基于PLC的包装机的控制系统设计说明

1、 . . . 目 录1绪论12糖果包装机系统分析与控制系统总体设计32.1Y06型糖果包装机生产工艺概述32.2 糖果包装机控制要求32.2.1PLC控制系统方式选择32.2.2系统运行方式42.3 糖果包装机控制系统主要器件的选择42.3.1包装机控制对象分析52.3.2 PLC控制器的选择62.3.3 变频器选择62.3.4 步进电机与其驱动器选择62.3.5传感器选择93糖果包装机各功能模块设计103.1 供电模块设计103.2 执行主电机模块设计113.3 包装纸同步控制模块设计124糖果包装机主要控制系统的PLC程序设计154.1 糖果包专机的控制系统设计简述154.2 主电机的PL

2、C控制指令语句表174.3 糖果包装机包装机的PLC控制I/O分配表18结论20致21参考文献22附录23附录A2325 / 28第一章 绪论第一节课程背景食品行业是满足人民“衣食住行”需求的基础性行业，在国民经济中处于重要地位，具有不可替代性，尤其是目前我国居民收入日益提高、生活质量不断改善，对食品的需求也日趋多样化，全国食品工业面临良好发展契机，食品工业规模快速增长，经济效益也大幅提升，产业结构和增长方式进一步优化。去年食品工业增加值占全国工业经济比重达到十分之一强，并且呈逐年上升趋势。食品行业的快速发展必定会带动食品包装业的发展，所以对食品包装机的改造创新是非常必要的。 图1-1 Y06

3、 型糖果包装机系统外观图Y06型糖果包装机是一款高速糖果包装机械，可用于包装各类块状糖果。整个设备可以分为三大部分：生产线送糖部分，糖果包装部分，包装纸部分。其总体系统外观图如图1-1所示。生产送糖部分部分直接与糖果生产线相连，通过传送带将糖果送至糖果包装部分入口处。该部分仅可通过一颗糖果，糖果经过此通道过后形成队列，依次从包装入口进入如图1-2所示图 1-2 糖果包装纸送纸部分机械图图 1-3 包装纸卷纸机构包装纸送纸部分由齿轮机构驱动，拖动包装纸向前运动。包装纸安装于包装纸托盘上，正常送纸时，绷紧的包装纸压迫包装纸刹车，使其在摩擦力的作用下向前运动；缺纸或继纸时，绷力消失，包装纸刹车回到原

4、位置，系统报警。包装纸的位置由色标传感器进行定位，当位置出现偏差时，由控制系统发出指令驱动步进电机进行拖拉包装纸运动，从而实现包装纸的准确定位。糖果包装部分是周期性的重复动作。整个包糖过程包括如下几个步骤：推糖送纸包装喷胶传送粘合成品。Y06型糖果包装机采用通过三相异步电机带动齿轮机构提供动力，利用凸轮机构与连杆机构等机械结构配合进行包装、进排糖、送包装纸等动作，有效的保证了控制的速度与精度，使系统紧凑、可靠。第二章 糖果包装机系统分析与控制系统总体设计2.1 Y06型糖果包装机生产工艺概述糖果包装机主要通过一台2.2KW的三相异步电机带动各机械部分完成包糖的各种动作。糖果包装工艺流程如图2-

5、1所示。图 2-1 糖果包装机工艺流程图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裸糖到来时，控制推糖机构的电磁阀得电，吸合、下拉推糖机构，与此同时推糖机构动作将糖果送入旋转的糖果托盘中。当糖果进入托盘三个周期后，控制包装纸转动的电磁阀闭合，开始送包装纸。利用色标传感器控制、调整包装纸的位置，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。若纸位置不合适，PLC将发出脉冲信号驱动步进电机对包装纸进行前后拖动，对包装纸位置进行调整。包裹完毕，进行喷胶，粘合之后，糖果经传送带送糖机构送至成品糖库。在传送过程中，由于传送带的楔形挤压作用，糖纸

6、粘合完成，同时也对其进行了更好的整形。2.2 糖果包装机控制要求2.2.1 PLC控制系统方式选择控制系统和远程I/O控制系统。由于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：单机控制系统，集中控制系统，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，采用放射性一点接地等措施，消除、减弱共模和瞬变干扰。图2-2 集中控制系统模型2.2.2 系统运行

7、方式糖果包装机的运行，采用自动运行和手动运行方式。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，系统即开始连续、协调、周期性地完成各包装动作，直到系统接收到停止运行信号。2.3 糖果包装机控制系统主要器件的选择系统采用PLC进行集中控制，主要控制对象为一台2.2KW的三相异步电机，主电机的参数如表2-1所示。表 2-1Y2-100L1-4三相异步电机主要技术参数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/mi

8、n)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/TNY2-100L1-42.214305.16800.817.02.32.3主要的控制器件包括：PLC、变压器、变频器、步进电机与其控制器、光电编码盘等。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

9、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输出信号大多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 PLC控制器的选择根据分析，以与I/O点数确定并按20%-30%备用量原则，选择了台达DVP-64EH系统。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。主机具有16K Ste

10、p程序存储器，最大512点数位扩充，200KH高速计数器，200KHz高速计数器、200KHz脉冲输出（提供伺服定位指令）。其建RS-232与RS-485两个通讯口，可自行扩充第三个通讯卡。可连接八台类比、温度、定位、计数器等扩充模组。支持PID、PLC EASY LINK(32站)、10,000档案暂存器、187应用指令。支持数位、类比、通讯、存储卡与资料设定器等功能。在本系统中，PLC的主要任务是接受外部开关信号（如按钮、行程开关、继电器等）的输入，判断当前的系统与输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的任务。2.3.3 变频器选择考虑到糖果控制系统对速度控制精度要求较高，负载为2

11、.2KW的三相异步电机，属于轻载。因此选择了容量为2.2KW台达VFD22M43B变频器。台达VFDM系列是系列高性能矢量控制交流马达驱动器。该变频器采用矢量控制技术，从而提高了系统的控制精度和动态响应精度；输出频率在0.1400Hz且可设定V/F曲线；自动转矩补偿与误差补偿；8段预设速度，7段可编程运转；超低噪音，载波可自115KHz调整；建PID回授控制，简易定位功能；睡眠/唤醒功能和零速Holding功能；省能源，有自动稳压功能18。系统中的VFD22M43B变频器的使用V/f开环控制，但通过光电编码器采集电机的实际转速值。变频器通过RS-485口接收PLC的“控制字”命令和转速设定值，

12、或向PLC发送“状态字”和转速实际值。2.3.4 步进电机与其驱动器选择步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。步进电机有步距角（涉与到相数）、静转矩、与电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。(1)步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。(2)静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先

13、确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍好，静力矩一旦选定，电机的机座与长度便能确定下来（几何尺寸）。(3)电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、与驱动电压）综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：图2-3 步进电机选择步骤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

14、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2-2所示。表 2-22S110Q-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）1.85.50.79.811.79.7602202H1080型步进电机驱

15、动器是两相双极整半步型步进电机驱动器。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；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

16、2-3所示。其接线方法如图2-4所示表 2-32H1080步进电机驱动器规格参数说明最小值典型值最大值单位供电电压6090100V(AC)输出相电流4.58.5A控制信号输入电流620mA图 2-4 H1080驱动器典型接线图2.3.5 传感器选择传感器分为NPN和PNP型。NPN与PNP传感器的区别：常用的传感器可分为4个分类，即NPN-NO、NPN-NC、PNP-NO与PNP-NC。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+电源线一样的电平（实际是这两条线连通了）。对于NC型，在没有触发信号时，信号输

17、出线与L+电源线是连通的（同电平）；当有触发信号后，输出线就悬空了（相当于与L+电源线断开了）。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，其中NO和NC型的原理是与上面说的一样。系统中PLC s/s端接+24V，故选择NPN型传感器。糖果包装机中，共需要3个传感器：一个色标传感器、一个光电开关、一个行程开关。光电开关传感器位于糖果包装机的入口处，当有糖果到来时，发出信号，并传送给PLC，PLC控制位于传感器附近的推糖电磁阀吸合，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三个周期后，PLC发出指令，吸合控制糖果包装纸运动的送纸电磁阀，开始送包装纸进行糖果包

18、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。当糖果超过设定高度时，到达行程开关位置，行程开关发出信号给PLC，PLC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。第三章 糖果包装机各功能模块设计糖果包装机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位置。Y06型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。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。3.1 供电模块设计图 3-1 糖果包装机控制系统供电模块电气原理图糖果包装机系统中，设备多，工作电压也不尽

19、一样。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。如图3-1所示。源由滑线引入电气柜中，经过熔断器后，再经由总进线空气断电器QS后供给系统的控制回路与主电机电路部分。变频器使用380V交流电压以供驱动三相异步主机工作，故直接将三相电源经继电器送入变频器。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2

20、4V 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。主电路与各分电路均有带有预防过流过载功能的断电器保护装置，确保在系统过载时能与时与三相电源断开，防止设备长期处于过流或过载状态时危与设备安全。220V交流在送入设备之前先通过了稳压设备，防止电压出现大幅波动时，对设备造成危害，提高了系统的可靠。所有设备均通过PE线进行接地保护。接地技术可以减小线缆等因素对设备造成的电磁干扰，提高控制的精度，保护系统安全性，进一步提高系统的可靠性。3.2 执行主电机模块设计图 3-2 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

21、数见表2-1。如图3-2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端子为变频器与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。过流和过载时，主电机持续发热，热继电器断开，主电机与电源被切断，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。为了保证在系统故障时，能与时对电机进行刹车、制动。所谓制动，是指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧），此时电机转速高于同步转速。常用的制动方法是在变频器侧安装制动电阻，将制动产生的能耗

22、以热量的形式消耗掉。为了保证在系统故障时，能与时对电机进行刹车制动，根据台达变频器技术手册选用了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%代表电阻值瓦特数与使用的频率。表 3-1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 70

23、BR300W070112535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。3.3 包装纸同步控制模块设计包装纸的传送在糖果包装中相当重要，传送过快或过慢均会造成包装纸位置不合适，影响产品包装质量。在Y06型糖果包装机中，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。当色标探测到包装纸位置不正确时，PLC会向步进电机驱动器发送脉冲，驱动步进电机对其位置进行调整，从而

24、保证包装的质量。步进电机与其驱动器电气原理图如图3-3所示。图3-3 步进电机与其驱动器电气原理图步进电机驱动器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。当糖果包装纸位置不合适时，PLC会通过Y0口发出高速脉冲，驱动步进电机前后运动，对包装纸位置做调整。图 3-4 Y06型糖果包装机控制系统电气原理图第四章 糖果包装机主要控制系统的PLC程序设计4.1 糖果包装机的控制系统设计简述PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的

25、新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。采用可以编制程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出。”根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准。PLC的编程语言包括以下五种：梯形图语言、指令表语言、功能模块图语言、顺序功能流程图语言与结构化文本语言。PLC的特点有可靠性高、抗干扰能力强配套齐全、功能完善、适用性强易学易用、深受工程技术人员欢迎系统的设计、建造工作量小、维护方便、容易改造、能耗低等CPU是

26、PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按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，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。糖果包装机由PLC进行控制，因此，其系统软件的设计实际上就是PLC软件的设计，本次设计使用的软件为WPLSoft。WPLSoft为台达电子 - 可编程序控制器DVP系列在WINDOWS操作系统环境下所使用之程序编程软件。WPLSoft除了一般PLC程序的规划与WINDOWS的一般编辑功能（例如：剪切、粘贴、复制、多窗口）外，另提供多种中/英文批注编

27、辑与其它便利功能（例如：寄存器编辑、设定、文件读取、存盘与各接点图标监测与设定等等）。DVP系列的PLC编程语言有三种：梯形图、指令表、顺序功能流程图语言，其它编程语言作为可选软件包使用。通过WPLSoft在WINDOWS环境下对系统进行配置、程序编制、调试和监视，用户界面方便友好。4-1 糖果包装机控制系统程序总体流程图4.2 主电机的PLC控制指令语句表LDP X4AND X6ANI X12ANI X15ANI X16ANI X17SET M2LD M2AND X6ANI X12ANI X15ANI X16ANI X17AND T0SET Y12RST M2LD X4ANI X6ANI X

28、12ANI X15ANI X16ANI X16ANI X17AND T0 SET Y12LDF X4 ANI X6ANI X12ANI X15 ANI X16ANI X17RST Y12LDP X5OR X16OR X17OR X15RST Y12LD Y12OUT Y4上述程序对应梯形图将在附录A中给出。其中，M2自动启动延时寄存器，T0先吹纸后运行。4.3 糖果包装机的PLC控制I/O分配表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，只要人机界面好就行了。而PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性以与信息的使用等问题。特别是要考虑怎么适应于

29、工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。PLC与通用计算机控制系统之间的区别是：PLC是专门为工业控制而设计的，而通用计算机是专门为科学计算和数据处理设计的。尽管二者都采用了计算机系统，但是二者设计的出发点不同，因而他们在结构上也有很大差别，使用对象和使用环境也有所不同。PLC抗干扰能力强，能适应工业现场的温度、湿度与相当程度的振动。其输入/输出采用光电隔离技术或其它隔离技术，并配有输出继电器或输出晶体管等输出部件，由于这些输出部件能够直接承受较大的负载，因此它们可以直接驱动小型电机等负载。PLC使用专门的面向工业对象的编程语言，使程序的编制和修改都非常方便。而通用计算机，它的输出信号通常都需要数

30、模转换并放大后才能驱动工业负载。此外，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图4-1所示。PLC I/O地址分配如表4-1所示。台达DVP系列PLC地址顺序以8进制编号。表中列出了输入继电器、输出继电器的分配情况。表4-1PLCI/O分配表输入项目名称对应输入地址编码器A相输入X0编码器B相输入X1编码器Z相输入X2启动X4停止X5手动/自动X6色标开关X7强行送纸X10压缩空气X11变频器故障X12色标传感器X13来料检测X14皱纸检测X15断纸开关X16产品过大X17故障复位X20输出项目名称对应输出地址步进电机驱动器PLS-Y0步进电机驱动器DIR-Y1步进电机驱动器FREE-Y2喷胶电磁阀Y3运行指示Y4色标补偿Y5缺纸断纸Y6产品过大Y7送纸电磁阀半功率继电器Y10推糖电磁阀半功率继电器Y11变频器继电器Y12压缩空气继电器Y13送纸电磁阀Y14推糖电磁阀Y15压缩空气电磁阀Y16变频器故障指示灯Y17