本科生毕业设计

基于PLC控制的全自动灌装机系统的设计 学 生 姓 名

所 在 学 院

专业及班级

扬州大学本科生毕业设计（论文）

指 导 教 师

完 成 日 期

• II -

摘要

食品机械是专为食品工业提供服务的，大约有70%的包装机械是为食品包装提供 服务的，最近几年饮料业迅速发展，市场对液体灌装设备的需求量增长迅猛。国内的 包装机械起歩较晚, 而国外发达国家的包装设备已经向高效率、高精度、高自动化程度 方向发展，目前虽然采用引进一消化的发展模式能满足生产需求，但技术含量不高， 特别是对光、磁和计算机等先进技术的应用较少，从而使得国内与国外相比在包装机 械的包装精度和运行稳定性上还是存在着较大差距的。

本论文以全自动液体灌装机作为研究对象，采用欧姆龙CMP1A型PLC对其控制系 统进行软件设计，并利用组态王做出监控系统，实现基于欧姆龙PLC与组态王的控制 系统。采用模块化的设计方法，对全自动液体灌装机的主要控制要求进行程序设计， 由理瓶机、灌装机、封盖机和外围辅机构成的四块控制模块，再结合组态王软件开发 设计出一种适合工厂流水线化作业的全自动灌装机控制系统界面，对灌装机的工作流 程实现实时监控，实现控制系统的分块管理、集中控制的功能，实现了灌装生产高速 化、精确化、智能化、多功能化以及操作界面人性化的要求。

关键词 ：灌装机、PLC、组态王。

• I -

Abstract

Food Machinery is designed to provide services to the food industry, about 70% of the packaging machinery is to provide services for the food packaging, beverage industry developed rapidly in recent years, market demand for the rapid growth of liquid filling equipment. Domestic packaging machinery since late walk, and packaging equipment in developed countries has been developed to a high efficiency, high precision, high degree of automation direction, although the current model of development with the introduction of a digestion can meet the production needs, but not high-tech, in particular the application of less light, magnetism and advanced computer technology, making domestic and foreign in the packaging compared the accuracy and stability of packaging machinery running or there is a big gap.

In this paper, automatic liquid filling machine as the research object, using Omron CMP1A its type PLC control system software design and configuration king made ​ use of monitoring systems, Omron PLC-based control system and configuration of the king. Modular design approach, the main control requirements for automatic liquid filling machine for program design, control module consists of four Unscramble, filling machine, capping machine and peripheral auxiliary composition, combined with so fewer configuration king development and design of a suitable factory assembly line jobs automatic filling machine interface control system, filling machine workflow for real-time monitoring, management and control system of the block, centralized control function to achieve a high-speed bottling oriented, accurate, intelligent, multi-functional and user-friendly interface requirements.

Keywords: filling machine, PLC, King View.

目录

• II -

1 绪论.........................................................................................................................................1
1.1 课题研究的意义..........................................................................................................1
1.2 全自动灌装机的发展概况..........................................................................................2
1.2.1 国内外全自动灌装机的发展状况...................................................................2
1.2.2 国内外全自动灌装机制造业的发展趋势.......................................................2
1.3 全自动灌装生产线......................................................................................................4
1.3.1 液体灌装的基本原理.......................................................................................4
1.3.2 液体灌装的方式...............................................................................................4
1.3.3 灌装的定量方法...............................................................................................4
1.3.4 影响灌装的因素...............................................................................................6
1.3.5 灌装机及外围辅机的概况与种类...................................................................6
1.4 本论文研究的主要内容..............................................................................................7
2 可编程控制器.........................................................................................................................8
2.1 PLC发展的历史............................................................................................................8
2.2 可编程控制器的发展阶段及其定义..........................................................................9
2.2.1 可编程控制器的发展阶段...............................................................................9
2.2.2 可编程控制器的定义.....................................................................................10
2.3 PLC的特点..................................................................................................................10
2.4 可编程控制器的分类................................................................................................13
2.4.1 按照容量和功能分类.....................................................................................13
2.4.2 按照结构形式分类.........................................................................................14
2.4.3 按照使用情况分类.........................................................................................15
2.5 PLC的应用..................................................................................................................15
2.6 PLC的基本组成和工作原理......................................................................................16
2.6.1 PLC的基本组成...............................................................................................16
2.6.2 PLC的工作原理...............................................................................................20
3 组态王及其组态王与PLC的通信.........................................................................................23
3.1 组态王简介................................................................................................................23
3.2 组态王软件的功能及特点........................................................................................24
3.2.1 组态王软件的功能.........................................................................................24
3.2.2 组态王软件的特点.........................................................................................25
3.2.3 组态王软件数据处理过程.............................................................................25
3.2.4 组态王寄存器说明.........................................................................................26
3.3 组态王新建一个工程................................................................................................28
3.4 组态王与PLC的通信..................................................................................................29
4 基于PLC的全自动灌装机系统设计.....................................................................................33

• III -

4.1 确定全自动灌装机的控制要求................................................................................35
4.2 计算输入输出点数并选型........................................................................................35
4.3 全自动灌装机控制系统的梯形图设计....................................................................37
4.3.1 传送系统的设计.............................................................................................37
4.3.2 理瓶机系统的设计.........................................................................................38
4.3.3 灌装机系统的设计.........................................................................................38
4.3.4 封盖机系统的设计.........................................................................................40
5 组态王监控界面的设计.......................................................................................................41
5.1 关于组态王变量的问题............................................................................................41
5.2组态王的动画连接......................................................................................................43
5.3 组态界面设计以及调试............................................................................................45
6 结论.......................................................................................................................................48
致谢...........................................................................................................................................49
参考文献...................................................................................................................................50
附录1：基于PLC控制的全自动灌装机系统程序代码...........................................................51

• IV -

1 绪论

1.1 课题研究的意义

随着全球经济的迅速发展，人们在日常生活中对包装品的需求越来越大， 而且与传统包装工业相比，精确、节约、高效成了现代包装技术的发展方向， 从而使得包装机械不论在制造水平还是在技术上都需要不断的创新。

美国和日本在包装机械上无论是技术、产品或者市场占有情况等诸多方面 在世界上都是名列前茅的。世界工业的领头羊——美国，其包装工业起步较早， 发展到现在已具有完备的包装工业体系。其包装设备通常都以高、精、尖著 称，而且由于计算机信息技术比其他国领先，所以计算机在工业中的使用和普 及比其他国家都早，计算机技术被广泛应用于包装机械中，较早地形成了自动 化控制生产模式。日本与美国相比，起步虽然相对较晚，但60年代至90年代， 日本包装业大量引进先进技术，并在此基础上消化吸收，而且取得了非常显著 的成果，使其包装工业的制造水平能持续快速的发展。日本小型和微型电子技 术较为先进成熟，所以其包装工业虽然起歩较晚，但在消化他国的技术中，将 其擅长的微电子技术应用其中，特别是后来的工业机器人技术和模块化技术的 应用，为包装工业的发展提供了更多的空间，至今仍影响着包装机械的走向。

我国制造工业还处在低谷时，美国和日本等发达工业国家却在高速发展工 业，而且我国都是在新中国成立之后才开始发展包装机械与其他工业产品，包 装工业的发展期主要是改革开放之后。随着我国经济开始迅速发展，人们的消 费水平也大大提高，从而使得生产设备特别是包装机械的需求变得空前紧缺。 这就逼迫我们要提高包装工业的技术水平，其中不乏通过进口国外的先进技术 和生产线，回来慢慢研究消化吸收并进行改良，发展自己的包装工业。

目前进口一台全自动液体灌装生产线大概需400万元人民币，这大大的提高

• 1 -

了生产成本，根据这一状况，我们参照国外全自动液体灌装机的先进机型和技 术，结合国内液体灌装的实际情况，独立开发设计并制造出新型全自动液体灌 装生产线，并根据测算，与国外同类产品相比，价格仅是进口设备35%，并且 完全可以代替进口同类产品，具有良好的价格性能比，所以开发优质的灌装成 套设备取代进口设备，在医药、饮料和酒等灌装业具有很深远的意义和广阔的 前景。

1.2 全自动灌装机的发展概况

1.2.1 国内外全自动灌装机的发展状况

我国饮料灌装机械制造业起步晚，建国后基本上采用的是手工灌装，当时 国内啤酒厂和汽水厂都是使用国外早期比较落后的设备，工艺落后，灌装速度 慢，而且在卫生上也存在很大问题，严重影响了我国饮料行业的发展。改革开 放后，随着轻工业的迅速发展，一方面我国先后引进了一些国外灌装生产线， 在改造一些饮料生产企业的同时，另一方面我国也在自行研制，这就促进了我 国的包装机械行业进入了一个新的发展时期，开发出各种自动、半自动中小型 的灌装机械，提供给国内大批饮料厂，促进了我国饮料业的迅速发展。进入20 世纪80年代，我国采用技术与贸易相结合的方式，引进德国SEN公司20000瓶/ 小时的啤酒灌装线和日本三菱公司18000瓶/小时的含气体饮料灌装线的制造技 术，到1991年又引进了德国KHS公司36000瓶/小时的啤酒灌装线及生产技术。 这样，我国不仅能够生产中小型的灌装机，且开始生产大型灌装机。我们参照 国外全自动液体灌装机的先进机型，结合国内液体灌装的实际情况，独立开发 设计并制造新型全自动液体灌装生产线，并根据测算，与国外同类产品相比， 价格仅是进口设备价格的35%，并且完全可以代替同类进口产品，具有良好的 性价比，同时技术水平也上了一个台阶，将我国液体灌装设备制造业的整体水 平提高到一个新的水平。我国的灌装机械制造业，经历了仿制、引进技术、消

• 2 -

化吸收、创新、自主开发的过程，技术进步及创新的速度很快，而且在不断缩 小与国外先进技术之间的差距。国内很多厂家生产的灌装机比较有代表性，能 在模仿的基础上发展出自己的特色，且能够溶入高新技术，比如有灌装时灌装 头自动伸入瓶内缓缓上升，使液体不向外溢，灌装量通过PLC控制在荧屏显 示，适合有一定泡沫的药液或化妆品的潜入式灌装机；攻克了屋顶形包装机不 能热灌装、不能加盖等难题。

1.2.2 国内外全自动灌装机制造业的发展趋势

随着食品工业的发展，在饮料灌装、包装设备方面也不断的向高的方向发 展。目前在这方面的发展水平还是体现在美国、德国、意大利、英国和日本等 国家，我国也不断在向这个方向发展。其主要表现为：生产的高速化、设备结 构合理化、设备的多功能化、控制的智能化，以及设备的绿色化等。 ①生产的高速化

为了迎合市场发展的需求，获取大的经济利益，提高生产速度似乎已经成 为生产控制中的一个重要因素。在一定程度上讲，提高生产速度在不增加劳动 力的情况下，唯一的方法就是改进设备，用同样的时间和同样的劳动力去操纵 高效率的机器，以生产出相对多的产品。因此在这方面，提高设备的生产能力 就成为重中之重。目前，在碳酸饮料灌装中，灌装机的灌装速度最高可达2000 罐／分，灌装阀头数也分别达到140头、160头、180头；非碳酸饮料灌装机的灌 装阀头数也达到50-100头。在灌装速度上，灌装速度最高可达1000瓶／分，最 高的已经超过1500瓶／分。

②结构的合理化

国内外灌装机械制造商都在致力于产品结构的优化，不断的在对老产品进 行优化的同时开发出新的产品以适合市场的变化。一方面是零部结构的优化，

• 3 -

设备可靠性的提高，另一方面则围绕设备成本降低，以及操作方便和可维护性 进行研究。例如，德国KRONES公司贴标机的转换部件大大减少，贴标的功能 及数量反而增加。有的“冲一灌一封一一体机全部采用瓶颈夹持输送装置，省去 了输瓶导板、导轨、底板等转换部件，不论PET瓶体积大小如何，均不需要调 整灌装机和封口机的高度，在各种生产时速和各种灌装方式中都能够高速、平 稳地输送包装容器。

③设备多功能化

设备在不断的向多功能化方向发展，早期的灌装设备，功能单一，只适应 一种容器或一种液体的灌装，而且灌装量调节范围比较小，不能够适应用户改 变包装容器、改变灌装液体及灌装量的变化。而新型的灌装设备是由几台可以 独立工作的设备经过智能组合，按用户的要求组成的不同形式的生产线，用户 只需在更换小的部件的情况下就能完全满足对不同容器、不同液体的灌装，而 且灌装速度调节自如，这样就可以满足用户的不同灌装要求。 ④控制的智能化

早期的灌装设备都是通过机构的功能来进行机械操作，使得设备庞大，运 转不灵活，而且可控制性差，误差大等。随着电子技术的发展，各种功能的传 感器和可编程控制器普遍应用于灌装机的控制系统中，而且大型设备更是采用 计算机控制，人机界面，故障自我诊断等，实现了设备运行的智能化。现代灌 装技术的目标是精确、高效、自动化。精确的灌装量、灌装过程的高速、减少 尽量小的液损、整条生产线的最优化控制，都由于电子技术的实际应用而成为 可能。

1.3 全自动灌装生产线

全自动液体灌装机的使用和需求日益增长，已经逐步代替手工灌装或半自

• 4 -