基于S7—200的饮料灌装机控制系统

孙娜

摘 要：饮料灌装机控制系统采用西门子S7-200系列的PLC做控制器，文中详细介绍了饮料灌装机控制系统的总体构成，仔细分析了系统的输入输出量，配置I/O口，传送带系统采用伺服电机，实现精准定位，进行了饮料灌装机控制系统硬件及软件设计，HMI上位机远程操控。

关键词： S7-200；灌装机； I/O

中图分类号：TN081 文献标识码：A

当今社会伴随着经济的迅猛发展，人们生活消费水平的日益提高，对各种饮品的需求量也越来越大。近几年德国工业4.0以及中国制造2025目标的提出，高产量、高效率、高品质、智能化已成为现代工业发展的宗旨，工业逐步走向自动化、智能化。传统的饮料灌装机器采用继电器、接触器控制装置，而PLC（可编程序控制器）是以微处理器为核心的工业控制装置，它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统设备等方面得到普遍应用。本文设计一种基于西门子S7-200的饮料灌装机，传统的灌装方法存在一些缺点，例如：灌装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。本系统采用的饮料分装计量是通过时间和单位时间流量来确定的，计量精度由S7-200控制确定。PLC控制具有编程简单、工作可靠、使用方便、系统容易升级等特点，在工业自动化控制领域广泛应用。

1.饮料灌装机系统的控制要求

灌装机依据灌装对象的不同，灌装原理及灌装模式也是千差万别，不同的灌装对象有着不同的灌装原理，按灌装压力分为：真空液体灌装机、常压液体灌装机、压力液体灌装机，本文重点介绍压力灌装机。本系统主要研究灌装及压盖贴标签的过程，其余例如洗罐、废罐回收、运输等过程不作为本文研究重点。系统工作过程要求如下（图1）。

（1）传感器S1感应到有罐放入传送带后，启动电动机M1，传送带运转。

（2）当传感器S2感知到信号时，罐运到位，传送带停止。

（3）启动装罐机械手1，到瓶口处，下压注入饮料，定时注入完毕后，收回机械手1，继续启动传送带。

（4）当传感器S3感知到信号时，停止，启动压盖机械手2，完成压盖操作，收回机械手2，继续启动传送带。

（5）当传感器S4感知到信号时，停止，启动贴标签机械手3，完成贴标签，收回机械手3，继续启动传送带将成罐运走。

2.饮料灌装机系统硬件设计

2.1控制系统框图（如图2所示）

根据自动灌装系统的控制过程及工艺要求，硬件配置由西门子S7-200作为主控制器，配置输入传感器系统、输出接触器系统、电源系统、机械手系统、电动机系统。由于生产加工工艺要求设备精度必须足够高，有偏差或者定位不准都会给生产带来很大的损失，所以在器件选型方面，选择控制精度高、反应速度快的CPU226，作为该灌装站的主机。电机选用伺服电机，伺服电机是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。电机定位能够清楚累计误差，可使控制速度、位置精度非常准确，具有机电时间常数小、线性度高等特点。远程操控触摸屏选择昆仑通态的HMI，参数随时可调节，操作灵活方便。

2.2 I/O分配

输入端分别为罐传感器S1，到位传感器S2，压盖传感S3，标签传感S4，启动S5，停止S6，依次用I0.0-I0.5。输出电机M1，注料、压盖、贴签依次采用Q0.0-Q0.3。

3.饮料灌装机系统的软件设计

依据系统的要求，结合系统硬件设计，利用STEP7应用软件进行系统软件设计，主程序完成以下功能：

系统初始化、分为手动与自动流程，自动状态下当S1为1时，启动传送带，到S2为1停止传送带，调用注料机械手1，定时时间到，移开机械手1，启动传送带，至传感器S3为1时再停止，压盖，延时再启动传送带至传感器S4为1停止，贴标签，整个主流程完毕运走成罐。

系统主程序流程图如图3所示。

4.系统设计精度保证

在该灌装系统的运动控制应用中，很多伺服电机和设备执行器都可以满足精度要求，但是完整控制系统的选型、设计和集成对于运动控制的可重复性和精度十分关键。根据负载查询技术参数，选择力矩、速度、精度合适的伺服电机，合理选型可以消除一部分误差。伺服电机利用闭环控制改进了定位精度。闭环位置控制、更高的力矩和更高的速度，使得伺服电机在高精度应用场合具有更大的优势。在设计中更加注重伺服电机、编码器反馈以及伺服驱动器，必须设计成按照一个整体协同工作，使之与电机和负载匹配。

结语

论文在进行了大量的调研和查阅国内、外文献资料的基础上，确定了西门子S7-200做控制器，介绍了饮料灌装系统的工作原理、硬件设计、软件流程以及这种运动控制系统精度保证的一点点建议，系统实现了快速准确灌装，为现代化的生产工艺提高生产效率提出了建议。

参考文献

[1]申海鹏，刘东红，王佃刚.认识灌装设备学习灌装技术[J].食品安全导刊，2011（7）：42-45.

[2]张德芹，徐世许，吴光强.基于PLC的定量灌装控制系统[J].工业控制计算机，2014（8）：127-128.

[3]李明，李丽娟，杨松，等.全自动液体定量灌装机控制系统设计[J].包装工程，2013（5）：78-81.

[4]陶权.PLC控制系统设计、安装与调试[M].北京：北京理工大学出版社，2009.

[5]张生慧，宁明理，杨大毅.白酒灌装过程工序间配合与效率提升的探讨[J].酿酒， 2015（5）：78-79.

[6]譚威.基于PLC的工业控制系统的设计与实现[D].华中科技大学，2007.