概述

近年来饮料工业发展迅猛，碳酸饮料、果汁饮料、蔬菜汁饮料、含乳饮料、瓶装饮用水、茶饮料等品种不断丰富，产量上的飘红，使得对灌装设备的需求也呈牛市。

随着工业自动化水平日益提高，将传统的继电器称重填充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、改造传统产业等方面得到普遍应用。作为通用工业控制计算机，其实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，在世界工业控制中发挥着越来越重要的作用。本填充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PLC控制确定。PLC控制具有编程简单、实际的触摸屏集主机、输入和输出填充系统于一体，适合在恶略的工业环境中使用。灌装装置主要包括两部分：恒压储液罐灌液和计数部分。在恒压储液罐灌液不封，里面有上限液位和下线液位模块，液面低于下线液位时恒压储液罐为空。通过进液电磁阀流入恒压储液罐，液面达到上限位时进液电磁阀断电关闭，使液位保持恒定。

称重灌装机克服了继电接触中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC液体灌装机后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC液体灌装机应用于生产实践。

根据填充系统的要求对PLC系统、电机、称重模块等外部系统进行选型，设计灌装生产线能够实现以下目的：

(1)填充系统通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，则输送机的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或待灌装的饮料瓶被传送至填充系统下时停止；瓶子装满饮料并上盖后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到下一个待灌装的饮料瓶被传送至填充系统下或停止开关动作；

(2)当瓶子定位在填充系统下时，停顿1s，填充系统开始工作，对于大瓶灌装8秒钟，小瓶则灌装5秒钟，待灌装过程完毕再对饮料瓶进行上盖，上盖时间为2秒钟。整个灌装和上盖过程应有报警显示，待上盖完毕后不再显示报警；报警方式为红灯以0.5s间隔闪烁；

(3)包装上，对于小瓶：40瓶为一大包，30瓶为一中包，20瓶为一小包；对于大瓶：20瓶为一大包，15瓶为一中包10瓶为一小包；

(4)能够实现对生产产品进行自动记数并可以手动对计数器清零。

自动灌装机的分析

填充系统设计是以S7-300系列PLC作为处理核心，用行程开关、称重模块将生产过程中的信号（如空瓶的运行的位置、饮料瓶的大小等等）处理后送给PLC处理器，由PLC对数据进行运算，然后输出驱动信号（如液体灌装机接触器、电磁阀等等）来完成饮料罐装生产过程的液体灌装机操作。

该填充系统的总体思路：此计量灌装机为全自动控制的，一旦上电，PLC将通过软件对灌装机进行自动控制，通过输出继电器控制传送带的停转和对饮料瓶灌装的控制，实现对填充系统状态的显示，并且通过PLC内部的计数器对所生产的产品进行计数。

计量灌装机方案设计

饮料灌装机将灌装装置以及封盖装置集合在一起，使饮料的灌装稳定、高效的完成。对于饮料瓶大小的区别是通过反射式光电模块工作来实现的，利用辅助继电器对计数器进行正电平触发来实现对所生产产品的计数。

填充系统一旦上电，传送带驱动电动机运转，待空饮料瓶行至行程开关，行程开关闭合，电动机停转，填充系统通过阀门的关断来控制饮料灌装的时间，待饮料灌装过程完毕后电动机恢复转动，如此循环实现灌装机上的自动控制。对于传送带上的饮料瓶大小的区分，是通过所在位置的反射式光重模块工作来实现的。

灌装软件方案设计

软件设计方案

(1)梯形图设计法

梯形图设计法是比较广泛的一种方法。这种方法没有普遍的规律可以遵循，具有很大的试探性很随意性，最后的结果不是唯一的。该方法的核心是输出线圈。以下是液体灌装机设计方法的基本步骤：

1)了解和熟悉被控填充系统的工艺过程和机械的动作情况。

2)确定PLC的输入信号和输出负载，画出PLC的外部接线图。

3)确定与继电器电路图的中间继电器，时间继电器对应的梯形图中的辅助继电器（M）和定时器（T）的元件号。

4)根据前面的对应关系画出梯形图。

(2)逻辑设计法

逻辑设计法的理论基础是逻辑代数。而继电器的本质是逻辑线路。看一个电气控制线路都会发现，线路的接通和断开，都是通过继电器等元件的触点来实现的，故控制线路的种种功能必定取决于这些触点的开，合两种状态。因此电气控制电路从本质上说是一种逻辑线路，符合逻辑运算的基本规律。的I/O填充系统统计所需要的I/O信号的点数，选择是否支持扩展机架的CPU。

称重模块的选型

填充系统中运用称重模块对饮料瓶的大小容量进行区别，根据设计需要选择反射式光电模块。

电路实现

填充系统分为主电路、控制电路、辅助电路三大部分，控制电路控制主电路，辅助电电路起辅助信号显示的作用

主电路的设计

传送带用电动机M1来运行，接触器KM1来控制电动机的运行与停止。由热继电器FR1实现过载保护。断路器QF1、QF2、QF3将三相电源引入，同时QF1、QF2、QF3为电路提供短路保护。

控制电路的设计

PLC系统的输人信号有9个，且均为开关量。其中各种单操作按钮开关6个，分别SB0启动按钮、SB1停止按钮、SB4大包、SB5中包、SB6小包、SB7散装、SB10手动复位按钮。行程开关1个，模块开关1个。

填充系统的输出信号有10个，其中1个用于驱动传送带电动机的接触器KM1，3个电磁阀分别用于大瓶和小瓶的封盖及饮料罐装，6个用于灌装机上的状态显示。操作面板的设计

操作面板本着操作简单，直观明了的，对饮料罐灌装机的每一步都能准确显示，方便工作人员的工作为原则而设计。

面板中的按钮有停止、启动和手动复位按钮，以及选择大包、中包、小包和散装的按钮。显示灯有大包、中包、小包和散装的显示灯，还有上电显示和灌装过程显示。

本填充系统还设置了两种灌装模式即大瓶、小瓶灌装，四种包装方式即大瓶的大、中、小包装和散装及小瓶的大、中、小包装和散装。这样做有利于不同层次的需要。

程序的设计

通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或填充系统下的称重模块检测到一个瓶子时停止；瓶子装满饮料后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。当瓶子定位在填充系统下时，停顿1s，填充系统开始工作，灌装过程为小瓶装5s钟，大瓶装8S钟，然后均上盖时间为2秒，灌装和上盖过程应有报警显示，上盖过程停止并不再显示报警；报警方式为红灯以0.5s间隔闪烁。与此同时对生产的饮料进行打包并计数，对于小瓶：40瓶为一大包，30瓶为一中包，20瓶为一小包；对于大瓶：20瓶为一大包，15瓶为一中包，10瓶为一小包。在生产过程中可以对各计数器手动清零，填充系统每8小时将所记数据送入指定的存储器中，然后将记数器清零。在电动机运转时按下停止按钮，填充系统会马上停止工作：而在填充系统进行灌装和加盖时按下停止按钮，填充系统不会马上停止工作，而要待加盖工作完成后，填充系统最终停止工作。

主控程序

填充系统通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或填充系统下的称重模块检测到一个瓶子时停止；瓶子装满饮料并上盖后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作；当瓶子定位在填充系统下时，停顿1s，填充系统开始工作，对于大瓶灌装8秒钟，小瓶则灌装5秒钟，待灌装过程完毕再对饮料瓶进行上盖，上盖时间为2秒钟。当填充系统正在运行装罐时，按下停止按钮，填充系统并不会马上停止运行，待上盖工作结束后，填充系统最终停止运转。

总结

基于西门子S7-300PLC的填充系统的设计，能对空瓶进行运送、灌装，灌装量可根据空瓶大小设定；对满瓶进行运送及计数，计数值包括累计计数、单位包装计数，单位包装计数量可根据包装大小设定；利用PLC良好的自动控制性能。实现了饮料罐装生产过程的无人控制。基于PLC的液体灌装机的称重填充系统为饮料生产提供了极大地便利，液体灌装机作业生产方面也有着相当广阔的前景。