

PLC硬件由中央处理器、电源、输出组件、输入组件、输入输出、编程器六部分构成，各部分简述如下：

中央处理器（ Central Processor Unit 简称CPU）：它是可编程序控制器的心脏部分。CPU 由微处理器（Microproce-ssor）存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。

电源 （Power Supply）：给中央处理器提供必需的工作电源。 输入组件（Inputs）：输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。 输出组件（Outputs）：输出组件接收CPU 的控制信号，并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。

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第三章 系统总体方案设计

输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”和“视觉”。输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。

编程器（Programmer）：在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。

PLC采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行的。当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。然后重新返回第一条指令，再开始下一次扫描；如此周而复始。

图3-1 PLC循环扫描工作图

实际上，PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自诊断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。如图3-1： 3.3PLC的特点及应用

现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程序控制器一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。它的主要特点如下：

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(1)抗干扰能力强，可靠性高。 微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。而PLC 在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取生产厂家长期积累的工业控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I／0 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这些使PLC 具有较高的抗干扰能力。PLC 的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机不能比拟的。 继电器—接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。而PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。

(2)控制系统结构简单，通用性强。PLC 及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC 构成的控制系统中，只需在PLC 的端子上接入相应的输入输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理器件和大量而又繁杂的硬接线线路。当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC 装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。PLC 的输入输出可直接与交流220 V，直流24V 等强电相连，并有较强的带负载能力。

(3)编程方便，易于使用。PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯。PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。

(5)功能完善。PLC 的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量的输入输出。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现定时、计数、锁存、比较、跳转和强制I/O 等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。此外，它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。因此PLC 具有极强的适应性，能够很好地满足各种类型控制的需要。

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第三章 系统总体方案设计

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

(1)开关量的逻辑控制。这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 (2)模拟量控制。在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

(3)运动控制。PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

(4)过程控制。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

(5)数据处理。现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 (6)通信及联网。PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

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3.4 系统可靠性设计

用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。事实上，如果PLC工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不成其为PLC了。

（1）硬件方面

PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。

PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。

在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达80--90度。

有的PLC的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。

还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。

（2）软件方面

PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的冒险竞争，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。

为监控PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了看门狗（Watchingdog）监控程序。运行用户程序开始时，先清看门狗定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100ms），则报警。严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC将正常工作。显然，有了这个看门狗监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，可避免出现死循环而影响其工作的可靠性。

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第三章 系统总体方案设计

PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。

PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。

正是PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。

曾有人做过为什么要使用PLC的问卷调查。在回答中，多数用户把PLC工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作，作为它的首选指标。

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第四章 灌装机PLC控制系统设计

4.1PLC的选型

本设计采用PLC来实现对饮料罐装生产流水线的控制。随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。根据对生产流水线控制系统的控制要求分析,其输入信号有系统的开启、 停止按钮信号和手动清零按钮信号;输出信号有传送带驱动信号、警示灯信号。根据原理确定,系统所需的输入点数为6,输出点数为12,所以该系统属于小型单机控制系统。 选用西门子的S7-200系列CPU226型号PLC。

表4-2 I/O分配表

控制信号 信号名称 系统启动信号 系统停止信号 位置检测信号 元件名称 常开按钮 常闭按钮 继电器 继电器 继电器 常开按钮 传感器 常开按钮 接触器 代号 SB_1 SB_2 K1 K2 K3 SB_3 SL1 SB_4 KM2 地址编码 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I1.0 Q0.0 输入信号满瓶信号 空瓶信号 手动清零 气阀气压检测器 启动电机传送带 信输号出 传送带电机驱动信号

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第四章 PLC控制系统设计

表4-2 I/O分配表续表

控制信号 信号名称 系统运行信号 警示灯信号 气阀打开 元件名称 接触器 信号灯 接触器 接触器 接触器 触摸屏 触摸屏 代号 KM1 HL KM3 KM4 KM5 DISPLAY1 DISPLAY2 地址编码 Q0.5 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 MD0 MD10 输出信号灌装阀打开 次品捡出器 满瓶计数 空瓶计数

图4-3 PLC外部接线图

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4.2控制流程图

图4-4 控制流程图

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第四章 PLC控制系统设计

4.3程序梯形图编制

主程序

主程序通过系统启动、关闭按钮控制系统的状态， 在未启动电机开关时属于手动模式，当启动电机开关进入自动手动两种操作模式；通过两个子程序进入运行两种模式中。

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手动清零也放在主程序里。清楚空瓶、满瓶、次瓶数据。

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第四章 PLC控制系统设计

空瓶计数记录在MD10寄存器里，用于触摸屏提取数据

满瓶计数记录在MD0寄存器里，用于触摸屏提取数据

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自动子程序

电机开关启动后，传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或罐装设备下的I0.2传感器检测到一个瓶子时停止。

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第四章 PLC控制系统设计

位置检测到信号，4S时间的充气CO2 ，到气阀气压检测器检测到信号，输出次瓶信号。并开始计数。

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次瓶计数存于MW20，用于触摸屏提取数据。

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第四章 PLC控制系统设计

4S时间到继续停止1S时间。

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1S时间到，灌装开始5S，且0.5S不断间隔闪烁。总共闪烁5.5S.

5.5S闪烁时间到，返回主程序，刷新满瓶、空瓶、次瓶计数。

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第四章 PLC控制系统设计

手动子程序

位置检测用手动直接触动气阀打开。

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I0.2位置检测用手动直接触动装罐阀打开装罐Q0.3、I0.6气压检测器触动次瓶检出器Q0.4。

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第五章 灌装机PLC控制系统组态设计

第五章 灌装机PLC控制系统组态设计

5.1组态软件的选择

5.1.1西门子PLC与组态软件的通讯方式

1、 MPI/PPI：

设备要求：PC机中需要安装MPI卡（MPI卡安装在计算机的ISA插槽中，用MPI电缆将MPI卡与S7-300的MPI口相连）或使用PC-Adapter（将PC-Adapter的一端与计算机的串口相连，另一端与S7-300的MPI口相连），第三方软件开发平台开发的监控软件与S7系列PLC通信使用MPI协议的接口软件有：Prodave、Computing、OPC server。 1）用Prodave软件包实现通信连接

Prodave是西门子公司推出的专门用于西门子PLC产品（S7-200、300、400系列PLC） Prodave提供动态连接库给Win 95/98/NT/ME/2000中的高级语言编程器,使得PG/PC对PLC中包括M, T, C, I/O各存储区中的数据进行读写。

Prodave有两种,Prodave MPI 和Prodave MPI MINI(或称为Prodave S7和Prodave S7 MINI).最新版本Prodave MPI V5.6及Prodave MPI MINI V5.6。最新版本5.6支持Win95/98/Me/2000和XP操作系统,其它的函数功能不变。

主要函数有：

（1）load_tool PC机与PLC系统初始化链接； （2）unload_tool 断开PC机与PLC系统链接； （3）以及读写PLC内部存储区的函数。

监控软件通过读写函数可以方便监控PLC控制系统。 2） Computing

安装Computing后，在VB或Delphi中可以直接插入控件。可插入的控件主要有：Data control、Edit controls、Button controls、Label controls、Slider control。

Data controls的主要功能是把以上剩余的控件与S7系列PLC相连接、设置事件触发条件以及设定S7系列PLC地址等。而Edit controls、Button controls、Label controls、 Slider control可以与S7-200系列PLC存储资源直接对应。第三方软件可以直接调用上列控件对PLC进行监控，也可以通过函数对S7系列PLC进行读写操作。

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WinAC支持SIMATIC Computing的原有应用，但以后不会开发新的SIMATIC Computing 版本， SIMATIC Computing 的最终版本为V3.1 SP2

对过程数据的存取采用以下几种方式：

（1）用户可以通过标准ActiveX 控件OCX 存取过程数据

（2） 用户可以使用DCOM Microsoft 分布式组件模式集成网络上分布式的应用程序分布式的应用由多个程序和不同的计算机协作完成一个统一的任务

（3） 允许任何符合OPC 用于过程控制的OLE 客户机标准的应用软件通过WinAC 内置的OPC 服务器访问控制设备中的数据 3）OPC server

OPC 服务器随SIMATIC NET 软件光盘提供, SIMATIC NET 是西门子在工业控制层面上提供给您的一个开放的，多元的通讯系统。它意味着您能将工业现场的PLC、主机、工作站和个人电脑联网通讯。

VB或Delphi中可编写OPC客户端程序与OPC服务器通信。 4) 用自由口实现通信连接

S7-200系列PLC，在VB或Delphi下插入MSComm控件，按照自定协议通过串口来收发数据，并对数据进行处理并实现监控.（s7200有用串口通讯的初始化语句，但我还没有找到相关的资料）

2、 Profibus

PROFIBUS是一种国际化．开放式．不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化．流程工业自动化和楼宇．交通电力等其他领域自动化。

PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP（ Decentralized

Periphery）．PROFIBUS－PA（Process Automation ）．PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。其中，Profibus-DP特别适合于可编程控制器与远程I/O设备之间的快速数据交换通讯。

3、 Ethernet

通过以太网方式进行通讯时，pc机可以使用普通的以太网卡或者使用西门子公司提供的专用网卡。

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第五章 灌装机PLC控制系统组态设计

通过ETHERNET 建立SIMATIC NET OPC 服务器与PLC 的S7 连接PC 机的软件和硬件需求。

通讯处理器(CP)的作用是将SIMATIC PLC连接到工业以太网网络中，设计用于严酷的工业环境，可用于较宽的温度范围内，并通过船级认证(ABS)，可用于船只或海上设备。通讯处理器配置有RJ45 接口，10/100Mbit/s 的数据传输速率,能快速传输大量数据。

SIMATIC PLC 工业以太网通讯处理器的优点： 通过UDP 连接或群播功能可达到多用户；

利用NTP(网络时间协议)提供时钟同步(使用CP443-1 和CP443-1 IT)； 可选择KeepAlive 功能；

使用10/100Mbit/s 工业以太网可将SIMATIC S7 集成到复杂的成套装置内。使用S5 兼容通讯可将SIMATIC S7 集成到现有装置内；

借助于TCP/IP 的WAP 功能，通过电话网络(例如ISDN)，CP 也能远距离编程和对设备进行初始调试。

一种模块就能用于不同应用： PG/PC，操作和监视系统(OP 通讯的多路转换；最多可连接16 个OP)以及SIMATIC S5/S7。

使用NCM S7(已集成在STEP 7中)可提供范围广泛的诊断功能，包括显示CP的操作状态，实现通用诊断和统计功能，提供连接诊断和LAN 控制器统计及诊断缓冲器。 世纪星组态软件介绍与应用：

目前自动化控制方面的软件品种繁多，但其组成部分大同小异。组态软件由系统管理、梯形图生成，计算公式生成（结构化文本语言生成）、历史库生成、图形生成、报表生成等构成。利用系统管理组态定义系统的硬件配置，只有硬件配置确定后，才能进行后面的组态。 选择一个性能优良的组态软件对于整个控制管理系统的成功开发、方便调试、可靠运行至关重要。由北京世纪长秋软件有限公司推出的世纪星7.22版，己成功地应用于众多领域。鉴于北京世纪长秋软件有限公司的世纪星组态软件较易掌握，且拥有良好的口碑。所以本设计在开发灌装监控的画面流程时采用了世纪星7.22版。

世纪星组态软件的全称是“世纪星通用工业自动化监控组态软件”，它是在PC机上开发的智能型人机接（HMI）软件系统，以Windows 98/2000/NT 中文操作系统为平台，全中文界面。

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世纪星组态软件是由北京世纪长秋科技有限公司投资开发，太极计算机公司、清华大学、中科院等单位参与了世纪星组态软件核心模块的开发研制工作，在开发和设计过程中，采用国际先进的组态理念，吸收当前国内外先进组态软件的优秀成果，在最大地满足和方便用户的思想指导下，采用了一系列独特的技术，从而使产品在面向市场几年的时间里，有了许多成功的应用实例。

世纪星组态软件由开发系统和运行系统两部分组成。开发系统和运行系统是各自独立的Windows 32位应用程序，均可单独使用；两者又相互依存，在开发系统中设计开发的工程和画面应用程序必须在运行系统中才能运行。

世纪星组态软件开发系统是其应用程序的集成开发环境。开发者在这个环境中完成工况画面的设计、 数据库定义、动画连接、设备安装、命令语言编写等。开发系统具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，对应于控制对象的特性，对数据的报警、趋势曲线、历史数据记录、安全防范等重要功能有简单的操作方法。

世纪星组态软件运行系统是一个实时运行环境，用于显示画面开发系统中建立的动画图形画面，并负责数据库与I/O服务程序的数据交换。它通过实时数据库管理从工业控制对象采集到的各种数据， 并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、历史数据记录、趋势曲线等监视功能。

5.2组态画面的设计

世纪星7.22版的开发系统是应用程序的集成开发环境，通过西门子485接口采用

MPI/PPI通讯方式，实现西门子PLC与上位机组态世纪星通讯，我们可以在这个环境下完成界面的

设计、数据库的构造、动画连接的定义等。组态画面如图5.2所示。

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第五章 灌装机PLC控制系统组态设计

图5.2 灌装机组态界面

首先，系统在停止的状态下，所有的设备处于原始不带电状态，当系统启动后，有两种模式即手动和自动，并且两种模式进行了互锁，手动直接一步一个响应，自动在启动电机后进入自动状态，传送带的空瓶传送过来，并进行了空瓶检测计数处理，到空瓶到达检测位置，传送带电机停止前行，然后充气CO2时间4S，时间到进行气压压力检测，气压检测压力减少说明瓶是次瓶，若检测气压压力不变，说明瓶是好瓶，好瓶进行灌装5S，且进行5.5S闪烁报警，报警完成后，继续前行并记录满瓶计数，次瓶未进行灌装的瓶子通过次瓶捡出器捡出。系统只有在得到停止信号活着位置检测到有瓶才会停止，否则一直运行下去。

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结语

由于使用的是以PLC作为核心的控制元件,使得电路的可靠性比较高,功能也比较强大,而且可以随时的更新系统,进行不同状态的组合，并且用PLC编程方便灵活。美中不足的是PLC的价格都普遍比较昂贵，使用PLC，还要考虑经济指标。经济是基础，经济上不合算，不能带来经济效益，使用PLC也就没有基础。所以，这个指标也是重要的。经济指标最简单的就是看价格。一般讲，同样技术性能的PLC，价格低其经济指标就好。同时由于经验不足，本程序还存在以下部分有待加以研究与开发：灌装机贮液缸内液位、压力控制方面的相关程序，如果加入计算机控制系统较为成熟的控制方法—PID调节技术来进行控制会更好。由于本人水平有限，所做的研究、开发工作不够深入，希望能够得到各位老师的批评指正。

同时感谢学校为我们精心安排的毕业设计，让我们在短时间内掌握了很多知识，以及知识以外的许多东西，比如吃苦耐劳的精神、专研问题的韧劲等等。从我对毕业设计内容的懵懂逐渐发展到现在对毕业设计内容的完全认知，完全是在代老师的帮助下完成的。在老师的指导下，我避免了许多盲目的查询，避开了许多错误的认识，让我从迷茫中找到突破口，迅速而且正确的找到本次毕业设计的定位点，继而展开PLC程序的编写与调试，在代老师的指导下，经过三次程序的修改，顺利的完成了系统的各个控制要求。世纪星组态软件是我们接触新软件，我们完全是自己摸索。但是在代老师的点拨下，让我在短时间内迅速地掌握了这门软件，顺利地完成灌装机控制系统的组态画面设计，也简单实现了画面的实时性与逼真性。

在此毕业设计的完成过程中，还要感谢大学4年来教育过我们的各位老师，是你们为我打下了自动化坚实的基础，正是这种基础，才能使我顺利的完成毕业设计。离别将至，感谢敬爱的班主任，和大学学习期间与我朝夕相处的同学们，从他们身上使我学到了很多很多宝贵的东西。在也此对你们表示深深的谢意。最后，感谢母校的培养，祝愿母校蒸蒸日上，在未来取得更高层次的发展。

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参考文献

参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0av3.html