矿泉水自动灌装机程序设计.doc

矿泉水自动灌装机设计灌装系统控制设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：工业自动化学院机械工程林桂江 学 号：职 称：160406102799 秦雪梅 副教授 中国·珠海二二年五月北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计 诚信承诺书本人郑重承诺：我所呈交的毕业论文矿泉水自动灌装机设计灌装系统控制设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，论文使用的数据真实可靠。承诺人签名： 日期： 年 月 日矿泉水自动灌装机设计灌装系统控制设计摘 要本论文主要介绍了使用GX Works软件编写的可编程控制器程序控制矿泉水灌装机的过程及仿真，实现了自动化生产、实时监测的生产线。本论文着重地讲述了矿泉水灌装机系统控制程序的设计过程，从实际使用的角度出发，结合我国液体灌装机等设备的现状和还存在的一些问题，用在现状社会使用较为广泛且完善的PLC控制，提出了基于PLC的矿泉水自动灌装机灌装系统控制设计。完成了以下工作：系统启停、水箱控制、灌装过程控制、故障警报控制等。并且进行了模拟仿真以及失败的组态王与PLC程序的联合仿真模拟。对提高生产线的自动化程度和实时监控情况有深远的意义。关键词：程序设计、系统仿真、可编程控制器Design of mineral water automatic filling machine - control design of filling systemAbstractThis paper mainly introduces the process and simulation of the programmable controller programmed by GX Works software to control the mineral water filling machine, and realizes the automatic production and real-time monitoring of the production line.This thesis emphatically tells the story of mineral water filling machine system control program design process, from the perspective of practical use, the present situation of liquid filling machine equipment in China and there are some problems, are more widely used in social and PLC control, puts forward the automatic filler mineral water filling system based on PLC control design. Completed the following work: system start and stop, water tank control, filling process control, fault alarm control. And the simulation and the failure of the configuration king and PLC program joint simulation simulation. It is of far-reaching significance to improve the automation degree of production line and monitor the situation in real time.Keywords: programming, system simulation, PLC目 录一、绪论11.1 研究的意义11.2 国内外的发展概况及存在的问题21.3 本设计应解决的主要问题2二 、矿泉水自动灌装机的设计42.1. 灌装机类型的选择42.2 灌装方式的选择52.3 空瓶定位部分的设计62.3.1 灌装机空瓶定位部分设想62.3.2 空瓶调整板的设计72.3.3 瓶口卡板的设计92.3.4 瓶口卡板固定板的设计92.3.5 空瓶定位机构的设计10三 、灌装机控制系统的设计113.1可编程控制器PLC113.1.1 选择PLC控制的原因113.1.2 PLC的介绍113.2灌装机控制系统的设计123.2.1 控制系统总体设计思路123.2.2控制系统的具体设计思路133.3 PLC的选型143.4 PLC系统程序编写16四 、灌装机控制系统的模拟与仿真274.1 仿真软件的介绍274.2 仿真方式的比较284.3 仿真过程28五 、结论32参考文献33致 谢34附 录354一、绪论随着现代社会的发展，中国GDP的不断增长，中国国民的生活水平越来越好，同时对于消费品的需求也越来越大，对消费品的质量要求也越来越高。而液态产品，又是在诸多日常消耗品中占比比较大的一部分。如普通饮品方面的矿泉水、蒸馏水、各种各样的碳酸饮料、果汁、啤酒等，在日常食品添加剂方面，酱油、醋、油等消耗量较大的液态产品，还有药品方面，各种注射针剂，医用酒精等等的使用量特别大的液态产品。特别是如同2020年爆发的全球性疫情，对于消毒作用较好的酒精，更是达到了一个消耗的峰值。要满足这样大量的、标准化的液态产品消耗，发展液体产品的灌装技术是势在必行的趋势。同时，如此大量的、标准化的液体产品，是不可能离开机械化与自动化生产的帮助的。太多的实例证明了，在重复的、简单的工作方面，机械与自动化的生产线比人的效率更高，出错率更小。不仅可以获得更大的经济效益，还可以节约大量的人工成本，避免了环境的污染问题，同时也是避免了人为因素对产品造成的污染。这点也是非常重要的，特别是在全球爆发的疫情背景下，保证医疗用品的卫生就是阻断病源传播途径的重要方式。纯机械的灌装机床在很多方面，如控制时间、定位、安全生产问题、及产品合格率上都没办法进一步提高了,这时自动化控制的出现，很好地解决了这些难题。采用电磁继电器、热继电器、时间继电器等的各种继电器，使得灌装机床在精度、效率等方面得到不少提升，随之而来的问题也就是，大量的生产，使得继电器或是损坏加速，或是精度降低，或是反应迟缓，还有工业生产的环境，噪音、高温、电磁干扰与生产时候产生的污染，损坏了这些继电器，于是PLC（ProgrammableLogicalController，可编程逻辑控制器）出现了，PLC是以微型计算机作为研发基础，制造出来用于工业环境的数字控制系统,可编程控制器系统运用可以被编辑的程序录入到系统自带的储存器当中去，以达到想要完成的要求，如：逻辑运算、顺序运算、定时、计数、数字运算、数据处理等，再将得出的结果沿着输入、输出端口，去操纵各种类型机器设备和工业的生产过程。可编程逻辑控制器产品在对电磁干扰、工业噪音干扰、热抗性、工业粉末扬尘等方面的抗性有着很强的优势，理论上的无限触点，无限继电器，以及只需要更改内部程序而不需要重新接线的特点，让它迅速在工业设备控制系统中占据一席之地。1.1 研究的意义实践表明了，液体灌装设备自动化离不开机电气液等技术的互相配合。要做好液体灌装还要多了解和掌握相关的科学技术，多多学习与改进液体灌装机的灌装方式，使之一直保持一定的生命力。按照着高速提升的我国液态产品产业,啤酒、红酒、葡萄酒、白酒等的产品产量持续增长，我国饮品类酒的总产量已达2878万立方米,同比增长8.2%。根据相关数据显示，我国液态饮品行业是一个很具有活力，很有发展前景的行业，成熟的液态饮品增长稳定，新兴的液态饮品不断涌现，新兴的液态饮品的增长更快。所以，对于自动化程度高，工业生产效率迅速的液体全自动灌装机需求量也在不断地增长。本次设计旨在了解熟悉国内外各种各样的液体灌装机，为日后工作提供基础与创新思维。1.2 国内外的发展概况及存在的问题纵观人类的灌装历史发展，在人们开始使用容器盛放液态物质之后，液体产品的灌装办法也就此诞生，可以追溯到二十世纪前，人们使用陶罐、漏斗来完成手工的液态产品的灌装，也有人会把盛放液体的容器直接泡到液态物质之中，这样灌装虽然不卫生，但是却可以提高灌装液体的效率。到后来，美国Horix、Kiefer和U.S.BottLers等三家公司开始制造可以实现对液态产品灌入到盛放液体的容器之中的机械设备。从这之后，美国Horix、Kiefer和U.S.BottLers等三家公司开始研发制造旋转式的灌装机，其中U.S.公司研发制造的是纯真空的灌装机。对于液态产品进行灌装的行业，开始飞速地发展，一直发展到了液态产品灌装机器设备的生产速度完全取决于下层劳动人民把液体容器放到液态产品灌装机器设备指定位置的时间。在中国，70年代以前几乎没有灌装机械。到70年代初，多地引入灌装生产线。之后，中国的灌装水平渐渐提升。之后广东轻工机械厂、北京酿酒机械厂等中国国内的机械制造厂借鉴了不少国外进口的液体灌装生产设备，并研发了自己的液体灌装生产设备，才让中国在液体灌装生产设备上的落后，稍微赶回来一些。但是依旧达不到国内的需求量，不少地区依旧使用手工操作灌装。如今，中国的产品包装生产设备已经成长为了在世界液态产品生产行业中，不可或缺的一部分。所有，在中国，液态产品灌装机器设备市场的前景十分美好。我国液体灌装机要满足包装行业快速发展的，并积参与国际竞争，就必须打破“小而散”的行业态势，在“高精尖”的方向上不断前进。1我国液态产品灌装机器设备还存在这许许多多暂时还没办法解决的问题，比如：液态产品灌装机器设备的自动化不高，生产效率低下，次品率高，自主研发的自动化控制系统实用性差。随着PLC在中国的普及，还有高等教育对于这些技术的传播，让PLC在我国工业控制领域应用愈加广泛，也使得有更多空间去学习改进液体灌装机的自动化控制系统，解决问题并完善系统。1.3 本设计应解决的主要问题主要问题：（1）如何实现对液体容器的位置限位。（2）选择一种合适本课题的液体原料额定体积的灌装方式（3）灌装方式的改进与完善（4）系统设计流程以及控制系统的设计。预期效果：（1）实现全自动化的液态产品灌装。（2）实现对指定液体原料额定体积的灌装。（3）改善工作环境。在以往的液体灌装机中，往往由人工操作、实时观察中找寻问题所在，为了更安全更快速找到问题所在，在开启监控后，能在监控室随时了解到整个灌装机控制系统的运行情况，通过看到不同位置故障的警报迅速找到并解决问题。二 、矿泉水自动灌装机的设计2.1. 灌装机类型的选择一般以灌装瓶的主要运动形式分类，主要可分为两类：1.旋转型灌装机、2.直线型灌装机。旋转型灌装机：图2.1 旋转式灌装机旋转型灌装机在液态产品生产包装的行业使用率最高，范围最大，同时有着类似工作方式的旋转式压片机在药品保健品中占据很大比重。因为旋转式的生产过程中，产生的定位以及灌装过程的滞留时间较短，可以保持一个快速高效的生产。但是由于制造成本较高，而且动作连贯性要求较高，导致对于控制系统要求也很高，程序复杂，适合在批量较大的生产过程中发挥特性。直线型灌装机：图2.2 直线型灌装机直线型的灌装机通过传送带的水平运动，带动着待灌装的灌装瓶同样进行水平方向的运动，到达灌装头下方限位，让灌装头深入灌装瓶内进行一次灌装，间歇地进行生产。缺点是灌装瓶的定位，灌装过程是没有办法省略或者与其他动作同时进行的，是必要的生产时间，所以导致了直线型灌装机的效率没有旋转型灌装机的生产效率高。优点是动作简单，程序较为简易，成本较低，若是更换产品，相比旋转型灌装机，直线型灌装机调整以及更改部分少，适合小批量生产。2灌装机的确定：本次设计采用直线型灌装机进行研究。旋转型灌装机无论是结构上还是控制系统上，都比直线型灌装机更复杂，所以选择更加简单的直线型灌装机进行研究。2.2 灌装方式的选择一般灌装方式介绍：由于不同的液态产品的物理性质于化学性质相差甚远，特别像碳酸饮料在灌装过程中还需添加二氧化碳，酒精产品暴露时间过长会挥发等特点。若要制造不同的液体灌装机，使液体产品的特性不发生巨大改变，就必须要采用不同的灌装方式，而想要采用一种适合的灌装方式，则应该要知道常用的液体灌装机灌装液体的办法，常见的办法有这些：1. 常压法就是在常压的情况下，液体原料依靠自身受到的地球引力，进入到指定的液体容器内部。大多数的可以自由流动，黏性较小不含气的液体原料都可以采用这种办法进行灌装，如：牛奶、矿泉水、酱油等。2. 等压法就是机械内的气压在高于大气压的情况下，对所用的液体容器内的压力作升压处理，让液体容器里边的气压于水箱内的气压达到相等的情况下，再依靠液体原料的自身重力流进容器中去。这种办法多用于含气饮料的灌装，比如啤酒、碳酸饮料等。以这种办法进行的液体灌装可以在很大程度上减少气体的损失，同时也避免了灌装过程中产生大量泡沫而影响产品的质量与定量的精度。3. 压差真空法压差真空法就是让水箱保持常压，只对容器进行抽真空处理，那么液体原料就会通过水箱与容器之间产生的压力差，被压入容器中完成灌装。这种办法减少了液体原料与空气的接触，避免了灌装过程中的多次污染，而且对于黏度稍大的液体原料也有不错的效果。4. 真空重力法与重力法类似，也是通过液体原料的自身重力流入到容器中，但是真空重力法将水箱以及容器都进行抽真空处理，使得它们之间形成真空状态，避免了液体原料于空气的接触，与氧气的接触变少，延长了产品的保质期等等。同时，真空重力法还是对有毒的液体原料灌装的方法，如农药，有毒化学制品，减少了有毒气体的挥发，飞溅等的问题，也是对工人们工作环境的极大改善。5. 压力法利用机械压力或者气压等压力，将液体原料挤入容器中。这种办法多用于黏性较大，无法自由流动或自由流动速度较慢的液体原料，如：牙膏，番茄酱等。这个办法还有一个优点就是，用活塞推动的情况下，液体原料定量变得稳定，能保证固定液柱能被推入容器中去。同时，灌装的速度也可以提升不少，对于直线型灌装机灌装过程所用的时间可以有一个不错的减少。3灌装方式的确定：选择合适某样产品的液体灌装办法是液体灌装机设计中十分重要的一部分，这直接决定了灌装后的产品的质量以及灌装过程所用的时间。本次设计是对于矿泉水的灌装设计，矿泉水是黏度较低且能自由流动的液体原料，所以能选择的灌装方式较多，比如常压重力法或者压力法。就成本来看是常压重力法更符合经济效益的要求，但是本设计要求定量灌装，则应使用更好控制灌装液体量的压力法，同时压力法可以提高灌装过程所使用的时间，所以选择压力灌装法。2.3 空瓶定位部分的设计2.3.1 灌装机空瓶定位部分设想根据矿泉水灌装机设计任务书，本设计将负责一部分的灌装机的机械设计，也就是空瓶定位部分的设计。所用矿泉水瓶模型瓶口处直径为25.8mm，瓶身处直径为60mm。如图2.3 矿泉水模型图。图2.3 矿泉水模型图所以，矿泉水灌装机的空瓶定位部分的设计就是要将瓶口处25.8mm固定，以及对瓶身还60mm处进行固定。由于矿泉水由传送带送入灌装机内，第一个矿泉水瓶被后挡停板挡在灌装机内，这时，余下的矿泉水瓶依次排在后边，所以此时自由度为z方向的自由度、y方向的自由度及绕z轴旋转的自由度、绕x轴旋转的自由度、绕y轴旋转的自由度。因为矿泉水瓶为回转型模型，旋转方向上各处位置不影响灌装，所以绕z轴方向旋转的自由度不需要限制。因为传送带上的侧板可以对y方向的自由度及绕x轴方向旋转的自由度进行限制，所以设置一块调整板，将矿泉水瓶推到传送带的侧板上，就可以限制矿泉水瓶的两个自由度。再要考虑限制矿泉水瓶绕y轴方向旋转及z轴方向上的自由度。V形块是一个很好的限制，因为瓶口处下方是一个较大的椭圆球形状，而瓶口上方是旋瓶盖的阶梯挡块，是一个很好的V形块固定位置。且矿泉水瓶瓶身是PET，也就是聚对苯二甲酸乙二酯制作的，整体较软，硬度刚度较低，瓶口处PET厚度较大，相对瓶身刚度较大，给予了一个V形块的固定位置。因为矿泉水瓶刚度和硬度还有质量都比较小，固定时不需要太大的力。所以选用气缸驱动空瓶定位块对矿泉水瓶的定位。2.3.2 空瓶调整板的设计空瓶调整板：因为矿泉水瓶子会被推到传送带的侧板处，同时空瓶定位块是固定在传送带外侧的侧板外部，所以要考虑伸出长度是否达到指定位置。根据传送带中间位置的宽度，及矿泉水瓶瓶身的直径，画出空瓶调整板的模型，并导出dwg文件。见图2.6 空瓶调整板：图2.6 空瓶调整板圆柱杆总长为140mm，能伸出到指定的固定位置，且预留出部分留待在未来更改矿泉水瓶模型时调整空间。调整板总体长度为950mm，留出足够的余量对瓶身进行固定，也是让更改模型时有更多的调整空间。两端进行折弯，形成一定的角度。使得矿泉水瓶进入和离开灌装机时不至于卡瓶，而且，足够长的调整板在灌装机上对矿泉水瓶有导向作用。这里选用价格便宜，成型容易的PVC塑料制造。PVC塑料比较软，不容易将矿泉水空瓶挤压变形。2.3.3 瓶口卡板的设计对于矿泉水瓶口处的限位，主要设计是制作一个大小合适的V型块对瓶口上方旋瓶盖的阶梯挡块与瓶口下方处的一个较大椭圆球形状瓶身之间的位置进行固定限位。这个部分所用材料需要稍微硬一些，因为对于不断进行的灌装生产来说会产生较大的磨损，所以需要比较耐磨的钣金材料。所以选用SUS304不锈钢，有不错的硬度和耐磨性，容易冲压折弯，工艺过程较为简单。以下是空瓶卡板见图2.7 空瓶卡板：图2.7 空瓶卡板厚度为3mm的瓶口卡板，能契合瓶口上方旋瓶盖的阶梯挡块与瓶口下方处的一个较大椭圆球形状瓶身之间的位置，较大的开口能将有较大偏差的矿泉水瓶口纠正到正确的位置，保证能到灌装阀的阀口下方。2.3.4 瓶口卡板固定板的设计瓶口卡板固定板的设计主要功能是用于固定瓶口卡板的，同时两端有两块导向块，中间开了槽，用于保证瓶口卡板固定板不会向两边偏移或者绕z轴旋转。瓶口卡板固定板全长850mm，开了两段接近全长的固定槽用于固定瓶口卡板，可以在固定槽上调整固定位置，不仅可以减少矿泉水瓶固定不到位问题，在未来更改产品模型时也可以轻易调整，只需要更改PLC中程序以及瓶口卡板，以适应新产品。见图2.8 瓶口卡板固定板：图2.8 瓶口卡板固定板2.3.5 空瓶定位机构的设计夹块安装板接水槽挡板支撑板气缸推杆直线轴承瓶口夹块支撑杆 图2-9空瓶定位机构 图2-10空瓶挡位机构 主要组成：标准件外购：亚德客标准型气缸，深沟球轴承，米思米直线轴承。非标加工件：支撑板，支撑板加强筋板，安装轴，气缸安装板，夹具块，接水槽，支撑轴等。根据瓶口限位工位制定要求：（1）将定位在板链上的八个空瓶精准定位瓶口使其向另一组调整机构推进然后瓶口将限定在以上两个机构中间。（2）夹块之间的间距要和瓶子匹配，使得瓶子在被限位的过程中不会相互干涉挤压。（3）将瓶子限位之后输送机不会停止，所以需要保证瓶口在被限位后稳定不会被与输送机之间的摩擦力推动摇晃。气缸选型计算：Fn=(0.55*8+3.1)*10=75NF=Fn=0.2*75N=15N 负载率为0.1所以F=F/0.1=150NF=PS可得S=0.25D²=19.5mm此次选用亚德客的气缸，气缸型号为SDAS20X40-B，活塞带磁环，缸筒内径为20mm，形成为40mm，活塞杆上的螺纹为外牙。三 、灌装机控制系统的设计3.1可编程控制器PLC3.1.1 选择PLC控制的原因控制系统的选用是严谨的，选对一款产品在未来的使用，设计中会方便简单许多，市面上也有不少可编程序的控制软件，比如大家都熟悉的单片机控制，但是最后选用了PLC进行这次的矿泉水灌装机的研究，原因有很多。PLC因为具有抗干扰能力强、高可靠性、程序设计简单、成本低效益高等特点，被广泛应用于各种领域的工业控制系统的制作商,使用可编程控制器对液体自动灌装机进行控制，让机械部分的设计变得简单，更加容易进行维修保养，可以节约调节与灌装时间，提高了设备的柔性，保证了设备运行的稳定性和可靠性。PLC对步进电机和伺服电机的运动控制，更多的是运用在对于各种各样的机械生产设备，和自动化生产线设备的控制和通讯连接，PLC可逐步取代继电器电路控制等的控制方式，PLC同时可以进行单机控制和多台机器联网控制，能够实现逻辑控制和顺序控制。在机床、自动化生产线、电梯等领域应用广泛。4灌装机控制系统最主要的问题就是运行时有很多繁琐的运动过程，同时运动的衔接需要比较好的配合，需要运行的执行部件很多，不适合使用大量的电磁继电器等的继电器进行系统控制，而PLC拥有上百个内部辅助继电器和理论上无限的内部继电器，完全可以满足灌装机控制系统需要大量中间继电器控制的要求。3.1.2 PLC的介绍可编程控制器（PLC）是在20世纪60年代末，首先出现在美国的，当时的名字叫做可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），研发可编程逻辑控制器的初衷，是因为普通的继电器很难完成复杂的程序，即使完成了，消耗的继电器也是很多的，为了更方便地编辑复杂的逻辑关系，发明了可编程逻辑控制器，用来执行电路的逻辑判断，计时、计数等的控制功能。可编程逻辑控制器类似一个小型的计算机，因为计算机的发展，人们都发现了计算机的功能更完善，更灵活，而可编程逻辑控制器就是通过这种想法，将计算机的有点集合在了一起，然后进行控制程序的编写，以达到简化继电器控制系统，通过计算机进行控制内容的程序编写，录入到控制器内的用户程序储存器中，让应用对象与控制器之间的通讯变得简单方便。5时间到1970年左右，可编程逻辑控制器开始使用小型的计算机处理器作为核心，升级了输入输出模块的通讯方式，采用大规模的集成电路，于是可编程逻辑控制器开始可以进行更复杂的功能，如处理数据，PID调节，数据通讯等，可编程逻辑控制器这个名字已经无法完全概括他的功能了，因为它的功能已经不单停留在仅有逻辑判断的功能，国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：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、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，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，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计6，即便再有新的计算机对工业系统控制技术出现了，但是PLC依旧凭借它惊人的抗干扰能力强、高可靠性、程序设计简单、成本低效益高等特点，在工业控制系统中占据一席之地。3.2灌装机控制系统的设计3.2.1 控制系统总体设计思路根据任务书的要求和矿泉水灌装机的具体情况，再通过借鉴目前市面上先进的灌装机设备控制系统的设计方案，初步确立总体的设计思路。选择可编程控制器（PLC）为基础，对矿泉水灌装机的控制系统程序进行控制，在配合有传感功能的部件作为控制系统的感受器官，形成一个完整的控制系统，同时为了直观的看到系统的过程，需要配合一些LED灯以表达出来当前的状态，灌装过程需完成一下流程图3.1 灌装流程图：放瓶收挡瓶板灌 装水箱储水 定量吸液体 板链输送带待灌装空瓶 挡瓶 瓶口限位 （灌装阀随液面上升）传送带图3.1 灌装流程图灌装瓶进入灌装机后，控制系统依次完成：1.计数 2.挡瓶 3.定量吸液 4.瓶口限位 5.灌装 6.放瓶 同时，时刻监测水箱水位以及传送带保持匀速运动，故障程序监测故障。由PLC根据传感器的检测情况控制整个灌装机系统工作。工作过程中，PLC通过用户已编好的程序作为控制系统工作的执行标准，对开关、指示器、指示灯等对灌装系统进行控制及监控的工作过程。3.2.2控制系统的具体设计思路设计的矿泉水灌装机控制系统的过程是：设置一个系统的启动按钮，同时设置一个系统的停止按钮，然后应该有一个系统初始化的开关。按下启动按钮后，设备通电开机，传送带开始运动。再按下系统初始化按钮后，所有动作将复位到指定位置。然后开始工作，计数控制程序计算由传送带传送过来的待灌装的空矿泉水瓶，到达数量后开始挡瓶以及定量计量筒开始吸液，当计量筒内液体原料到达指定量后，瓶口限位机构开始对待灌装的空矿泉水瓶进行限位，使空矿泉水瓶的瓶口能准确地在灌装阀的下方。到位后灌装开始，需要令灌装阀伸入到空矿泉水瓶靠近瓶底的位置，在灌装的同时与液面同时上升，避免液体飞溅气泡等的情况。完成灌装后，空瓶定位装置与挡瓶装置都缩回，使灌装好的矿泉水能顺利地通过传送带离开灌装机。在各个动作元件设置限位开关，以及编写故障警报程序，能在程序出现故障时及时报警。如图3.2 控制流程图：开始系统初始化传送带控制计数控制挡瓶与吸液控制瓶口限位控制灌装过程控制水箱水位控制 图3.2 控制流程图3.3 PLC的选型选型有一个很重要的步骤就是先将程序的I/O连接口分配好，以选择具有合适数量I/O接口的PLC控制器。见表3.1。表3.1系统I/O分配表输入地址X输入设备输出地址Y输出设备X000启动按钮Y000传送带启动X001停止按钮Y001传送带故障灯X002空瓶感应器Y002前挡停块伸出X003实瓶感应器Y003前挡停块缩回X004速度传感器Y004前挡停块故障灯X005前挡停块上限开关Y005后挡停块伸出X006前挡停块下限开关Y006后挡停块缩回X007后挡停块上限开关Y007后挡停块故障灯X010后挡停块下限开关Y010计量筒吸液X011计量筒上限开关Y011计量筒排液X012计量筒下限开关Y012计量筒故障灯X013空瓶定位前限位开关Y013空瓶定位块向前X014空瓶定位后限位开关Y014空瓶定位块向后X015瓶口夹具夹紧限位开关Y015空瓶定位块故障灯X016瓶口夹具松开限位开关Y016瓶口夹具夹紧X017灌装头上限位开关Y017瓶口夹具松开X020灌装头下限位开关Y020瓶口夹具故障灯X021水箱水位上限开关Y021灌装头抬升X022水箱水位下限开关Y022灌装头下降X023压力传感器Y023灌装头故障灯X024系统初始化按钮Y024抽水马达启动一共有21个输入和21个输出连接口，所以本设计选择使用OMRON公司生产的CPM2A-60CDR-D,足够这次设计的连接口的需求，上位机通过COM端口用RS-232与PLC连接来达到通讯的目的，PLC的电源接口端先接入到220V交流电源，然后把其他的I/O口以及各个限位开关通过24V直流电源连接到PLC的输入端口上，连接方式见图3.1系统接线图：Y000Y001Y002Y003Y004Y005Y006Y007Y010Y011Y012Y013Y014Y015Y016Y017Y020Y021Y022Y023Y024DC24V0000100002000030000400005000060000700008000090001000011000120001300014000150001600017000180001900020000210002200023000240002500026000270002800029comX000X001X002X003X004X005X006X007X010X011X012X013X014X015X016X017X020X021X022X023X024DC24VAC220v000010000200003000040000500006000070000800009000100001100012000130001400015000160001700018000190002000021000220002300024ComLN图3.3 系统接线图3.4 PLC系统程序编写在灌装机控制系统设计方案中，简略地写出了程序设计的流程，同时画出粗略的控制流程图，并没有严谨的逻辑关系以及控制顺序。在进行了系统的I/O分配之后，明确了每一个动作所需要的限位和需要的输出线圈。根据图2.5 控制流程图，将顺序流程图完善出来，画出完整的逻辑控制与顺序控制，能简单明了地看到控制的顺序关系与逻辑关系。打开启动开关后，传送带开始运行，再按下系统初始化按钮，所有元器件到达初始位置，灌装开始。灌装瓶经过理瓶机处理后，通过传动带进入矿泉水灌装机内，感应开关感应瓶子进入矿泉水灌装机的数量，通过PLC内部计数器进行计数，达到指定的10个空瓶后，前挡停板伸出，到达限位后停止，同时计量筒开始工作，通过伺服电机带动活塞杆进行吸液，到达限位后停止，等待空瓶到达指定位置后，空瓶定位块伸出，规整空瓶位置并对瓶口进行限位，完成瓶口限位后，灌装阀下降，到达靠近瓶底的位置后停止，开始灌装，注入液体原料，同时灌装阀需要同步上升，灌装要在灌装阀伸出瓶口前完成，灌装阀到达上限位后停止，开始放瓶过程，空瓶定位块缩回且后挡瓶板同时缩回，后挡瓶板位置装上感应开关感应出瓶数量，通过PLC内部计数器进行计数，等待10个灌装瓶全部离开矿泉水灌装机后，后挡停板伸出挡瓶，同时前挡停板缩回，让新的一轮灌装瓶进入灌装机。水箱水位设置上下限感应器，当水位下降到下限位开关一下时，管道阀门打开向水箱内补充液体原料，水位达到上限位开关时，管道阀门关闭。传送带全程保持匀速运转，同时所有位置故障检测保持检测状态。见图3.4 顺序控制流程图图3.4 顺序控制流程图矿泉水自动灌装机系统控制程序编写：1. 系统启动程序编写：见图3.5 系统启停开关环节图3.5 系统启停开关环节按下系统启动开关（X000），就会触发辅助继电器M0线圈处于“NO”状态，那么M0开关会从“OFF”状态跳转到“ON”状态，达到启动开关（X000）能自锁的情况，之后辅助继电器M0的开关将在之后的程序中代替系统启动开关（X000），将它们通电。在启动开关（X000）与辅助继电器M0的开关后边，设置一个常闭的系统关机开关（X001）。当按下系统关机开关（X001）时，辅助继电器M0的电路将会被切断，同时辅助继电器M0的开关也会从“ON”状态跳转到“OFF”状态，整个程序中的辅助继电器M0将会切断电路，启动开关（X000）也因为自锁条件被破坏而没办法保持自锁，从而达到系统停止的效果。2. 传送带启动与故障程序编写：见图3.6 传送带启动与故障环节图3.6 传送带启动与故障环节因为传送带是整个程序中始终保持运行的程序，是整个矿泉水自动灌装机系统中始终运动的动作，所以只需配合系统的启动与停止，这里只设置一个常闭的速度传感器（X004）用于检测传送带运行速度，当传送带运行速度过低或者过高时触发速度传感器（X004），速度传感器（X004）从“OFF”状态跳转到“ON”状态，则常闭开关将断开，切断传送带对应的线圈（Y000）的电路。当传送带运行速度过低或者过高时会触发速度传感器（X004），说明传送带发生故障，速度传感器（X004）从“OFF”状态跳转到“ON”状态，常开的速度传感器（X004）开关闭合，给传送带故障灯（Y001）通电，同时要保持传送带故障灯（Y001）的上电状态，这里同样需要设置一个常开的传送带故障灯自锁开关（Y001）。在检测修复故障后需要将系统停止重新打开才能继续工作。3. 空瓶计数器程序编写：见图3.7空瓶计数环节图3.7 空瓶计数环节使用PLC内部的计数器继电器用于空瓶数量的计数，设置一个下降沿触发的常闭开关（X002）与外部感应器连接。使用下降沿触发开关是因为当足够的空矿泉水瓶进入到灌装机内部后需要及时地挡瓶，若设置为上升沿触发开关或者普通常开开关时，可能挡瓶时间过早，空矿泉水瓶还未完全进入灌装机内部，这时挡瓶板伸出容易将空矿泉水瓶卡住或者让之倾斜倒下。而下降沿是当空矿泉水瓶离开外部感应器的一瞬间，开始挡瓶，保证了空矿泉水瓶能顺利通过并且前挡停板能及时挡住后边的来料。设置空瓶计数器继电器（C0）的设置值为10，即当空瓶计数器继电器（C0）当前值达到设置值10时触发一次。将空瓶计数继电器当前值清除复位，留待下次计数使用，形成循环。下降沿触发开关（X002）触发一次，则空瓶计数继电器（C0）当前值加1。当空瓶计数继电器（C0）当前值到达设置值10时触发空瓶计数器开关（C0），触发复位指令RST，将空瓶计数继电器当前值复位清零。4. 前挡停板伸出与计量筒吸液程序编写：见图3.8 前挡停板伸出与计量筒吸液环节图3.8 前挡停板伸出与计量筒吸液环节前挡停板伸出与计量筒吸液这两个动作环节并不冲突，不干涉，也没有严谨的顺序与逻辑关系，所以将这两个动作环节设置为同时开始运动，但是结束运动是各自有各自的触发条件，这样可以极大的节约了灌装机总体的灌装时间。所以当空瓶计数继电器开关（C0）触发后，将