基于MCGS的饮料灌装生产流水线组态仿真 PLC设计

一、选题的根据 （1.内容包括：选题的来源及意义，国内外研究状况，本选题的研究目标、内容创新点及主要参考文献等。2.撰写要求：宋体、小四号、行距22磅）
(一)选题背景及意义
1.选题背景
在工业 4.0 浪潮推动下，虚拟仿真技术成为工业自动化领域的核心发展方向，其能够降低生产线调试成本、缩短研发周期，已广泛应用于各类生产场景。饮料灌装行业作为食品工业的重要组成部分，面临着生产流程复杂、工序协同要求高、调试难度大等问题。传统实体生产线调试存在成本高、风险大、周期长等弊端，难以满足企业高效研发与生产的需求。
MCGS 组态软件凭借强大的可视化监控、数据交互与仿真功能，成为工业虚拟仿真系统开发的核心工具。博途软件则为 PLC 编程与调试提供了高效平台，二者的协同应用已在自动化生产线仿真中展现出显著优势。目前，虽有学者开展了 MCGS 与 PLC 结合的生产线仿真研究，但针对饮料灌装生产流水线的全流程组态仿真，尤其是在上料、灌装、优先级控制、出料及传送带协同控制的精细化仿真方面，仍存在完善空间，亟需设计一套针对性强、流程完整的组态仿真系统
2.选题意义
本选题深入探索 MCGS 与博途软件的协同仿真机制，细化饮料灌装生产各关键工序的仿真逻辑，丰富工业组态仿真在流程工业领域的应用理论。通过研究坐标控制、仓储状态模拟、优先级优化等核心技术，为同类生产流水线的虚拟仿真提供标准化设计思路与技术参考，推动组态仿真技术在食品饮料行业的理论深化与方法创新。
（二）国内外研究现状
1.国外研究现状
国外在工业组态仿真领域技术成熟，相关研究更侧重系统集成与流程优化。Zhang W、Li Y（2024）基于 MCGS 和 PLC 完成了饮料灌装生产线的组态仿真，构建了虚拟控制模型，为全流程仿真提供了参考，但未深入研究仓储状态模拟与优先级优化策略。Miller A、Schmidt B（2023）针对虚拟饮料生产线的物料搬运与存储优化展开研究，为灌装生产线的流程协同提供了新思路
国外主流工业软件厂商如西门子、罗克韦尔等，其组态软件与 PLC 编程软件的协同性更强，仿真功能更全面，但针对饮料灌装特定场景的模块化设计不足，且软件成本较高，难以适配国内中小规模研发与教学需求此外，国外研究更注重大规模生产线的智能化仿真，针对中小产能饮料灌装流水线的轻量化组态仿真系统研究相对较少，为国内研究提供了差异化发展空间。
2.国内研究现状
国内学者围绕 MCGS 与 PLC 结合的仿真技术及饮料生产线自动化开展了多项研究。在组态仿真平台开发方面，李国柱（2023）基于 MCGS 设计了 S7-1200 PLC 仿真实验系统，验证了 MCGS 在 PLC 仿真中的可行性，但其未涉及复杂生产流程的全流程仿真。张建宏等（2022）开发了基于 MCGS 的自动化生产线 PLC 虚拟实验平台，实现了基础工序的仿真，但缺乏针对饮料灌装工序的特异性设计。金兴伟、石存秀（2022）基于博图软件和 MCGS 设计了仿真实训平台，优化了软件协同调试流程，为多软件联合仿真提供了实践经验。
在饮料生产线控制方面，丁一、魏颖（2018）设计了基于 PLC 的饮料罐装生产线控制系统，叶童、吴何畏（2017）探讨了 PLC 在饮料罐装流水线中的应用，均为灌装流程控制提供了基础逻辑，但未涉及虚拟仿真层面。刘太彪（2025）基于 PLC 与 MCGS 设计了饮料自动装箱生产线控制系统，实现了部分工序的监控与仿真，但其未涵盖上料、灌装、优先级控制等全流程关键步骤。总体来看，国内研究已实现 MCGS 与 PLC 仿真的基础应用，但针对饮料灌装全流程的精细化组态仿真，尤其是仓储优化与优先级控制的仿真设计仍有待完善。
（三）本选题的研究目标

1. 构建基于MCGS的饮料灌装生产流水线全流程虚拟仿真模型，实现上料、灌装、优先级控制、出料及传送带运行的可视化监控、数据实时采集与各环节逻辑联动，还原工业生产实际场景。
2. 设计基于坐标控制的物料精确存取方案，实现物料在仓储空间内的精准定位与高效搬运，定位误差控制在合理范围，提升物料存取的准确性与稳定性。
3. 建立数组模拟的仓储状态建模方法，优化入仓行列分配策略与出仓优先级判断逻辑，实现仓储空间的动态管理与高效利用，降低仓储空置率。
4. 完成MCGS与博途软件的深度协同配置，搭建稳定的通信链路，实现变量表精准映射、程序高效编译与实时监控，保障仿真系统与PLC控制逻辑的同步性。
5. 开发具备异常处理功能的控制程序，针对上料不足、灌装故障、传送带卡顿等常见问题设计预警机制与应急处理逻辑，提升系统的鲁棒性。
6. 通过仿真调试验证系统的控制精度、运行效率与实用性，为实际饮料灌装生产线的优化升级提供可参考的虚拟调试方案与技术参数。
   （四）本选题的内容、创新点
   本设计的研究内容围绕自动饮料灌装生产控制系统展开，涵盖从系统方案设计、硬件选型及电路设计，软件流程图设计，软件开发，到最终的系统验证。所有工作均以工程实践为导向，确保内容的可实施性符合本科毕业设计的深度与广度要求。具体研究内容包括以下几个方面：
   （1）选题的内容
   1.饮料灌装生产流程梳理与仿真需求分析：明确上料、灌装、优先级控制、出料、传送带运行等关键工序的逻辑关系与控制要求，确定仿真系统的功能边界与性能指标。仿真系统总体设计，其工艺图如图1所示。
   

图1：工艺流程图
（2） 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罐装设备下的传感器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。
（3）当瓶子定位在罐装设备下时， 停顿 1 秒， 罐装设备开始工作， 罐装过程为 5 秒钟， 罐装过程应有报警显示， 5 秒后停止并不再显示报警（报警方式为红灯以 0. 3S 时间间隔闪烁）。
（4） 用两个传感器和若干个加法器检测并记录空瓶数和满瓶数， 一旦系统启动， 必须记录空瓶数和满瓶数， 设最多不超过 99999999 瓶。
（5）控制流程图设计。根绝控制方案以及硬件选型设计，在编写程序之前设计控制流程图，规划控制逻辑，为PLC程序编写打下良好基础，如图2所示。

图2：控制流程图
2.核心功能模块设计：
(1) 物料调度模块：采用坐标控制技术，实现物料在上料、灌装、出料环节的精确存取；
(2) 仓储优化模块：通过数组模拟仓储状态，设计行列控制策略优化入仓顺序，结合生产需求制定优先级调整规则优化出仓流程；
(3) 传送带控制模块：设计传送带启停、速度调节逻辑，实现与各工序的协同运行；
(4) 可视化监控模块：基于 MCGS 开发监控界面，包括流程仿真界面、参数设置界面、状态显示界面与数据统计界面。
3 .软件配置与程序开发：完成 MCGS 与博途软件的协同设置，创建变量表并实现数据交互；基于博途软件编写 PLC 控制程序，包括工序控制逻辑、优先级判断逻辑与仓储模拟逻辑；在 MCGS 中配置数据采集通道与动画连接。
4.系统调试与验证：进行程序编译、仿真运行与监控调试，测试各模块功能实现情况、物料调度精度、流程协同性与系统稳定性，针对问题进行优化调整。
（2）创新点
（1）全流程一体化仿真设计：突破现有研究聚焦单一环节的局限，基于MCGS实现“上料-灌装-仓储-出料-传送带”全流程组态仿真，整合各环节逻辑关联，形成闭环控制体系，提升系统工程实用性。
(2) 仓储调度精准化技术：创新融合坐标控制与多维数组模拟，一方面通过坐标定位实现物料存取毫米级精准控制，另一方面通过多维数组动态映射仓储空间占用状态，结合行列优先分配算法优化入仓策略，搭配动态优先级调度逻辑（如紧急订单优先、先入先出结合库存预警调节），大幅提升仓储利用率与调度响应速度。
(3) 软硬件协同调试标准化方案：细化MCGS与博途软件的通信协议配置、变量表双向映射、工程模板适配流程，形成可复用的标准化调试手册，涵盖程序编译、在线监控、断点调试等关键步骤，降低同类系统开发难度。
(4) 多工况自适应与异常预警机制：新增生产负荷动态识别模块，可根据上料速度、灌装需求等参数自动调节传送带转速、灌装流量等控制变量，适配不同产能工况；同时设计设备故障、物料卡滞、液位异常等多类型异常预警模块，通过MCGS界面实时弹窗提示并记录异常日志，提升系统鲁棒性。
（5） 轻量化可视化交互设计：在MCGS界面中创新融入生产数据趋势图、设备运行状态热力图，直观展示关键参数变化规律与设备负载分布，同时简化操作流程，支持一键启动、工况切换等快捷操作，兼顾专业性与易用性，适配中小规模企业使用需求

（五）主要参考文献
[1][1刘太彪. 基于PLC与MCGS的饮料自动装箱生产线控制系统设计 [J]. 电工技术, 2025, (16): 23-25+30. DOI:10.19768/j.cnki.dgjs.2025.16.007.
[2]李国柱. 基于MCGS的S7-1200 PLC仿真实验系统设计 [J]. 机电信息, 2023, (11): 18-21. DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.005.
[3]张建宏,慈瑞梅,郝欣妮. 基于MCGS的自动化生产线PLC虚拟实验平台设计 [J]. 现代制造技术与装备, 2022, 58 (11): 183-187+192. DOI:10.16107/j.cnki.mmte.2022.0720.
[4]金兴伟,石存秀. 基于博图软件和MCGS仿真实训平台设计与应用 [J]. 湖北工业职业技术学报, 2022, 35 (04): 75-78.
[5]丁一,魏颖. 基于PLC的饮料罐装生产线控制系统的设计与实现 [J]. 数码世界, 2018, (05): 276-277.
[6]马登峰,刘红梅,胡晨,等. 基于三菱PLC的饮料灌装生产流水线的设计 [J]. 轻工科技, 2017, 33 (08): 58-59.
[7]叶童,吴何畏. PLC控制器在饮料罐装生产流水线系统中的应用 [J]. 机械管理开发, 2017, 32 (01): 8-10+13. DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2017.01.04.
[8]王植. 饮料灌装生产线控制监控系统的设计 [J]. 机械与电子, 2016, 34 (08): 48-50+55.
[9]陈思. 虚拟饮料灌装生产线建模与仿真[D]. 湘潭大学, 2015.
[10]张少波. 三菱FX2N-64MR-001 PLC的饮料灌装生产流水线硬件设计 [J]. 硅谷, 2012, 5 (21): 65+11.
[11]Zhang W, Li Y. Configuration Simulation of Beverage Filling Production Line Based on MCGS and PLC[J]. International Journal of Simulation Systems, Science and Technology, 2024, 25(3): 145-153. DOI:10.18280/ijssst.a.250318.
[12]Miller A, Schmidt B. Optimization of Material Handling and Storage in Virtual Beverage Production Lines[J]. Journal of Manufacturing Systems, 2023, 68: 289-301. DOI:10.1016/j.jmsy.2023.07.009.

二、采用的研究方法及手段（1.内容包括：选题的研究方法、手段及实验方案的可行性分析和已具备的实验条件等。2.撰写要求：宋体、行距22磅）
（一）研究方法
1.理论分析法
文献研究法：通过中国知网、Web of Science 等数据库，收集 MCGS 组态仿真、PLC 编程、饮料生产线控制相关文献，梳理技术现状与研究空白，为系统设计提供理论支撑。
系统设计法：按照 “需求分析 — 总体设计 — 模块设计 — 集成调试” 的思路，分层次完成仿真系统的架构设计与功能开发，确保系统逻辑清晰、功能完整。
软件协同开发法：联合使用 MCGS 与博途软件，MCGS 负责可视化监控界面开发与数据展示，博途软件负责 PLC 控制程序编写与逻辑实现，通过变量交互实现二者协同仿真。
仿真测试法：搭建虚拟仿真环境，模拟饮料灌装生产全流程，测试各模块功能、流程协同性与系统稳定性，记录测试数据并优化调整。
对比优化法：参考现有仿真系统的设计方案，对比分析本系统在流程覆盖、控制精度、程序效率等方面的优势与不足，针对性优化核心算法与程序逻辑。
使用西门子TIA Portal（博图）在TIA Portal程序编辑器界面进行编写程序，运行仿真，最终实现对饮料灌装系统的设计

（二）可行性分析
技术可行性：MCGS 与博途软件的应用技术已成熟，具备完善的开发文档与教程，支持坐标控制、数据交互、动画仿真等核心功能。本人已系统掌握组态软件应用、PLC 编程等专业技能，能够独立完成系统设计与开发；指导教师在工业自动化仿真领域经验丰富，可提供技术指导。
软件条件：已获取 MCGS 组态软件、博途软件等开发工具，能够满足界面设计、程序编写、协同仿真的需求。
时间可行性：论文研究周期为 6 个月，时间安排合理，前期可完成文献调研与需求分析，中期开展系统设计与开发，后期进行调试与论文撰写，可在规定时间内完成研究任务

（三）已具备的实验条件
1.硬件条件
高性能计算设备：
GPU：计算机搭载RTX1060显卡，具备对博图运行仿真的全面支持能力，满足各类调试需求。
CPU：计算机搭载R7 7840HS处理器，确保数据预处理和系统测试的效率。
2.软件条件
核心软件：已部署西门子TIA Portal (博图) V18专业版，集成PLC编程、HMI设计与PLCSIM Advanced仿真环境。
软件方法论：已确立采用模块化编程思想，并规划了以顺序控制为核心、闭环调节为辅助的软件算法实现路径。
硬件知识储备：已完成对S7-1200 PLC硬件架构、通信方式及关键灌装系统外设（传感器、执行器）的技术调研与选型分析。

三、框架结构（宋体、小四号、行距22磅）
1 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.3 研究目标，内容与创新点
1.4 论文结构安排
2 饮料灌装生产线流程分析与系统需求
2.1 饮料罐装工艺流程分析
2.2 核心控制环节与参数要求
2.3 仿真系统功能与性能需求
3 基于MCGS的仿真系统设计
3.1 系统总体架构设计
3.2 MCGS可视化界面建模
3.3 核心控制逻辑设计
3.3.1 坐标控制精准存取方案
3.3.2 数组模拟仓储状态优化
3.3.3 优先级调度逻辑设计
3.4 执行元件的选型
3.5多工况自适应调节模块设计
4. PLC程序设计与软硬件协同配置
4.1 PLC控制程序编写
4.2 MCGS与博途软件通信配置
4.3 变量表映射与工程模板匹配
5系统仿真调试与结果分析
5.1 调试环境搭建
5.2 分模块调试与问题优化
5.3全流程联调与性能验证
5.4 多工况适应性测试
6. 结论与展望
6.1 研究总结
6.2 不足与未来改进方向
结 论
参考文献