饮料灌装生产流水线PLC控制

饮料灌装生产流水线PLC控制

饮料灌装生产流水线的PLC控制

摘要：文章探讨了如何利用德国西门子PLC S7-200 进行饮料灌装生产流水线的控制，重点分析了系统软硬件设计部分，并给出了系统硬件接线图、PLC 控制I/O 端口分配表以及整体程序流程图等，实现了饮料灌装的自动化，提高了生产效率，降低了劳动强度。

关键词：PLC；自动化饮料灌装生产线；；系统硬件接线图；I/O 端口分配表

传统的饮料罐装生产线的电气设备控制系统是传统的继电器——接触器控制方式,在使用的过程中，生产工效低，人机对话靠指示灯+按钮+讯响器的工作方式，响应慢，故障率高，可靠性差，系统的工作状态、故障处理、设备监控与维护只能凭经验被动的去查找故障点。且在生产过程中容易产生二次污染，造成合格率低，生产成本增加。而自动化生产线在众多领域应用得非常广泛，其控制部分常常采用PLC 控制，它使自动化生产线运行更加平稳，定位更加准确，功能更加完善，操作更加方便。为适应发展，故提出下面的

线。本文介绍了德国西门子PLC控制技术改造现有生产PLCS7- 200 在自动化饮料罐装生产线控制系统中的应用，并从硬件和软件两方面进行了分析和研究。

一、系统概况

饮料灌装生产流水线是指按一定控制要求将有关驱动电机、电气控制装置、检测装置等组合为一体的多功能自动控制装置。

本系统电镀生产线采用了传送带，传送带用一台电动机控制，同时用

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变频器对电机平滑调速。

1、生产工艺及流程

该罐装生产线为人工/自动操作的工作程序，由2只电磁阀控制托瓶架的升降，2只电磁阀控制压盖的行程。驱动部分有：清水泵、无菌泵、清洗输送、灌装输送、灌装泵。

1.1、手动控制工作状态

将操作台上旋钮置手动，各工位工作状态如下：

（1）按启动按钮，传送带把洗过的空瓶送到托瓶架上；托瓶架启动，把洗过的空瓶送到罐装机的罐装口；罐装泵启动，罐满后自动停止；

（2）按停止按钮，传送带停止。

1.2、自动控制工作状态

（1）启动：按下自动按钮后，生产线进入自动工作状态，具备工作条件后，瓶子随着传送带进入工序。

（2）罐装：当瓶子随着输送带平稳的进入托瓶架时，托瓶架的限位开关信号送给PLC，翻瓶架的一组气动电磁阀打开，汽缸开始工作，将瓶子送到罐装口的下部，这时汽缸上限信号送入PLC，罐装泵开始启动，在罐装的过程中翻瓶架自动落下，罐装到一定的时间（及罐满）后自动停止（罐装时间3/5加仑的设定时间不同），罐装结束后，经过一定的延时时间，罐装输送带开始启动。

具体流程图如图1 所示。

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在工作过程中，有自动和手动两种工作方式选择，操作方便。在多数情况下选择自动工作方式，在维修和特别处理情况下选择手动工作方式。

二、系统硬件设计

根据自动化电镀生产线的控制要求，我们采用了德国西门子PLC S7- 200 CPU226 型号，此类型PLC 无论独立运行，还是联接网络都能完成各种控制任务。它的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的自动控制。其应用领域包括各种机床、纺织机械、塑料机械、电梯、生成流水线等行业。S7- 200CPU226 通讯功能完善，具有极高的性能价格比是很突出的特点，也是我们采用它的主要原因。

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PLC 为此系统的控制核心，此系统的输入信号有两部分，一部分是启动、停止等面板控制按钮，另一部分是多种行程开关，这些面板按钮信号和传感器信号作为PLC 的输入变量，经过PLC 的输入接口输入到内部数据寄存器，然后在PLC 内部进行逻辑运算或数据处理后，以输出变量的形式送到输出接口，从而驱动电机来控制行车的运行和吊钩的升降。

此系统PLC 硬件接线图如图2 所示，I/O 端口分配表如表1 所示。

三、系统软件设计

饮料灌装生产流水线的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式主要指连续操作方式。手动操作是指用开关对系统的操作模式进行设置。例如，当选择自动操作模式时，启用连续操作方式。连续操作是指从原点开始，按一下启动按钮，系统将自动地、连续不断地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，系统将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。此系统的整体程序结构如图3 所示。

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按一下启动按钮I1.0 执行一个动作，并按规定顺序进行。在单周期工作方式和连续操作工作方式下，可执行自动操作程序。当按下连续按钮I0.7 和启动按钮I1.0 后，中间继电器M1.0 置位，连续执行

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自动操作程序。当按下单周期按钮I1.3 后，中间继电器M1.0 复位，执行一次自动操作程序就停止。在单操作程序、步进操作程序和自动操作程序中都必须使用中间继电器，最后通过转换能控制共同的输出继电器。

根据前面的系统控制要求和I/O 分配表分析可得自动操作流程图如图3 所示。

具体的工作过程如下：当PLC 运行时，初始脉冲SM0.1 对状态进行初始复位。当系统在原点时，状态继电器S0.0 置1，Q0.4 得电，原位状态指示灯亮。接下启动按钮I1.0 后，状态继电器S0.1 置 1，同时S0.0 清零，原位状态指示灯熄灭，Q0.0 得电，吊钩执行上升动作。当上升碰到上限位开关I0.0 时，状态继电器S0.2 置1，同时S0.1 清零，吊钩停止上升，Q0.2 得电，行车开始右行，当右行到XK1 行程开关时，状态继电器S0.3 置1，同时S0.2 清零，行车停止右行，Q0.1 得电，吊钩开始下降，当碰到下限行程开关I0.1 时，状态继电器S0.4 置1，同时S0.3清零，吊钩停止下降，镀件处于前处理槽中，定时器T37 开始计时，15S 后，定时满，T37 常开触点闭合使状态继电器S0.5置1，同时S0.4 清零，Q0.0 得电，吊钩开始上升，重复执行上升－右行－下降－延时四个过程，具体操作省略，当在后处理槽30S 后，定时器T39 得电，状态继电器S1.5 置1，同时S1.4 清零，Q0.0 得电，吊钩开始上升，当碰到XK3 行程开关，状态继电器S1.6 置1，同时S1.5 清零，吊钩停止上升，Q0.3 得电，行车开始左行，当左行碰到左限限位开关I0.2，状态继电器S1.7

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置1，同时S1.6 清零，行车停止左行，Q0.1 得电，吊钩开始下降，当碰到下限开关I0.1，吊钩停止下降。如果为连续工作方式，M1.0 置1，状态继电器S0.1 置1，重复执行自动程序。若为单周期操作方式，M1.0 清零，状态继电器S0.0 置1，停止在原位。

四、结语

PLC 应用于自动化电镀生产线，提高了生产效率，降低了劳动强度，为了适应多种不同镀件的工艺要求，还可编入多套工艺流程，系统的灵活性和通用性强，设计周期短。此控制系统经过两年多的实际运行，具有可靠性高，易操作，易维护等优点，已取得了很好的经济效益，有着广泛的应用前景。

国内饮料产量连年递增。随着饮料市场的不断发展, 预计到2015年饮料产量将达到3700 万吨。然而, 饮料行业的快速发展却不能掩盖企业成本压力逐渐加大的事实。纵观国内饮料市场, 糖价的上涨和国际石油价格上涨带来的PET 价格的上涨, 使饮料企业的成本大大提高。尽管如此, 没有哪个饮料企业可以毫无顾忌地将产品提价, 以防企业在市场竞争中在价格上处于劣势。企业在面对成本的压力时, 只能从多方面进行自我消化和调节, 而降低包装成本从而缓解一部分成本压力, 无疑是许多饮料企业都采取的措施。在这种情况下, 饮料行业在包装方面则呈现了一定的变化趋势。

整线包装解决方案受到用户更多的重视整线包装解决方案包括: 吹瓶、灌装、套标、装箱等, 它可以从整线工艺、工程设计规划、人员管理等方面为用户节省包装成本。

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特别值得一提的是, 目前饮料生产企业在市场竞争的压力下, 希望通过不断开发新的产品、采用创新的包装形式以适应消费者的需求, 进而赢得更广阔的市场。那么

在这种情况下, 饮料生产企业就必须通过包装线的改变来实现产品包装的变化。我们可以举一些例子: 例如饮料企业要改变一种瓶型, 将直立瓶改为弧形瓶或者将圆瓶改为方瓶, 这些就要求供应商提供从吹瓶、灌装到包装各个环节与之相适应的包装解决方案, 使整条生产线都要满足该瓶型的生产要求, 此时单一的设备供应商比几家设备供应商能够更快速、更优秀的完成整个改造。

关键技术的实现方法

311 饮料罐恒液位控制[1 ]

设装酒泵流量为q (L /s) , 则装酒量为Q = qt。当酒瓶大小一致, 酒位h 应为Q 的函数, 即h=f (Q )。又由于灌装设备的装酒时间段相等, 因此, 只要控制装酒泵的流量恒定, 则可确保酒瓶中的酒位相等且为常数。

由于装饮料罐泵属清水泵系列, 其出口压力与出口流量有着一一对应的关系, 满足清水泵的H-2Q 特性[2 ] (这里H 为水泵的扬程即出口压力) , 因此, 只要使装饮料罐泵的出口压力恒定就可保证出饮料罐流量恒定, 从而确保了液位恒定, 其原理框图如图3 所示。

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这里要说明的是采用压力传感器代替流量传感器,间接地解决了在线检测酒瓶中酒位的难题,而控制精度没有降低,控制方案更为简单。 312 速度调节控制

在速度调节控制中, 采用变频新技术, 用交流电机取代了原生产线的直流电机, 通过改变变频器的控制信号(4～ 20mA ) 的方法来实现整个生产线的速度调节和速度设定。其控制系统框图如图4 所示, 速度调节规律如图5。

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这里需要说明以下两点: 1) 当PLC 接到堆堵或故障信号时, 则送一开关信号K, 将减速信号S 接入调速回路, S 信号具有在规定的时间内均匀地从0 增加到速度设定值SP, 其增加的斜率将是生产线减速直至停车的斜率; 反之, K 断开, 生产线将在SP 的作用下, 加速直至预置速度vSP。2) P ID 控制器为Honeyw ell 公司的E40B 控制器, 其输入U 同时送到M 12M 26的控制回路,经适配器作为其他电机转速设定值, 从而实现了整个生产线的同步协调控制。

313 其他信号的检测与控制

电机的过流保护、生产线的各限位开关、瓶堵等的检测信号以及CO 2 预压阀、压盖机构等的控制信号均为开关量信号, 由C200H 完成。 应用效果

该一体化自动生产线结构紧凑、功能强、控制精度高、操作简便、生产效率高、抗干扰能力强。同时，在自动运行状态下，如发现异常情况，可直接按下急停按钮，PLC具有信号分析处理功能，经逻辑判断后输出一个动作信号，一旦发现疑问，输出信号受阻，生产线就会停止，PLC自动检测输入输出工作情况可很快找到故障点，给维修带来了很大的方便，使生产线的稳定性、可靠性大大提高 ，且给今后实现生产工艺监控系统，实行全过程动态控制打下了基础。改造后，产量从原来的30桶/小时提高到80桶/小时，产量相应提高了167%。由于生产工艺实现了全过程自动控制，把原来的生产线改为全封闭式生产方式，基本上不于人体接触，降低了二次感染率，因此产品合格率比原来提高了98%。

4 结 论

1) 该控制系统将恒酒位控制变为恒压力控制, 从而节省了投资, 简化了控制, 装酒误差为±013 mm;

2) 实现了对装酒速度任意调节和设定以及整个生产线的加ö减速和恒速控制, 灌装速度为0～ 180瓶öm in;

3) 系统还具有手动ö自动转换功能, 实现了对整个生产线工艺流程的顺序控制。

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参考文献

[1]李道霖．电气控制与PLC 原理及应用[M]．电子工业出 版社，2006，（7）．

[2]孙海维．SIMATIC 可编程控制器及应用[M]．机械工业 出版社，2005，（1）．

[3]廖常初．可编程控制应用技术[M]．重庆大学出版社， 2002，（3）．

[4]冯立明．电镀工艺与设备化学[M]．北京工业出版社， 2005，（6）．

[5]孙平．可编程控制器原理及应用[M]．高等教育出版社， 2004，（8）．

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8h4m.html