包装机计数控制系统设计

1、在自动生产线检测控制系统中，可编程控制器主要用作下位机，检测各状态点的状态，直接控制系统的启、停和其他控制单元的投切，并将各点的状态送给上位机计算机，计算机综合可编程控制器和其他设备的数据，作出相应的处理和显示。自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ，PLC ）取代传统继电器控制装置以来，PLC 得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC 的功能也不断完善。今天的PLC 不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。1.2 生产线自动化的发展概况中国的包装业相对发达国家如日本和美国相当落后，具

2、有非常大的发展潜力。控制系统从20世纪四十年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统。这一代系统以PLC 和DCS 为代表，从七十年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。其中PLC ，即可编程控制器，主要是从顺序控制发展而来的，但从九十年代开始，随着电子技术、计算机技术和通信技术的发展，PLC 的性能扩展的越来越广，PLC 的应用也逐渐向连续流程工业拓展。同时，DCS 也开始向小型化的方向拓展。之后，陆续出现了现场总线控制

3、系统、基于PC 的控制系统等。在中国，自动化技术还未成熟，还需要长时间的发展，所以将会有很大的空间来发展此技术。这也是未来的发展方向和趋势。中国的经济高速度发展也需要这项技术来促进和加速，相信在自动化技术成熟以后，中国的经济也将有飞跃性的进步。当前中国的经济发展格局也是非常的需要高技术来支持。这样中才会有稳定的发展状态。向西部发展的经济战略思想必然需要有高技术随之转移，生产也将需要自动化技术的支持，这样发展高技术自动化也就是必然的趋势。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

4、，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PI

5、D 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。1.3 本文主要研究内容一、概述对生产线上某种产品自动按指定数量（如12个）装箱，产品装箱前及装箱后由传送带传送。生产线自动装箱控制装置示意图如图1-1所示。生产产品由传送带A 传送，装入由B 传送的空箱中。每12个产品装入一箱，当传送带A 传送了12个产品装入一箱后，传送带B 将该箱产品移走，并传送下一个空箱到指定位置等待传送带A 传送来的产品。 图1-1 生产线自动装箱控制装置示意图二、设计任务和要求用PLC 控制整个控制装置要达到以下要求:（1） 按下控制装置启动按扭后，传送带B 先启动运行，拖动空箱前移到指定位置，到达

6、指定位置后，由SQ2发出信号，使传送带B 制动停止。（2） 传送带B 停车后，传送带A 启动运行，产品逐一落入箱内，由传感器检测产品数量，当累计产品数量达12个时，传送带A 制动停止，传送带B 启动运行。（3） 上述过程周而复始地进行，直到按下停止按扭，传送带A 和传送带B 同时停止。其工作流程图如图1-2所示。（4） 应有必要的信号指示，如电源有电、传送带A 工作和传送带B 工作等。（5） 传送带A 和传送带B 应有独立点动控制，以便于调试和维修。图1-2 生产线自动装箱工作流程图在传统的工业控制中，一般都是由继电器来进行控制的，当今的PLC 吸收了微电子技术和计算机技术的成果。在很多领域，

7、PLC 已经取代了继电器进行控制。在传统的控制中，传送带的控制通常是通过继电器来完成，维护复杂。本设计介绍了通过PLC 来对传送带进行自动控制。该系统有两个传送带，即包装箱传送带和产品传送带。包装箱传送带用来传送产品包装箱，其功能是把已经装满的包装箱运走，并用一只空箱来代替。为使空箱恰好对准产品传送带的末端，以便使产品刚好落入包装箱中，在包装箱传送带的中间装一光电传感器，用以检测包装箱是否到位。产品传送带将产品从生产车间传送到包装箱，当某一产品被送到传送带的末端，会自动落入包装箱内，并由另一传感器转换成计数脉冲。依据提出的要求，我们需要解决的关键是对传送带B 拖动空箱到指定位置的控制；以及传送

8、带B 制动后传送带A 的启动和传送带A 制动后传送带B 的启动，怎么使其形成一个循环的过程，对传送带的控制还应该设置报警功能；同时传送带A 和传送带B 应有独立点动控制，以便于调试和维修；最后还要对传送带A 运送的产品进行指定数量的检测。对于传送带的控制可采用步控指令实现步进控制；而对于传送带的独立点动控制可设置一个手动控制按钮，当其按下时，系统可进行独立点动控制。对于PLC 这些都可通过软件完成要求；其中需要用传感器来进行位置检测和产品计数。 第2章 控制系统的设计2.1 方案论证由于继电接触器电气控制线路简单，价格低廉，多年来在各种生产机械的电气控制领域中，应用十分广泛，而且技术上也十分成

9、熟，因此受到大力推广。但是在一些较为复杂的控制系统中，特别是涉及到时序控制的自动控制系统，必须使用大量的中间继电器、时间继电器、接触器等，而且控制线路复杂、器件多、接点多，因而在这类控制系统中可靠性低、可维护性差。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。采用传统据电接触器电气控制系统，虽然价格低廉，但大量的中间继电器、时间继电器，使得线路复杂、器件多、接点多、可靠性低，而且一旦出现故障，检修困难

10、。用于自动控制系统中，其反应时间、跟踪能力差，有可能使得系统不能正常运行。而采用PLC 可编程序控制器，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。

11、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

12、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。因此，本文选择PLC 控制系统。2.2 PLC 的硬件结构及工作原理PLC 采用的是典型的计算机结构，主要包括CPU,RAM,ROM 和输入、输出接口电路等。其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。如果把PLC 看作一个系统，该系统由输入变量PLC 输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测信号等均作为PLC 的输入变量，它们经PLC 外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC 内部逻辑运算或其他各种运算、

13、处理后送到输出端子，作为PLC 的输出变量，对外围设备进行控制。PLC 的一般内部逻辑结构框图如图2-1所示。图2-1 PLC的逻辑硬件结构框图输入部分：如按钮开关、限位开关等，直接与PLC 输入端子相连接，用以产生输入控制信号，这些信号一般来自操作台上的人工指令。控制部分:反复执行根据被控对象的实际控制要求所编制的处理程序，并产生各种输出控制信号。 输出部分:如接触器、电磁阀等，它们与PLC 输出端子相连接，用以控制被控对象的动作。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.

14、 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。 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。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

15、计算机。2.3 控制系统构成图和工作流程生产线自动装箱的PLC 控制系统图如图2-2所示。图2-2 生产线自动装箱的PLC 控制系统图1 当按下控制装置的自动控制按钮后，传送带B 先启动运行，拖动空箱前移至指定位置，达到指定位置后，由SQ2发出信号，使传送带B 制动停止。2 传送带B 停车后，传送带A 启动运行，产品逐一落入箱内，由传感器检测产品数量达12个时，传送带A 制动停止，传送带B 启动运行。3 上述过程循环地进行，直到按下停止按钮，传送带A 和传送带B 同时停止，其工作流程图如图2-3所示。 4 当按下手动选择按钮后，系统停止上述的自动控制运行，而可以手动进行控制传送带A 和传送带B

16、 的运行，以便于调试和维修。 图2-3 生产线自动装箱工作流程图5 此流程由计数器、传感器、红外线感应器组成。当物件经过红外线时把红外线切断，形成断电，然后经过传感器传到计数器，每断电一次计数器计数一次。2.4 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。为了避免意外事故或故障的发生，系统设有报警器。系统的具体设计过程如下： （1） I/O点数的估算系统输入信号：自动控制按钮，需要1个输入端； 手动控制按钮，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S

17、Q2，需要2个输入端； 故障报警消音按钮，需要1个输入端。 以上共需8个输入信号点。系统输出信号：传送带A 和传送带B ，需用2个控制输出端；系统上电指示和手动指示、装箱指示需要3个输出端； 一个报警器，需要1个输出端。 以上共需6个输出信号点。（2） 用户应用程序占用内存大小的估算用户应用程序占用多少内存与I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等因素有关，因此在程序设计之前只能粗略地估算。根据经验，此应用程序占用内存的大小可作如下估算：开关量输入：8*10=80字节； 开关量输出：6*8=48字节；定时器/计数器：（2*3+1*3）=9字节。共计137字节，在加上程序存储空间和备用存储空

18、间，初步估计共需1K 字节。（3） PC型号的选择因为本系统是对开关量进行控制的应用系统，而且对控制速度要求不高，所以可选用西门子系列的S7-300型可编程控制器PLC 作为控制核心，该单元为20点I/O，12点输入，8点输出，所以满足系统输入、输出点需要。西门子S7-300型系列 PLC的特点： ·高速计数器能方便的测量高速运动的加工件。 ·扩展能力增强，最大到12ch 的模拟量。 ·带高速扫描和高速中断的高速处理。·可方便的与西门子的可编程序终端(PT相连接，为机器操作提供一个可视化界面。·A/D、D/A精度大幅度提高，分辨率为1/6000

19、。 ·可进行分散控制和模拟量控制。·通讯功能增强，提供内置RS232C 端口及RS485的适配器。S7-200虽然体积小，但是提供了许多功能。具有强大的模拟量扩展功能，能够带3块模拟量输入输出模块；能够连接触摸屏；提供新的适配器，把外设口转成RS485口。为小型的紧凑型设备提供人机界面(HMI和高精度的测量方法。采用S7-300将在很小的空间内获得许多先进的功能。小机壳内会聚了先进的功能和优异的表现。为轻工行业、医疗制冷行业，传送设备和紧凑型的制造商提供更优越的性能和更高的附加值。西门子小型系列PLC 具有优异的性能价格比，所组成的控制系统具有如下技术特点：·稳定

20、的性能西门子系列PLC 外型小巧结构紧凑，西门子公司长期积累的生产控制经验和严格的技术标准保证了其可靠稳定的性能，即使在恶劣的工业环境下仍然能正常运行。更经过高低温的考验，使得该PLC 可以适用在特殊的场合。 ·通讯功能增强提供内置的RS232C 端口和RS422端口。西门子完全开放的通讯协议可以方便的实现上位机远程监控功能，用户可以随心所欲自己定制开发通讯监控系统。·高速的程序执行速度更快的程序指令执行速度，使得控制过程精确无误。 ·很强的扩充能力模拟量可以增加到12路；系统支持DeviceNet 协议，具有强大的扩充能力，通过远程端子，可以扩充到256点，方便

21、组成集散控制系统。 （4） 系统I/O点的分配系统I/O点的分配如表2-1所示。表2-1 S7-300 I/O分配表 系统输入/输出接线图如图2-4所示。 自动控制按钮系统指示灯 B手动控制输入传送带B 输出 A手动控制输入传送带A 输出SQ2输入装箱指示灯 SQ1输入手动指示灯 停止安钮报警器 手动控制按钮 辅助继电器 消音按钮 辅助继电器 图2-4 系统输入/输出接线图（5） 传感器的选择近年来，随着生产自动化程度的提高，光电传感器的功能不断完善，现已成为与PLC 相配套的系列产品，广泛用于自动包装、打胶、罐装、以及自动装配流水线。针对本文设计要求，我们可采用光电开关来对产品计数和空箱到位

22、检测。这类光电传感器利用光电元件受光照或无光照时“有”“无”电信号输出的特性将被测量转换成断续变化的开关信号。为此，要求光电元件灵敏度高，而对光照特性的线性要求不高。这类传感器主要应用于零件或产品的自动记数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器以及光电报警装置等方面。光电开关可分为两类：透射型和反射型两种。透射型光电开关是由分离的发射器和接收器组成并相对放置。发射器发射的红外线直接照射到接收器上，当有物品通过时，将红外线光源切断遮挡住了，接收器收不到红外光，于是就发出一个信号。可用于产品计数。反射型光电开关的接收部分和发射部分合做在一起，利用物体对发射部分发射出的红外线反射回去，由接

23、收部分接收，从而判断是否有物体存在。当有物体通过，接收器接收不到红外光，于是就发出一个信号。可用于空箱是否到位检测。 当采用接近开关、光电开关等两线式传感器时，由于传感器的漏电流较大，可能出现错误的输入信号而导致PLC 的误动作，此时可在PLC 输入端并联旁路电阻，如图2-5所示。当漏电流不足lmA 时可以不考虑其影响。图2-5 PLC与光电开关的连接旁路电阻R 的计算公式如下： R <R C U OFF(KI R C -U OFF式中：I 为传感器的漏电流（mA ），U OFF 为PLC 输入电压低电平的上限值（V ），R C 为PLC 的输入阻抗（K ），R C 的值根据输入点不同有

24、差异。2.5 控制系统软件设计自动装箱系统的控制设计考虑到其动作的连续性以及各个被控制设备动作之间的相互关联性, 最佳的实现方案就是采用顺序控制。这样就考虑针对不同的工作状态，进行相应的动作控制输出，从而实现自动装箱系统从传送带B 开始工作到产品落入空箱之中并完成精确的计数这样一个周期控制工作的程序实现。设计使用一系列的中间状态信号来传递状态转换信息，完成顺序的交互。因为要求传送带A 和传送带B 具有点动控制功能，故分别设置自动控制和手动控制两个启动按钮。当按下自动启动按钮时，系统进行自动控制。在自动装箱过程中，当传送带B 拖动空箱到达指定位置时，由SQ2发出信号，使传送带B 停止；而传送带A

25、 启动运行，产品逐一落入箱内，由传感器SQ1检测产品数量，当累计产品数量达12个时，传送带A 制动停止，同时传送带B 启动运行；完成整个循环工作。当按下手动控制按钮时，若按下传送带B 独立点动输入按钮，传送带B 就工作；若按下传送带A 独立点动输入按钮，传送带A 就开始工作。两者完全独立。 13 图2-6 系统自动控制流程框图 （2）程序梯形图如下：图2-7 系统手动控制流程图14 15 图2-8 控制系统程序梯形图（3）程序助记符如下：A " 故障复位" /PID复位； = L 0.0 BLD 103A M 11.6 ； = L 0.1 BLD 103A M 11.0 ；

26、 = L 0.2 BLD 103A M 11.1 = L 0.3 BLD 103A M 11.2 = L 0.4 BLD 103A M 11.3 = L 0.7 16BLD 103A " 自动启动" ； JNB _001CALL "CONT_C" , DB41 /； COM_RST :=L0.0 MAN_ON :=L0.1 PVPER_ON:=L0.2 P_SEL :=L0.3 I_SEL :=L0.4 INT_HOLD:= I_ITL_ON:= D_SEL :=L0.7CYCLE :=T#20MS SP_INT :=MD20 PV_IN :=MD24

27、PV_PER := MAN :=GAIN :=MD28 TI :=MD32 TD :=MD36 TM_LAG :=DEADB_W :=0.000000e+000 LMN_HLM :=2.764800e+004 LMN_LLM :=0.000000e+000 PV_FAC := PV_OFF :=LMN_FAC :=1.000000e+000 LMN_OFF :=0.000000e+000 I_ITLVAL:=DISV :=0.000000e+000 LMN :=MD44 LMN_PER :=QLMN_HLM:=M11.5 QLMN_LLM:=M11.4 LMN_P := LMN_I := LM

28、N_D := PV := ER := _001: NOP 017/ /比例参数设置值； / /控制器输出量的系数； ；河南工业职业技术学院 2.6 系统程序调试及结果 在计算机上，运行 CX-Programmer 编程软件，打开自动装箱控制程序。断电 情况下连接好 PC/PPI 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 00000 后，系统指示灯 01000 亮；同时传送带 B 启动 运行

29、（01001 指示灯亮） 。 2、 SQ2 空箱到位检测信号到 当 （00003 按钮输入） 传送带 B 停止运行 ， （01001 指示灯灭） 。同时传送带 A 启动运行（01002 指示灯亮） 。 3、当 SQ1 送入 12 个计数脉冲时（00004 按钮 12 次输入）及累计产品数量 达 12 个时，传送带 A 停止（01002 指示灯灭） ，同时传送带 B 启动运行（01001 指示灯亮） 。 4、当 SQ2 到位信号到（00003 按钮输入） ，系统循环工作。 5、当按下手动控制按钮 00006 时，系统立刻进入手动控制状态。手动指示 灯 01004 亮， 系统指示灯仍亮。 当按下传送带 B 或传送带 A 的手动控制按钮 00001 和 00002 时，传送带 B 或传送带 A 启动运行。两者完全可独立控制。 6、无论系统何种运行状态，自动控制状态和手动控制状态可互相转换。手 动指示灯 01004 可显示系统状态。 7、当按下停止