基于PLC的啤酒灌装与装箱控制系统设计

基于PLC的啤酒灌装与装箱控制系统设计

一、毕业论文（设计）应完成的内容及要求

（一）主要内容

1.确定研究范围。对啤酒灌装与装箱控制系统研究范围进行界定，搜集相关研究的文献资料；了解啤酒灌装与装箱的工作过程，通过调研，确定该项目研究范围，分析该项目的设计内容，要实现的主要功能。

2.制定研究方案。选择几个典型的灌装生产线控制系统作为参考，按照啤酒灌装与装箱工艺过程分析定制方案，列出可选方案，实现对啤酒灌装与装箱的自动控制。

3.系统设计实现。啤酒灌装与装箱工艺过程如下图所示，

采用PLC为主控设备，进行软硬件设计，实现啤酒灌装的自动控制。至少应具备以下功能：

（1）洗瓶过程：首先进行初洗，即将瓶子内外表面易除掉的污物用废水喷淋并使之排空。然后在热水或碱液中将内外表面的污垢及瓶标洗掉。残留在瓶内外表面上的污垢在热水中泡软并依次用碱液、热水、温水及清水喷洗瓶子的内外表面并排空。后将瓶子倒立排空0.5~1分钟；

（2）在手动模式下，通过点动按钮使传送带启动停止，达到调试设备的功能。在每个环节中加入独立的启动停止开关用于独立的调试各个环节；

（3）在自动模式下，按下启动按钮，系统启动，传送带运行，先进行清洗，清洗完成后将瓶子倒立排空1分钟。洗瓶之后由卸瓶机构将干净的瓶子送出。由光电传感器来检测灌装阀下是否有瓶子。空瓶子到达灌装位置时，电动机停转，灌装阀门打开（一般采用等压灌装法），由压力传感器作为检测液缸底部压强检测装置，灌装完成后，灌装阀门关闭，电动机启动，传送带继续运行。灌满的瓶子从灌装区出来后进入次品检测区，有次品接近开关时启动推动装置分离出次品，通过瓶子上是否有裂痕来分辨次品。分离完次品之后进入封盖区，也是利用光电传感器来分辨封盖机器下是否有瓶子。瓶子到达传送带末端之后进入装箱入库模式，机械手上的传感器感应到瓶子之后夹起瓶子，在里面加入计数器，12个为一个周期，夹起到一个箱子里之后进行包装操作，包装完成后由机械手托起包装好的箱子放入仓库中。在自动模式下，按下停止按钮，系统停止，电动机不转，传送带停止运行，各个环节设备断电，不可以独立启动；

（4）控制系统可以实现产品数量的统计，包括合格产品数，不合格产品数，合格产品数和不合格产品数都显示在面板上，当合格产品数为12时构成一箱，合格产品数清零，不合格产品数为6时生产线停止，工作人员进行检修，问题处理后手动开启启动按钮，系统继续工作；

（5）在每个区都应该设计报警指示，若系统启动超过15s后还未检测到空瓶则进入报警状态，报警方式为红灯以0.5s间隔闪烁，并响铃报警，直到按下总停止按钮为止。

（二）主要任务要求

1.实地调研并了解啤酒灌装与装箱的工作过程，进行文献资料收集，现状综述，数据采用图表表示，在分析调研资料的基础上完成本项目的研究任务。

2.设计思路要清晰，基本技术手段选择要正确，完成的功能要丰富，方法可行，系统具有功能可拓展性。

3.毕业论文观点新颖，论据充分，论述详尽，逻辑严密，结构严谨。查阅参考文献要达到30篇以上，精选参考文献15篇以上，且文献尽量是在5年内文献，文献含著作、网络文献、论文等，含3-5篇外文文献。结合自我理解提出创新观点，并完成符合要求的开题报告。

4.论文整体内容要协调，前后观点要一致，主次分明。摘要和内容、目录与内容要一致。

5.最终完成毕业设计和论文定稿，论文按学校本科毕业论文规范要求撰写，含中英文摘要、关键词、目录、正文、参考文献、附录（可选）、致谢，正文字数不少于8000字。

6.毕设和论文完成后应严格按照学校统一要求进行装订，答辩后按照要求提交论文全套资料。

二、毕业论文（设计）应完成的成果形式（包括各种说明书、图纸等）

1.《基于PLC的啤酒灌装与装箱控制系统设计》软件开发，硬件设计；2.《基于PLC的啤酒灌装与装箱控制系统设计》毕业论文定稿；

3.《基于PLC的啤酒灌装与装箱控制系统设计》全套毕设资料。

一、选题的目的和意义

1.目的

现如今啤酒及其他碳酸饮料在人们的生活中已占据了重要的地位，从而也带动了灌装机械的发展。啤酒灌装是啤酒生产的最后工序，其装备水平直接影响到啤酒的成品质量、成本、销售效果和企业的经济效益。世界发达国家尤其像美国、德国这样一些啤酒生产大国，气设备制造厂家无不致力于改进和发展新一代的啤酒灌装设备。虽然我国现代啤酒机械制造业起步较迟，但从80年代开始，通过引进日本和德国技术软件，组织消化吸收，已经能生产出接近国际水平的啤酒灌装自动生产线，但是仍存在更深层次发展的问题。例如：维修不方便，故障率高，操控不灵活，进而导致生产成本高、生产效率低。为了全方位满足生产过程和被控对象的控制要求，提升企业在市场中竞争能力，就需要优化自动灌装控制系统。而PLC凭借其结构简单、操作性强等诸多优势，将其引入到改进后的自动灌装系统当中，可以取得较好的控制效果和预期目标。

2.意义

随着我国科学技术的飞速发展，啤酒自动灌装系统被广泛地运用于生产加工领域。啤酒的自动灌装系统在实际的生产中有很大的作用，大致表现在：

（1）可以减少事故，通过PLC对系统的控制可以对生产线中各设备的运行情况进行周密监视，发现异常，立即进行报警或停机，把事故控制在最小的范围内，从而提高运行的可靠性。

（2）可以提高经济效益，实施PLC对啤酒灌装过程控制后，可以实现大型灌装生产线的全自动化，提高生产效率。

（3）可以改善工作环境，实施PLC控制系统后，值班人员坐在控制室就可以随时了解整个灌装生产线的运行情况，从以往人工操作、实时观察中解脱出来。

（4）可以提高管理水平，由于监控系统对整个灌装运行情况进行了历史记录，管理人员可以随时调出来进行分析，以采取措施改善管理。

二、相关文献综述（1000字左右，与主要参考文献对应）

通过阅读《基于PLC和组态王的啤酒灌装生产线系统设计》我了解到随着工业4.0的到来，PLC在灌装技术方面越来越受到重视，且应用非常广泛。特别是实际的生产过程中，有时需要通过传感器来感知瓶子是否灌满，有时需要感知灌装机口下方是否有瓶子，有时需要对不同重量的瓶子进行分拣，然后将它们送到不同分区进行加工、包装。这就要求设备具备多功能智能化的能力，从而提高设备的硬件利用率，同时提高灌装效率。基于此类灌装需求，以S7-200PLC作为控制器,以啤酒灌装生产线为受控对象,设计啤酒瓶的清洗、灌装、封盖、包装、检测、计数等功能。首先分析系统的控制要求,给出I/O分配，绘制流程框图，编写程序；然后实现PLC与组态王软件的通讯、设备的连接、数据库的建立、图形界面的设计和动画连接的建立。仿真表明,该系统可以实现自动灌装系统的实时监控。

通过阅读《基于西门子PLC的啤酒包装线多道自控系统设计》我了解到随着啤酒工艺的发展,近年来对啤酒的研究有了突破性的进展。啤酒、饮料的制作工艺正在朝智能化的方向发展。随着啤酒工业的快速发展,啤酒的包装逐渐得到了人们的重视。如果生产过程中拥有一条合理的包装线,就可以降低生产成本,提高啤酒生产的经济效益。因此,要设计出质量高、技术先进、设计合理的包装线自控系统,不仅能满足啤酒的生产需求,同时能够减小能耗、提高效率。本文主要介绍了啤酒包装线多道部分的系统设计,实现对多道的控制。对啤酒包装的工艺流程进行分析后,针对啤酒厂的实际需求,结合了工业以太网技术,选用的硬件设备主要为西门子S7-1200系列PLC、ET200SP扩展子站、丹佛斯FC360系列变频器、西门子KTP900BasicPN触摸屏等。在windows10虚拟机的编程环境下,使用西门子博途软件对该自控系统进行开发,通过PLC控制器合理地控制包装线的生产过程,并在后期对系统进行整体调试,达到预期的控制效果。与传统的工频运行的包装线相比,本设计降低了包装车间噪音,实现了生产自动运行和监控,为工厂提供了可靠的生产信息,系统可以根据现场的实际情况随时对电机的速度进行实时调整。这样有效地提高了生产效率和设备的灵活性,节省了能源及人力资源,并且方便了现场人员日后对设备的调试。该套系统最后投入到实际项目,经过调试后系统运行稳定,满足啤酒厂的生产需求。

通过阅读《啤酒包装线多道变单道自动控制系统》我了解到在19世纪末期,啤酒开始传入中国,随之啤酒就渐渐成为人们喜爱的饮品之一。啤酒需求量的逐渐增加促进了啤酒工业生产过程自动化水平的迅速发展。啤酒包装生产是啤酒整个生产线最后一个环节,卸垛机、卸箱机、洗瓶机、验瓶机、灌酒机、杀菌机、贴标机、装箱机等机台设备都是啤酒包装生产线上的重要组成部分,输瓶链道与上述机台设备协调运行完成啤酒包装生产任务。输瓶链道主要包括多道输瓶与单道输瓶两种传送形式,多道输送速度较慢,单道输送速度较快。输瓶链道在进入验瓶机、酒机、贴标机三个机台设备之前,采用的是单道输送方式,其余输送阶段皆采用多道输送方式,多道输瓶与单道输瓶需要相互进行转换,本文主要研究的是啤酒包装线多道变单道的自动控制系统。本文以国内某大型啤酒厂包装生产线自动控制系统项目为背景。此项目主要设计思想是让输送链道电机变速调节输送带上的瓶子数量,以达到供瓶连续、不挤瓶、不卡瓶、不倒瓶的最佳控制效果。项目实施过程主要分为以下四部分:首先分析瓶装啤酒包装工艺,应用Profinet工业以太网搭建了自动控制系统网络架构。然后进行多道变单道硬件设计,选取西门子公司1200系列可编程控制器（PLC）作为系统控制核心、西门子触摸屏作为人机交互界面。其次编写多道变单道软件程序及制作上位机界面,使用西门子公司软件开发平台—博途V14作为软件开发环境,设计并研发完成了啤酒包装线多道变单道自动控制系统。最后是现场跟踪调试过程,将整个系统投入实际生产运行后,啤酒瓶间能保持一定距离,输送过程噪音很小,减

少了挤瓶、爆瓶现象的发生频次,实际运行中生产效率达到85%以上,达到了预定的控制目标,符合项目要求。

综上所述，随着自动化技术的进步，自动化在啤酒灌装及装箱生产线中的地位越来越重要，啤酒自动灌装控制系统利用PLC之后具有可靠性高、易安装、效率高、抗干扰能力强等特点，能够实现洗瓶，灌装计数等多种功能,可以以PLC为控制、通讯核心，

按钮开关、传感器为输入单元，电机模组、气动模组、变频模组为执行单元来实现设计功能和控制效果。因此，本系统在提高企业工作效率、减少工人压力、保障人身安全，方便调试等方面具有重要现实意义。

三、研究内容

（一）研究内容

1.通过查阅资料，参考文献的学习，了解国内外对于本课题研究的状况，简述本课题研究的意义。

2.确定研究范围。对啤酒灌装与装箱控制系统研究范围进行界定，搜集相关研究的文献资料；了解啤酒灌装与装箱的工作过程，通过调研，确定该项目研究范围，分析该项目的设计内容，要实现的主要功能。

3.制定研究方案。选择几个典型的灌装生产线控制系统作为参考，按照啤酒灌装与装箱工艺过程分析定制方案，列出可选方案，实现对啤酒灌装与装箱的自动控制。

4.系统设计实现。啤酒灌装与装箱工艺过程如下图所示，

（二）论文（设计）大纲

引论

1概述

1.1课题研究背景及意义

1.2啤酒自动灌装系统现状

1.3啤酒自动灌装系统主要应用场所及优点

1.4主要研究内容

2啤酒自动灌装系统总体设计

2.1啤酒自动灌装系统的工作特性

2.2啤酒自动灌装系统控制方式选择

2.3控制原理

2.4啤酒自动灌装系统总体设计3啤酒自动灌装系统硬件选择

3.1啤酒自动灌装系统主电路

3.2啤酒自动灌装系统硬件选择4啤酒自动灌装系统软件设计

4.1啤酒自动灌装系统程序流程及程序分析

4.2主程序块设计

4.3启动程序块设计

4.4控制程序块设计

4.5调试程序块设计

5啤酒自动灌装系统调试运行

5.1控制系统的PLC仿真

5.2控制系统的仿真结果分析

四、研究方法、步骤及措施等

（一）研究方法

1.文献研究法：通过图书馆和网络阅览大量关于啤酒自动灌装系统设计有关文献、

PLC的书籍、论文、期刊等学习资源，对研究课题形成全面的认识和储备足够的研究知识。

2.案例研究法：通过对现有的啤酒自动灌装系统案例进行研究，汲取以往设计案例的优点。

3.对比分析法：通过图书馆和网上查阅相关资料对现有啤酒自动灌装系统现状研究分析，通过对比分析的方法，了解各种啤酒自动灌装系统设计方案和不同的实现方法以及方案的优缺点，以确定最佳设计方案。

（二）研究步骤和措施

1.研究步骤

（1）根据所搜集的资料，确定设计系统总体方案，熟悉啤酒自动灌装系统设计要求。

（2）明确控制要求，进行PLC选型。并进行啤酒自动灌装系统的编程。

（3）根据最后的啤酒自动灌装系统程序运行过程，学习博途软件，进行系统的制作及运行。

（4）进行PLC仿真的调试，发现问题并且解决问题。

（5）根据初步调试的过程和结果撰写毕业设计论文。

2.研究措施

（1）使用S7-1200PLC作为啤酒自动灌装系统的核心控制器。

（2）使用博途软件实现对啤酒自动灌装系统的软件设计。

（3）使用S7-1200仿真软件对程序进行仿真测试。

（4）根据最后的仿真结果对程序进行调试。

五、进度安排

1查阅资料，调查研究，拟定毕设研究内容和实现的功能，论文写作大纲，撰写开题报告。教师召集学生面谈，进行论文开题指导，讲解开题报告写作注意事项；学生查阅文献，总结提炼论文写作大纲，教师修改论文大纲，完善论文结构，完成开题报告

2独立设计，修改设计和修改论文，中期检查。在这阶段指导老师与学生要经常交流，老师指导，学生根据老师的要求完善系统和修改论文
3中期检查

4设计、论文完成和定稿。按照学校论文格式要求调整论文格式和排版，形成定稿

5设计和论文验收与评审。学生对论文查重并提交符合学校要求的查重报告，重复率控制在25%以内。指导老师和评阅老师对论文进行评审，形成评审意见和成绩

6毕业论文（设计）答辩。学生准备所有毕设资料，制作汇报PPT，按照学院统一时间要求参加毕设（论文）答辩

7论文档案材料整理存档

摘要

啤酒是常见的一种饮品，深受人们的喜爱，随着生活水平的提高，对啤酒的需求量不断提升，导致传统啤酒生产已不能满足社会需求，为此设计新型的啤酒生产线，使得啤酒生产自动化水平不断提高显得尤为重要。

本文以啤酒的灌装和装箱的自动控制为研究对象，在分析了利用PLC实现啤酒灌装和装箱控制系统的可行性以及啤酒厂的实际需求之后，给出了以西门子S7-1200为主控设备的啤酒充填及包装控制的整体设计，构建系统的框架结构，然后对系统的硬件如硬件连接图和控制系统的硬件选型进行设计，之后在对系统的软件部分如I/O分配，程序流程图以及总体的程序设计分步骤进行，最后对程序的运行进行整体的调试以及所设计的软件进行检验。

本次设计的啤酒灌装和装箱自动控制系统结构简单，操作性强，效率高，通过仿真测试本系统可以满足啤酒生产的控制要求，实用性较强，具有的较好的推广价值。

关键词：西门子PLC；TIAPORTAL仿真；啤酒灌装和装箱

参考文献

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