基于PLC的多种液体自动混合加工及灌装控制系统设计.doc

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1、高级技师论文基于PLC的多种液体混合、加工及灌装的自动控制系统设计单 位： 姓 名：考试等级：准考证号：身份证号：2019年1月基于PLC的多种液体混合、加工及灌装的自动控制系统设计XXXX单位 XXX摘 要 提出了一种基于PLC的多种液体混合、加工及灌装的自动控制系统设计思路，提高了液体混合、加工及灌装生产线的自动化程度和生产效率。 本文简述可编程控制器（FX2n-48MR）、触摸屏（三菱GT1155）、变频器（FR-E700）、FX2N-8AD模块及传感器在多种液体混合、加工及灌装控制系统中的具体应用。在整个控制系统中以三菱FX2n-48MR型PLC作为核心控制元件，控制多种（本文述两种）

2、原料罐中的液体依据配方设置要求注入混合罐中进行搅拌，搅拌完成之后再将混合后的液体注入加热罐中进行加工处理，加工完成待灌装线启动及空瓶到位后进行加注，再送下一工位进行加盖后传输到成品区。另外，为了保证整个控制系统运行的稳定性和可靠性，系统还采用了多种传感器对系统的关键环节进行保护。通过系统调试，该系统能够准确、高效、可靠及操作方便控制要求对多种液体进行混合、加工及灌装控制。此系统不仅适合自动化类教学仪器的演示，也可以为液体混合、加工及灌装生产线的自动化系统的具体设计与实施作一个技术参考。关键词：可编程控制器 触摸屏 变频器 泵 传感器 液体混合 液体搅拌 液体加热 加工 灌装 1 引言自动化液体

3、混合、加工及灌装控制系统是指在不直接进行人工处理的情况下，自动地完成对多种液体进行混合、加工及灌装的高自动化的生产线系统。是集自动控制技术、通信技术、机电技术于一体的高效率自动化生产线。在炼油、化工、制药等行业中，多种液体混合、加工和灌装是必不可少的工序，而且也是生产过程中十分重要的组成部分。以往常采用传统的继电器和接触器控制，使用硬件连接器多，可靠性差，自动化程度不高。当前国内许多地方的此类控制系统主要是采用DCS，这是由于液位控制系统的仪表信号较多，采用此系统性价比相对较好，但随着电子技术的不断发展，PLC在仪表控制方面的功能已经不断强化。用于回路调节和组态画面的功能不断完善，而且PLC的

4、抗干扰的能力也非常强，对电源的质量要求比较低。目前已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造，大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为企业提供了更可靠的生产保障，所以PLC在工业控制系统中得到了良好的应用。采用PLC对容器中的液位进行监控控制，其电路结构简单，设备投资少，监控系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强等优点，适用于多段液位控制的监控场合。为此，设计出以三菱公司生产的FX2N型PLC为主控制器，RS485通信协议及CC-LINK现场总线下的多种液体自动混合灌装监控系统。2 系统方案总体设计 2.1 设计思想 本设计是以可编程控制器（ProgrammableLogic

5、Controller简称PLC）为核心，在注入混合液体工位上控制两个原料罐（A罐与B罐）对应的泵向搅拌罐加注原料（具体配方在系统中由触摸屏来设置配方参数）。两个原料罐都装有液位开关及液位传感器，用来检测原料罐中液体量及原料注入泵电气保护。搅拌罐装有液位传感器，依据AD模块读入的液位值控制A罐与B罐的注入量，并符合系统配方设置要求。两种原料加注后，搅拌机依系统设置要求对两种液体进行充分混合搅拌。搅拌完成后开启出料电磁阀向加热罐注入混合后的液体进行加工（加热），待温度达到设定置时加工步骤完成，此时，加注瓶机构开始向传输带上瓶，瓶子在传输带上通过高分辩率的编码器进行定位控制，瓶子到达加注位时传输带停

6、止运转。加热罐出料电磁阀开启，液体经流量计由加注嘴向瓶中注入设定量（如80ml）后经传输带送至加盖位。上盖将瓶送到位后由加盖机构再向瓶子加盖，完成后传输带将加注过液体和盖好盖的瓶送至成品区。至此，整过系统所有流程结束。具体原理方框图如图1所示。图1系统方框图2.2 本设计控制要求 （1）原料罐在没有原料或原料量不足满足系统设置需求量的情况下系统不能启动并给于警报信号和指示。可灵活设置和修改生产配方和原料量，依配方和量原料泵同时向搅拌罐注入两种原料。（2）搅拌罐中没有料的状态下不能进行搅拌，依系统设置的搅拌速度和搅拌周期对原料进行混合搅拌，同时搅拌灯亮起，在搅拌完成后搅拌灯熄灭。（3）加热罐中没

7、有料的状态下不能启动加热装置，依系统设置将混合液体加热到设置的温度值，加热时加热灯亮起。加热装置有过热保护系统，当液体温度高于设置值时，过热保护系统切断加热电源并报警指示，以免意外事故发生。在加热过程中需在仪表和触摸屏中显示液体实时温度值。（4）上瓶机构上没有瓶和盖或瓶或盖不够的状态下灌装线无法启动，瓶在传输带通过光电编码器和光电传感器进行高精度定位，在液体加注位时（混合液体加热完毕）开启电磁阀向瓶中注入系统设置量的液体（由流量传感器进行计量）；加注完毕后至加盖位时加盖装置给瓶加盖，之后传输到成品区。 （5）具有急停功能。当系统在运行的过程中发现其它意外等，可以点击急停按键，此时系统会立即停止

8、运行并保持原有系统设置参数。但系统再次运行务必确定各个系统参数，保证如质如量完成上次的生产任务，以免系统数据混乱而生产出不良品。 （6）有手动和自动档选择，可以实现手动和自动两种控制方式。并且在触摸屏上有各工作位的功能按钮，分别用于控制各工序上的执行机构的动作，方便系统调试等。（7） 各工作位上的传感器，作为系统处理和控制的数据依据。编写组态监控程序，对系统的各个环节进行动态的监视与控制。（8）触摸屏功能：自动控制；手动控制；系统急停；可通过触摸屏设置和修改系统中多种原料配方参数，产生的混合液体总量，搅拌次数和周期，加热温度和时间，每瓶注入量，批次生产数量和传输速度；能显示原料罐、搅拌罐和加热

9、罐中的实时液位、各泵工作时的压力、加热罐的温度、液体加注量、批次生产量、当日生产总量；显示系统故障及报警和监视整个系统各工作站位的工作态；2.3 系统构成 系统由可编程控制器（FX2n-48MR）、触摸屏（三菱GT1155）、变频器（FR-E700）、AD模块（FX2n-8AD）、压力传感器、液位传感器、温度传感器、光电编码器及气缸等组成。控制原理图如图2所示。图2 系统控制原理图2.3.1 系统PLC I/O分配与接线见表1。液体混合灌装系统PLC I/O分配表输入元器件作用输出元器件作用X0流量计Y0泵AX1编码器Y1泵BX2液位开关AY2泵CX3液位开关BY3加热X4液位开关CY4加热灯

10、X5液位开关DY5搅拌X6液位开关EY6搅拌方向X7液位开关FY7搅拌灯X10档瓶磁性开关Y10搅拌出料电磁阀X11出瓶磁性开关Y11灌装电磁阀X12注料升降磁性开关Y12档瓶气缸电磁阀X13推盖磁性开关Y13出瓶气缸电磁阀X14旋盖磁性开关Y14传送带运转X15压盖磁性开关Y15传送带变速X16无杆右磁性开关Y16注料升降气缸电磁阀X17无杆左磁性开关Y17推盖气缸电磁阀X20瓶检测传感器Y20旋盖气缸电磁阀X21传送带零位传感器Y21压盖气缸电磁阀X22注料定位传感器Y22无杆气缸电磁阀X23加盖定位传感器FX2N-8AD 端子传感器作用I1+压力传感器A原料桶AI2+压力传感器B原料桶B

11、I3+压力传感器C泵AI4+压力传感器D泵BI5+压力传感器E搅拌罐AI6+压力传感器F泵CI7+压力传感器G加热罐表1 系统PLC I/O分配3PLC程序设计 3.1 系统控制使用的PLC和触摸屏的I/O、内部继电器与外部元件的对应关系见表2。表2 I/O、内部继电器、数据寄存器与外部元件对应关系内部继电器M0手动模式内部继电器M27左移动（盖）M1自动模式M28出瓶M100自动启动M29手指M200自动停止M30压瓶盖M10原料A泵启动M31右移动（盖）M11原料A泵启动数据寄存器D1原料罐B液位M12搅拌正转启动D2原料罐A液位M13搅拌反转启动D3搅拌罐液位M14搅拌罐出料D4A泵压力

12、M15加热D5B泵压力M16灌装D6C泵压力M20传输带高速运转D7加热罐液位M21传输带低速运转D8加热罐液温M22档瓶D51原料A注入量M23注料升降D52原料B注入量M24推盖D53加热罐液温M25旋盖D54搅拌周期M26压盖输入X0传输带编码器3.2 系统主要PLC程序说明。3.2 .1 初始化参数，设置AD模块参数、原料注入量、搅拌周期和加热温度。设置AD模块参数设置原料B注入量设置原料A注入量设置搅拌周期设置加热温度3.2 .2 读取AD模块各通道参数值。延时读取读取AD模块各通道值并存储到相应数据寄存器3.2 .3 原料注入到搅拌罐。原料A注入原料B注入3.2 .4 搅拌动作。正

13、向搅拌反向搅拌搅拌灯3.2 .5 搅拌后向加热罐注混合液体。搅拌出料电磁阀出料泵计算程序号3.2 .6 系统送瓶。挡瓶气缸传送带运转传送带低速出瓶气缸电磁阀3.2 .7 灌装压盖气缸电磁阀推盖3.2 .8 自动控制，加瓶盖、旋盖。原料A注入原料B注入搅拌电机电转搅拌电机反转搅拌灯搅拌出料加热器加热灯传送带3.2.9 手动控制程序。4触摸屏监控画面。系统的触摸画面在GT Designer2软件制作。图3 初始画面 图4 控制方式画面图5 自动控制监控画面 图6 参数设置图7 历史库存数画面 5系统主要器件及在系统中的功能简介 5.1可编程控制器（PLC） 本设计中用的主控制器MITSUBISHI

14、FX2N-48MR型PLC为本三菱公司生产的一款小型PLC，FX2n系列PLC把许多其他PLC的优点都融进一个很小的控制器中。FX2n适用于最小的封装，是希望低成本的用户在有限的I/O范围寻求强大控制功能的首选目标。内部提供多达48个I/O点，并且能够通过串行通信传输数据。在系统PLC为核心元件对负责整个系统控制与数据处理。 5.2触摸屏（GOT） 触摸屏是触摸式图形显示终端的简称，它是一种人机交互装置。一般通过串行接口与计算机、PLC或其他外围设备连接进行通信，由专用软件完成画面的制作和传输，实现其作为图形操作和显示终端的功能。在控制系统中，触摸屏常作为PLC的输入和输出设备，通过使用相关软

15、件，设计出满足用户要求的监控画面，实现对控制对象的操作和显示。本设计中用的为三菱公司生产的GT1155型320X240点STN彩色液晶触摸屏，实现对系统对象的监视与控制功能。 5.3AD模块 FX2n-8AD模拟输入模块（简称FX2n-8AD）将8点模拟输入数值（电压输入，电流输入和温度输入）转换成数字值，并且把它们传输到PLC主单元。5.4变频器 本设计中采用一台三菱FR-E700型变频器，变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用

16、变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。5.5通信模块 本系统中采用了三菱FX2N-485-BD和FX2N-32CCL通信模块，可把该系统加入工业现场总线系统中。结束语本文重点介绍了基于PLC的多种液体自动混合、加工及灌装控制系统设计，此控制系统通过调试能够比较准确、高效地完成对多种液体进行混合、加工及灌装控制。 本控制系统是以三菱FX2n-48MR型PLC作为核心控制元件，三菱FX2N-8AD作为PLC专用A/D转换模块为系统控制提供液位、压力、温度、位置及速度等数据。所做的具体工作如下：（1）设计了人机界面

17、（触摸屏画面）。实现对系统对象的监视与控制功能。 （2）根据整个控制系统的运行要求，设计出了相应的程序并且通过了调试。 （3）通过系统的最终调试，完成了对多种液体进行混合、加热及灌装。 在这次设计中，基本完成了多种液体混合、加热及灌装的自动控制系统的设计，达到了预期的目标，实现了其主要功能。此设备调试表明所选设计方案均是可行的。此系统适合自动化类教学仪器的演示，也可以为液体混合、加工及灌装生产线的自动化系统的具体设计与实施作一个技术参考。参考文献： 梁耀光 余文烋主编电工新技术教程三菱电机FX1S；FX1N；FX2N；FX2NC系列编程手册三菱电机FX2N-8AD用户指南三菱电机FR-E700硬件手册、FR-E700应用手册三菱电机GT Designer2 版本2 画面设计手册致 谢本项目设计过程中得到了XXX老师的精心指导和帮助。XXX老师严谨的工作作风、循循善诱、诲人不倦的指导风格，谆谆教导严格要求的育人方式，使我在工作与学习中，不论是思维方式还是实际的动手能力都取得了很大的进步。这将在今后的学习和生活中使我受益匪浅。所以在这里我要特别感谢XXX老师。 另外在此过程中还得到了其他老师的指导和帮助。特向关心和帮助我的所有师长和同事表示真挚的谢意! 谨于此感谢老师和同事们对我的鼓励支持，并感谢所有曾经关心、帮助过我的人。 XXX2019年1月第 13 页