啤酒生产线控制系统设计——灌装部分

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1、本科毕业设计说明书第一章 绪论1.1本课题设计的背景自从改革开放到21世纪的今天，经过三十多年的发展，我国的啤酒工业得到了迅猛的发展，啤酒产量的提高是有目共睹的，从1980年开始的年产只有688万吨，到1999年的1640万吨，19年的时间里增长了22倍之多。年均递增22%,2000年已经突破2000万吨，截止到2013年底，我国的啤酒年产量已经突破3亿吨。啤酒罐装部分是啤酒生产的最后一道工序，其装备水平直接影响到啤酒的成品质量、成本、销售业绩和企业的经济效益。随着我国国民经济的发展，人民生活水平的日益提高，广大消费者不但对啤酒质量更对包装水平提出了更高的要求，一款美观实用大方的啤酒瓶同样也能

2、吸引消费者消费者的眼球。因此，啤酒生产装备也面临着同步发展的问题。世界发达国家，尤其美国、德国这样的啤酒生产和需求大国，他们的设备制造厂家无不致力于不断改进和发展新一代的啤酒罐装设备。虽然我国现代啤酒生产在机械制造业和自动化控制方面起步较晚，但是从80年代开始，通过引进日本和德国技术软件和自动控制设备，组织消化吸收，已经生产出接近国际水平的啤酒罐装生产线。现如今经过短短几十年的发展，我国的啤酒灌装生产线已经迈入国际先进水平的行列，现在每年我国的大型啤酒生产企业可以达到年产啤酒100万吨的产量，并且保证破瓶率不超过0.8%，酒损率不超过0.9%。这样高产量和高质量效果的取得，得益于先进的灌装设备

3、和高效率的自动控制方式，同时这里更少不了现代工业自动化的设备和工程技术人员对设备的编程和控制。自动化的饮料灌装设备应用范围很广，几乎应用于所有的饮料灌装行业，特别是啤酒行业，因为产量巨大，所以被广泛使用。发展前景异常广阔。PLC作为现代工业自动化领域应用最广泛的控制器得到了长足的发展，它的出现代替了传统继电器的繁琐接线和控制逻辑。实现高效和快速的生产，使工业生产变得简单。1969年美国数字设备公司（DEC）研制书世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（GM）的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制期，简称PLC（programmable logic controller）。

4、70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmable controller）.但由于PC容易与个人计算机（programmable computer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程器的缩写。1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟

5、式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：（1）逻辑运算（2）弱电控制强电。PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。可编程控制器，简称PLC。它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一中新型工业控制设备。 具有1.可靠性高、抗干扰能力强 2.设计、安装容易，维护工作量少 4.功能强、通用性好 5.开发周期短，成功率高 6.体积小，重量轻、功耗底等特点。已经广泛应用于自动化控制

6、的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继电接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电接触器控制系统小；价格上能与继电接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。因此，研究啤酒生产线灌装部分的可编程逻辑控制器（PLC）控制系统设计，有助于推动啤酒业灌装工艺和饮料灌装工艺的发展，可以有效的节省成本提高生产效率，减少破瓶率和酒损率，同时也可以增加PLC在工业自动化领域的使用率，具有相当强的经济和理论研究价值。1.2 本课题设计的内容(1) 分析当前啤酒生产线灌装部分的理论

7、发展状况，国内外灌装控制设备的整体建设状况以及在啤酒灌装部分的应用情况；(2)掌握PLC的使用方法，熟悉PLC编程工具；(3)基于实物建立灌装工段的模型，采用恰当的控制方法，设计灌装部分的控制策略；(4)根据设计的灌装部分控制策略编制该部分的控制程序，并编制用于显示和控制的组态界面，完成灌装部分控制系统的实际运行。并实现与啤酒生产线灌装部分的联动运行；(5)实地运行比较优化后的灌装策略与传统的灌装策略，分析验证策略的效果。1.3本课题设计的目的和意义传统生产模式下的啤酒罐装工艺主要依据人工装理瓶、洗瓶、灌装、旋盖、贴标五个工段进行啤酒灌装，这样的生产模式首先浪费了大量生产力，在现阶段的社会模式

8、下，这样高投入，低产能的生产方式不利于企业盈利；其次，效率低下，产能不能有效提高；最后，最重要的一点就是这样的灌装方式极其不卫生。特别是对于一些中小型啤酒企业这样的生产方式存在较大的安全隐患。啤酒罐装部分的自动化控制的出现再配合灌装设备，彻底解决了这一难题。啤酒生产线的自动化灌装可以产生巨大的社会效益和经济效益。从根本上解决发展生产力。它通过成套的啤酒灌装设备再配合工业自动化的PLC控制，可以使产量和卫生程度大幅度地提高，提高了啤酒生产效率；啤酒生产线灌装部分采用分布式网络化流程控制系统，结合上位计算机管理，可以很容易实现自动化控制，只需一到两人值守，就可以控制整条啤酒罐装部分生产线，通过PL

9、C控制，加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度；采用自动化技术后，同时还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品生产需要；PLC再结合上位计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，减少了人工灌装时处理信息的差错；同时借助于计算机管理还能有效地提高啤酒生产能力，便于查验破瓶率和酒损率，合理改进工艺，加快资金周转，节约流动资金，从而提高啤酒罐装的工艺和生产水平。自动化的啤酒灌装生产线信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业信息管理的自动化。同时，由于使用了自动化啤酒灌装成套设备，可以促进企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，也提高了操作

10、人员素质和管理人员的水平。第二章系统总体方案设计2.1 灌装部分系统构成自动化啤酒罐装部分是指在不直接进行人工处理的情况下,自动地完成啤酒的理瓶、洗瓶、灌装、旋盖、贴标的系统,它以传送带和伺服电机机械手为主体,以成套灌装设备为基础,是集自动控制技术、通信技术、机电技术于一体的高效率、大容量灌装机构。自动化啤酒罐装的出现,实现了啤酒罐装功能从多人工、长工时向高效率，高质量的转变。用PLC控制的自动化啤酒罐装生产线达到灌装技术的全面自动化。啤酒罐装部分基本由以下部分组成:理瓶机:主要用于对杂乱摆放的啤酒瓶进行整理，并使其有次序有方向的排列在输送带上，高速高效的经传送带输送到下一个工段。冲瓶机:通过

11、成套冲瓶机设备，由电机带动通过机械方式对空瓶进行翻转冲洗，然后空行滴定，排除瓶内的残留水分。灌装机:灌装机通过贮液缸内的压力高于瓶中压力即压力差的原理，使液体靠压差流入啤酒瓶内。旋盖机:主要用于对灌装好的啤酒瓶进行旋盖或者压盖，本次毕业设计是采用安全可靠地瓶口带螺纹的塑料瓶进行啤酒罐装，所以采用旋盖方式进行封装。贴标机:主要用于对灌装旋盖好的啤酒瓶进行圆周贴标，是啤酒罐装部分的最后一道工序。输送带系统:是啤酒灌装部分重要的外围设备，负责将啤酒瓶运送到各个单独工段。输送机种类非常多，常见的有履带输送机，辊道输送机，链条输送机，升降台，分配车，提升机，皮带机等。自动控制系统:驱动啤酒罐装部分各设备

12、的自动控制系统。目前以采用现场总线方式为控制模式为主。组态控制系统:通过对控制系统进行组态，能够实现对自动化设备和过程进行监视和控制。它能从自动化过程和设备中采集各种信息，并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示，将重要的信息以各种方式传给有关人员，对信息进行有关的存储和处理，并发出控制指令。2.2 灌装部分设计基本步骤啤酒灌装部分系统设计与调试的主要步骤，如下图2.1所示：在啤酒罐装部分控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：1.深入了解和分析啤酒罐装部分的工艺条件和控制要求。2.确定I/O设备。根据啤酒罐装部分控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。3.根据I/O点数选择合

13、适的PLC类型。4.分配I/O点，分配PLC的输入输出点。5.设计啤酒灌装部分系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个啤酒罐装部分系统控制设计的核心工作。6.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。7. 啤酒罐装部分的整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题要逐一排除，解决所遇到的问题。 图2.1 灌装部分系统设计流程图Fig 2.1 Filling part of the flow chart of system design 2.3 PLC控制特性1、低成本利用电力线上网，最大的优点就是成本低

14、。由于利用电力线上网，直接使用现有电力网就可以实现通信，而不需要另外铺设电话线、光电缆等，大大地减少了在基础网络上的投资。2、范围广无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。因为家家都有电力线，由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一个家庭.因此，这一技术一旦进入商业化阶段，将会促进电信市场的变革，并给互联网普及带来极大的发展空间。 3、高 速利用电力线上网能够提供高速传输。德国最大的电力设备生产商RWE承诺，运用他们的电力线上网技术，其速度要比ISDN拔号上网快30多倍, 比ADSL更快！足以支持现有网络上的各种应用。更

15、高速率的PLC产品正在研制之中。 4、便 捷不管在家里的哪个角落,只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高速网络享受!5、永远在线PLC属于即插即用，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络！6、结构灵活通过PLC技术实现Internet接入，可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率。目前还未有效解决电力线信号通过变压器的技术，因此，电力线通信设备都是集中在220V线路变压器的用户端。7、家庭数字化PLC技术能够通过电力线将整个家庭的电器与网络联为一体，在室内的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网，使人们能够通过网络来控制自己家里的电器设备。2.4 灌装部分主要结

16、构啤酒生产线灌装部分主要由六部分组成:理瓶机、冲瓶机、灌装机、旋盖机、贴标机、系统控制面板。具体结构见图2.2。2.4.1 理瓶机理瓶机:是啤酒生产线灌装部分的第一个工段，理瓶机是由一个无级调速电机带动工作台面旋转，到达旋转出口的时候由出口的方向爪摆正方向从而使使瓶子顺着固定轨道进入输送带。只需人工把瓶子直立放入储瓶台，由旋转的送瓶转盘自动将瓶子送进轨道，瓶子按生产要求速度经轨道匀速等距进入冲瓶工段。具体见图2.3.1图2.3.1 理瓶机实际图Fig 2.3.1 Unscramble bottle machine2.4.2冲瓶机冲瓶机:瓶子从理瓶机轨道经分瓶螺杆匀速等距离进入冲瓶机旋转喷头下方

17、，依次由弹力机械手卡住瓶颈，同时对应的喷头开始对瓶内冲洗，外置喷头对瓶身外侧冲洗，在旋转喷头座的带动下瓶子沿着U型轨道做360度翻转冲洗，同时将瓶内的积水倾倒干净，瓶子清洗干净后恢复直立状态进入输送带到达下一个步骤灌装。具体见图2.3.2图2.3.2 冲瓶机实际图Fig 2.3.2 Bottle washing machine2.4.3灌瓶机灌装机:啤酒灌装机采用等压灌装方式，灌装精度高、速度快。全程实现自动化，适用于塑料瓶和玻璃瓶的灌装啤酒。各部分的适用调整轻松自如，简便快捷。本灌装机采用和利时LM系列PLC进行控制实现自动运行，以及整条生产线的自动化控制。该工段的原理是瓶子从洗瓶机出来进入

18、灌装机的进瓶螺杆，经分瓶星盘送至回转台的托平气缸上，升高瓶口在定位装置的到乡下紧压灌装阀的下料口形成密封。瓶子再被抽真空后贮液缸内的背压气体二氧化碳被冲入瓶中当瓶中气体压力与气缸压力相等时，阀门在弹簧的作用下开启。此时啤酒通过回气管上伞型反射环的导向作用下自动灌入瓶内，瓶内的二氧化碳被回注到贮液缸内。当瓶内达到一定高度并将回气管封闭时，自动停止下酒。然后将液阀和气阀关闭，排掉瓶颈部位的压力气体以防止带气酒液在瓶子下降时喷涌溢出。这便完成了整个灌装部分。具体见图2.3.3图2.3.3 灌装机实际图Fig 2.3.3 Filling machine actual figure2.4.4旋盖机啤酒经

19、过灌装机灌装完成后还需要将瓶子旋盖，旋盖机的应用相当广泛，适用于各种塑料瓶、聚酯瓶的铝盖和塑料盖的旋盖/压盖，在食品、酒水、饮料、医疗、农药等行业广泛使用。本机由供电为380V功率为2200W的交流电动机作为驱动装置、自动化程度高、能自动旋盖、并设有自动剔除反盖装置，每个旋转爪设有离合器，可以保证旋紧后不受损伤，确保压盖合格率。该旋盖机的原理是瓶子经送瓶轨道进入到旋盖机下方，以挂擦的方式完成瓶子自动上盖。套上瓶盖的瓶子由旋盖机的分屏星盘依次准确送入托盘基座，在托盘基座上升的同时压盖头开始旋盖/压盖。在压盖底座旋转一周的过程完成压盖/旋盖。完成后经分盘星进入传送带，进入下一工序。具体见图2.3.

20、4图2.3.4 旋盖机实际图Fig 2.3.4 Screw cap machine actual figure2.4.5旋盖机全自动双面不干胶贴标机主要应用于各种圆形、方形、扁形、锥型等非球面物体和包装容器表面的贴标：可单机或在线使用，能同时对被贴物的单侧面或双侧面进行贴标：实现洗瓶、灌装、旋盖、贴标等无人化联动一体化生产：适用于药品、食品、日化、粮油、酒水、五金、文具、塑胶等行业。该贴标机原理是瓶子进入贴标机分瓶机构，使每个瓶子按需要的一定距离进入校正机构：校正机构将瓶子矫正方向、罗列整齐。使其在同一条线上，送入压持机构：压持机构将瓶子紧固在输送带上，送入贴标区域：进入贴标区域后光电传感器检

21、测到瓶子，将光电信号传输到PLC，由PLC处理后将信号传输给伺服电机：由伺服电机送出标签，通过抚标毛刷将标签贴到瓶子上。循环往复，不间断的运行。具体结构见图2.3.5。图2.3.5 贴标机实际图Fig 2.3.5 The actual figure labeling machine2.4.6系统控制面板为了便于接线和以及系统硬件调试和啤酒罐装部分整体联调，本次毕业设计没有采取传统的硬件控制柜的形式，而是采取了前端控制面板的形式，这样的设计形式既方便系统调试，又便于实际演示且能很好的控制成本，所有硬件设计能一目了然。具体见图2.3.6。图2.3.6 系统控制面板Fig 2.3.6 System

22、control panel第三章 灌装部分硬件设计3.1 硬件选型3.1.1 PLC概述可编程控制器，英文称Programmable Controller，简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用

23、。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电控制装置多的多、强的多。PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：逻辑处理功能；数据运算功能；准确定时功能；高速计数功能；中断处理（可以实现各种内外中断）功能；程序与数据存储功能；联网通信功能；自检测、自诊断功能。可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。像PLC这样，集丰富功能于一身，是别的控制器所没

24、有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。丰富的功能为PLC的在工业自动化中的广泛应用提供了可能，同时，也为自动化行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。外设I/O接口 输出部件存储器 EPROM 微处理器 运算器 控制器电源 输入部件I/O扩展接口 I/O扩展单元 受控元件输入信号外部设备图3.1.1 PLC硬件结构图Fig 3.1 PLC hardware structure diagram3.1.2 PLC选型在PLC系统设计时，首先应该根据工艺要求确定控制方案的可行性，其次的工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的要求以及特点还有应用是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详

25、细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。1输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。根据估算的方法故本次毕业设计的啤酒罐装部分每个工段的I/O点数为输入30点，输出21点。2存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程

26、序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储5000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。3控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能

27、、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。（1）控制功能PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。（2）编程功能离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CP

28、U负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。（3）诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。

29、通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。4机型的选择(1)PLC的类型和利时LM系列可编程控制器主机分为14、24、40点三档，对应的每档都有继电器输出和晶体管输出。同时还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加I/O点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了成本投入。本课题设计的啤酒罐装部分控制系统有输入信号40个，输出信号21个。其中，外部输入元件包括：检测元件、按钮、取、送、急停、限位开关、超限位保护等等；输出有伺服电

30、机的正反向、动作指示、错误显示等等。按照上述配置，所选I/O点不得低于61点，结合实际情况，所选I/O点为80点。因此我所选型号为和利时LM系列的LM3106A。LM3106A是和利时专门为涉及运动控制的用户设计的一款小型PLC，该PLC有14点数字量输入（DC24V）,10点数字量输出（晶体管型）。LM系列PLC具有独特的掉电保护功能，可以实现用户程序和掉电保持区数据永久保存，彻底消除由于掉电而导致数据丢失的现象；同时支持五种国际化编程语言，适合不同编程人员的需要；LM系列应用领域广泛，有良好的用户基础，所以可靠性高，安全系数高。（2）经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。在考虑经济性

31、的时候，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等重要因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意可靠的产品。输入输出点数对价格有直接影响。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。本课题所设计的啤酒生产线灌装部分属于小型控制系统，结合经济性的考虑因此选择整体型PLC。3.2 伺服电机选型3.2.1 伺服电机原理交流伺服电机驱动器有永磁同步伺服电动机和交流异步伺服电动机之分，交流永磁同步伺服电动机的转子由永久磁铁构成，定子绕组形成旋转磁场，只要负载的大小不超

32、出同步转矩，永久磁铁转子就跟随旋转磁场做同步旋转，它与交流永磁同步电动机基本类似；交流异步伺服电动机的定子由两相在空间相差90的励磁绕组和控制绕组组成，接入励磁绕组和控制绕组的交流电相位差一定角度，这样定子上就产生了椭圆旋转磁场，转子切割磁力线，在电磁力的牵引下旋转起来。目前，在精密数控系统中，交流永磁同步电动机应用较为普遍。随着交流变频技术的快速发展，有些变频器目前已经具有伺服功能，控制精度与传统的交流伺服也没有明显的差距，所以两者有逐渐融合的趋势。3.2.2 伺服电机驱动器伺服放大器即伺服驱动器（servo drives）又称为“伺服控制器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变

33、频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电

34、，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。具体见图3.2。伺服进给系统的要求1、调速范围宽2、定位精度高3、有足够的传动刚性和高的速度稳定性4、快速响应，无超调为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。5、低速大转矩，过载能力强一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以

35、上的过载能力，在短时间内可以过载46倍而不损坏。6、可靠性高要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。对电机的要求1、从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。2、电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载46倍而不损坏。3、为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。4、电机应能承受频繁启、制动和反转。图 3.2 交流永磁伺服驱动器结构Fig 3.

36、2 Ac permanent magnet servo drive structure3.3 传感器选型3.3.1接近开关选型接近开关：接近开关有三根连接线（棕、兰、黑）棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号，当与档块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。与PLC之间的接线图如下，当传感器动作时，输出端对地接通。PLC内部光耦与传感器电源构成回路，PLC信号输入有效，工作原理如图3.3所示。图3.3 接近开关原理图Fig 3.3 The principle diagram of the proximity switch3.3.2限位开关选型限位开关就是微动开关，微动开关是具有微小接

37、点间隔和快动机构，用规定的行程和规定的力进行开关动动作的接点机构，用外壳覆盖，其外部有驱动杆的一种开关，因为其开关的触点间距比较小，故名微动开关，又叫灵敏开关。外机械力通过传动元件（按销、按钮、杠杆、滚轮等）将力作用于动作弹簧上，当动作簧片位移到临界点时产生瞬时动作，使动作簧片末端的动触点与定触点快速接通或断开。当传动元件上的作用力移去后，动作簧片产生反向动作力，当传动元件反向行程达到簧片的动作临界点后，瞬时完成反向动作。微动开关的触点间距小、动作行程短、按动力小、通断迅速。其动触点的动作速度与传动元件动作速度无关。在该啤酒罐装部分控制系统中涉及多个限位开关，在灌装工段机械手和冲瓶工段机械手工

38、段的上下限位处都分别加装了2只限位开关用作限位保护，以确保灌装部分系统在程序出错时不损坏；限位开关原理图如图3.4所示。图3.4 限位开关原理图Fig 3.4 Limit switch schematic3.4 交流接触器选型1、交流接触器原理及组成：当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失, 动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,切断电源。交流接触器主要由电磁系统（包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯）；触头系统（包括三组主触头和一至两组常开、常闭辅助触头,它和动铁芯

39、是连在一起互相联动的）；灭弧装置（一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置,以便迅速切断电弧,免于烧坏主触头）；绝缘外壳及附件,各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。具体见图3.5和图3.6 图3.5 交流接触器实物图Fig 3.5 Ac contactor physical figure图3.6 交流接触器原理图Fig 3.6 The principle diagram of the ac contactor2、交流接触器的选用，应根据负荷的类型和工作参数合理选用。具体分为以下步骤：（1）选择接触器的类型交流接触器按负荷种类一般分为一类、二类、三类和四类，分别记为AC1 、AC2 、AC3和A

40、C4 。一类交流接触器对应的控制对象是无感或微感负荷，如白炽灯、电阻炉等；二类交流接触器用于绕线式异步电动机的起动和停止；三类交流接触器的典型用途是鼠笼型异步电动机的运转和运行中分断；四类交流接触器用于笼型异步电动机的起动、反接制动、反转和点动。（2）选择接触器的额定参数根据被控对象和工作参数如电压、电流、功率、频率及工作制等确定接触器的额定参数。接触器的线圈电压，一般应低一些为好，这样对接触器的绝缘要求可以降低，使用时也较安全。但为了方便和减少设备，常按实际电网电压选取。电动机的操作频率不高，如压缩机、水泵、风机、空调、冲床等，接触器额定电流大于负荷额定电流即可。接触器类型可选用CJl0、C

41、J20等。对重任务型电机，如机床主电机、升降设备、绞盘、破碎机等，其平均操作频率超过100次min，运行于起动、点动、正反向制动、反接制动等状态，可选用CJl0Z、CJl2型的接触器。为了保证电寿命，可使接触器降容使用。选用时，接触器额定电流大于电机额定电流。对特重任务电机，如印刷机、镗床等，操作频率很高，可达60012000次h，经常运行于起动、反接制动、反向等状态，接触器大致可按电寿命及起动电流选用，接触器型号选CJl0Z、CJl2等。交流回路中的电容器投入电网或从电网中切除时，接触器选择应考虑电容器的合闸冲击电流。一般地，接触器的额定电流可按电容器的额定电流的1.5倍选取，型号选CJ10

42、、CJ20等。用接触器对变压器进行控制时，应考虑浪涌电流的大小。例如交流电弧焊机、电阻焊机等，一般可按变压器额定电流的2倍选取接触器，型号选CJl0、CJ20等。对于电热设备，如电阻炉、电热器等，负荷的冷态电阻较小，因此起动电流相应要大一些。选用接触器时可不用考虑(起动电流)，直接按负荷额定电流选取。型号可选用CJl0、CJ20等。由于气体放电灯起动电流大、起动时间长，对于照明设备的控制，可按额定电流1.11.4倍选取交流接触器，型号可选CJl0、CJ20等。接触器额定电流是指接触器在长期工作下的最大允许电流，持续时间8h，且安装于敞开的控制板上，如果冷却条件较差，选用接触器时，接触器的额定电

43、流按负荷额定电流的110%120%选取。对于长时间工作的电机，由于其氧化膜没有机会得到清除，使接触电阻增大，导致触点发热超过允许温升。实际选用时，可将接触器的额定电流减小30%使用。3.5继电器选型电磁继电器原理：电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、

44、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。具体见图3.7和3.8。图3.7 电磁继电器实物图Fig3.7 Electromagnetic relay physical figure图3.8 继电器工作原理图Fig3.8 Working principle of the relay3.6 漏电保护器选型漏电保护器，又叫漏电开关，也叫漏电断路器，工作时将漏电保护器安装在线路中，一次线圈与电网的线路相连接，二次线圈与漏电保护器中的脱扣器

45、连接。当用电设备正常运行时，线路中电流呈平衡状态，互感器中电流矢量之和为零（电流是有方向的矢量，如按流出的方向为“”，返回方向为“”，在互感器中往返的电流大小相等，方向相反，正负相互抵销）。由于一次线圈中没有剩余电流，所以不会感应二次线圈，漏电保护器的开关装置处于闭合状态运行。当设备外壳发生漏电并有人触及时，则在故障点产生分流，此漏电电流经人体大地工作接地，返回变压器中性点（并未经电流互感器），致使互感器申流入、流出的电流出现了不平衡（电流矢量之和不为零），一次线圈申产生剩余电流。因此，便会感应二次线圈，当这个电流值达到该漏电保护器限定的动作电流值时，自动开关脱扣，切断电源。具体见图3.9和3

46、.10。图3.9 漏电保护器实物图Fig3.9 Leakage protector physical figure 图3.10 漏电保护器原理图Fig3.10 The principle diagram of the leakage protector3.7灌装部分I/O分配表 表3.1 冲瓶机I/O分配表 Table3.1 I/O allocation table blunt bottle machine%IX0.0理瓶机瓶满%QX0.0主机%IX0.1主机故障%QX0.1理瓶机%IX0.2理瓶机故障%QX0.2冲瓶机%IX0.3冲瓶泵故障%QX0.4输送带表3.2 灌装机I/O分配表Tab

47、le3.2 Filling machine I/O allocation table%IX0.0低液位%QX0.0主机%IX0.1高液位%QX0.1进液泵%IX0.2主机故障%QX0.2进水电磁阀%IX0.3进液泵故障%QX0.3进酒电磁阀%IX0.4输送带故障%QX0.4排气电磁阀%QX0.5进气电磁阀%QX0.6输送带表3.3 旋盖机I/O分配表Table3.3 Screw cap machine I/O allocation table%IX0.0理盖机盖满%QX0.0主机%IX0.1主机故障%QX0.1理盖机%IX0.2理盖机故障%QX0.2输送带%IX0.3输送带故障表3.4 贴标机

48、I/O分配表Table3.4 Labeling machine I/O allocation table%IX0.0照瓶传感器%QX0.0分瓶带瓶使能信号%IX0.1标签检测%QX0.1伺服放大器上电%IX0.2伺服报警%QX0.2%QX0.3伺服脉冲信号%QX0.4分瓶带瓶主电%QX0.5输送带电机%QX0.6伺服放大器使能%QX0.7伺服放大器复位3.8 灌装部分系统流程图图3.11灌装部分系统流程图Fig3.11 Filling parts of the system flow chart第四章 系统软件设计4.1 PLC编程语言介绍基本的编程语言有：梯形图（LAD）、功能块图（FBD）

49、和语句表（STL）。LAD 和 FBD是面向图形的语言。在 LAD 中通过串联或并联结构中连接各个触点来 创建控制方案，而在 FBD 中则是通过AND和OR方框互连在一起的。STL是一种面向文本的语言，以列表方式描述控制任务。梯形图因为其比较直观并且容易接受因而很受普通编程人员的欢迎。梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但

50、是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按其精度可分为12bit、14bit、16bit等；按信号类型可分为电流

51、型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)，。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。右母线可以不画出。根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映

52、像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。4.2 和利时编程软件特点PowerPro 软件是和利时公司专为LM系列PLC所开发的基于Windows的编程工具。PowerPro软件具有控制方案的编辑和仿真调试功能，是LM系列PLC的硬件配置和软件编程的标准软件包。Power

53、Pro与传统的PLC编程软件相比，有如下一些特点和功能：（1）程序语言标准化在上世纪90年代中后期，IEC发布了自动化行业程序语言的国际标准。先是IEC1113-3标准，后来修订为IEC61131-3标准，以帮助PLC、NC及DCS等自动化行业统一编程语言，促进编程技术的进步。PowerPro是完全符合IEC61131-3标准的编程软件，具有IL、LD、ST、FBD、SFC、CFC等多种语言编程方式。（2）内部器件变量化LM系列PLC没有常规PLC那么多的内部器件，如定时器、计数器等，取而代之的是变量。变量是PowerPro 特有的一个概念，类似于高级语言的形式。这些变量按需要声明，使用多少，

54、就声明多少。变量名还可按其功用命名，比起器件编号更便于辨认。变量还可分为全局与局部、输入与输出、掉电保持与不保持等多种类型。同时，利用PowerPro强大的计算功能，还可以定义多种的数据类型。不仅包括布尔型、字节型、字型、双字型，而且还包括指针、枚举、多维数组、单精度浮点数等类型。（3）程序组织模块化PowerPro对程序的组织是完全模块化的。PowerPro提出POU的概念，POU（Program Oginization Unit）即为程序组织单元。PowerPro 的程序组织单元包括程序、函数和功能块。这三者共同完成了一个工程。PowerPro对程序的组织，都是主程序通过对其他POU的调用

55、来实现的。这既便于多人参与编程，又便于程序重用、阅读、调试，还可节省内存，确保程序安全。同时，PowerPro是一个开放的系统，用户可以根据需要，开发出适合自己的指令。（4）模块设定软件化PowerPro是一个开放的系统。一方面，读者可以根据需要开发自己的指令；另一方面，PowerPro将PLC的许多参数和模块设定通过指令的形式开放给用户，用户可以根据自己的需求，在程序中完成设定，诸如：串口通讯参数的设定等。（5）编程监控一体化PowerPro 软件有独特的视图和报警功能，可以在运行和调试时提供一个可视化的界面。另外，PowerPro还提供有非常强大的仿真和调试功能，可以更方便地检查程序逻辑的

56、正确性。图4.1 PLC设计页面Fig 4.1 PLC page of design4.3 梯形图设计 图4.2 冲瓶机主程序Fig 4.2 Bottles of main program(DI)X000 AT %IX0.0: BOOL;(理瓶机瓶满)X001 AT %IX0.1: BOOL;(主机故障)X002 AT %IX0.2: BOOL;(理瓶机故障)X003 AT %IX0.3: BOOL;(喷冲泵故障)(DO)Y000 AT %QX0.0: BOOL;(主机)Y001 AT %QX0.1: BOOL;(理瓶机)Y002 AT %QX0.2: BOOL;(喷冲泵)Y003 AT %Q

57、X0.4: BOOL;(输送)（中间点）M000 AT %MX500.0: BOOL;(主机启动)M001 AT %MX500.1: BOOL;(主机停止)M002 AT %MX500.2: BOOL;(理瓶机启动)M003 AT %MX500.3: BOOL;(理瓶机停止)M004 AT %MX500.4: BOOL;(喷冲泵启动)M005 AT %MX500.5: BOOL;(喷冲泵停止)M006 AT %MX500.6: BOOL;(输送启动)M007 AT %MX500.7: BOOL;(输送停止)YM000 AT %MX10.0: BOOL;(主机启动)YM001 AT %MX10.

58、1: BOOL;(主机停止)YM002 AT %MX10.2: BOOL;(理瓶机启动)YM003 AT %MX10.3: BOOL;(理瓶机停止)YM004 AT %MX10.4: BOOL;(喷冲泵启动)YM005 AT %MX10.5: BOOL;(喷冲泵停止)YM006 AT %MX10.6: BOOL;(输送启动)YM007 AT %MX10.7: BOOL;(输送停止)DCSCTR AT %MX10.6: BOOL;(DCS控制)该段为冲瓶机顺序功能图主程序：该段程序是当按下启动按钮YM004和DCS远控后逻辑与才能输出，后面接逻辑或，然后触发置位复位触发器，此时处于远程控制状态，

59、DCS在该状态下置1，同时在就地控制状态下取非，则DCS为0，这时只有远控起作用，启动喷冲泵。当进行本地控制时，按下启动按钮M004，DCS取非结果也为1，这时，触发器置位，冲瓶泵启动。当按下启动按钮YM005和DCS远控后逻辑与才能输出，后面接逻辑或，然后触发复位，此时处于远程控制状态，DCS在该状态下置1，同时在就地控制状态下取非，则DCS为0，这时只有远控起作用，喷冲泵停止。当进行本地控制时，按下启动按钮M005，DCS取非结果也为1，这时，触发器复位，冲瓶泵停止。图4.3 灌装机主程序Fig4.3 Filling machine Lord program（DI）X000 AT %IX0

60、.0: BOOL;(液位低)X001 AT %IX0.1: BOOL;(液位高)X002 AT %IX0.2: BOOL;(主机故障)X003 AT %IX0.3: BOOL;(进液泵故障)X004 AT %IX0.4: BOOL;(输送故障)(DO)Y000 AT %QX0.0: BOOL;(主机)Y001 AT %QX0.1: BOOL;(进液泵)Y002 AT %QX0.2: BOOL;(进水电磁阀)Y003 AT %QX0.3: BOOL;(进酒电磁阀)Y004 AT %QX0.4: BOOL;(排气电磁阀)Y005 AT %QX0.5: BOOL;(进气电磁阀)Y006 AT %QX

61、0.6: BOOL;(输送)（中间点）M000 AT %MX500.0: BOOL;(主机启动)M001 AT %MX500.1: BOOL;(主机停止)M002 AT %MX500.2: BOOL;(进液泵进水电磁阀启动)M003 AT %MX500.3: BOOL;(进液泵进水电磁阀停止)M004 AT %MX500.4: BOOL;(进酒进水选择)M006 AT %MX501.0: BOOL;(进酒排气电磁阀打开)M007 AT %MX501.1: BOOL;(进酒排气电磁阀关闭)M008 AT %MX501.2: BOOL;(输送启动)M009 AT %MX501.3: BOOL;(输

62、送停止)M010 AT %MX501.4: BOOL;(进气电磁阀打开)M011 AT %MX501.5: BOOL;(进气电磁阀关闭)YM000 AT %MX10.0: BOOL;(主机启动)YM001 AT %MX10.1: BOOL;(主机停止)YM002 AT %MX10.2: BOOL;(进液泵进水电磁阀启动)YM003 AT %MX10.3: BOOL;(进液泵进水电磁阀停止)YM004 AT %MX10.4: BOOL;(进酒进水选择)YM006 AT %MX11.0: BOOL;(进酒排气电磁阀打开)YM007 AT %MX11.1: BOOL;(进酒排气电磁阀关闭)YM008 AT %MX11.2: BOOL;(输送启动)YM009 AT %