基于S7—200的飲料灌裝機控制系統

孫娜

摘 要：飲料灌裝機控制系統采用西門子S7-200系列的PLC做控制器，文中詳細介紹了飲料灌裝機控制系統的總體構成，仔細分析了系統的輸入輸出量，配置I/O口，傳送帶系統采用伺服電機，實現精準定位，進行了飲料灌裝機控制系統硬件及軟件設計，HMI上位機遠程操控。

關鍵詞： S7-200；灌裝機； I/O

中圖分類號：TN081 文獻標識碼：A

當今社會伴隨著經濟的迅猛發展，人們生活消費水平的日益提高，對各種飲品的需求量也越來越大。近幾年德國工業4.0以及中國制造2025目標的提出，高產量、高效率、高品質、智能化已成為現代工業發展的宗旨，工業逐步走向自動化、智能化。傳統的飲料灌裝機器采用繼電器、接觸器控制裝置，而PLC（可編程序控制器）是以微處理器為核心的工業控制裝置，它將傳統的繼電器控制系統與計算機技術結合在一起，近年來在工業自動控制、機電一體化、改造傳統設備等方面得到普遍應用。本文設計一種基于西門子S7-200的飲料灌裝機，傳統的灌裝方法存在一些缺點，例如：灌裝精度和穩定性難以保證、更換灌裝規格困難等。本系統采用的飲料分裝計量是通過時間和單位時間流量來確定的，計量精度由S7-200控制確定。PLC控制具有編程簡單、工作可靠、使用方便、系統容易升級等特點，在工業自動化控制領域廣泛應用。

1.飲料灌裝機系統的控制要求

灌裝機依據灌裝對象的不同，灌裝原理及灌裝模式也是千差萬別，不同的灌裝對象有著不同的灌裝原理，按灌裝壓力分為：真空液體灌裝機、常壓液體灌裝機、壓力液體灌裝機，本文重點介紹壓力灌裝機。本系統主要研究灌裝及壓蓋貼標簽的過程，其余例如洗罐、廢罐回收、運輸等過程不作為本文研究重點。系統工作過程要求如下（圖1）。

（1）傳感器S1感應到有罐放入傳送帶后，啟動電動機M1，傳送帶運轉。

（2）當傳感器S2感知到信號時，罐運到位，傳送帶停止。

（3）啟動裝罐機械手1，到瓶口處，下壓注入飲料，定時注入完畢后，收回機械手1，繼續啟動傳送帶。

（4）當傳感器S3感知到信號時，停止，啟動壓蓋機械手2，完成壓蓋操作，收回機械手2，繼續啟動傳送帶。

（5）當傳感器S4感知到信號時，停止，啟動貼標簽機械手3，完成貼標簽，收回機械手3，繼續啟動傳送帶將成罐運走。

2.飲料灌裝機系統硬件設計

2.1控制系統框圖（如圖2所示）

根據自動灌裝系統的控制過程及工藝要求，硬件配置由西門子S7-200作為主控制器，配置輸入傳感器系統、輸出接觸器系統、電源系統、機械手系統、電動機系統。由于生產加工工藝要求設備精度必須足夠高，有偏差或者定位不準都會給生產帶來很大的損失，所以在器件選型方面，選擇控制精度高、反應速度快的CPU226，作為該灌裝站的主機。電機選用伺服電機，伺服電機是在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，是一種補助馬達間接變速裝置。電機定位能夠清楚累計誤差，可使控制速度、位置精度非常準確，具有機電時間常數小、線性度高等特點。遠程操控觸摸屏選擇昆侖通態的HMI，參數隨時可調節，操作靈活方便。

2.2 I/O分配

輸入端分別為罐傳感器S1，到位傳感器S2，壓蓋傳感S3，標簽傳感S4，啟動S5，停止S6，依次用I0.0-I0.5。輸出電機M1，注料、壓蓋、貼簽依次采用Q0.0-Q0.3。

3.飲料灌裝機系統的軟件設計

依據系統的要求，結合系統硬件設計，利用STEP7應用軟件進行系統軟件設計，主程序完成以下功能：

系統初始化、分為手動與自動流程，自動狀態下當S1為1時，啟動傳送帶，到S2為1停止傳送帶，調用注料機械手1，定時時間到，移開機械手1，啟動傳送帶，至傳感器S3為1時再停止，壓蓋，延時再啟動傳送帶至傳感器S4為1停止，貼標簽，整個主流程完畢運走成罐。

系統主程序流程圖如圖3所示。

4.系統設計精度保證

在該灌裝系統的運動控制應用中，很多伺服電機和設備執行器都可以滿足精度要求，但是完整控制系統的選型、設計和集成對于運動控制的可重復性和精度十分關鍵。根據負載查詢技術參數，選擇力矩、速度、精度合適的伺服電機，合理選型可以消除一部分誤差。伺服電機利用閉環控制改進了定位精度。閉環位置控制、更高的力矩和更高的速度，使得伺服電機在高精度應用場合具有更大的優勢。在設計中更加注重伺服電機、編碼器反饋以及伺服驅動器，必須設計成按照一個整體協同工作，使之與電機和負載匹配。

結語

論文在進行了大量的調研和查閱國內、外文獻資料的基礎上，確定了西門子S7-200做控制器，介紹了飲料灌裝系統的工作原理、硬件設計、軟件流程以及這種運動控制系統精度保證的一點點建議，系統實現了快速準確灌裝，為現代化的生產工藝提高生產效率提出了建議。

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