PLC自动封箱控制系统.doc

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PLC自动封箱控制系统 第1章 开箱装箱封箱系统的概述 1.1 课题背景 现代社会中，无论在任何行业，从工厂的生产，到能源的输送，到与人民生活息息相关的市政工程，甚至人们的工作和休息的楼宇，到处都可以看到自动化系统的身影。自动化系统不仅早就成为了工业和社会生活的一个组成部分，而且是经济发展水平的重要标志。 在自动化生产日渐普及的今天，包装机械的自动化程度直接影响到产品的质量和生产效率。在现代化的工业生产中常常需要对产品进行计数，包装，如果这些繁杂的工作让人工去完成的话不但麻烦，而且效率低，劳动强度大，不适合现代化的生产需要。为了适应现代化的大规模生产某种产品，进一步加快工业现代化的发展，提高国民经济，改善人民的生活水平,就必须设计一套完整的自动化生产线，以便用这自动化的生产线来代替人工完成这些繁杂的工作。而且需要对其进行计数，包装，自动化技术的提高能大幅度的提高经济效益，这在包装业中表现的特别明显。近年来，包装生产线的自动化、电子监测和控制系统持续发展，使的包装企业以高速度、较少的停机时间和包装故障，以及产品损耗减少、工伤和老毛病降低等优点而获得出色的成績。2002年11月3至7日在芝加哥举行的国际PACK EXPO上，我們可以看到多家自动化公司展示的最新的包裝设备和新技术。这些经济实用的自动化技术将会成为未来的发展力量。可见自动装箱封箱技术的应用前景十分广阔。 1.2PLC自动控制系统简介 PLC自动控制系统主要是由模仿原继电器控制原理发展起来的，20世纪70年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的便是汽车制造行业。 　　PLC自动控制系统是以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。 　　PLC的CPU内有指示程序不存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC自动控制系统每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC自动控制系统，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。 　　PLC用梯形图编程，在解算逻辑上也表现出快速优点，在微妙量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。 1.3 国外生产线自动化发展概况 从上世纪30年代开始，机械加工企业为了提高生产效率，采用机械化流水作业的生产方式，大型自动生产线承担的加工对象也随之改变。生产线的控制系统使用的继电器数量很多，在频繁动作情况下寿命较短，使生产线的可靠性降低。为了解决这一问题，1969年美国数字设备公司率先研制出第一台可编程控制器（简称PLC），并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功。 70年代出现了计算机群控系统，即直接数控（DNC）系统，由一台较大型计算机控制与管理多台数控机床和数控加工中心能完成多品种，多工序的产品加工。近年来又出现了计算机集成制造系统（CIMS），综合运用计算机辅助设计（CAD），计算机辅助制造（CAM），智能机器人等多项高技术。 近十几年来，国外PLC技术取得了飞跃，其容量成倍扩大、体积不断缩小、功能不断增强，不但具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有PID等特殊控制功能，可直接进行A/D、D/A转换，还开发管控一体化。 第2章 控制系统的的设计 2.1采用PLC可编程序控制器控制系统 开箱装箱封箱系统因其动作复杂、干扰信号多、包装产品品种、规格多等特点，因此可编程控制器(PLC)被应用在其控制中，这是因为PLC具有工作可靠、抗干扰能力强、与工业现场信号直接输入、输出连接容易、编程简单、安装维修方便等优点。 PLC可编程序控制器其实就是工业控制计算机，用以取代传统的中间继电 器、时间继电器、计数器等，并具有一切计算机控制系统的功能。目前PLC已成为工业控制的标准设备，其应用面几乎覆盖了整个工业企业，广泛应用于化工、石油等企业的现代过程控制中。 其优点如下： （1）具有高可靠性。PLC除采用优质器件等外，在硬件方面采用了较先进的电源，用以防止由电源回路串入干扰。其内部采用了电磁屏蔽，以防辐射干扰。而外部输入/输出电路则一律采用光电隔离，加上常规滤波和数字滤波；软件方面设置了警戒时钟WDT、自诊断等措施。因而使得PLC的平均无故障时间达到30万小时，被称为“永远不坏的控制器”，因而可靠性优于传统继电—接触器电气控制系统。 （2）灵活性高、扩展性好、通用性强。它采用程序使得硬件软件化，对于不同的控制系统，只需改变程序即可，因而通用性强。而且现场接口容易，设计周期短。 （3）功能强。PLC具有自诊断、监控和各种报警功能既可完成过程控制，又可进行闭环回路的调节控制，而且在将来的工控领域，可以说是无所不能。 由于生产线上的恶劣环境和电磁干扰，一般的电子仪器都会受到干扰。而PLC是从取代工厂内继电器线路、进行顺序控制发展开来的工业控制产品。PLC由于具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，以及编程简单，维护方便，通讯灵活等优点。在电器控制系统中得到广泛应用。PLC不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成定时、计算、计数和各种闭环控制功能。整个控制系统利用PLC控制传送带实现了空箱传送、产品运输、产品计数等功能。并且有手动控制和自动控制两种控制方式。在生产线自动装箱控制的传送带控制系统应用，可使生产线的控制更加灵活、可靠。进而提高生产效率，突现节约用工，改善工人工作环境，减轻工人劳动强度，节约材料消耗和用工。 2.2开箱装箱封箱系统的结构 该开箱装箱封箱系统属于下沉式开箱装箱封箱系统，为实现全自动包装过程，由以下几部分组成:①纸板供送部分主要有纸板储存区、纸板下吸机构、纸板输送机构;②待装箱产品输送部分主要有待装箱产品分排输送传送带、分组机构;③纸箱装箱开箱部分主要有待装箱产品装箱机构、产品纸箱下沉开箱机构;④喷胶封箱整形部分主要有主输送链机构、前喷胶、左右喷胶及施压装置、整形输出装置。其结构示意图如图1所示。 1-纸板供送部分;2-待装箱产品输送部分;3-纸箱装箱成型部分;4-喷胶封箱整型部分 图1开箱装箱封箱系统结构示意图 2.3开箱装箱封箱系统的工作原理 该机最大特点是由一页根据包装结构形式需求，经过压痕的纸板在装物品的同时自动折叠成纸箱进行装载物品，其工作原理是:将已灌装的容器经输送带输送到分组输送机构进行包装分组，进入装箱机构，同时单张纸板由纸板下吸机构将其从纸板储存区吸下，放到纸板输送机构上输送到装箱机构处，然后随同容器一起由产品纸箱下沉开箱机构处下降到主输送链机构，在这一过程中，纸板按照折痕进行了初步的开箱，随着主输送链机构间歇式的输送过程完成喷胶及施压粘合、整形输出包装机，完成整个包装过程。其包装工艺流程如图2所示。 图2包装工艺流程图 2.4 控制系统组成 该开箱装箱封箱系统控制系统的主要任务是根据待装箱产品的工艺流程对各部分进行协调控制，控制动作主要包括:纸板供送、待装箱产品输送、纸箱装箱开箱、喷胶封箱整形。为完成以上各动作要求，本设备控制系统主要由PLC、各种光电开关、接近开关、磁性开关、电磁阀、交流伺服电机及其控制系统等部分组成，其控制原理如图3所示。 图3控制原理图 第3章 PLC控制系统的设计 3.1 PLC的特点 自动封箱控制系统主要由PLC组成。 可编程序控制器（PLC）是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。因而对于使用者来说，变成完全可以不考虑微处理器内部的复杂结构，不必使用各种计算机使用的语言，而把PLC内部看做是有许多“软继电器”等逻辑部件组成。 可编程控制器的主要特点有： 1.可靠性高，抗干扰能力强。这往往是用户选择控制装置的首要条件。PLC生产厂家在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使它直接安装于工业现场而稳定可靠的工作。目前各厂家生产的PLC，其平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时。而且为了适应特殊场合的需要，有的PLC生产商还采用了冗余设计和差异设计(如德国Pilz公司的PLC），进一步提高了可靠性。 2.适应性强，应用灵活。由于PLC产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求。 3.编程方便，易于使用。PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺序流程图语言（Sequential Function Chart），也称功能图，使编程更简单方便。 4.控制系统设计、安装、调试方便。PLC中含有大量的相当于中间继电器、时间继电器、计数器等的“软元件”。又用程序（软接线）代替硬接线，安装接线工作量少。设计人员只要有PLC就可以进行控制系统的设计并可在实验室进行模拟调试。 5.维修方便，维修工作量小。PLC有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。PLC对其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理。 6.功能完善。除了基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。 由于具有以上特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂，有控制要求，就会有PLC的应用[7]。 同样，可编程控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制,其开发潜力要差于单片机，通用性不好，不同厂家的可编程控制器以及其附属单元都是固定专用等等。 3.2 PLC选用 开箱装箱封箱系统的工作方式分为手动和自动连续式2种方式，考虑到该设备输入点数21个，输出点数15个，可靠性、经济性，该设备控制器选用欧姆龙公司生产的CP1H-X40DT-D型号的PLC，该型号的PLC是具有24个输入点和16个输出点，其中有4轴脉冲输出，可用来通过伺服控制系统控制交流伺服电机，完全能满足开箱装箱封箱系统的控制任务。 3.3 PLC的工作过程 ①输入处理:PLC以重复扫描方式执行用户处理程序，在执行程序前首先按地址编码顺序将所有输入端子的通断状态(输入信号)读入输入映象寄存器中，然后开始执行用户处理程序.在执行过程中，即使输入信号发生变化，输入映象寄存器的内容也不变，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才重新读取输入状态。 ②程序控制:在程序执行阶段，PLC顺序扫描用户程序，每执行一条程序所需要的信息都从输入映象寄存器和其他内部寄存器中读出并参与计算，然后将执行结果写入有关输出映象寄存器中。 ③输出处理:当全部指令执行完毕后，将输出映象寄存器中的状态全部传送到输出锁存寄存器中，构成PLC的实际输出并由输出端子送出。 随着微电子技术的发展，可编程序控制器（PLC）以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，已进入过程控制和位置控制等领域，成为一种多功能、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。 3.4 I/O地址的分配 根据PLC的输入、输出点数及控制要求，该开箱装箱封箱系统I/O地址的分配如表1所示。 表1 I/O地址分配值 3.5 PLC外部接线图 根据开箱装箱封箱系统输入、输出点数及控制要求的需要，本控制系统选用欧姆龙CP1H-X40DT-D型PLC，其外部接线如图4所示。 图4PLC外部接线示意图 3.6 程序流程图 开箱装箱封箱系统(http://www.yuzhuangsh.com/)控制复杂，动作协调性高，因此在控制中除应用了PLC作为主控单元外，还用到了光电开关、磁性开关、接近开关、交流伺服电机等元件，保证该设备的高可靠性。在该包装设备编程过程中考虑到调试、维修的需要，其工作模式设置了手动和自动两种控制方式，其控制流程图如图5所示。 图5控制流程图 第4章 过程分析 4.1工作过程分析 电源一旦接通，便发出一个脉冲使S0.0置1，只有当按下启动按钮I0.0时，S0.0这一状态被置成0，此时传送带B开始启动运行，一直到被开关SQ2检测到才将传送带B停止，等传送带B停止后，传送带A才开始启动，同时传送出物品，产品经过开关SQ1检测，每传送出一个部件，计数器便加1，直到传送出12个产品，计数器便开始动作，计数器常开触点闭合，这时如果没有按下停止按钮，则开始循环工作，传送带A停止，传送带B开始又一轮的启动同时计数器清零使下面的循环能够准确的进行下去。当一旦按下停止按钮I0.1，此时等计数器完成计数任务，传送带A和传送带B同时停止。 此程序还可以对传送带A和B分别进行点动，下面对这一种情况进行详细说明。 当按下停止按钮后，按下按钮I0.2传送带A运行，松开按钮后运行停止，完成对传送带A的点动检测，对于传送带B的点动测试与传送带A的相似，便不再展开说明。 当点动完成后，只有再次按下停止按钮，程序才可以再次重新开始，如果在点动进行后没有按下停止按钮，则当想要程序开始运行时按下启动按钮也不会启动，这样程序很容易实现对设备的运行前检测和故障维修。 4.2控制系统硬件设计 根据自动装箱系统的控制要求,系统应有手动控制和自动控制功能。系统的具体设计过程如下： （1） I/O点数的估算 a、系统输入信号： 自动控制按钮，需要1个输入端； 停止按钮，需要1个输入端； 手动控制时，传送带A和传送带B独立点动控制按钮需要2个输入端； 产品数量检测信号SQ1和空箱位置检测信号SQ2，需要2个输入端； 以上共需6个输入信号点。 B、系统输出信号： 传送带A和传送带B，需用2个控制输出端； 系统上电指示、装箱指示需要2个输出端。 以上共需4个输出信号点。 输入 输出 I0.0 自动控制按钮 Q0.0 B带动指示灯 I0.1 停止安钮 Q0.1 传送带B输出 I0.2 SQ2输入 Q0.2 传送带A输出 I0.3 SQ1输入 Q0.3 装箱指示灯 I0.4 B履带点动 I0.5 A履带点动 （2）实际接线图 Q0.0 Q0.1 Q0.3 Q0.2 I0.3 I0.2 I0.0 I0.5 I0.4 I0.1 4.3控制系统程序设计 1程序梯形图如下： 2、 程序指令如下： 1 LD SM0.1 2 S S0.0,1 3 R M0.0,8 4 R S0.1,7 5 LSCR S0.0 6 LD I0.0 7 SCRT S0.1 8 SCRE 9 LSCR S0.1 10 LD SM0.0 11 = M0.0 12 LD I0.4 13 EU 14 SCRT S0.2 15 SCRE 16 LSCR S0.2 17 LD SM0.0 18 = M0.1 19 LD C20 20 LPS 21 AN I0.1 22 SCRT S0.1 23 LPP 24 A I0.1 25 SCRT S0.0 26 SCRE 27 A I0.5 28 CU C20 29 A S0.1 30 L 12 31 R C20 第5章 系统程序调试及结果 在计算机上进行编程，打开自动装箱控制程序。断电情况下连接好PLC电缆，按照I/O分配表，用实验连线导线将PLC主机模块输入、输出接口与实验板接口一一对应连接，并将PLC主机模块的电源端与实验模块的电源端相连接。下载程序文件到PLC,监控后运行，使PLC进入运行方式。 1、按下自动控制按钮I0.0后，系统指示灯Q0.0亮；同时传送带B启动运行（Q0.2指示灯亮）。 2、当SQ2空箱到位检测信号到（I0.4按钮输入），传送带B停止运行（Q0.2指示灯灭）。同时传送带A启动运行（Q0.1指示灯亮）。 3、当SQ1送入12个计数脉冲时（I0.5按钮12次输入）及累计产品数量达12个时，传送带A停止（Q0.1指示灯灭），同时传送带B启动运行（Q0.2指示灯亮）。 4、当SQ2到位信号到（I0.4按钮输入），系统循环工作。 5、可以实现传送带A、B点动。 结论 在消化吸收国内外同类开箱装箱封箱系统的基础上，更多的使用气动装置代替机械装置，简化了机械传动链，使该设备运动可靠性更高。本文在对开箱装箱封箱系统的工作原理及已设计的机械、气动系统研究的基础上，对PLC控制器的I/O点数进行分配，并设计了PLC接线图及程序控制流程图。研制的开箱装箱封箱系统价格低，可靠性高，必将大范围的代替进口设备，改变目前食品、饮料等行业的装箱现状，为我国企业提高生产效率奠定了物质基础。 致 谢 经过一个多月的设计和开发， PIC自动封箱控制系统基本开发完毕。其功能基本符合用户需求，能够满足生产的要求。但是由于毕业设计时间较短，所以该系统还有许多不尽如人意的地方，在以后的工作中改进。通过本次毕业设计，我学到了很多东西，无论在理论上还是在实践中，都让我受溢非浅。这对于我以后的工作和学习都是一种巨大的财富。同时我非常地感谢我的指导老师，老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平，在系统开发过程中给予了我不少的帮助。在我不知道如何写论文从何落手的时候给了我指点方向,在我感觉到自己知识有所贫乏的时候给了我细心的指导和技术上的支持。帮助解决了不少的难点，使得系统能及时开发完成，使我本身的能力得到了不少的提高，在这感谢她们耐心的辅导。 参考文献 [1]巫莉，黄江峰 电气控制与PLC应用.中国电力出版社，2010.11 [2]廖常初 PLC基础及应用.北京：机械工业出版社，2003 [3]王永华 现代电气控制及 PLC 技术.北京：北京航空航天大学出版社，2003 [4]王健琪 可编程控制原理应用及通信基础.北京：机械工业出版社，1997 [5] 侯志林著《过程控制与自动化仪表》机械工业出版社 1998 [6] 孙平 可编程控制器原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2003.