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本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
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液體灌裝機智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
摘要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對飲料和酒精的需求量也在不斷增加。因此，高端的工業(yè)自動化灌裝設(shè)備也被推廣。本文設(shè)計并制造了一種啤酒灌裝機自動生產(chǎn)線的智能控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)由和利時lm3106a PLC（可編程邏輯控制器）和hollyview工業(yè)控制組態(tài)軟件和士林ss22-023-0.75k逆變器組成。我們進行了能耗試驗和罐裝啤酒生產(chǎn)試驗的控制。實驗證明該系統(tǒng)的生產(chǎn)效率提高了11.27。能源消耗的系統(tǒng)也減少了。因此，該系統(tǒng)具有較高的工作效率和節(jié)約能源的優(yōu)點，可以應(yīng)用于未來的生產(chǎn)中。
關(guān)鍵詞：灌裝機，可編程邏輯，控制器（可編程序控制器），運動控制，小型機械，設(shè)備制造
1 簡介
灌裝機屬于包裝機械的范疇，是灌裝材料的機械，是灌裝生產(chǎn)線最重要的方面之一。我國的包裝機械已經(jīng)發(fā)展成了液體食品產(chǎn)業(yè)，對世界有著重要的影響并在市場上有較高占有率。
它已經(jīng)發(fā)展成液體食品行業(yè)，對世界有著重要的影響并在市場上有較高占有率[1]。因此，液體灌裝機市場有很好的發(fā)展?jié)摿?。目前，各種灌裝機生產(chǎn)廠生產(chǎn)的灌裝機在灌裝能力、效率、適用范圍和自動化程度等方面，各有優(yōu)缺點。在很大程度上制約了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
使用灌裝機不僅可以提高勞動生產(chǎn)率，減少產(chǎn)品損失，保證包裝質(zhì)量，而且可以減少環(huán)境污染和包裝材料的使用量。
因此，現(xiàn)代包裝行業(yè)一般采用機械化灌裝機。該灌裝機用于汽水（啤酒、汽水、啤酒、可樂）灌裝。采用和利時LM PLC控制灌裝機。中央處理器模塊負責(zé)灌裝機系統(tǒng)的開關(guān)量控制，包括灌裝頭電磁閥的運動、電磁閥的氣缸控制、電磁閥可以節(jié)省材料來控制灌裝機的啟停。并擁有各種光電開關(guān)、液位傳感器檢測等。
本機配有高精度自動等壓灌裝閥，它的灌裝速度，瓶裝的液面高度是穩(wěn)定的，與空氣壓力差恒定。最大灌裝容量1250毫升，最小灌裝容量240毫升，適合玻璃瓶、寵物瓶、罐等，控制形式包括自動控制和手動控制[2]。
本機驅(qū)動系統(tǒng)采用變頻電機，可根據(jù)生產(chǎn)的要求合理調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。液壓缸是配備液位自動控制器，如果在這個過程中，有空瓶現(xiàn)象，機器即可自動停充。
本設(shè)計是基于可編程序控制器的控制系統(tǒng)，集成了可編程序控制器、變頻器控制和計算機技術(shù)應(yīng)用，多段變頻器調(diào)速控制，使電機轉(zhuǎn)速的變化作為反饋信號檢測，從而實現(xiàn)對灌裝機的灌裝速度的控制，使灌裝機編程方便，提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。
同時使灌裝機維修方便，節(jié)省了調(diào)整程序的時間，增加了灌裝機的靈活性，使其運行穩(wěn)定可靠，同時。灌裝機是由屬于機械類，包裝機械，是灌裝生產(chǎn)線的重要組成部分。
我國的包裝機械已經(jīng)發(fā)展成了液體食品產(chǎn)業(yè)，對世界有著重要的影響并在市場上有較高占有率。因此，目前各種灌裝機生產(chǎn)廠生產(chǎn)的灌裝機在灌裝能力、效率、適用范圍和自動化程度等方面，各有優(yōu)缺點。在很大程度上制約了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。灌裝機是一種包裝機械，廣泛用于食品、化工、制藥等行業(yè)[3]。
這臺機器配有各種光電開關(guān)、液位傳感器檢測設(shè)備，高精度自動壓力灌裝閥，灌裝速度快，液體灌裝高度穩(wěn)定，機器壓力恒定。最大充填量量；240毫升最低填充量，適用于玻璃瓶、PET、罐等?？刂菩问桨ㄗ詣涌刂坪褪謩涌刂苾煞N方式。
電機傳動采用變頻調(diào)速電機，可根據(jù)生產(chǎn)的生產(chǎn)，合理調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。由于灌裝缸裝有自動電平控制，如果在灌裝過程中出現(xiàn)空瓶子現(xiàn)象，可以自動停止[4]。本設(shè)計是基于可編程序控制器的灌裝機控制系統(tǒng)的研究，采用集成可編程邏輯控制器（可編程控制器），通過可編程控制器（可編程控制器）對變頻器進行多段調(diào)速，使電機轉(zhuǎn)速作為反饋信號的變化進行檢測，從而控制灌裝機的灌裝速度，從而使灌裝機編程方便和提高工業(yè)生產(chǎn)效率。
同時使灌裝機維修方便，節(jié)省了調(diào)整程序的時間，增加了灌裝機的靈活性，使其運行穩(wěn)定可靠，同時。灌裝機是由屬于機械類，包裝機械，是灌裝生產(chǎn)線的重要組成部分。
2 系統(tǒng)的組成
2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
在采用PLC作為主控設(shè)備的控制系統(tǒng)中，傳感器作為檢測器件，變頻器作為電機調(diào)速控制裝置，通過一個通信協(xié)議或與ht7a00t人機人機接口連接電腦。
圖2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
它的作用是監(jiān)控生產(chǎn)線和記錄數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品，灌裝控制系統(tǒng)由一個主可編程邏輯控制器（PLC）和3個輔助擴展可編程邏輯控制器（PLC），PLC主要是lm3106a，通過它控制灌裝機的檢測開關(guān)，面板上的按鈕，變頻器控制電機和電磁閥?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）根據(jù)檢測到的傳感器信號，并通過編輯程序來完成一系列動作，如填充圖2.1。
2.2 控制系統(tǒng)算法
該系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速信號由變送器轉(zhuǎn)換成電信號，并裝進控制器。在信號的基礎(chǔ)上，可編程邏輯控制器自動顯示數(shù)據(jù)。在比較兩種轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制信號的偏差，對變頻器進行變頻調(diào)速，以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，用實際的數(shù)據(jù)來消除轉(zhuǎn)速偏差。
通過改變機械擾動引起的偏差，使到生產(chǎn)線的電機轉(zhuǎn)速恒定，同時保證生產(chǎn)線效率。本系統(tǒng)是一個基于電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
本系統(tǒng)采用比例、積分和微分（積分）控制算法在可編程序控制器中實現(xiàn)。
在可編程邏輯控制器（可編程控制器）中，估計值按照設(shè)定的時間值采樣。假設(shè)時間周期為t，初始值為零。用矩形積分代替精度連續(xù)積分。用差分法代替連續(xù)微分法，可以簡化為（1）。
在這個公式里面，是系統(tǒng)偏移。
該算法具有2個特點，一是快速響應(yīng)，另一個是超調(diào)。在穩(wěn)健的性能和跟蹤性能方面，它表現(xiàn)出良好的控制效果。通過實際應(yīng)用的控制系統(tǒng)取得了良好的控制效果。該公式在可編程控制器內(nèi)部被解釋為一個連續(xù)控制系統(tǒng)，簡化為離散控制系統(tǒng)。
2.3 機械結(jié)構(gòu)
該灌裝機采用和利時LM系列可編程邏輯控制器（PLC）控制實現(xiàn)自動操作和自動控制整個生產(chǎn)線。這一部分的原理是通過分度撥輪，將空瓶取出再對其進行填充，如圖2.2，在指令下，將瓶頸抬升，定位裝置的壓料口進行填充密封[5]。
再次將瓶子里空氣抽回真空狀態(tài)后，將液體鋼瓶內(nèi)二氧化碳氣體的背壓注入到瓶子里，當(dāng)氣瓶內(nèi)的氣體壓力等于鋼瓶壓力時，在彈簧的作用下，閥門打開。這時，在重力引導(dǎo)作用下，液體通過形狀的傘反射環(huán)上的消聲器自動進入瓶內(nèi)，在瓶子中的二氧化碳再循環(huán)到液體鋼瓶。
當(dāng)瓶子液面達到一定高度時，它會使到氣管關(guān)閉，此時，機器會自動停止在液體灌裝。然后放液閥和閥關(guān)閉，當(dāng)瓶子落下，排水瓶頸為高壓氣體以防止液體與氣體噴涌溢流。填充部分完整實現(xiàn)。
1.行星撥盤 2.撥盤 3.軸
圖2.2 運輸瓶的機械結(jié)構(gòu)
3 硬件設(shè)計
3.1 控制器的選擇
根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備、電氣柜的控制要求，選擇lm3106a可編程控制器。可編程序邏輯控制器（可編程控制器）有14點輸入和10點晶體管輸出，共有24個數(shù)字輸入/輸出點，用24伏直流電源供電，在終端上做輸出，在終端下是做輸入。
LM系列可編程邏輯控制器（PLC）具有獨特的保護功能，可以實現(xiàn)用戶程序和停電保持區(qū)的數(shù)據(jù)永久保存，機器消除權(quán)力的原因丟失數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；同時，它支持五種編程語言國際化，適合不同的程序員需要；LM系列應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，有良好的客戶基礎(chǔ)，因此，可靠性和安全系數(shù)大大好。
除了模塊，有三個輔助模塊，分別是lm3401，lm3320，和LM3310。中央處理器模塊集成了一定數(shù)量的輸入/輸出點，在同一時間，一個部分的輸入/輸出點具有高速計數(shù)器，高輸出，和其他功能[6]。
隨著系統(tǒng)需求的不斷擴大，需要更多的輸入/輸出點連接到可編程邏輯控制器（可編程控制器），此時可以通過匹配擴展模塊來增加更多的輸入/輸出點和更多的功能，以實現(xiàn)對某些條件的控制。
3.2 工業(yè)電源選擇
本系統(tǒng)采用西門子的100的工業(yè)電源，具有高可靠性、高效率、高集成度的特點。滿足了提高工作效率、節(jié)約能源的系統(tǒng)要求。
3.3 變頻傳動的選型
交流伺服電機驅(qū)動永磁同步伺服電機和交流異步伺服電機。交流永磁同步電動機轉(zhuǎn)子由永磁體組成，定子繞組形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，只要負載的大小不超過同步轉(zhuǎn)矩。
隨旋轉(zhuǎn)磁場的永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，它類似于基本交流永磁同步電動機。交流異步伺服電機定子由繞組勵磁繞組和控制繞組的90個繞組組成。
交流繞組的接入和控制的相位差勵繞組的角度，使定子旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生橢圓，轉(zhuǎn)子斷磁，在電磁力的牽引下旋轉(zhuǎn)。
目前，在精密計算機數(shù)控（數(shù)控）系統(tǒng)中，交流永磁同步電機被廣泛使用。
隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，有的變頻器在伺服功能、控制精度與傳統(tǒng)的交流伺服系統(tǒng)和沒有明顯的差距，因此它們有集中發(fā)展的趨勢。
采用數(shù)字信號處理器（數(shù)字信號處理器）來控制伺服驅(qū)動器。它可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件廣泛應(yīng)用于智能功率模塊驅(qū)動電路的核心設(shè)計，內(nèi)部集成的驅(qū)動電路，也具有過壓，過電流，過熱，欠壓故障檢測和保護電路，在主電路中加入了軟啟動電路，以減少啟動過程中的影響。
首先通過三相全橋功率驅(qū)動單元整流電路輸入三相電源或電源整流器，相應(yīng)的直流（DC）。整流后是良好的三相電流或城市電力，然后通過變頻三相正弦脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制），用電壓型逆變器驅(qū)動三相永磁同步交流伺服電機。
動力驅(qū)動單元的整個過程可以簡化為交-直-交整流單元（ACDC），它是三相橋式整流電路的主電路拓撲結(jié)構(gòu)。
根據(jù)電機的工作效率和設(shè)備的要求，變頻器的選擇是石林ss22-023-0.75 K，三相交流額定電壓是200-230伏，適配電機功率為1.9 kW，額定電流為5 A。
shss22型逆變器的體積很小，它屬于小型產(chǎn)品，可以空間小的控制柜，調(diào)試簡單方便。它的控制方式為正弦波SPWM，控制性能強，其載波頻率范圍為0至15千赫，在降低電機的電磁噪聲有效，模擬接口的通用性，負載能力強，提供多功能的輸出端子信號。它主要用于立體倉庫系統(tǒng)行業(yè)，食品，飲料和包裝行業(yè)。
3.4 觸摸屏的選擇
觸摸屏根據(jù)原理和使用材料的不同，可分為電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏和聲波傳感器、紅外線觸摸屏觸摸屏。
電阻式觸摸屏精度高，但其價格昂貴且容易損壞，電容式觸摸屏設(shè)計合理，新穎性更直觀，更有趣，高耐久性，但也容易受到環(huán)境影響和成本較高。
電容式觸摸屏功能性方面的全面性和穩(wěn)定性，它已經(jīng)擁有了相當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~，在各種觸摸屏。
紅外線觸摸屏價格低廉，但其易受光線干擾的影響。聲波感應(yīng)式觸摸屏如果有水滴或塵埃干擾，其反應(yīng)會變慢，甚至不能工作。
總結(jié)每一類觸摸屏都有其優(yōu)點和缺點，我們根據(jù)需要，選擇和利時是觸摸屏的觸摸屏，該模型是ht7a00t。4.3寸黑白192x64，輸入電源電壓為24V直流。
4 程序設(shè)計
4.1 輸入/輸出分配系統(tǒng)
表4.1 灌裝機輸入/輸出分配表
%IX0.0
低液位
%QX0.0
主發(fā)動機
%IX0.1
高液位
%QX0.1
液壓泵
%IX0.2
主機故障
%QX0.2
供應(yīng)電磁閥
%IX0.3
液體故障泵
%QX0.3
電磁閥
%IX0.4
輸送帶故障
%QX0.4
排氣電磁閥
%QX0.5
進氣電磁閥
%QX0.6
輸送帶
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，根據(jù)我對輸入和輸出端子的定義，確保布線完成。
4.2 主程序框圖
圖4.1 控制系統(tǒng)程序框圖
圖4.1是沖瓶機順序程序功能圖。這個程序是在按下啟動按鈕ym002和分布式控制系統(tǒng)（DCS）遠程控制、邏輯與輸出，其次是邏輯或，然后觸發(fā)復(fù)位觸發(fā)器，這一點在遙控狀態(tài)，DCS的狀態(tài)是，在同一時間以不在本地控制狀態(tài)，與DC為0，此時只有遠程控制啟動噴淋泵工作。局部控制工作時，按下啟動按鈕M004，DCS以沒有結(jié)果也為1，此時，觸發(fā)設(shè)置、沖瓶泵啟動[7]。
按下啟動ym003和DCS遠程控制按鈕后，邏輯與可以輸出，其次是邏輯或，然后觸發(fā)復(fù)位，此時遙控狀態(tài)，DCS系統(tǒng)在狀態(tài)1，同時以不在本地控制狀態(tài)，和DC為0，此時只有遠程控制噴淋泵停止工作[8]。局部控制工作時，按下啟動按鈕M003 DCS，因為沒有結(jié)果也為1，此時，觸發(fā)器復(fù)位，沖瓶泵停止。
4.3 配置接口設(shè)計
圖4.2 配置界面
根據(jù)系統(tǒng)的要求，我選擇了冬青視圖組態(tài)軟件，完成了組態(tài)設(shè)計[9]。冬青視圖提供了一個豐富、簡單、易于使用的界面，提供了大量的圖形元素和圖形庫，同時也為用戶創(chuàng)造畫廊精靈并提供易于使用的界面；產(chǎn)品的歷史曲線、報表報表和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能都大幅提高，軟件的功能性和可用性都有很大地提高[10]實驗的成功率，利用現(xiàn)有的計算機就可完成自動控制系統(tǒng)實驗；它節(jié)省了能源，提高了實驗效率[11]。圖4.2是配置界面設(shè)計圖。
它將一個好的程序下載到可編程控制器，當(dāng)觸摸屏程序，有一個點的接口如圖4.2，在剛開始時，它是對每個開關(guān)運行一個單一的點，當(dāng)觸摸屏界面，它需要做一個模擬的關(guān)鍵點移動操作開關(guān)[12]?？删幊绦蚩刂破骺梢膺B接可編程邏輯控制器輸出。
5 測試
從工作效率的角度來看，以瓶容量為500ml為例，普通灌裝機的工作效率平均是400瓶每小時。優(yōu)秀的灌裝機的工作效率平均可達到700瓶每小時。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計和100次測試，每次測試一小時，智能灌裝機的工作效率平均可達到每小時779瓶。該系統(tǒng)提高了工作效率11.27%。
從節(jié)能環(huán)保的角度看，空載功耗，滿載功耗相比傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率如圖5.1。它減少能源消耗的設(shè)計要求。
圖5.1 能量消耗對比圖
6 結(jié)果
本設(shè)計主要是采用可編程邏輯控制器（可編程控制器）和變頻器控制電機做旋轉(zhuǎn)皮帶傳動，然后將瓶子轉(zhuǎn)移到灌裝機上，實現(xiàn)了配瓶的速度和灌裝速度的協(xié)調(diào)，提高了生產(chǎn)效率。本設(shè)計的基本思想是：在系統(tǒng)啟動后，按下電機啟動開關(guān)，如果電機是異常的，熱電流繼電器立即切斷和保護電機，如果電機是正常的，那么電機啟動下一步工作。
電機開始轉(zhuǎn)動，在傳送帶作用下驅(qū)動灌裝瓶運動，通過光電傳感器，對瓶子計數(shù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)到可編程邏輯控制器（PLC）進行數(shù)據(jù)處理，可編程邏輯控制器（PLC）根據(jù)瓶子的運動速度在內(nèi)存里進行比較，確定是否有調(diào)速的需要，如果不需要控制電機的速度，它就按照原來的速度運行，如果有需要調(diào)速，可編程邏輯控制器（PLC）輸出控制信號到變頻器進行多級調(diào)速控制，轉(zhuǎn)換器接收控制信號，可編程邏輯器收到后（PLC）發(fā)出的控制信號，進行內(nèi)部處理。
一個特定的頻率電壓的輸出，實現(xiàn)電機的頻率控制。變頻器輸出反饋信號輸入到可編程邏輯控制器，實現(xiàn)對變頻器的保護。本設(shè)計基本符合設(shè)計要求。
該系統(tǒng)具有操作簡單、工作可靠、界面友好、節(jié)能、綜合保護等功能，具有較高的自動監(jiān)測程度、生產(chǎn)效率高的特點，具有良好的推廣應(yīng)用前景。
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