基于PLC和組態(tài)王的啤酒灌裝生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計

楊婷婷，劉龍龍

（滁州學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

1 引言

隨著工業(yè)自動化生產(chǎn)的不斷發(fā)展，許多工業(yè)和企業(yè)正面臨著傳統(tǒng)生產(chǎn)線的改造問題.隨著我國的啤酒需求量日趨增大，原來傳統(tǒng)的啤酒灌裝生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)已經(jīng)落伍，并且傳統(tǒng)系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會出現(xiàn)效率低、操作復(fù)雜、易出故障.為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和市場競爭力，許多公司已經(jīng)逐步開始采用自動化灌裝生產(chǎn)流水線取代傳統(tǒng)的晶體管邏輯控制系統(tǒng).PLC（可編程序控制器）是一款基于微處理器的工業(yè)設(shè)備，它將傳統(tǒng)繼電器的控制系統(tǒng)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合.近年來，PLC在工業(yè)自動化、機(jī)電一體化和傳統(tǒng)工業(yè)的轉(zhuǎn)變中得到了廣泛應(yīng)用.PLC控制的使用極大地提高了生產(chǎn)的自動化程度.生產(chǎn)流水線自動化程度的提高使得監(jiān)控裝置越來越多地應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，方便用戶直觀地觀察生產(chǎn)流水線的運(yùn)行情況.工業(yè)自動化組態(tài)軟件應(yīng)運(yùn)而生，它的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件的缺陷和不足，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和實時監(jiān)測.

本文主要使用Kingview軟件作為上位機(jī)，西門子S7-200 PLC作為下位機(jī)，模擬啤酒灌裝生產(chǎn)流水線的生產(chǎn)過程，實現(xiàn)啤酒灌裝生產(chǎn)流水線的清洗、灌裝、封蓋、檢測、計數(shù)等功能.通過組態(tài)界面的設(shè)計可以把啤酒罐裝的每個步驟做到實時監(jiān)控，這樣一旦遇到系統(tǒng)故障或突然停機(jī)可以通過報警的形式顯示在組態(tài)內(nèi)置的報警界面中，操作人員可以立刻發(fā)現(xiàn)并實施維修.將PLC和組態(tài)王兩者相結(jié)合能夠準(zhǔn)確地對各種信息進(jìn)行存儲和管理，便于查驗生產(chǎn)線中破瓶率和酒損率，從而提高啤酒罐裝的工藝和生產(chǎn)水平.

2 系統(tǒng)的控制要求

灌裝生產(chǎn)流水線主要由灌裝機(jī)、洗瓶機(jī)、壓蓋機(jī)、噴碼機(jī)、貼標(biāo)機(jī)、裝箱機(jī)等部分組成.灌裝生產(chǎn)流水線實現(xiàn)的具體功能分析如下：

系統(tǒng)存在手動和自動控制方式：

（1）在手動模式下，選擇手動模式，手動控制各個設(shè)備啟停，包括洗瓶、灌裝、檢測、壓蓋、計數(shù)等功能.

（2）在自動模式下，按下開始按鈕，首先是機(jī)械手左移，下降，抓取空瓶，上升，右移，下降，松開空瓶，然后，將空瓶放至傳送帶上，到達(dá)清洗噴頭處進(jìn)行清洗，完畢后到達(dá)灌裝位置，傳送帶停止，灌裝機(jī)開始工作4S，灌裝完成后檢測是否合格，檢測完畢后，合格品繼續(xù)由傳送帶運(yùn)送，到達(dá)壓蓋位置，傳送帶停止，壓蓋機(jī)開始啟動2S，壓蓋完成后檢測是否合格，檢測完畢后合格品由傳送帶傳送，到達(dá)分揀位置，合格啤酒瓶推至合格區(qū)，不合格瓶推至不合格區(qū)，進(jìn)行計數(shù)，合格品達(dá)到12瓶時，自動啟動包裝機(jī)5S，開始打包.

3 總體設(shè)計方案

根據(jù)控制要求，目前主要有三種方案.一是應(yīng)用可編程邏輯控制器PLC控制；二是使用老式的線圈與繼電器組成的系統(tǒng)控制；第三就是使用價格低廉、應(yīng)用普遍的單片機(jī)控制.

3.1 單片機(jī)與PLC的比較

1.PLC具備較強(qiáng)的可靠性，并且PLC抗干擾能力比單片機(jī)強(qiáng).在工業(yè)生產(chǎn)控制現(xiàn)場中存在多種復(fù)雜的系統(tǒng)，不可避免地存在一些較強(qiáng)的干擾源，因此PLC具備的強(qiáng)抗干擾性能就顯得尤為重要，更加適合運(yùn)用在工業(yè)控制現(xiàn)場.

2.對控制簡明單一的項目，采用PLC作為控制方案無疑是最可行、最可靠的，它的控制系統(tǒng)有很高的成功率，并且具備良好的可靠性.采取由單片機(jī)組成的系統(tǒng)能夠節(jié)約成本，但是這種控制技術(shù)需要的是高能力的科研人才和長期的工作經(jīng)驗才能夠使運(yùn)行系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定.

3.2 PLC與線圈控制的比較

線圈控制需要外部繼電器的接線，整個系統(tǒng)復(fù)雜，并且安裝費(fèi)時費(fèi)力.當(dāng)出現(xiàn)故障時，不便于查找故障電路，需要花費(fèi)大量時間去布置電路完成電路的設(shè)計改造.線圈-繼電器的控制方式故障率較高，運(yùn)行不太穩(wěn)定，需要長期更換接觸器，麻煩而且浪費(fèi)資金費(fèi)用，采用PLC控制可以完全解決這一系列問題.

3.3 方案選擇

PLC本身具備的可擴(kuò)展性更是增強(qiáng)了自身的實用性，利用梯形圖進(jìn)行程序設(shè)計直觀而簡單易懂，安裝、維修簡單，線路改造便捷.PLC性能好，適用于存在干擾現(xiàn)象的生產(chǎn)現(xiàn)場.因此本次課題設(shè)計選定西門子S7-200型PLC.

4 PLC控制部分設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計

4.1.1 PLC型號選擇

西門子S7-200具有設(shè)計緊湊、擴(kuò)展性好、價格低廉、指令系統(tǒng)強(qiáng)大等優(yōu)點.為了滿足本系統(tǒng)的控制要求,需要24個數(shù)字量輸入和16個數(shù)字量輸出的PLC，所以本次設(shè)計選用西門子S7-200系列CPU226 PLC作為該系統(tǒng)的控制器.

4.1.2 I/O分配及外部接線圖

根據(jù)啤酒灌裝生產(chǎn)流水線系統(tǒng)的控制要求和I/O點數(shù)確定I/O分配表如表1所示.

表1 I/O分配表

4.2 軟件設(shè)計

自動控制模式下，系統(tǒng)主要包括清洗、灌裝、檢測、封蓋，程序流程圖如圖2所示.

5 組態(tài)監(jiān)控畫面設(shè)計

Kingview6.55軟件是工業(yè)自動控制系統(tǒng)最常用的監(jiān)控軟件，它可以充分利用Windows的圖形編輯功能，構(gòu)成可視化的監(jiān)控畫面，直觀地了解控制設(shè)備的狀態(tài)，并可以生成各種報表.建立一個新的組態(tài)網(wǎng)工程的一般過程是設(shè)計圖形界面、定義設(shè)備、構(gòu)造數(shù)據(jù)庫、建立動畫連接、運(yùn)行和調(diào)試等.

啤酒灌裝生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計分成上位機(jī)和下位機(jī).Kingview 6.55被用作上位機(jī)軟件來建立監(jiān)控畫面，直觀地顯示整個自動控制過程.PLC作為下位機(jī)軟件，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集.

圖2 程序流程框圖

5.1 PLC與組態(tài)王的通訊連接

打開組態(tài)王軟件，點擊啟動組態(tài)王工程管理器，選擇菜單“文件新建工程”或單擊“新建”按鈕,彈出新建工程向?qū)υ捒?，按照向?qū)崾据斎牍こ堂Q描述等，完成新建工程.

本設(shè)計所使用的PLC是西門子S7-200型PLC.所以在與組態(tài)王通訊的設(shè)置上要按相應(yīng)的要求選擇西門子S7-200系列的PLC.

5.2 構(gòu)建數(shù)據(jù)詞典

數(shù)據(jù)庫是“Kingview”軟件的核心部分，工人可以通過計算機(jī)發(fā)布相應(yīng)命令，并且工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場情況可以實時在監(jiān)控畫面中顯示.上位機(jī)和下位機(jī)的連接需要數(shù)據(jù)庫.因此，需要設(shè)置相應(yīng)輸入輸出變量，包括變量名、變量類型、初始值和最大最小值等等，完成上位機(jī)和下位機(jī)之間的聯(lián)系.

5.3 系統(tǒng)運(yùn)行與調(diào)試

首先建立組態(tài)王和PLC之間的連接，將“啤酒罐裝生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)”程序下載入PLC中，打開“啤酒罐裝生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)”監(jiān)控畫面，如圖3示.具體實現(xiàn)功能如下：

1．通過機(jī)械手工作抓取空啤酒瓶，將其放在傳送帶上由傳送帶運(yùn)輸?shù)角逑垂の?，清洗機(jī)進(jìn)行清洗工作.

2．清洗完成后由傳送帶將空啤酒瓶運(yùn)送到灌裝工位.

3．當(dāng)啤酒瓶位于灌裝設(shè)備位置后，灌裝機(jī)進(jìn)行灌裝工作.

4．當(dāng)罐裝機(jī)灌裝結(jié)束后，傳送帶將灌裝后的啤酒瓶運(yùn)送至封蓋機(jī)位置.

5．由封蓋設(shè)備對啤酒瓶進(jìn)行封蓋處理，在此過程中傳送帶停止工作.

圖3 啤酒罐裝生產(chǎn)流水線監(jiān)控畫面

6 總結(jié)

本文提出一種基于PLC和組態(tài)王的啤酒罐裝生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)，實現(xiàn)全自動控制.首先對啤酒罐裝生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)進(jìn)行總體分析，選擇合適的PLC型號，進(jìn)行輸入輸出分配，并根據(jù)啤酒罐裝生產(chǎn)流水線工作流程設(shè)計程序流程框圖，并運(yùn)用組態(tài)王軟件設(shè)計監(jiān)控畫面，完成在線監(jiān)控.仿真表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)啤酒瓶的清洗、灌裝、封蓋、打包等功能，具有可靠性高、故障低的特點.