浇模型冰激凌生产线PLC控制系统设计

浇模型冰激凌生产线一、选题背景与意义

1．国内外研究现状

随着人们生活水平的提高, 对冷饮品的需求和要求越来越高, 不仅要求其在炎热的夏日能消暑解渴，而且对其营养价值，口味和工艺上有了更高的要求。对于冰激凌生产商来说，其营养，口味和工艺都直接影响其销售量，所以就要求现有的冰激凌生产设备不仅能生产出高质量的产品，而且还要根据不同的需求，尽可能的生产多品种的冰激凌。

目前，国内多数冰激凌制造商都只是沿袭欧美冰激凌机的工作方式，缺少自己的创新，并且设备还一直停留在传统的继电器-时间控制方式。继电器控制方式在PLC出现之前广泛应用于生产，生活的各个领域，但该控制方式硬件结构比较复杂，并且其功能一旦确定以后很难做出变化，难以适应以后新产品的生产更新换代的要求。而且经过长期运行以后，继电器，线圈等设备渐渐老化，出现触点磨损，接触不良，反应不灵敏，造成整个控制系统无法完成生产要求，严重影响产品的质量和数量。 2．选题的目的、意义：

在冰激凌生产工业中，如何提高生产质量和效率一直是人们高度关注的问题。随着自动化技术的进步与发展，冰激凌生产的自动化程度也逐渐提高。冰激凌生产线机械结构相对简单，也较容易设计。而要实现生产线的自动化，必须设计一种相对比较可靠的电气控制系统。

PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，一种能直接应用于工业环境的数字电子装置。PLC控制具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。在控制系统中采用PLC，可用软件实现冰激凌生产线的自动控制，可靠性大大提高；使控制系统结构简单，外部线路简化；可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能；PLC可实现故障自动检测与报警显示，提高了冰激凌生产线的安全性，可用于群控调配和管理，极大地提高生产的质量和效率；在更改生产控制方案时，只需修改程序，不用改动硬件接线。

通过该毕业设计，综合应用所学的PLC软硬件技术，在设计浇膜型冰激凌生产线系统的过程中，使解决工程实际问题的能力得到锻炼，为毕业以后走向工作岗位打下坚实的基础。

PLC控制系统设计

二、设计内容

1．设计内容

浇膜型冰激凌生产线的电气控制系统是一个相对较复杂的控制系统。系统要求有手动和自动两种工作方式，系统中的输入信号即有手动按钮、手动开关等手动信号，也有光电开关、接近开关等传感器信号。输出信号有提供给继电器、接触器、电磁铁、指示灯等开关量输出信号，也有控制变频器的模拟量输出信号。根据系统要求，需要对装盘数量计数并进行显示，显示范围0--9999。对一个实际应用系统，仅考虑设计硬件电路和软件编程还不够，还必须进行安全电路的

毕业设计方案

设计，可靠性措施，紧急情况的处理等。这些内容将在后续设计中涉及，本课题重点放在PLC控制系统的硬件和软件设计方法。 2．预期研究结果

浇膜型冰激凌生产线就采用PLC作为主控制器，用户根据其生产过程编写程序，下载到PLC中，整个生产线的生产过程完全通过PLC内部的用户程序来控制，基本不依靠人工参与。

冰激凌的生产过程主要包括配料,均质，老化，凝冻和硬化等几个部分，如果生产出的冰激凌的成分和形态都比较复杂的话，其生产过程也将远远超过这几个部分。

该生产线的主要任务是将各种原料按一定的比例加入容器中，通过搅拌器搅拌将这些原料混合成一种均匀的溶液，然后经过均质，老化等过程，完成了冰激凌混合液制作。再经过浇注工艺，将冰激凌溶液注入冰激凌模型中，经过凝冻，硬化等处理过程后，完成了冰激凌的第一步制作。然后通过机械手的操作，把刚刚完成的冰激凌转移到另一条流水线上，进行进一步的加工，最后将冰激凌进行再次凝冻，硬化处理，就可以送入包装机进行包装。整个工作过程主要包括配料，均质，老化，浇注，机械手操作，凝冻，硬化和包装。

本设计方案预期所要实现的浇膜型冰激凌流水线主要功能如下

（1）配料。将各种原料按一定比例配好后，送入搅拌机进行搅拌，完成对原料的初步加工。 （2）均质。将混合好的原料送入到均质机，进行高压处理，目的是使料液的乳化能力提高，使产品达到均匀一致，将较大的脂肪粒粉碎成较小的颗粒，使脂肪球直径达到要求（1~2um），使产品组织细腻，提高混合液粘度，使产品润滑、松软，并能提高膨化率。

（3）老化。将混合液保持2~4摄氏度的低温，冷藏一定时间，是指物理上成熟，成为成熟或老化。老化处理就是将经过均质处理的混合液迅速降至老化温度。

（4）浇注原料。将老化后的冰激凌原料添加到冰激凌模具中，以便进行下一步处理。 （5）凝冻。凝冻的作用是使混合液进入半固体状态，通过制冷剂的作用继续降温，并利用搅拌器刮刀将筒壁的混合液刮下后与空气混合使体积膨胀，是液体变为半固体的目的。

（6）硬化。将半成品的冰激凌进行速冻处理，速冻温度一般为25摄氏度左右。 （7）转移操作。主要是通过机械手操作来完成。

（8）包装。将制作完成的冰激凌送入包装机进行包装处理，最后送入冷库存储。

三、设计方案

1．概述

本设计方案的主要内容是利用可编程控制器及电器控制知识，根据PLC控制浇膜型冰激凌生产线的要求，确定系统设计方案，采用西门子S7-300系列PLC作为控制器进行整体设计。主要设计任务分为两个方面：系统硬件设计和软件设计，并考虑安全和保护措施，最后用STEP7仿真软件调试系统程序。

硬件设计部分包括主电路及保护电路等，PLC选型变频器的选择，完成系统总体设计，并绘

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毕业设计方案

制系统接线图。

软件设计采用模块化设计方法，其中包括主电路及保护电路、主机运行手动控制、自动运行控制、急停控制等几个单元模块设计。并用西门子S7-300系列PLC实验装置调试各部分模块程序。浇膜型冰激凌生产线的电气控制系统较为复杂，主要包括配料，均质，老化，浇注，机械手操作，凝冻，硬化和包装几部分的检测与控制。检测元件多是光电开关和接近开关，执行器则是继电器、接触器、电动机等。系统除了自动工作方式外，还设置了手动和必要的安全保护措施。 2．总体框图

控制系统总体框图如图1所示。其中，可编程控制器PLC作为控制机，光电开关和限位开关是检测设备，还包括电动机，气缸等一些被控设备。

硬化设备 各种被控设备 配料设备 PLC 控 制 器 输送泵 均质机 控制面板 传感器信号 老化设备 触摸屏 凝冻设备

3．电气控制设计

在浇膜型冰激凌生产线的控制系统中，要求的数字量输入点和数字量输出点都较多，其中，数字量输入设备主要是各种光电开关、接近开关、手动/自动按钮，开关等27个；外部设备主要有控制传送带的电动机、气缸和继电器等，共18个数字量输出点；还需要对前方机器反馈回来的信号进行处理，这点软件系统可以利用循环系统来实现。

综上所述，根据其电气控制要求以及复杂程度，从经济性，可靠性等方面考虑，并且考虑

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图1 浇膜型冰激凌控制系统总体框图

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10%~20%的裕量，选择西门子S7-300系列PLC作为浇膜型冰激凌生产线电气控制系统设计的控制主机，使用CPU314（6ES7314-1AF10-0AB0）并作如下I/O扩展：数字输入模块选择两块，一块32点的SM321(6ES7321-1BL00-0AA0)和一块16点的SM321(6ES7321-1BH02-0AA0)；数字量输出模块选16点继电器输出的SM322(6ES7322-1HH01-0AA0)和8点的直流输出（6ES7322-1BF01-0AA0),及一块模拟量4AI/2AO的输入输出模块SM334(6ES7334-1KE00-0AB0)。

由于浇膜型冰激凌生产线的电气控制系统较为复杂，主要包括配料，均质，老化，浇注，机械手操作，凝冻，硬化和包装几部分的检测与控制。检测元件多是光电开关和接近开关，执行器则是继电器、接触器、电动机等。

PLC的电气控制柜主要包括两个部分，一部分是机械控制部分，包括一些按钮和主要的机械控制元件；另外一些部分是触摸屏部分，在触摸屏上既可以观察生产线的运行状态，同时也可以通过触摸屏上的感应按钮控制生产线。PLC电器控制柜结构示意图如图2以及电气控制系统详细框图3所示

控制版面 PLC电器控制柜 触摸屏 - 3 -

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