基于plc饮料自动灌装系统设计
摘要：近年来，饮料行业迅猛发展，大多数生产厂家正在采用先进的灌装生产技术，将饮料生产控制系统自动化。本文针对饮料产品特性，从控制系统方面对饮料自动灌装生产线进行具体研究与设计，该产线包含产品灌装、瓶装加盖、日期打印、质量检测四个流程；本设计重点在于灌装模块，从硬件、工作程序、触摸屏控制界面三个方面进行设计研究。结合饮料灌装的需求，选择适合系统的各硬件型号，设计原理框图、外部接线图等，选用S7-1200的可编程逻辑控制器（PLC）结合实际进行软件编程，运用其良好的自动控制功能来实现饮料自动灌装生产线的流畅控制，实现输送、灌装、加盖、检测、计数等功能，通过设计对不同容量灌装进行控制，最后通过触摸屏完成对系统运行的监控与反馈，实现饮料灌装生产线的自动化控制。
关键词：灌装线；S7-1200PLC；自动化；触摸屏
Design of automatic filling system based on plc beverage
Abstract：In recent years, the beverage industry has developed rapidly, and most manufacturers are adopting advanced filling production technology to automate the beverage production control system. This article focuses on the characteristics of ice black tea products and conducts specific research and design on the automatic filling production line of ice black tea from the perspective of control systems. The production line includes four processes: product filling, bottle capping, date printing, and quality inspection; The focus of this design is on the filling module, which is designed and studied from three aspects: hardware, work program, and touch screen control interface. Based on the requirements of ice black tea filling, select various hardware models that are suitable for the system, design schematic diagrams, external wiring diagrams, etc., select the S7-1200 programmable logic controller (PLC) combined with actual software programming, and use its good automatic control function to achieve smooth control of the ice black tea automatic filling production line, achieving functions such as transportation, filling, capping, detection, counting, etc., and control filling of different capacities through design, Finally, the monitoring and feedback of the system operation are completed through the touch screen, achieving automatic control of the ice black tea filling production line.
Key words：Filling line; S7-1200 PLC; Automation; HMI
目录
第一章 概述 3
1.1 课题研究背景及意义 3
1.2 国内外研究现状 3
1.3 灌装生产线的优点 4
1.4 研究思路及研究方法 5
第二章 系统总体设计 6
2.1 饮料自动灌装生产线的结构及工作原理 6
2.2 自动灌装生产线的控制系统设计 6
2.2.1 灌装产线的原理框图 7
2.2.2 灌装产线的工作流程 8
第三章 PLC控制系统的硬件设计 9
3.1 PLC选型 9
3.1.1 PLC的特点 9
3.1.2 PLC型号选择 9
3.2 灌装阀选型 10
3.3 电机选型 10
3.4 传感器选型 11
3.5 气缸及电磁阀选型 13
3.6 其他设备选型 14
3.7 输入输出点分配 14
3.8 PLC外部接线图及控制系统主电路图 14
第四章 PLC控制系统的软件设计 16
4.1 手动控制程序 16
第五章 WINCC组态仿真 20
5.1 WINCC组态介绍 20
5.2 自动灌装生产线画面绘制 20
5.2.1 PLC与WINCC建立通讯 20
5.2.2 组态画面绘制 20
结论 24
参考文献 25
附录 27
第一章 概述
1.1 课题研究背景及意义
近年来，国内外饮料行业迅猛发展。种类繁多的饮料，包括碳酸饮料、茶饮料、果汁饮料和饮用水等，需要较高的产量，因此对设备和技术的需求日益增长。为提高生产效率和实现自动化电气控制，大多数生产厂家正在采用先进的灌装生产技术，将饮料生产控制系统自动化和智能化[1]。在这里选其中一种即饮料的灌装产线来进行研究。
1.2 国内外研究现状
国内从20世纪70年代开始引进多条灌装生产线并逐渐发展起来，可以在不同场合下工作，例如果汁饮料与茶饮料、热灌装与冷灌装等。灌装生产线的控制过程正朝着智能化、高效化和自动化的方向发展。
目前国外的灌装与封口设备正向高效、多功能高精度方向前进，目前有的生产线已经可以在玻璃瓶与聚酯瓶、果汁饮料与果汁饮料、热灌装与冷灌装等场合下工作[2]。如碳酸饮料灌装设备的灌装速度最高可达2000罐/min，德国H&K公司、SEN公司、KRO-NES公司，其灌装设备的灌装阀头数分别达到165头、144头、178头。灌装机直径大致5m，灌装精度可达0.5ml以下。非碳酸饮料设备的灌装阀头数有50-100头，灌装速度最高可达1500罐/min，料槽转速20-25r/min，可提高一倍的速度，可以完成茶饮料、果汁饮料等数种饮料的热性灌装[3]。而可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)是一种功能强大、结构简洁、安全可靠的控制设备，可编写程序去控制内部继电器通断、驱动外部电路运转，从而实现执行机构的控制[4]。通过PLC控制处理逻辑的设定，不仅可以实现灌装加工的自动化操作，提高生产效率，而且大大降低了维修成本、减少了人员的维护和管理，实现了生产的数字化和智能化。相比传统电气控制系统，PLC控制器拥有多种程序设计语言可供选择，如指令列表(IL)，梯形图(LD)，功能块图(FBD)和结构化文本(ST)等，能够根据各种场景的需要进行灵活调整，其采用以继电器为核心的梯形图为基础的简单指令形式则使得程序编制更加直观，调试和排错也更加方便，从而使其在生产实践中得到灵活、便捷地应用[5]。
总之，PLC控制器作为目前最先进的控制技术之一，在灌装生产线领域的应用已经得到广泛的推广，成为生产线各处理流程之间联接的核心控制设备。它的智能化和自动化特征极大地提高了生产效率、确保了产品的质量，让生产线的流程更加规范化、自动化和高效化。因此，PLC正逐渐代替传统的继电器系统，成为工控领域不可或缺的设备[6]。所以本设计采用PLC作为控制元件来设计实现饮料灌装生产线的自动化控制。
1.3 灌装生产线的优点
在灌装机械市场中，灌装生产线由于其过硬的性能成为了广受企业青睐的灌装设备之一，能够为企业带来实实在在的帮助，有效促进企业的整体发展。随着PLC控制技术等自动化技术的推广应用，现代灌装生产线不仅可以实现高度自动化、标准化生产，还具有以下特点：
（1）PLC控制技术等自动化技术的应用，使得现代灌装生产线的操作模式有较高的自动化程度。不仅较为简单，还能够快速稳定地运行。与传统的灌装生产线相比，现代灌装生产线大大缩短了灌装周期，可以实现高效快速的灌装[7]。
（2）现代灌装生产线采用了每台单机独立操作的模式，使得各个单机之间能够进行协调配合，实现高质量的生产。此外，每台单机通过PLC控制器可以进行智能化控制，便于实现标准化生产，提高生产线的生产效率和经济效益[8]。
（3）现代灌装生产线通过PLC控制技术，实现了各个单机之间的联动和协调，从而实现了对生产过程的快速、简单、准确的调整。这样，生产线就能够保持高度平稳的运行，助力企业实现高质量的生产[9]。
（4）现代灌装生产线有多种灌装模式和包装模式，可以对各种规格的瓶子进行灌装、包装等生产操作。并且，PLC控制技术还可以实现对生产过程的可编程与可调节，使得生产线可以灵活地根据要求进行生产[10]。
（5）现代灌装生产线的运行非常平稳，并且可以通过PLC控制器进行智能化维护，便于企业维护管理。同时，生产线还具备多种功能组合的特点，可以根据用户需求定制多种生产的流程组合，提高了生产的灵活性和多样性，满足了客户的各种需求。
当然，灌装生产线也存在缺点，但相对来说其优越的性能使得其备受推崇。它不同于普通的灌装设备，可以集成灌装机、压盖机等多种设备，并能够从头到尾完成商品的灌装和包装。
因此，在生产力较大的企业中，灌装生产线是首选之一，因为它不仅可以完成产品的灌装和包装，还能有效提升企业的生产效率，从而为企业带来更多的效益。
总之，灌装生产线不仅在性能方面突出，其设备本身也是一个优秀的代表。相信在不久的将来，通过国内的研究人员的不断努力，灌装生产线必将拥有一个更加光明的未来。
1.4 研究思路及研究方法
本设计以PLC为处理核心，将生产过程中传感器、触摸屏等外部设备的所有信号传送给执行元件[11]，例如空瓶是否抵达、灌装开始停止等信号，经过检测进行处理后去运输再进行下一步处理，实现空瓶的运送以及后续的灌装、上盖、打印日期等功能，同时还能显示设备状态，并且通过PLC内部计数器对灌装、封盖、打印完成后的满瓶饮料进行数量统计[12]。
本设计采用经验设计法，编写梯形图需要具备对控制设备的理解并且掌握控制原理，具体操作过程包括针对控制设备的工作过程和动作情况，设计PLC的输入和输出信号，进而设计PLC的外部接线图及程序梯形图。逻辑设计法则是在这个基础上进行的，掌握逻辑代数知识，通过对电路内的逻辑运算实现其功能，并将其转化为梯形图的形式，最终实现PLC对于控制设备进行准确控制的过程，故采用此法。而采用的还有实验法，在程序设计完成后通过仿真检验产线功能是否实现，进而进行反复验证和修改达到最终的试验目的。
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附录
1 电气原理图
2 程序图
