1、机电一体化、管理与控制相结合是当前啤酒灌装生产发展的最重要的一个趋势。现代啤酒、饮料包装计算机化的发展方向是CIM。它是一个采集、管理和处理、发送各类数据的综合系统，它有效地将监视系统、自动操作系统、自动分叉技术、机器人技术和计算机协调中心等高尖端技术应用于整个啤酒包装的领域，国外啤酒计算机控制正走向成熟和完善的阶段。国外生产的啤酒、饮料灌装成套设备生产速度快、自动化程度高、可靠性好，主要体现在工艺流程的自动化、生产效率高，满足了交货期短和降低工艺流程成本的要求等方面。设备具有更高的柔性和灵活性，比如生产的灵活性、供货的灵活性和构造的灵活性，以适应产品更新换代的需要。利用计算机和仿真技术提供成
2、套设备以降低故障，进行远程诊断服务。在噪音、粉尘和废弃物等方面对环境污染少。近几年来，国外不断开发啤酒生产新技术，以提高产品产量和质量，降低生产成本，节省能源及人力。而我国却处于机械化和自动化时期，计算机的应用只限于部分工艺和设备1。1.2 本课题的提出与意义教育要服务于社会，就必须跟上科技发展的步伐，不断满足高新技术推广应用的需求。本课题主要结合本校现有的实验设备，来模拟自动化流水线的整个过程。在这里，我们以啤酒包装为主要操作对象，对啤酒包装的主要环节（灌装、压盖、贴标、喷印、装箱）进行模拟，为以后同学们了解、使用和改进本设备打下一个良好的基础。1.3 本章小结本章主要依据有关统计数据，对啤
3、酒包装工业的过去、现状和未来发展趋势进行了分析，同时分别对国内外啤酒包装的现有设备进行了对比，从而得出我国啤酒包装工业的不足、发展方向和改革措施。最后，就本课题的提出和意义进行了简单的阐述。2 方案论证为了考虑控制系统的控制目标，操作方便和经济性，在此使PLC和继电器、单片机、计算机进行比较，从而说明使用PLC的合理性。2.1 PLC控制与继电器控制的比较比较项目继电器控制PLC控制外部电路因连线多，线路复杂线路简明，一目了然工作方式当电源接通时，继电器控制线路中各继电器都处于受约状态。控制系统中，各继电器都处于周期性循环扫描接通中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。控制功能的实
4、现采用硬接线方式完成控制功能要想改变控制逻辑，只需修改程序即可对生产工艺变化的适应性需进行重新设计与接线，适应性差。系统已经确定，不易改变或增加其功能。采用存储器逻辑，通过编制的程序（软接线方式）来实现控制功能，需改变存储在存储器中程序就能改变其控制逻辑。设计和施工控制系统完成一项控制工程，其设计、施工和调试必须依次进行，周期长，且修改困难。完成一项控制工程，在系统设计完成后，现场施工和控制逻辑设计可以同时进行，周期短，且调试、修改都很方便。可靠性与维护性使用了大量的机械触点，连线多而复杂，触点开闭时受到电弧的损害，并有机械磨损，寿命短，可靠性和可维护性很差。控制系统采用微电子技术，大量的开关
5、动作由无触点的半导体电路来完成，体积小，寿命长，可靠性很高。并且其内部具有自诊断功能，易于维护。扩展性与灵活性器触点数目有限，每支只有 48对触点，因此灵活性和扩展性很差。其接线少、体积小，并且 P每支软继电器的触点数目在理论上无限制，因此其灵活性和扩展性很好。控制的实时性机械动作时间常数大，实时性差 微处理器控制，实时性好。计数及其他功能控制系统不具备这些功能控制系统能实现计数及其他特殊功能使用寿命功耗大，寿命短寿命长复杂控制能力极差很强以前生产流水线大多数都是用继电器控制实现的，在随着技术的发展，继电器的劣势越来越明显，当前主要用PLC控制来代替传统的继电器的控制。PLC与继电器的区别34
6、如表2.1所示：表2.1 PLC与继电器的比较由此可见，PLC控制系统已经完全代替了传统的继电器控制系统，成为当前使用最广泛的控制系统之一。2.2 PLC控制与单片机控制的比较PLC这种产品，在没有下载控制程序之前，塔不具备任何控制功能，即没有应用程序PLC是没有用的，它是专为工业环境使用的控制平台，需要进行二次开发才可以达到控制的目的。它需要调试软件的配合。而单片机是将CPU、存储器、定时器、输入输出接口等全部集成在一块集成电路中而形成的单片计算机，实际上单片机只是一块芯片而已。而PLC是建立在单片机上的产品，单片机是一种集成电路。单片机可以构成很多种应用系统（微型，小型，中型，大型等），而
7、PLC只是单片机应用系统的一个特例。从工程角度来说明PLC与单片机的选用56：（1）对于单项工程或者重复数极少的项目，采用PLC是一个较好且快捷的途径，成功率高，可靠性好。（2）对于量大的配套项目，采用单片机系统会使成本降低，效益提高。但这样的项目，需要的是相当的研发力量和行业经验才可以保证整个系统可靠、稳定的运行。（3）PLC具有专门的编程语言（如梯形图），而单片机编程可以使用汇编语言或者C语言以及其他语言。（4）单片机价格低廉，PLC相对单片机价格较高一些。（5）PLC在下载应用程序后才能实现控制，而单片机不需要下载程序（5）PLC可靠，抗干扰能力强，用于工业环境，而单片机功能多，一般用于
8、家庭方面。（7）单片机在硬件和软件方面都比PLC复杂。（8）在单片机和PLC方案都能适用的前提下，为了保证可靠运行，价格即便高，也要选用PLC控制。由此可见，单片机用途广泛，价格低廉，大多用于家庭。PLC专门用于工业控制，使用快捷方便，成功率较高，可靠性好，但是其成本相应的也就高些。2.3 PLC控制与计算机控制的比较PLC控制和计算机控制也有很多不同之处，一般的个人计算机有较强的数据处理和图形显示功能，有丰富的软件支持，但是它对环境的要求很高、抗干扰能力弱，所以一般不适合在工业环境下适用，而PLC则有较强的抗干扰能力。目前比较流行的是工业控制计算机，它有实时操作系统的支持，在要求快速、实时性
9、强、功能复杂的领域中占有优势，但是，其价格昂贵。PLC与计算机的主要区别在于78：（1）计算机一般用于商业，而PLC一般用于工业，所以PLC抗干扰能力比一般计算机要高。（2）PLC编程简单，调试周期短（3）PLC容易操作，人员培训时间短，而计算机较难，人员培训时间长（4）PLC易于维修，而计算机较困难。（5）计算机编程语言为汇编语言和高级语言，较难学，而PLC有标准的编程语言，易懂易学。（6）计算机价格昂贵，PLC价格较低。由以上各个控制系统的比较知道，在控制简单的项目时，PLC是最好的选择。2.4 研究内容概述本课题主要研究用西门子S7200PLC来控制啤酒生产线中的各个环节，主要完成对啤酒
10、流水线各个工艺控制，从而使其在流水线上有顺序，有目的的进行。设计啤酒流水线时，包括机械部分和电气控制部分，在这里主要研究PLC对流水线的控制，即电气部分。啤酒包装从工艺流程上讲主要包括如图2.1所示的几个过程。图2.1 啤酒包装流水线工艺过程图啤酒包装线简单过程叙述如下：首先将空瓶送达，由自动卸货机卸下，经过封闭式自动清洗机清洗、消毒，进入，然后是采用传统的巴氏灭菌法进行杀菌，再进行贴标、喷墨，打印出不同的日期、字体图案，最后自动装箱以及封箱后送出流水线。以上的各个设备都需要根据工序的时间先后严格排定作业顺序、速度，并要有一定的协调性。本课题主要用现有的设备（现有设备布局图见附录一）来模拟啤酒
11、包装的灌装、压盖、贴标、喷印以及装箱。用皮带线I来模拟啤酒灌装线，皮带II模拟啤酒压盖线，辊筒线模拟啤酒贴标线，倍速链I模拟喷印线，倍速链II模拟啤酒装箱线。2.5 本章小结本章主要用PLC控制与继电器控制、单片机控制、计算机控制进行了比较，说明了各个控制系统优缺点以及在本课题中选择PLC控制的合理性。其次对本课题的研究内容作了一下简单的说明。3 控制系统硬件电路设计任何复杂的控制电路都是由一些比较简单的基本控制环节组成按需组合而成，如一个拖动系统的启动、停止、方向、调速控制以及对电路系统的保护等，同样的，在分析线路原理和判断其故障时，也都是从这些基本的环节入手的9。 电气控制系统图一般有三种
12、：电气原理图，电气原件布置图和电气安装接线图。下面就对本电气控制系统的电气原理图进行设计。3.1 总电源控制原理图的设计电气原理图一般分主电路和辅助电路两部分设计。主电路主要是电源，电动机绕组等大电流通过的环节。辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路。图3.1是总电源控制原理图，详细图见附录二。图3.1 总电源控制原理图一个系统的控制电路，首先要控制这个系统的启动，停止和保持，其次要考虑系统的电路保护，如过电压保护等。在此控制系统中，图3.1是总电源控制电气原理图。其中QF是低压熔断器，当电压过高时，它会自动断开，保护整个电路。其中ESP1和ESP2是整个流水线的急停按钮，SB3和
13、SB4是启动按钮，SB1和SB2是停止按钮，HL1和HL2是启动指示灯，HL3和HL4是停止指示灯，风扇SF1，SF2用于电柜的冷却，灯泡HL0用于电柜照明。整个控制过程可叙述为：启动之前，停止指示灯HL3和HL4亮。当按下启动按钮SB3或SB4时，线圈KA0得电，常开触点KA0闭合，常闭触点KA0断开，此时，停止指示灯HL3和HL4灭，启动指示灯HL1和HL2亮,同时，线圈KM0得电，常开触点KM0闭合，（N1,L1）端子输出220V交流电，用于电机等的控制。而（L2,N2）经过电源开关输出24V AV用于PLC等低压器件的控制。3.2 电机控制原理图的设计 电机控制原理图主要是用来控制系统
14、中电机的一系列动作，如启动、保持、停止、调速等，图3.2为电机控制原理图，详细图见附录二。图3.2 电机控制原理图当SB3或SB4启动整个流水线时，端子（N1，L1）就会加上220V交流电，一旦常开触点（如KM1）闭合，则电机（M1）就会启动，从而带动皮带或者链轮转动。如果对电机需要调速，则要将电动机和变频器结合起来，通过调频，从而完成对电机的调速。在上图中变频器为欧姆龙的3G3JV变频器。3.3 控制回路原理图的设计控制回路主要是用来控制电路系统中电机的。图3.3为控制回路原理图，详细图见附录二。当启动整个流水线时，端子（N1，L1）就会加上220V交流电，当触点（如KA1）闭合时，线圈（K
15、M1）就会得电，而常开触点（KM1）就会闭合，从而接通电机，来控制电机的运转。在各个过程中，触点（KA1）是由可编程控制器PLC中的输出信号来控制的。在第四章中的图4.11中可知，当PLC输出Q0.0有信号时，线圈（KA1）就得电，图3.3中的常开触点（KA1）就闭合，线圈（KM1）就得电，线圈（KM1）得电后，图3.2中的常开触点（KM1）就闭合,从而电机（M1）就启动。图3.3 控制回路原理图3.4 本章小结本章主要对控制系统的硬件电路进行了设计，包括总电源控制原理图的设计，电机控制原理图的设计，控制回路原理图的设计。简要的说明了各个电路的设计原则和工作过程。4 PLC总体系统的设计4.1
16、 PLC的选型设计PLC是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐步发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、将计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业控制装置。4.1.1 PLC机型的选择目前，国内外PLC生产厂家生产的PLC品种已达数百个，其性能各有特点，价格也不尽相同。比较著名的PLC生产厂家主要有德国西门子、日本三菱、欧姆龙等，通过网上资料、导师建议，以及对控制的目标，PLC的配置、I/O系统及指令系统的了解，在次，初步选择德国西门子S7-200 PLC。S7-200PLC CPU包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226等型号，它们的特性10如
17、表4.1所示:表4.1 PLC CPU特性及参数特性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226外形尺寸（mmmmmm）908062120190程序存储区/字节使用运行编程模式409681921228816384不用运行编程模式24576数据存储区/字节204810240本机I/O数字量16入/4出8入/6出14入/10出24入/16出模拟量无2入/1出掉电保持时间/h50100高速计数器单相/kHz30462002双相/kHz2031001扩展模块数量7模拟电位器1（8位精度）2（8位精度）脉冲输出（DC）/kHz通讯口RS-485实时时钟另配外插时钟/电池卡内置I/O映
18、像区256（128入/128出）32（16入/16出）64（32入/32出）浮点数运算有布尔指令执行速度/us0.22定时器256（1ms4，10ms16,100ms236）计数器256这样，根据系统所需要的I/O点数，存储器容量，CPU性能等因素，选择S7-200 PLC CPU226作为控制系统的控制元件。4.1.2 PLC扩展模块选择在选择好S7-200PLC CPU226后，我们知道CPU226本机的I/O数字量有24个输入和16个输出，但是根据实际所需要的点数，24输入和16输出是不够用的，所以要对PLC进行I/O点数扩展。一、输入模块扩展在S7-200 CPU数字量输入扩展模块有E
19、M221和EM223两种类型，在这里我们选择EM221，而EM221有具体分为三种：8点24V D输入，8点120/230V AC输入，16点24V DC输入。根据所需点数，选择EM221中的8点24V DC输入作为输入扩展模块。二、输出模块扩展在S7-200 CPU数字量输出扩展模块为EM222，EM222有五种类型：8点24V DC输出，8点继电器输出，8点120/230V AC输出，4点24V DC输出，4点继电器输出。根据所需点数，选择EM222中的8点24V DC输出作为输出扩展模块。4.1.3 PLC的特点及工作过程一般的PLC主要由中央处理器（CPU）、存储器（ROM，RAM）、
20、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几部分组成。PLC都具有以下的特点：编程方法简单易学；功能强，性价比高；硬件配套齐全，使用方便，适应性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量小且方便；体积小，能耗低11。小型PLC的工作过程有两个比较显著的特点9：一个是周期性顺序扫描，一个是集中批处理。当PLC启动后，先进行初始化操作，包括对工作内存的初始化、复位所有的定时器、将输入/输出继电器清零，检查I/O单元连接是否完好，如有异常则发出报警信号。初始化后，PLC就进入周期扫描过程。可将PLC的工作过程分为4个阶段：公共处理扫描阶段、输入采样扫描阶段（第一个集中批处理过
21、程）、执行用户程序扫描阶段（第二个集中批处理过程）、输出刷新扫描阶段（第三个集中批处理过程）。小型PLC的工作流程见附录三。4.2 工艺流程的设计在设计软件前，必须要对其工作流程有一个较好的了解，只有这样，才能使设计出的东西达到目的，满足要求。在啤酒的包装过程中，主要工艺过程有供瓶，洗瓶，空瓶检测，灌装，压盖，杀菌，贴标，喷码，装箱等，为了能用学校设备来模拟整个包装线的过程，在此，只模拟灌装，压盖，贴标，喷码，装箱几个过程，这几个过程的控制基本上一样，通过控制电机的启停来控制输送线上对被控对象的运输和工位加工过程。在啤酒生产包装流水线中，要尽量避免流水线90度拐弯，输送带要求输送平稳，否则容易
22、引起啤酒倒瓶、抖动、倾斜、积累等现象。下面就对每个阶段的流程进行设计。1、供瓶、洗瓶、空瓶检测、杀菌阶段（1）供瓶阶段：此阶段是将空瓶通过传送带传送到洗瓶机中。传送带是通过电机依次带动减速齿轮箱、传动轴和传动轮而转动的, 调节和控制电机的转速就可以调节和控制传送带的带速,其速度根据下道工序或以其他工序的速度要求为基准进行调速。（2）洗瓶阶段：在包装车间中，洗瓶机是否可靠运行，瓶子洁净度是否达标，直接影响到啤酒质量和制造成本，而洗瓶就是通过对瓶子浸泡和喷冲来达到洗瓶消毒的目的。其具体工艺流程如图4.1所示：图4.1 洗瓶流程图（3）空瓶检测阶段：传统的罐装线空瓶检验方式是人工灯光检测。但在现代高
23、速罐装线上，由于视觉疲劳等种种原因，仅靠人工灯光检测是不可靠的，而且啤酒瓶的两个重要部位瓶口和瓶底无法检测，从而造成一些漏气瓶和瓶底赃物瓶流入市场。当前，空瓶检测机已经普遍开始使用，其性能稳定、结构紧凑、工作可靠、功能更强。在此，使用直线式空瓶检测机，用PLC完成其控制功能12。在自动运行状态下，PLC 主要负责检测空瓶位置信息，准确控制次瓶击出器动作。而在这个过程中，空瓶检测不是由PLC完成的，而是由专用的图像处理与识别子系统来完成。检测结果由控制主机传送给PLC，由PLC控制空瓶检测机的输出口，如果发现次瓶，必须等该瓶到达击出位置时将其击出。图4.2是该过程的部分流程图。图4.2 空瓶检测
24、流程（4）杀菌阶段：在啤酒生产中通常采用两种杀菌工艺过程：即前杀菌和后杀菌。前杀菌一般采用平板式杀菌，即将啤酒灌装进啤酒瓶之前进行加热杀菌处理；后杀菌大多采用隧道式巴氏杀菌技术，即将啤酒灌装进啤酒瓶后进行的杀菌处理技术，是应用最广泛的一种杀菌方法13。其大致过程如图4.3所示：图4.3 杀菌流程图二、灌装流程：罐装传送带控制系统的系统设计目的是利用PLC和变频器控制电动机转动带动皮带传动，然后将要灌装的瓶传送给灌装机，进行灌装1415。在此过程中，设有入瓶、工位、出瓶接近开关以及检测传感器，当瓶子到达工位时，要对流水线上的物体进行操作（啤酒灌装），所以电机要停止一定的时间（定时器计时），当操作
25、完毕且下一工序无操作对象（没有压盖）时，电机重新启动，带动皮带将啤酒瓶输送到下一个工序进行加工，其详细工作流程如图4.4所示：图4.4 灌装工艺流程图三、压盖流程：压盖是与罐装相连接的工序，其工艺过程与灌装一样，压盖动作的执行由输出信号控制触点来控制。其过程如图4.5所示： 图4.5 压盖流程图四、 贴标流程：啤酒质量的好坏对消费者而言，首先看到的是啤酒的外在包装。外包装既是产品的卖点，又是产品的看点，新颖独特贴标平整干净的外包装往往容易打动消费者的心。标签在瓶子上美观大方、紧贴瓶壁、黏贴牢固、平整无皱是贴标质量的基本要求。过程与压盖基本一样，贴标动作由触点控制贴标电机进行贴标，其工艺过程如图
26、4.6所示： 图4.6 贴标流程图五、 喷码流程：随着对啤酒外包装质量要求的不断提高，喷码机逐步进入生产装配线。喷码机主要用于生产日期、批号、有效期等标注。当前，使用最广泛的是一种非接触式墨水喷印机。对于喷码位置的输送带，要求输送平稳、无倒瓶、无抖动、无起伏、无倾斜、无瓶积累、甁之间要有间隙。如果输瓶带发生抖动会造成喷码变形；易倒瓶则会造成漏喷印；如果有瓶积累会使输送带速度及瓶子的运行速度发生变化，从而会导致喷印字符定位不准、偏移、甚至漏印16。其工艺过程如图4.7所示： 图4.7 喷印流程图六、 装箱流程：首先输箱机构将空箱通过电机带动平顶链条运动输送到准确位置以便装箱，并将装好瓶子的纸箱或塑料箱送出17。同时，输瓶机构将瓶子输送到预定位置。导瓶机构将抓瓶机构上的瓶子准确的引导装入纸箱和塑料箱中。当输送带上的啤酒瓶堆积到一定量时，抓瓶头下降抓瓶，然后抓瓶头将啤酒瓶抓起并放人塑料箱。随之，装满啤酒瓶的塑料箱随输瓶带送出。其工艺过程如图4.8所示： 图4.8 装箱流程图4.3 PLC端口的分配设计在选定S7-200PLC CPU226，设计流程之后，就要进行PLC端口的分配18。在上面的选型中知道，CPU226本机的I/O数字量有24个输入和16个输出，再根据I/
