基于PLC包装机系统设计.doc

湘潭职业技术学院2015届

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摘 要

对某型枕式糖果包装机进行自动化改造。按照生产工艺要求, 选用可编程逻辑控制器( PLC) 作为控制核心,结合变频技术、人机界面技术对糖果包装机控制系统进行了重新设计;控制系统工作正常, 包装速度大幅提升, 满足生产工艺要求。PLC 以及变频技术的应用, 提高了系统自动化程度,成功完成了对原机器的改造.

关键词: PLC、糖果包装机、

目 录
目录 1
第一章 绪论 1
第一节 课题设计的目的及意义 1
第二节 全自动包装机系统国内外形势 2
第三节 采用PLC控制的优点 3
第二章 系统控制方案的确定 3
第一节 本文主要介绍的方向 4
第二节 糖果包装机生产工艺分析 4
第三章 控制系统硬件设计 5
第一节 糖果包装机的开关控制量 5
第二节 糖果包装机对电机的选择 6
第四章 控制系统软件设计 7
第一节 控制系统的选用 7
第二节 PLC程序设计 7
第三节 人机界面设计 8
结束语 19
谢 辞 20
参考文献 21

第一章 绪论
第一节 课题设计的目的及意义
通过本次毕业设计，使得对全自动包装机控制系统现状及发展有进一步了解。了解它们的工程应用熟悉全自动包装机控制系统配置、工艺流程及控制方案。掌握如何进行现场调试及投运。
自动化是现代科技进步的一特征，现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求，同时也为自动化技术的革新提供了必要条件。基于PLC的全自动包装机系统改变着了包装过程的动作方式。实现自动控制的包装系统能够极大地提高生产效率和产品质量，显著消除包装工序及印刷贴标等造成的误差，有效减轻职工的劳动强度并降低能源和资源的消耗。
要想在规定的时间内，为自己创造出最大的利益，就要确保自己的食品包装生产线运行良好，在生产过程中不会出现错误，这样在尽量避免错误出现和故障的影响，才会为企业获得最大的利益。自动化水平在制造工业中不断提高，应用范围正在拓展。包装机械行业中自动化操作正在改变着包装过程的动作方式和包装容器及材料的加工方法。实现自动控制的包装系统能够极大地提高生产效率和产品质量，显著消除包装工序及印刷贴标等造成的误差，有效减轻职工的劳动强度并降低能源和资源的消耗。具有革命意义的自动化改变着包装机械行业的制造方法及其产品的传输方式。设计、安装的自动控制包装系统，无论从提高包装机械行业的产品质量和生产效率方面，还是从消除加工误差和减轻劳动强度方面，都表现出十分明显的作用。尤其是对食品、饮料、药品、电子等行业而言，都是至关重要的。自动装置和系统工程方面的技术正在进一步深化，并得到更广泛的应用。
全自动包装机是以塑料或塑料铝箔薄膜为包装材料，对液体、固体、粉状糊状的食品、粮食、果品、酱菜、果脯、化学药品、药材、电子元件、精密仪器、稀有金属等进行包装。特别适用于茶叶、食品、医药、商店、研究机构等行业，具有外型美观、结构紧凑、效率高、操作简便等优点。
随着自动化程度的提高，包装机的操作、维护和日常保养更加方便简单，降低了对操作人员的专业技能要求。产品包装质量的好坏，直接与温度系统、主机转速精度、追踪系统的稳定性能等息息相关。中国的全自动包装技术是在上世纪80年代初期发展起来的，全自动包装技术在上世纪90年代初期开始少量使用，随着小包装的推广及超市的发展，其适用范围越来越广泛，有些将逐步替代硬包装，前景非常看好。

第二节 全自动包装机系统国内外形势
国内全自动包装机系统虽还较落后，基本仍是手工操作，但有些城市全自动包装机系统引进全部或局部计算机控制，取得了一定的经验。
全自动包装机工业从诞生到现在大体经历了两个发展期：从20世纪50年代开始到80年代中期是第一个发展期，这一时期是从制造简单的抽气机开始的。当时全国生产真空设备的企业不足20家，产品以中低档真空获得设备为主，如制镜镀膜机、香烟包装机等。从20世纪80年代后期到整个90年代是中国全自动包装机工业发展的第二个时期。这期间，生产企业增加到近3000家，从业人员达到3.5万人。整个全自动包装机行业经过“七五”、“八五”的技术改造后整体水平有了大幅提升，从加工条件上讲，加工中心、数控机床、树脂砂铸件等先进生产设备开始装备企业。到1996年，由于炼镁行业的拉动，使全自动包装机行业得到飞速发展。
我国包装机械发展较晚，目前正处于起步应用阶段，虽然从九十年代后，我国的制袋充填机有了较快发展，通过参考国内外产品进行消化吸收，自主开发研制，技术上有了很大的提高，但与国外相比，国内大多数产品技术含量低，产品差异程度低，成熟产品技术易模仿和抄袭，造成低水平重复，阻碍了对包装机的技术创新和发展。在产品技术方面，国内包装机的主要特点如下：
1．速度低，品种少
国外大多数制袋充填包装机根据包装物料的不同和产量的大小，一般在20-100袋/分之间，大多为单列式包装，封合形式一般是三边封，四边封和背封式。
2．精度低
采用螺杆充填的计量充填系统，当充填量为100g～1000g时，国外机器的计量精度一般<1%，而国内一般在62%～63%之间。
3．可靠性低
国内一些企业为了能在产品初期快速赚钱，低价格倾销，采用无质量保证的电子元件、控件或低级的原材料，再加上无规范的加工和装配工艺，没有针对具体情况进行改造，导致产品不稳定或不适合用户使用要求。
4．自动化和智能化水平低
近年来，我国的包装机械虽采取了一些PLC和具有智能控制功能的仪表，但总体来说，大多数还是低水平的机电控制，还没有带有数据储存、采集、修正功能的机器。

第三节 采用PLC控制的优点
（1）控制方式上看：PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。
（2）工作方式看：PLC串行工作，不受制约。
（3）控制速度上看：PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而五抖动一说。
（4）定时、计数看：PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽，有记忆功能。
（5）可靠、维护看：PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。
第二章 系统控制方案的确定
第一节 本文主要介绍的方向
本文主要介绍某枕式包装机在糖果包装中应用较广泛的一种包装设备。本设计涉及的某型枕式包装机主要用于巧克力类糖果的包装, 原系统采用凸轮、棘轮、差速轮系等纯机械装置运动实现, 该方式运行稳定, 但封装精度差, 封装速度不易调整, 效率低下,已不适应生产需求。本试验利用高可靠性的PLC作为控制系统核心, 与日益成熟的传感器技术、变频器技术、人机交互技术相结合重新设计了枕式糖果包装机控制系统, 取得了较理想的效果。

第二节 糖果包装机生产工艺分析
枕式糖果包装机主要由传送机构、包糖机构、送纸机构等组成. 系统在一台212 kW 的三相异步电机驱动下完成各种包装动作.糖果包装主要包括切(送) 包装纸、喷胶、封装3个步骤,工艺流程如图1所示.裸糖由来料传送带送至糖果包装机入口后,由推糖机构将其推入糖果托盘.糖果托盘旋转将裸糖送至包装工位后,包糖机构控制包装纸的切割, 完成包装的整形,并在喷胶机作用下完成糖果包装.包装好的糖果由出料传送带送至成品糖库。

图2-1 糖果包装工艺流程
为了实现糖果包装机的自动控制,系统在来料传送带末端,包糖机构入口处、送纸机构部分中的送纸电磁阀附近、出料传送带上端分别增加了光电传感器、色标传感器、行程开关SQ 3个传感器, 分别用于糖果检测、包装纸定位及限高检测.
另外, 在送纸机构部分新增步进电机及其驱动器1台.光电传感器检测到糖果到来时, 向PLC 发出信号, 控制推糖机构电磁阀吸合、下拉推糖机构,将糖果送入糖果托盘. 糖果进入糖果托盘延时一段时间(糖果从包装系统入口转至包装位置所需时间)后, 送纸系统开始向包装系统送包装纸.PLC 利用送纸部分中的色传感器与步进电机完成包装纸的精确定位: 当包装纸长度不合标准时,PLC 向步进电机驱动器发出脉冲, 控制步进电机前后转动, 将包装纸拖拉到准确位置. 包装纸到位后, 在包糖机构的作用下, 完成糖果包装. 糖果包装完成后, 经由出料传送带送至成品糖库, 当糖果超高时, 视为不合格品, 会触动SQ, 系统会发出报警信号, 将其剔出. 系统反复重复以上动作, 实现糖果包装自动化.
第三章 控制系统硬件设计
第一节 糖果包装机的开关控制量
系统主要为开关量控制, 经分析, 共有16个开关输入量, 16个开关输出量. 根据输入输出信号的数量、类型、控制要求, 同时按I/O点数20%~ 30% 的备用量原则, 系统选用了台达DVP)64EH 型整体式PLC 作为控制核心[ 2] . DVP)64EH 是一款可扩充的高性能型主机,具有高速度、高性能的小型PLC, 应用领域相当广泛, 有32个输入点、32个输出点, 同时拥有RS-232、RS-4852种通讯接口, 完全能满足控制要求.
表3-1 糖果包装机PLC I/O分配表
输入项目名称
地址
输出项目名称
地址
编码器A相输入
X0
步进电机PLS-
Y0
编码器B相输入
X1
步进电机DIR-
Y1
编码器Z相输入
X2
步进电机FREE-
Y2
启动
X4
喷胶电磁阀
Y3
停止
X5
运行指示
Y4
手动/自动
X6
色标补偿
Y5
色标开关
X7
缺纸断纸
Y6
强行送纸
X10
产品过大指示
Y7
压缩空气
X11
送纸电磁阀
Y10
变频器故障
X12
推糖电磁阀1
Y11
色标传感器
X13
变频器继电器
Y12
来料检测
X14
压缩空气继电器
Y13
皱纸检测
X15
送纸电磁阀
Y14
断纸开关
X16
推糖电磁阀2
Y15
产品过大输入
X17
压缩空气电磁阀
Y16
故障复位
X20
变频器故障
Y17

第二节 糖果包装机对电机的选择
糖果包装速度是由主电机的运行速度所决定的, 因此, 包装速度的控制实际上就是对主电机运行速度的控制. 变频调速是最经济、可靠的调速方式. 根据主电机的功率, 系统选用了容量为212kW 台达VFD22M43B 变频器. 光电编码器与PLC、变频器组成的闭环调速系统, 进一步提高了包装速度的精度. PLC 通过RS-485与变频器进行通讯.

图3-1 系统硬件框图

第四章 控制系统软件设计
糖果包装机有手动和自动2种工作方式, 可通过工作方式开关X6 进行选择, 调试或单件生产时用手动工作方式, 连续生产时用自动工作方式. 当工作方式开关X6置于手动时, 可通过操作面板上的相应按钮运行对应工序; 工作方式设为自动时, 系统自动运行, 并可对意外故障人工干预,紧急停机。

第一节 控制系统的选用
控制系统选用DVP-TOP4G 人机界面实现对各设备运行状态进行监视和提示, 并完成简单的系统参数设置. 人机界面使用RS-232与PLC 进行通讯.系统配备一个电气控制柜. PLC、变频器、人机界面等均安装在控制柜中. 包装纸长度设定、包装速度设定等操作在人机界面上完成, 而设备的启/停、压缩空气开关等操作则通过控制柜上的手动按钮完成

第二节 PLC程序设计
控制系统PLC 的I/O分配如表1所示,使用台达DVP系统PLC 专用编程软件WPLSoft进行程序编制.WPLSoft为台达电子- 可编程序控制器DVP系列在W INDOWS操作系统环境下所使用的程序编程软件. WPL Soft除了一般PLC 程序的规划及W INDOWS的一般编辑功能外, 另提供多种中/英文批注编辑及其他便利功能.DVP 系列的PLC编程语言有3种: 梯形图( LD )、指令表( STL)、顺序功能流程图语言( SFC),其他编程语言作为可选软件包使用.通过WPLS oft在W INDOWS环境下对系统进行配置、程序编制、调试和监视,用户界面方便友好。程序编译成功后,通过连接上位机和PLC 的RS232接口将程序下载至PLC中。
控制系统程序引入了模块化思想进行编程,结构清晰,调试方便. 根据功能、控制对象的不同,系统分为自检模块、运行模块、故障模块、停车模块, 由一个主程序、若干子程序构成.主程序的功能是检测各按钮及故障报警状态, 在需要的时候调用各个子程序,以完成相应的控制功能. 图3所示为主程序流程. 自检模块主要完成PLC、步进电机驱动器、变频器的状态检测及其初始化, 确认设备状态正常后, PLC 才会按指令继续运行. 运行模块是控制系统软件的核心, 糖果包装机在运行模块程序驱动下,完成糖果的包装. 运行模块根据工作方式又分为自动运行模式子模块、手动运行子模块. 自动运行模式子模块程序如图4所示. 故障模块完成故障的处理工作.当系统出现故障时,错误信息会传送至故障模块, 由故障模块将其错误的性质、类型、严重性做出判断,一般故障时, 仅向人机界面发出错误提示信息,错误严重时调用停车模块,中止生产并发出警报.
第三节 人机界面设计
TOP04G 型人机界面最大可显示4行文字信息,除基本的显示功能外,系统还自带命令操作键,数值、功能键等,用于完成画面的翻转、调用及相关量的设定. 本系统通过人机界面命令操作键与复合功能键组合, 实现了包装速度、包装纸长度的设定,同时实时监控显示包装速度、色标补偿方向、补偿长度等数据。

图4-1 糖果包装机控制系统程序总体流程图

图4-2 自动运行模式程序流程图

一、 电机的PLC控制指令语句
LDP X4
AND X6
ANI X12
ANI X15
ANI X16
ANI X17
SET M2
LD M2
AND X6
ANI X12
ANI X15
ANI X16
ANI X17
AND T0
SET Y12
RST M2
LD X4
ANI X6
ANI X12
ANI X15
ANI X16
ANI X16
ANI X17
AND T0
SET Y12
LDF X4
ANI X6
ANI X12
ANI X15
ANI X16
ANI X17
RST Y12
LDP X5
OR X16
OR X17
OR X15
RST Y12
LD Y12
OUT Y4

二、糖果包装机控制系统梯形图

图4-3 梯形图的设计

结束语
糖果包装机控制系统设计完成后, 经过安装与调试, 目前已经投入实际生产。系统运行良好,各项功能达到了预先设计目标, 改造后的糖果包装机最大包装速度由原来的200 个/m in 提升到350个/m in,正常包装速度提高50% 以上. PLC 控制系统和变频技术的使用,大大提高了包装的效率,增强了系统的可靠性, 取得了良好的经济效益.

谢 辞

首先诚挚的感谢指导老师蒋老师，在你的悉心教导下使我的毕业设计能够顺利的完成。不时的讨论并指点我正确的方向，使我在毕业设计这段时间中获益匪浅。让我在以后的工作中能够做得更好。
在三年大学生涯快要结束的时候还要感谢这三年来遇到的每个老师对我的关心和照顾。在这三年里你们不仅教会了我很多知识，还教会了我很多做人的道理，让我懂得了人生的价值观，能让我在以后的人生路上少走弯路。祝福各位老师工作顺利，身体健康，家庭和睦。
最后还要感谢我的每一个同学，是你们让我懂得了集体，让我懂得了友情，这是我人生的一大财富。再过不了多久我们就要各奔东西去追求自己的理想，希望以后我们都能实现自己的理想，在很多年后当我们想起这三年的酸甜苦辣时，相信我们都会感到幸福。

参考文献

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