毕业设计(论文)-164612237马宫世君- 饮料箱自动码垛机PLC控制系统设计

1、上海工程技术大学毕业设计（论文） 饮料箱自动码垛机plc控制回路设计目 录摘要10引言20.1西门子S7-200smart硬件介绍软件应用21饮料箱自动码垛机结构原理51.1 工艺流程52方案设计62.1控制方案62.2伺服系统62.2.1伺服系统简介62.2.2伺服系统应用使用72.3气动系统及吸盘82.3.1气动系统82.3.2真空吸盘92.4步进电机92.5脉冲输出控制（PTO方式输出）102.6 PLC控制系统一般设计步骤123电气接线图（按I/0分配表进行连接）144软件设计154.1 I/O分配154.2 程序165 结论356参考文献37摘 要传统的机械设备与产品多以机械为主，是

2、电气、液压和气动控制的机械设备，随着工业水平的不断发展，机械设备已逐步的由手动控制改为自动控制，设备本身也发展成为机电一体化的综合体，可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，综合计算机、自动化技术和通讯技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过30多年的发展，目前可编程控制器已经成为自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）首位。其广泛的深度和广度成为衡量一盒国家工业自动化程度高低的标志。关键词：可编程控制器(PLC)，控制系统饮料箱自动码垛机plc控制回路设计马宫世君 1646122370引言随着科学技术的迅猛发展，生产

3、力水平的不断提高，人们对降低劳动强度、改善工作环境日益重视起来。石油化工、化肥、粮食、港口等行业对包装质量和劳动效率的要求也日益提高，从而促进了这些企业的现代化改造。而传统的人工包装由于其生产效率低下而成为这些行业产量和包装质量提高的巨大障碍，已不能满足现代化大生产的需要。用户为了便于产品的运输和储存，对包装要求更加严格，包装已成为企业升级和获得经济效益的关键因素，因此尽快提高产品的包装质量，是这些行业的迫切任务之一，也是用户对这些行业的要求。目前国内全自动码垛设备主要靠进口，国产设备生产厂家较少，市场呼吁国产化的全自动包装码垛生产线。我国人工包装的低效率与产量的提升之间的矛盾日益突出，因此对

4、包装码垛自动生产的研究有重大的经济意义和现实意义。0.1西门子S7-200smart硬件介绍软件应用提供不同类型、I/O 点数丰富的CPU 模块，单体I/O 点数最高可达60 点，可满足大部分小型自动化设备的控制需求。另外，CPU 模块配备标准型和经济型供用户选择，对于不同的应用需求，产品配置更加灵活，最大限度的控制成本。新颖的信号板设计可扩展通信端口、数字量通道、模拟量通道。在不额外占用电控柜空间的前提下，信号板扩展能更加贴合用户的实际配置，提升产品的利用率，同时降低用户的扩展成本。配备西门子专用高速处理器芯片，基本指令执行时间可达0.15 s ，在同级别小型PLC 中遥遥领先。一颗强有力的

5、“芯”，能让使用者在应对繁琐的程序逻辑，复杂的工艺要求时表现的从容不迫。CPU 模块本体标配以太网接口，集成了强大的以太网通信功能。一根普通的网线即可将程序下载到PLC 中，方便快捷，省去了专用编程电缆。通过以太网接口还可与其它CPU 模块、触摸屏、计算机进行通信，轻松组网。CPU 模块本体最多集成3 路高速脉冲输出，频率高达100 kHz，支持PWM/PTO输出方式以及多种运动模式，可自由设置运动包络。配以方便易用的向导设置功能，快速实现设备调速、定位等功能。本机集成Micro SD 卡插槽，使用市面上通用的Micro SD 卡即可实现程序的更新和PLC 固件升级，极大地方便了客户工程师对最

6、终用户的服务支持，也省去了因PLC 固件升级返厂服务的不便。在继承西门子编程软件强大功能的基础上，融入了更多的人性化设计，如新颖的带状式菜单、全移动式界面窗口、方便的程序注释功能、强大的密码保护等。在体验强大功能的同时，大幅提高开发效率，缩短产品上市时间。标准型晶体管输出CPU 模块，ST40/S T60 提供3 轴100 kHz高速脉冲输出，支持PWM（脉宽调制）和PTO 脉冲输出在PWM 方式中，输出脉冲的周期是固定的，脉冲的宽度或占空比由程序来调节，可以调节电机速度、阀门开度等在PTO 方式（运动控制）中，输出脉冲可以组态为多种工作模式，包括自动寻找原点，可实现对步进电机或伺服电机的控制

7、，达到调速和定位的目的CPU 本体上的Q0.0，Q0.1 和Q0.3 可组态为PWM 输出或高速脉冲输出，均可通过向导设置完成上述功能SIMATIC S7-200 SMART 可编程控制器，SIMATIC SMART LINE 触摸屏和SINAMICS V20 变频器完美整合，为OEM 客户带来高性价比的小型自动化解决方案，满足客户对于人机交互、控制、驱动等功能的全方位需求。STEP 7- Micro/WIN SMAR T 是专门为S7-200 SMAR T 开发的编程软件，能在Windows XP SP3/Windows 7 上运行，支持LAD、FBD、STL 语言。安装文件小于100 MB

8、。在沿用STEP 7- Micro/WIN 优秀编程理念的同时，更多的人性化设计使编程更容易上手，项目开发更加高效。用户可根据工艺需求自定义变量名，并且直接通过变量名进行调用，完全享受高级编程语言的便利。根据实现的功能，特殊功能寄存器调用后自动命名，更加便捷。STEP 7- Micro/WIN SMART 提供了完善的注释功能，能为程序块、编程网络、变量添加注释，大幅提高程序的可读性。当鼠标移动到指令块时，自动显示各管脚支持的数据类型。在STEP 7- Micro/WIN SMART 状态图中，可监测PLC 每一路输入/ 输出通道的当前值，同时可对每路通道进行强制输入操作来检验程序逻辑的正确性

9、。状态监测值既能通过数值形式，也能通过比较直观的波形图来显示，二者可相互切换。另外，对PID 和运动控制操作，S TEP 7- Micro/WIN SMART 通过专门的操作面板可对设备运行状态进行监控。在PLC 编程中，一般将多次反复执行的相同任务编写成一个子程序，将来可以直接调用。使用子程序可以更好地组织程序结构，便于调试和阅读。STEP 7- Micro/WIN SMART 提供便利的指令库功能，将子程序转化成指令块，与普通指令块一样，直接拖拽到编程界面就能完成调用。指令库功能提供了密码保护功能，防止库文件被随意查看或修改。另外，西门子公司提供了大量完成各种功能的指令库，均可轻松添加到软

10、件中。1饮料箱自动码垛机结构原理1.1 工艺流程 码垛机是将已装入容器的纸箱，按一定排列码放在托盘、栈板（木质、塑胶）上，进行自动堆码，然后推出，便于运至仓库储存。本设备采用西门子S7-200SMART控制，可实现3轴脉冲同步输出，同步电机控制机械手运动，可自由设置原点。方便客户操作，应用。可实现精准化作业。真空吸盘操作进行提取物品，吸盘成本低，已更换。实现智能化操作管理，简便、易掌握。可大大地减少劳动力和降低劳动强度。码垛机是输送机输送来的料袋、纸箱或是其它包装材料按照客户工艺要求的工作方式自动堆叠成垛，并将成垛的物料进行输送的设备。 机器是将从上一道工位完成包装的饮料箱进行码垛。当上一工位

11、完成工作时，饮料箱进入本工位，由本工位光电传感器进行检测，检测信号反馈给PLC，PLC程序进行码垛操作。2方案设计2.1控制方案按下启动键，工作开始，机械手从原位等待，传感器收到信号时，等待3秒，机械手下降，下降到指定点，真空机进行工作，吸盘吸紧物品，为保证吸盘吸紧，吸盘动作后延迟3秒进行下一动作。机械手上升，然后移动到指定地点放下物品，机械手归位完成一次码垛。每完成5次需要重新按下启动键再进行码垛，完成5次码垛，报警灯亮起，示意码垛完成。需要清理货仓。同时机械手要求可以手动控制操作。手动操作时有方向选择按钮以及相应指示灯亮起。机械手运动由XYZ轴步进电机控制。2.2伺服系统2.2.1伺服系统

12、简介伺服系统（servo mechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转

13、矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W

14、三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。2.2.2伺服系统应用使用伺服系统（servomechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等

15、处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。伺服系统最初用于国防军工, 如火炮的控制, 船舰、飞机的自动驾驶,导弹发射等,后来逐渐推广到国民经济的许多部门,如自动机床、无线跟踪控制等。伺服系统是指利用某一部件(如控制杆)的作用能使系统所处的状态到达或接近某一预定值,并能将所需状态(所需值)和实际状态加以比较,依照它们的差别(有时是这一差别的变化率)来调节控制部件的自动控制系

16、统。1、以小功率指令信号去控制大功率负载；2、在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动；3、使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。2.3气动系统及吸盘2.3.1气动系统气动技术与其他的传动和控制方式（如机械方式、电气方式、电子方式、液压方式）相比，优点如下：1、气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低、故使用安全。2、工作介质是取之不尽的空气、空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。3、输出力以及工作速度的调节非常容易。气动的动作速度一般为50500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快。4、可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作

17、次数约为百万次，而SMC的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过2亿次。5、利用空气的压缩性，可贮存能量，实现集中供气。可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲。对冲击负载和过负载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保持能力。6、全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用。7、由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。2.3.2真空吸盘真空吸盘，又称真空吊具，是真空设备执行器之一。一般来说，利用真空吸盘抓取制品是最廉价的一种方法。真空吸盘品种多样，橡胶制成的吸盘可在高温下进行操作，由硅橡胶制成的吸盘非常适于抓住表面

18、粗糙的制品；由聚氨酯制成的吸盘则很耐用。另外，在实际生产中，如果要求吸盘具有耐油性，则可以考虑使用聚氨酯、丁腈橡胶或含乙烯基的聚合物等材料来制造吸盘。通常，为避免制品的表面被划伤，最好选择由丁腈橡胶或硅橡胶制成的带有波纹管的吸盘吸盘材料采用丁腈橡胶制造，具有较大的扯断力，因而广泛应用于各种真空吸持设备上。2.4步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一

19、步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品

20、之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。2.5脉冲输出控制（PTO方式输出）S7-200 smart有三个置PTO/PWM （Q0.0;Q0.1;Q0.3）发生器，用以建立高速脉冲串（PTO）或脉宽调节（PWM）信号波形。当组态一个输出为PTO 操作时，生成一个50%占空比脉冲串用于步进电机或伺服电机的速度和位置的开环控制。 置PTO 功能提供了脉冲串输出，脉冲周期和数量可由用户控制。但应用程序必须通过PLC内置I/O 提供方向和限位控制。为了简化用户应用程序中位控功能的使用，STEP7-Micro/WIN 提供

21、的位控向导可以帮助使用者在几分钟内全部完成PWM，PTO 或位控模块的组态。向导可以生成位置指令，用户可以用这些指令在其应用程序中为速度和位置提供动态控制。 开环位控用于步进电机或伺服电机的基本信息 借助位控向导组态PTO 输出时，需要用户提供一些基本信息，逐项介绍如下： 最大速度 （MAX_SPEED）和启动/停止速度 （SS_SPEED） MAX_SPEED 是允许的操作速度的最大值，它应在电机力矩能力的范围 。 驱动负载所需的力矩由摩擦力、惯性以及加速/减速时间决定。SS_SPEED：该数值应满足电机在低速时驱动负载的能力，如果SS_SPEED 的数值过 低，电机和负载在运动的开始和结束

22、时可能会摇摆或颤动。如果SS_SPEED 的数值过高，电机会在启动时丢失脉冲，并且负载在试图停止时会使电机超速。通常，SS_SPEED 值是MAX_SPEED 值的5%至15%。 加速和减速时间 加速时间ACCEL_TIME：电机从 SS_SPEED速度加速到MAX_SPEED速度所需的时间。 减速时间DECEL_TIME：电机从MAX_SPEED速度减速到SS_SPEED速度所需要的时间。加速时间和减速时间的缺省设置都是1000 毫秒。通常，电机可在小于1000 毫秒的时间工作。这2 个值设定时要以毫秒为单位。 注意：电机的加速和失速时间要 过测试来确定。开始时，使用者应输入一个较大的值。逐

23、渐减少这个时间值直至电机开始失速，从而优化应用中的这些设置。2.6 PLC控制系统一般设计步骤设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。PLC控制系统设计可以按以下步骤进行。1熟悉被控对象，制定控制方案 分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对PLC控制系统的控制要求。2确定IO

24、设备根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定PLC的IO点数。3选择PLC 选择时主要包括PLC机型、容量、IO模块、电源的选择。4分配PLC的IO地址根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部IO接线图和编制程序。5设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，

25、而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。6联机调试联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。开始时，先不带上输出设备（接触器线圈、信号指示灯等负载）进行调试。利用编程器的监控功能，采分段调试的方法进行。各部分都调试正常后，再带上实际负载运行。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部分程序即可，全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改则应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。7整理技术文件 包括设计说明书、电气安装图、电气元件明细表及使用说明书等。3电气接线图（按I/0分配表进行连接）4软件设计4.1 I/O分配4.2

26、程序5 结论这次毕业设计是成功的，虽然之间遇到了种种的困难，但是在宁宗奇老师的指导下，也克服了种种难关。最终也按照当初的设计要求完成了设计。毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的饮料箱自动码垛机plc控制回路设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。  虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种plc功能指令的使用方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求，举个简单的例子：西门子PLC-200中能够控制脉冲输出的也就只有Q0.0/Q0.1两个而已，是无法完成本次毕业设计的，但是如果选用了PLC-200smart系列就可以完成本方案，