基于plc糖果包装机控制系统.doc

毕业设计（论文）题目 基于PLC糖果包装机控制系统设计 学 部 信息与电子学部 专业名称 自动化 班级学号 128202208 学生姓名 丁极学 指导教师 李海燕 二O一六 年 五 月 学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期：导师签名： 日期：基于台达PLC糖果包装机控制系统 学生姓名：丁极学 班级：1282022 指导老师：李海燕摘要：可编程逻辑控制器（PLC）在现代工业自动化生产中应用十分广泛，其功能强大，性能稳定、可靠，是控制系统的核心部件。本设计简单阐述了台达PLC电气控制技术，台达变频器，和我们学的光电传感器应用技术于全面应用的先进控制技术在糖果包装机中的实际应用。论文的主要内容包括：对糖果包装机系统进行了介绍及控制系统的总体设计。我们通过在工厂实习对糖果包装机的生产流程有了一定的了解，比如：控制要求，系统所需所需的I/O数，对包装机了解，我们进行了台达PLC、变频器、步进电机、光电传感器的重要选型。对系统中的供电模块、执行主电机模块、包装纸同步控制模块进行了设计，然后对糖果包装机的控制系统设计进行了简述，完成对整个控制系统的搭建，其内容主要包括：PLC的I/O分配；主电机的PLC控制指令语句表的完成。利用台达公司WPLsoft对控制系统软件进行了设计糖果包装机控制系统的设计工作得以顺利完成，取得了良好的控制效果。我们做的包装机，它的稳定可靠性好，可简单实现糖果尺寸在一定范围内可以根据人民的需要选型，技术简单，制造工艺自动化，节能化对环境污染小，生产过程不仅高度自动化，外观形状美观，质量也有保障。而且该机结构简单，抗干扰能力强，适合于各种环境下进行工作，有广泛的应用前景。关键词 ：变频技术 光电感应 PLC 糖果包装机 指导老师签名： The candy packing machine based on PLC control system designName: Ding Ji Xue Class: 1282022Supervisor: Li Hai YanAbstract：This paper is mainly focused on the design of control system of candy packing machine.This paper takes the control system of candy packing machine, as background and demonstrates the application of the advanced control technique integrated with PLC control technique, the inverter technique and light electricity technique etc. We analysed the technics of candy producing and chose important control devices such as PLC, inverter, step-motor and so on according to the analysed data. We designed its electric schematic and its PLC program with WPL soft, Human machine interface (HMI) with TPEditor.With the great efforts, the design of the control system has been finished. Now this machine has already been tested in the factory. It runs well in the lab and basically realized the control request which the company demanded.This article is designed packaing machine stability and reliability, efficiency, productivity, and candy can be achieved within a certain range in size according to need on-demand, technology, practical, advanced manufacturing technology, product energy conservation, the production process is highly mechanized, automated, beautiful appearance, in good quality. Simple structure, anti-interference ability, suitable for a variety of work environments, a wide range of applications.Keywords : Inverter Sensor PLC packing machine Signature of Supervisor：目 录1 绪论11.1 研究的背景及意义11.2 国内外研究现状21.3 本设计的研究主要内容32 控制系统总体方案确定42.1 糖果包装机的概述42.2糖果包装机生产工艺62.3 糖果包装机控制要求72.3.1 包装机控制对象分析72.3.2 控制系统方式选择82.3.3系统运行方式93 糖果包装机控制系统硬件设计与选型103.1 主要器件的选型103.1.1三相异步电机的选型103.1.2 PLC的选型103.1.3 I/O地址分配103.1.4 变频器的选择 113.1.5 步进电机及其驱动器选择123.1.6传感器选择143.2 控制系统的硬件设计153.2.1 供电模块设计图153.2.2 执行主电机模块设计163.2.3 包装纸同步控制模块设计173.3糖果包装机控制系统总体电气原理图193.4主电路接线图204 糖果包装机控制系统软件设计214.1 PLC程序设计214.2 糖果包装机的功能流程21 4.3 梯形图的输入234.3.1启动程序234.3.2程序编译244.3.3 自动运行灯调试244.4 程序编写254.5利空组态软件的实现254.5.1 力控仿真运行265 结论29参考文献30致谢词31附 录32附录一32南昌航空大学科技学院2016届学士学位论文基于PLC糖果包装机控制系统1 绪论由于我国轻工业生产的高速发展，现在产品包装逐步实现智能自动化，因此出现了比一般工作机更高效率的自动包装，糖果包装机有了很大的发展与改进，我国可以成功生产各种型号的糖果包装机，大、中型糖果厂已初步实现了糖果的自动化包装，一些工厂还装备有保温、匀条、成型及包装一体化的糖果生产流水线。但是，我国糖果包装和世界水平相比，差距还是有的，因此，我们必须实现提高糖果自动包装水平。糖果包装机有一定的优点：1.自动化程度高 糖果包装机一般都是自动包装机，其结构复杂，自动化程度高。它可以使送纸、切纸、抄纸、理糖、裹包及推糖全过程自动完成。2.便于调节糖块的形状 为使糖果包装机能可靠地工作，糖果包装机都有调节系统和一定范围内的无极变速装置。3.功率消耗小 糖果包装机的包装对象（糖块）的质量小（一般不超过20克），机器的功率主要用于克服摩擦力，所以功率消耗小，一般电动机功率都在2kW以下。4.卫生要求高 糖果包装机必须保证糖果的卫生质量。直接和糖块接触的构件应符合食品卫生要求，且能迅速地分解和组合，形状简单，便于洗涤。糖果包装机属于食品行业产品，包装形式有很多种。这种包装机一般采用卷盘式包装材料，在主机上实现包装材料分切、包裹及封口工序。1.1 研究的背景及意义随着现在人民对食品行业的需求，并且还要保证食品的卫生质量安全可靠，在人民心目中占主要地位，具有不可替代性，尤其是随着我国居民收入越来越高提高、人民的生活逐渐改善，这样就带动了食品包装的发展，包装食品行业对包装机的要求也提高。去年食品工业发展已经占全国很大比重，并且逐年会呈上升趋势。随着食品行业的飞速发展进而一定会带动食品包装行业的发展，所以对食品包装机的改造创新是非常必要的。 自2006年以来,中国的糖果市场一直保持着18%-23%的速度增长,比全球糖果市场搞出好几个百分点,成为食品工业中快速发展的行业之一。2008年,由于三聚氰胺事件糖果包装受到了一定影响,部分糖销售量呈现下滑,但市场总体仍保持了增长趋势。今后数年内,糖果行业将保持25%左右的增长速度发展。 随着糖果包装机自动化程度的提高、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。糖果生产过程有很多重要环节，其中一个重要的环节是糖果包装，封装的速度和精度直接影响企业生产的效率和效益。1.2 国内外研究现状目前，我国的食品包装大部分规模逐渐小型化，“小型”是主要特征之一，同时要求食品包装的速度和精度都要到达很高的要求，因此，以前人工包装不仅生产效率低下、工艺水平落后，而且封装不易调整，阻碍行业的发展，已不适应生产需求。随着科学技术的不断创新与发展，各种食品、水产加工品的出现，对食品包装技术和设备都提出了很高新的要求。国外已经有较多的成熟产品，国外糖果包装技术发展迅速，并在高速包装，包装多样性，尤其在多层包装等方面取得很好的成果。美国、意大利、德国等国技术技术领先，都能生产出一批批性能优异便于操作的糖果包装机，并在各食品行业中得到广泛应用。现在，食品包装机竞争越来越激烈，所以未来的食品包装机水平也会得到很大提高，比如：高效率、高利用化，节能，低消耗。我国自动包装机的发展趋势：(1) 资源的高利用化资源的高利用化有三重含义：提高资源的综合利用率；提高有效成分的提取率；减少其营养成分的损失。(2) 产品节能化节能的新技术、新产品已成为当今国内外包装工业的发展重点，在包装机械中，广泛采用节能技术对降低生产和提高经济效益具有重要作用。 (3) 高技术实用化在包装机械中采用微机技术、真空技术、无菌包装、膜分离技术、超高压等新技术，可提高产品品质。(4) 加强科研、开发能力加快科研成果向商业转化的步伐，使科学技术真正成为解放生产力和推动社会进步的强大动力。1.3 本设计的研究主要内容 本设计结合块状糖果包装机的动作工艺流程特点，以台达PLC技术为基础，构建设计完成糖果包装机的控制系统设计方案，控制系统中的主电路，控制电路的设计，实现系统的自动化、智能化。主要任务包括以下几点：(1)咨询工厂的工程师和查阅他们给的资料手术，了解糖果包装机的工艺特点；(2)熟悉产品工艺流程后，根据其要求确定控制系统设计方案； (3)对控制系统所用的设备进行选型； (4)对硬件和软件进行总体设计(5)根据所选设备绘制相关的主电路控制电路电器原理图； (6)I/0接口信号的确定、模块的选择，控制程序的设计与调试。 (7)利用台达PLC编程软件WPLSoft进行程序编程； 2 控制系统总体方案确定 2.1 糖果包装机的概述PLC控制系统已经广泛应用很多工业领域中，基于台达PLC糖果包装机的控制系统，按照市场要求能生产出小批量，多品种，多规格的各式糖果包装，为了到达生产的这一要求，因此，要求生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，此类PLC控制系统专为在工业环境下应用而设计的，PLC的应用面广，功能强大，使用简单，是现代工厂工业自动化的不可缺少的设备之一。糖果包装机是一款高速糖果包装机械，可以包装各类块状糖果。台达PLC控制系统，它的效率很高，比如我们事先设计要包装纸的位置，然后启动程序，无需人工再次调节，一步就可以到位，省时又能完成我们的要求。参数方便设定，故障也能自行诊断，一目了然，可以将检测出来的信息记忆，指令可以远距离执行机构所规定的动作要求，如自动剔除不合格品，没有料就不送袋。高敏感的色标传感器对包装纸进行跟踪，让纸到达正确的位置才封切。温度独立PID控制，这样能更好适合各种包装材质。卫生要求高，糖果包装机必须保证糖果的卫生质量。直接和糖块接触的构件应符合食品卫生要求，且能迅速地分解和组合，形状简单，便于洗涤。整个设备可以分为三大部分：生产线送糖机构，糖果包装机构，包装纸机构。目前我国糖果包装机的总体外观图如图所示。 图2-1 糖果包装机外观 生产送糖部分部分直接与糖果生产线相连，通过他传送带将糖果送至糖果包装部分入口处。该部分只可以可通过一颗糖果，接着后面的糖果排成队列有序的通过包装机入口。接着传送带会运动将糖果送到糖果托盘中，到了托盘后，糖果再次送到钳糖机械手上，包装完成后又会通过传送带输出，送入糖果库。糖送到托盘上以后，沿着糖杆向下运动，顶糖杆向上运动使糖块和包装自夹在两者之间，然后一起动作，同步上升，进入机械手，使包装纸成规则形，经过折边器折一边，由转盘带着机械手旋转，经过托板，是包装纸全部覆盖带糖块的端面上，完成全部包装。所有控制由软件实现，方便功能调整和技术升级，永不落后。 糖果包装机的自动化程度高，一般都是自动包装机，其结构复杂，自动化程度高，它可以是送纸，切纸，抄纸，理糖，包裹及打糖过程自动完善。易于调节糖块的形状，大小，及包装纸的性能，为使糖果包装机能可靠地工作，糖果包装机都有调节系统和一定范围内的无级变速装置。可以根据人民的需求，对糖果包装的速度进行变速，糖果包装机还可以按照我们的要求更换糖果尺寸大小（但必须为颗粒状的，其尺寸大小在长100-450mm，宽15-370mm，高5-80mm范围内）。2.2糖果包装机生产工艺糖果包装机主要由生产线送糖机构、包糖包装机构、包装纸机构等组成。整个系统是在一台2.2KW 的三相异步电机驱动下完成各种包装动作。糖果包装部分是周期性的重复动作。整个包糖过程有以下几个步骤：推糖送纸包装喷胶封装成品。工艺流程如下图所示。喷胶糖果托盘成品糖包糖机构成品糖库裸糖推糖机构送糖机构糖果包装纸 图2-2 糖果包装机工艺过程为了实现糖果包装机的自动控制功能,系统在来料传送带末端,包糖机构入口处设置了光电传感器用于检测糖果，在送纸机构部分中的送纸电磁阀附近增加了色标传感器用于包装纸精确定位，在出料传送带上端行程开关大小SQ , 用于糖果限高检测，为了带动包装纸能移到精确的位置，我们还需要在送纸机构部分新增步进电机及其驱动器1台来驱动包装纸。裸糖经流水线到达糖果包装机，当位于糖果包装机入口处的光电传感器检测到有糖果到来时，它就会向PLC发出信号, 进而控制推糖机构的电磁阀得电吸合、下拉推糖机构,同时推糖机构动作将糖果送入旋转的糖果托盘中。糖果进入糖果托盘一段时间(这段时间就是糖果包装的时间)后，控制包装纸转动的电磁阀得电闭合，开始送包装纸。PLC 利用送纸部分中的色传感器与步进电机控制、调整包装纸的位置，以达到包装纸的精确定位。当纸位置合适时，包装纸被截断，在包糖机构的作用下，按预先设定的步骤，包裹糖果。当包装纸长度不合标准时,PLC就会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调整，包装纸位置到位后, 包糖机构就会运作一系列动作, 完成糖果包装。糖果包装完成后, 又经出料传送带把糖送到成品糖库, 如果糖果超高时, 我们就认为不合格品, 然后系统就会自动触动SQ, 系统会发出报警信号, 把不合格的产品剔出。系统反复执行以上动作, 实现糖果包装自动化。2.3 糖果包装机控制要求2.3.1 包装机控制对象分析包装机的主要传感器以开关量提供给PLC，作为决策的依据。开关输入量有：（1）启动/停止信号（2）色标信号（3）糖果生产线上行程开关（4）包装后的糖果输送线上的行程开关（5）自动/手动开关（6）变频器复位开关（7）喷胶开关（8）急停按钮（9）色标开关（10）光电码盘（11）速度调节（12）压缩空气开关输出量有：（1）急停指示灯（2）无纸断纸指示灯（3）色标补差信号灯（4）产品过大信号灯（5）强行送纸指示灯（6）色标状态指示楼上（7）喷胶开启状态指示灯（8）步进电机控制器（9）急停控制信号（10）电磁阀1、2 输出信号都是一些开关输出信号，如主电机驱动、步进电机驱动等，这些信号经功率放大驱动对应的包装执行机构。人机界面使用RS-232口进行通讯，变频器使用RS-485口进行通讯。2.3.2 控制系统方式选择现在比较成熟的控制技术有两种：一种是分散控制系统，它的简称是DCS，另一种是PLC控制系统。PLC控制系统和DCS控制系统相比，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有特定的操作站，比较灵活，软件和硬件是可以相互通用的，所以生产成本比较低，符合现在的生产要求。PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果系统被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC控制系统较为合适。因此在糖果包装机的控制系统方式的选择上，采用PLC控制系统。糖果包装机的控制对象相对集中，主要有变频器控利用PLC可以构成多种控制系统：集中控制系统，单机控制系统，分散型控制、包装纸位置调整、步进电机驱动控制等，因此我们选择集中控制系统。集中控制系统模型如图所示。各被控对象直接与PLC的I/O口相连接，进行通信、控制。为提高系统抗干扰能力，在硬件方面，交流电源增加滤波装置，输入信号进行光电隔离，并远离强电布线。信号采用屏蔽线传输，为了消除、减弱共模和瞬变干扰，我们采用放射性一点接地等措施。控制对象B控制器控制对象A 控制对象C 图2-3-2 集中控制系统模型图2.3.3系统运行方式糖果包装机的运行我们有自动运行和手动运行两种方式。与运行方式对应的是停止运行方式。糖果包装机的停止运行方式包括正常停运、暂时停运、紧急停运三种。包装机控制要求：手动运行：可以用按钮对包装机的各个部分进行单独控制，便于工作人员调机，主要用于故障的检修与恢复。自动运行:按下启动按钮，系统就会开始连续、协调、周期性地完成各包装动作，直到系统出现问题或者接收到停止运行信号才会停止。3 糖果包装机控制系统硬件设计与选型3.1 主要器件的选型3.1.1三相异步电机的选型系统采用PLC进行集中控制，主要控制对象为一台2.2KW的Y2-IP54系列三相异步电机。该异步电动机具有功能强大、效率高、起动转矩大等优点。电机的参数如表所示型号额定功率满载时堵转电流堵转转矩最大转矩KW转速(r/min)电流(A)效率(%)功率因数(cos)额定电流Ist/IN额定转矩Tst/TN额定转矩TM/TNY2 IP542.214305.16800.817.02.32.3 图3-1-1 Y2IP54三相异步电机主要参数 整个控制系统需要控制器件有：台达PLC、变压器、VFD-M变频器、步进电机及其控制器等。3.1.2 PLC的选型系统主要为开关量控制，经我们的分析，共有16个开关输入量，16个开关输出量。要选择PLC型号，我们要根据输入输出信号的数量、类型、控制要求，同时按I/O点数2030的备用量原则，系统才选用了台达DVP-64EH型整体式PLC作为核心控制。DVP-64EH跟其他控制器不一样，它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，在现代工业应用领域相当广泛，有32个输入点、32个输出点，同时拥有我们常用的两种通讯接口RS-232、RS-485，完全能满足这个装置控制要求。3.1.3 I/O地址分配 台达DVP系列PLC地址顺序以8进制编号。输入继电器、输出继电器的分配情况如下。 图3-1-3 PLC的IO分配表输入项目名称 对应输入地址 输出项目名称 对应输出地址编码器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 Y173.1.4 变频器的选择 由于糖果控制系统对速度控制精度要求较高，而且负载为2.2KW的三相异步电机，属于轻载。我们知道主电机的运行速度快慢直接影响包装机的速度，所以，控制了主电机的速度也就控制了包装机的运行速度。变频调速是最经济、可靠的调速方式。分析主电机的功率，控制系统我们选用了容量为2.2kW台达VFD-22M43B变频器。再加上光电编码器与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3-1-4 变频器操作面板显示部位显示输出的频率、电流、线速度、异常内容、设定功能时的数据及其参数No RUN（运行）是变频器运行的键 STOP（停止）使变频器运行停止的键 MODE（模式）切换“输出频率电流显示”，“频率设定监控”等各种模式以及将数据显示切换为模式显示所用的键 SET（设定）切换模式和数据显示以及存储数据所用的键。在“输出频率电流显示模式”下，进行频率显示和电流显示的切换 UP（上升）改变数据或输出频率以及利用操作板使其正转运行时，用于设定正转方向 DOWN（下降）改变数据或输出频率以及利用操作板使其反转运行时，用于设定反转方向 频率设定钮用操作板设定运行频率而使用的旋钮 图3-1-4 操作面板功能3.1.5 步进电机及其驱动器选择步进电机的功能是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机，步进电机的最大特点是其“数字性”，步进电机在对于控制器发过来的每一个脉冲信号，其驱动器的推动下运转一个固定角度，具有惯量低、精度定位高、无累积误差、控制简单，成本低(相对于伺服)、电机和驱动器不易损坏等特点，非常适合于微电脑和PLC控制。步进电机在糖果包装机系统中用于糖果包装纸的精确定位，当糖果包装纸位置不合适时，色标传感器发出信号，PLC根据信号发出脉冲给步进电机驱动器对包装纸进行色标补偿，驱动步进电机前后拖动，不断调整包装纸的位置，保证糖果包装的质量。糖果包装机步进电机保持转矩为12，系统中选用深圳步进电机公司两相步进电机110系列中的2S110Q-03999型步进电机，使用2H1080型步进电机驱动器对其进行驱动。该型电动机的基本技术数据如表所示。 图3-1-5 2S110Q-03999型步进电机基本技术参数整步步距角（度）静态相电流（A）相电阻（）相电感（mH）保持转矩（）阻尼扭矩（）最大轴向负载（N）最大径向负载（N）1.85.50.79.811.79.760220 2H1080型步进电机驱动器是两相双极整半步型步进电机驱动器。它的特点是高性价比，高速力矩大，相应快，光隔离拆分信号输入，静止时自动低功耗运行，锁机电流可调等特点。其供电电压最大可达交流100V，提供电机更好的高速驱动性能；采用双极性恒流驱动方式，最大驱动电流可达每相8.5A，可驱动相电流小于8.5A的任何两相双极型混合式步进电机；我们知道DIP开关不同于一般的开关，它应用于计算机主板及自动化设备软件编程和仪器仪表中，预置电路中的控制元件。由此对于电机的驱动输出相电流可通过DIP开关调整，以配合不同规格的电机；具有DIP开关可设定电机静态锁紧状态下的自动半流功能，可以大大降低电机的发热；采用专用驱动控制芯片，可通过DIP开关设定整步或半步的驱动控制方式，适合高速大力矩的应用需求；具有脱机功能，可以在必要时关闭给电机的输出电流；控制信号的输入电路采用光耦器件隔离，降低外部电气噪声干扰的影响。2H1080型步进电机驱动器规格参数如表所示。 图3-1-5 2H1080步进电机驱动器的一些参数供电电压交流60V100V输出相电流4.5A8.5A控制信号输入电流620mA冷却方式内置强制风冷使用环境要求避免有大量金属粉尘、油雾或腐蚀性气体使用环境温度10+45使用环境湿度85%非冷凝重量1.65Kg3.1.6传感器选择传感器有两种分别为NPN和PNP型。NPN是指当有触发信号时，信号输出线动作于L+这条高电平的电源线。对于NO型，在没有触发信号时，输出线是悬空的；有触发时则发出与L+电源线相同的电平。对于NC型，在没有触发信号时，信号输出线与L+电源线是连通的；当有触发信号后，输出线就悬空了。对于PNP型传感器来说，信号输出线是作用于L-这条低电平的电源线的。糖果包装系统中PLC s/s端接+24V，故我们选择NPN型传感器。我们的糖果包装机中，共有3个传感器，它们分别是色标传感器、光电开关、行程开关。光电开关传感器我们一般安装在糖果包装机的入口处，当检测到糖果到来时，光电传感器就会发出信号，并且传送给PLC，PLC控制推糖电磁阀得电吸合，然后推糖机构向下运动，将糖果推入糖果托盘。当糖果进入糖果托盘几个周期后，PLC再一次发出指令，吸合控制糖果包装纸运动的送纸电磁阀得电吸合，开始送包装纸进行糖果包装。接近开关传感器位于传送带入口处，用于检测糖果是否合格。当糖果没有达到要求，超过设定高度时，行程开关就会发出信号给PLC，PLC接受信号了，会发出急停信号，整个系统停机，等待操作工人将不合格糖果剔除或技术维修人员进行维修。3.2 控制系统的硬件设计我们的糖果包装机是使用三相异步电机驱动，由变频器供电，转速通过变频调速实现。步进电机用于调整包装纸的精确的位置。糖果包装机控制系统主要有推糖机构控制、糖果检测、糖果包装与糖果包装纸同步控制等。其他糖果各加工工位的动作是由三相异步电机通过齿轮机构带动机械结构来实现的。 3.2.1 供电模块设计图 图3-2-1 糖果包装机控制系统供电模块电气原理 糖果包装机系统中，设备很多，工作电压也不尽相同。三相异步电机工作电压为380V AC，PLC的工作电压为220V AC，人机界面等的工作电压为24V DC，步进电机驱动器的工作为90V AC。如上图所示。电源由导线进入电气柜中，然后经过电流保护器（熔断器FU）后，再经总线空气断电器QS后供给系统的控制回路及主电机电路部分。为了驱动三相异步主机能正常工作，控制系统使用380V的交流电压，而且三相电源必须经继电器才能送入变频器。三相电源的线电压为380V，相电压为220V，因此系统取三相中的A相相电压提供220V交流电压，A相经过交流稳压器后提供给环形变压器和开关电源等设备。环形变压器T2的作用是将220V AC变为90V AC供步进电机驱动器工作。开关电源为系统提供24V DC电压，为人机界面提供工作电压，PLC的输入、输出点提供基准电压。为了保护主电路及各分电路正常工作和安全，我们在其中配置了有预防过流过载功能的断电器保护装置，为了确保在系统过载时能及时与三相电源断开，防止工作设备处于过流或过载状态时危及设备安全。220V交流在送入设备之前我们要先通过了稳压设备，防止电压出现大幅波动时，对设备造成危害，提高了系统的安全可靠性。3.2.2 执行主电机模块设计图3-2-2（a） 主电机控制电气原理图糖果包装机控制系统中，各机械部分的驱动是由一台三相异步电机提供的。三相异步电机的具体参数见表。如图所示电机的控制电气原理图。三相电源分别通过线路11、12、13接入变频器的R、S、T端子为变频器及主电机提供工作电源。正常工作时，变频器通过RS-485口与PLC通信取得电机工作频率，驱动电机在相应频率在工作。负载超载或者工作电流过大时，主电机就会发热，进而热继电器随即断开，主电机就与电源被断开，整个系统就会立即停止工作。急停时，PLC发出急停控制信号，其对应变频器继电器被断开，主电机停止动作，等待维修人员进行故障排除。为了保证整个系统发生故障时，并且能及时对电机进行刹车、制动。我们常在变频器侧安装制动电阻来制动，将制动产生的能耗以热量的形式消耗掉。=三相异步电机的转子速度与同步速度之差：N其中N1为转子速度， 100%N=100%NS= 转差率：相对比为了保证在系统故障时，能及时对电机进行刹车制动，根据台达变频器技术DVP手册选用了300W 70的BR300W070型制动电阻，其具体参数如表3-1所示。主电机在启动之前，应断开不必要的负载，确保主电机轻载启动。按下启动按钮后，电机在变频器的控制下，逐步提高速度，实现高速运转。若机器出现故障，立即切断电源，并且进行机械制动，确保机器的安全。表3-1中ED%代表电阻值瓦特数及使用的频率。 图3-2-2（b）台达变频器刹车电阻选用参数电压适用马达全载输出转矩KG-M应用电阻规格制动单元制动电阻料号用量制动转矩10%ED%最小电阻值hPkW型式VFDB用量230V32.21.262300W 70BR300W070112535 为了保证主电机转速的精度，系统中使用了光电编码器采集实际转速值，并将其传送给PLC，再由PLC与变频器进行通讯不断的进行修正。3.2.3 包装纸同步控制模块设计包装纸的传送在糖果包装中是相当重要，传送过快或过慢都会造成包装纸位置不合适，进而影响产品包装质量。在糖果包装机中，糖果包装纸动作是由三相异步电机带动相应的机械结构来完成的。在包装纸传送系统中加入了一台步进电机和SICK KT3 W-N1116型（NPN）色标传感器，与PLC联动，构成一个闭环系统，实行色标补偿。当色标传感器检测到包装纸位置不合适时，PLC会接受信号，然后向步进电机驱动器发送脉冲信号，驱动步进电机对其位置进行调整和控制，从而保证包装的质量要求。步进电机及其驱动器电气原理图如下图所示。图3-2-3 步进电机及其驱动器电气原理 步进电机驱动器2H1080的工作电压由变压器T2提供。图FG为接地保护，直接接到PE。PLS口接PLC高速脉冲输出口Y0，DIR口接Y1，FREE接PLC的Y2口。当糖果的包装纸位置没有到达要求的合适位置，PLC就会得到反馈信号，然后通过Y0口发出脉冲信号，进而控制驱动步进电机前后运动，对包装纸位置做精确的调整到达要求。183.3糖果包装机控制系统总体电气原理图图3-3 糖果包装机控制系统电气原理图3.4主电路接线图主电路图包括从电源电机的电路，是强电流通过的部分。三相交流电源引入线采用A、B、C标号，连接两台电动机，M1为三相异步电动机，控制所有的系统，M2步进电机运送糖果。图中QF为断路器，它的作用是接通或断开电源，保护电动机；FU为熔断器，它的作用是短路保护，防止电流过大；FR为热继电器，利用电流的热效应原理动作的保护电路，在电路中起着过载保护。 图3-4-1主电路图 图3-4-2 控制电路图4 糖果包装机控制系统软件设计4.1 PLC程序设计PLC基于计算机，但不等同于计算机。普通计算机进行入出信息变换，多只考虑信息本身，信息的入出。而PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性以及信息的使用等问题。PLC还具有如下特点：1可靠性高；2编程简单方便、易于使用；3控制功能极强；4扩展机与外部接线连接极为方便。 目前随着微机技术的不断深入发展和应用,以微机技术为基础的可编程控制器也在不断地发展和成熟,它以其可靠性极高、并且能经受恶劣环境的考验、功能强大和使用简单方便等最大优越性,迅速占领工业自动控制食品领域,PLC成为现代工业自动控制的首选产品。中央处理器CPU是PLC的控制核心，起着重要的作用，我们使用的台达PLC最少只有一个CPU，它是按照PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集，由现场输入装置送来的状态或数据，并且要存入有规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中出现的语法错误等。糖果包装机由PLC进行控制与实现，我们使用台达DVP系列PLC的编程软件WPLSoft进行程序编程。WPLSOft为台达电子一可编程序控制器DVP系列在WINDOWS操作系统环境下所使用的程序编程软件。WPLSoft除了有一般PLC程序的规划及WINDOWS的一般编辑功能外，另外提供两种批注编辑：中英文，及其它便利功能。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)，其它编程语言作为可选软件包使用。通过WPLSoft在WINDOWS环境下对系统进行程序编制、配置、调试和监视，它的用户界面方便友好，便于操作。我们写好程序并且编译没有错误后，我们连接PLC的RS232通讯接口，把我们写的程序导入PLC中。4.2 糖果包装机的功能流程糖果包装机的PLC控制程序主要有两种模式：自动模式和手动模式，由初始化模块、主电机控制模块、推糖模块、包装纸模块组合构成。自动模式下，控制系统按预先设定的顺序依次执行各模块；手动模式下每执行完一模块需要手动操作一次程序才会进入下一模块。控制系统程序总体流程图如下图所示。NYNYNYYNYPLC故障程序故障初始化程序手动主电机启动推搪机构动作延时2周期初始化程序送包装纸停止报警故障指示手动程序PLC停止运行警报开始结束设备故障自动手动自动有糖来糖果超高结束 图4-2 糖果包装机控制系统程序总体流程图 4.3 梯形图的输入 4.3.1启动程序 点击桌面上的“WPLsoft”快捷图标。进入PLC的工作环境即WPLsoft操作界面，打开菜单栏中“文件-新建”，会弹出“机种设置”的窗口，在“程序标题”中输入名称，在机种里选择你需要的机种，在通信设置中可以选择传输方式。本文选择的是ES2，USB。点击“确定”就回到主窗口中，开始编写梯形图程序，如下图所示: 按照所编流程图，进行程序的输入。可以在工具栏中找到相应的输入、输出的符号，点击就可以添加到程序窗口中。 4.3.2程序编译 程序编程完以后，依次点击菜单栏中的“编译”软件就会自动编译程序，如果没有错误就会提示编译成功，如果程序有错就会提示编译失败。4.3.3 自动运行灯调试编译完成后，点击菜单中的“通信-PLC”确定后将程序下载到PLC中，就可以进行调试成功了。4.4 程序编写 电机启动程序如图，按下启动按钮X6，Y0得电自锁，电动机运转，传送带启动，若检测到电动机启动后，光电开关未检测到有糖块，则等待1min，若1min后仍没有糖果，电动机停止。若按下停止按钮X7，S20S22复位，电动机停止。按下X11，特殊继电器M8034得电，暂停。图4-4-1 起动停止 开关打到自动挡，当光电开关检测到糖块时，初始状态步S0复位，S20置位，推搪线圈得电，动作，依次类推，注意喷胶截断动作前要确定其是否在下限位，不在才能动作。若将操作方式打到连续档位，X10得电，回到状态步S20，连续动作。打到单周期，则X10不动作，回到状态步S0，停止动作。部分程序如图所示。图4-4-2 部分自动控制梯形图4.5利空组态软件的实现 建立组态画面后，在工程项目导航栏中点击“标准图库”，根据需要选择适当的精灵，建好后的最终画面如图 图4.5 力控画面4.5.1 力控仿真运行 点击起动按钮，电动机起动，指示灯隐藏，糖块运动，光电开关感应。喷胶电磁阀处于上限位，如图所示图4-5-1起动电动机光电开关感应后，推搪电磁阀动作，至SQ1处（呈红色），糖纸转盘转动，指示灯隐藏，如图所示图4-5-2 推搪经过糖纸转盘，包装糖果，到达SQ2处（呈红色），如图