基于plc高速全自动包装机的控制系统应用cc

1、基于 PLC 高速全自动包装机的控制系统应用中文摘要本文主要研究通过可编程控制器（PLC）系统来控制包装机的自动包装功能，对其 进行了控制系统的软件和硬件的设计以及对应的机械结构的设计。可编程控制器具备 体积小，组态灵活，抗干扰能力强等特点，在工业控制系统中得到了非常广泛的应用。 PLC 的高可靠性，高性价比，可维修性和灵活的编程功能，使得 PLC 在包装机械控制领 域中得到了广泛的应用。高速自动包装机广泛应用于医药，化学，餐饮等行业。其包 装材料为复合包装材料，在高温下封口粘合。该包装机是基于 PLC 系统控制，通过 I/O 口进行控制并实现自动化，通过触摸屏 人机界面进行参数设置以及显示当

2、前生产情况并对包装机工作过程经行控制。用到温 度传感模块，拉袋气缸，重量传感器，接近开关传感器，色标传感器，变频电机等控 制及信号输入输出。设有缺少包装纸，缺少物料，安全门开启等报警信号，以及急停 按钮，停机后热封器和切刀自动断开。通过色标传感器感应包装纸上的色标感应区域， 可以感应送纸电机的滞后于超前，通过控制变频电机的正转，反转以及停止，实现供 纸过程中的同步控制。高速计数器可以显示当前包装数量以及当前的包装速度。设有 温度传感器模块，可以实时显示封口器的温度。在陈德为老师的帮助下，全自动高速包装机控制系统的设计已经完成，在实验室 的接线实物模拟运行当中，获得良好的控制效果，实现了自动包装

3、机的基本功能。采 用 PLC 控制技术与触摸屏技术，与原来的继电器，接触器结构的控制系统相比较，具 有明显的优势，这些优势表现在 PLC 在控制电机，提高了设备的可靠性，利用触摸屏 人机界面可以节省 PLC 的 I/O 口的数量，使操作界面方便，简单，更加经济。关键字：高速包装机，PLC，触摸屏Based on PLC control system of high speed automatic packaging machineABSTRACTThis paper mainly research the Programmable Logic Controller(PLC) automatic

4、 packaging system to control the packaging machine, design the mechanical structure and control system software and hardware design and the corresponding to the. PLC has the advantages of small volume, flexible configuration, strong anti-interference ability, is widely used in industrial control sys

5、tem. High reliability, the high price of PLC, maintainability and flexible programming function, so it has been widely used in the control field in packaging machinery. High speed automatic packaging machine is widely used inpharmaceutical, chemical, food industry etc. The packaging materials for th

6、ecomposite packaging materials, in the high temperature sealing adhesive.The packaging machine is PLC based control system, controlled by I/O and realizes the automation, parameter setting and display the current production situation and the work process of the packing machine controlled by touch sc

7、reen man-machine interface. Use the temperature sensing module, proximity sensor, the sensor, variable frequency motor control and signal input and output.A lack of packaging paper, lack of materials, safety door opening alarm signal, as well as the emergency stop button, stopping after heat sealing

8、 device and the cutter automatically disconnect. The color code sensing area color standardsensor packaging paper, paper feeding motor can be induced to lag behind theadvanced frequency conversion motor, the control is transferred, inversion andstop, realize the synchronous control feeding process.T

9、he design of high-speed automaticpackaging machine control system has been completed. In the simulationoperation of laboratory, achieved good control effect, the realization of the basicfunctions. Using the technology of PLC and touch screen technology, with the original relay contactor control syst

10、em, the structure is quite advantage, reflected in the PLC control of motor, improve equipment reliability, using touch screen man-machine interface can save PLC I/O port, the operation interface isconvenient, simple, more economical.KEY WORDS: Packaging machinery,PLC,Touch screen录 中文摘要IABSTRACTII目录

11、III第 1 章 绪论11.1 可编程控制技术的现状11.2 可编程控制器的发展趋势11.3 可编程控制器与其他工业控制的比较21.3.1 可编程控制器与继电器控制系统进行比较21.3.2 可编程控制器与单片机控制系统进行比较21.3.3 可编程控制器与计算机控制系统进行比较21.3.4 可编程控制器与集散型控制系统进行比较31.4 包装机的背景和发展前景31.5 可编程控制器在包装机械上应用的发展前景3第 2 章 自动包装机控制系统的总体设计52.1 自动包装机生产工艺52.2 包装机包装速度影响的分析与提高62.2.1 包装材料性质的影响62.2.2 机械结构的影响72.3 可编程控制系统

12、控制方案的设计72.4 系统的运行方式82.5 控制系统的总体硬件设计92.5.1 总体结构的关联92.5.2 控制系统的硬件选择9第 3 章 电控系统设计以及程序设计113.1 供电线路113.2 输入输出点的分配113.3 控制系统的程序设计123.4 PLC 的程序设计143.4.1 温度输入比较梯形图143.4.2 电机正转、反转以及停止装置梯形图153.4.3 计数累计以及生产速度程序梯形图163.5 触摸屏的程序设计183.5.1 触摸屏主操作界面183.5.2 触摸屏参数设置界面193.5.3 警报显示界面203.4 温度模拟量输入模块21第 4 章 包装机机械结构设计234.1

13、 包装机总体结构设计234.2 包装机各个结构的设计234.2.1 拉袋机构设计234.2.2 纵封成型器和切刀机构244.2.3 袋成型器254.2.4 包装袋输送过程264.3 包装机故障处理以及使用注意事项264.3.1 包装机保养说明274.3.2 包装机注意事项274.3.3 包装机故障处理27总结29致谢30参考文献31附 录32附录 1 程序梯形图32附录 2 包装机三维示意图39附录 3 包装机实物图401 章 绪论 可编程控制技术的现状 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称 PLC，世界上第一台可编 程控制器是 1969 年美国数

14、字设备公司（DEC）制作的，是为了美国通用公司（GM）研制开 发的，并且成功的应用于汽车生产线上，可编程控制器由此诞生。跟着计算机技术的飞速 发展，PLC 软硬件领域和水准也产生了量与质的转变，可编程控制器的控制技术也朝着智 能化方向不断的发展，同时也推动了先进制造技术的快速发展1。现在，可编程控制器早 已成为了真正的工业控制设备配置。进入 21 世纪，PLC 依旧保持高速的发展趋势，一直扩 展着应用领域，如为用户配置柔性制造系统(FMS)以及计算机集成制造系统(CIMS)。如今 可编程控制器主要向两个方向发展：一是综合化控制系统，其已经突破原来的可编程序控 制器的概念，将工厂生产过程的控制与

15、信息管理系统紧密的连接起来，甚至为 ERP 和 MES 系统准备了技术基础，这样的发展趋势会使得发展缓慢的 ERP 系统有了技术基础，从而将 会引发一场工业控制的变革，达成真实意义上的电子信息化工厂；二是微型的可编程序控 制器异军突起，体积小如手掌，功能可覆盖整个车间和单体设备的控制功能，并拥有联网 功能，这种微型化可编程控制器使控制系统可将控制电路延伸到工厂的每个角落。目前我 国的可编程序控制器发展主要面临着三大问题：一是在技术层面上的，在国际可编程序控 制器迅速发展的形势下，我国还没有拥有自主知识产权，并能够参与国际竞争的可编程序 控制器产品；二是在竞争层面上的，实际上是一个经济竞争的问题

16、，由于没有自己的自主 知识产权的产品，在经济竞争中只能处于被动；三是在市场秩序层面上的，我国巨大的市 场份额吸引了国外的大公司，他们开拓市场的方法一般都是采用大规模建立代理销售的渠 道，每个公司的系统集成商、分销商都会有数十家，甚至上百家之多，造成了我国的系统 集成商、分销商之间的激烈竞争，从而无序的竞争为国际大公司获取稳定的高额利润创造 条件。1.2 可编程控制器的发展趋势21 世纪，PLC 将会有更大的发展。从技术层面上看，计算机技术的发展会更多地应用 于可编程控制器的制造和设计上，会有更快的运算速度、更大的存储容量、智能更强的产 品出现；从产品规模上看，会进一步向超小型以及超大型方面发展

17、；从产品配套性上看， 产品的品种会更加丰富、规格更加齐全，更完美的人机界面、更完善的通信设备会更好地 适应于各种工业控制场合的需求；从市场发展来看，各个国家各自生产多品种多产品的情 况会随着国际竞争的加剧而打破，可能会出现少数几个品牌垄断了国际市场的局面，可能1会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算 机组构成大型的控制系统将会是可编程控制器技术的发展方向。目前，计算机集散控制系 统 DCS（Distributed Control System）已经有大量的可编程控制器应用。随着计算机网 络的快速发展，可编程控制器作为国际通用网络和自动化控制网络的重要组成

18、部分，将会 在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1.3 可编程控制器与其他工业控制的比较在现代工业设备和自动化中，有大量的开关量，脉冲量以及模拟量等的控制装置。如 电机的启动和停止，电磁阀的开关，工件的位置、速度、加速度等的测定，产品的计数和 温度、压力、流量等物理量的控制和设定等等。传统的工业自动控制主要由继电器或者分 离的电子线路来实现。这种控制方式虽然造价比较便宜，但是却存在许多致命弱点：只是 适用于简单的逻辑控制，仅适用于某种控制项目，缺乏通用性，一旦要实现改动或者进行 优化，只能通过硬件的重新设计组合来实现。目前而言，工业应用中比较有代表性的控制 方法主要有以下几个类别：继

19、电器控制系统，单片机控制系统，微型计算机系统，集散型 控制系统。1.3.1 可编程控制器与继电器控制系统进行比较继电器的控制系统使用的是硬接线逻辑，使用继电器触点的串联、并联和时间继电器 的延迟动作来组成控制逻辑，缺点就是一个系统确定后就很难轻易再做改动。若要在现场 做一些改动或者扩展就更难实现。而可编程控制器是使用其内部的存储器，用数据的形式 将控制逻辑储存起来，所以只需改变 PLC 内部存储器的内容，就能实现更改控制逻辑的目 的。并且继电器使用的是机械动作，一次动作延迟约十毫秒，使用越多则反应越慢，使用 PLC 可以提高响应速度。1.3.2 可编程控制器与单片机控制系统进行比较虽然单片机相

20、比较微机系统价格便宜，但它并不是为工业控制而设计的，存在编程难， 难掌握，大量接口工作，可靠性差。单片机系统使用于较简单的自动化项目，硬件受 CPU， 内存容量以及 I/O 口的限制，软件受到 CPU 的编程语言的限制。相对可编程控制器而言， 单片机应用于某些具体的产品服务，其通用性、可扩展性和兼容性较差。1.3.3 可编程控制器与计算机控制系统进行比较微型计算机的设计目的是为了数据处理以及科学计算，而 PLC 是特地为了工业控制而 设计，尽管在技术上都应用了计算机技术，但由于在应用环境以及使用对象不同，采用 PLC 控制相比微机控制，具有面向工业控制、适用工程环境的温度、湿度环境、抗干扰能力

21、强 等特点，微机系统对运行环境要求苛刻，高级语言编程的使用，要求使用者有相当水平的2计算机软件和硬件知识。1.3.4 可编程控制器与集散型控制系统进行比较集散型控制系统 DCS（Distribution Control System）是回路仪表控制系统发展起来 的，是分布式控制系统，其在模拟量处理，回路调节等方面有一定优势。而可编程控制器 是由继电器控制逻辑系统发展而来的。可编程控制器在可靠性和价格上比集散型控制系统 更具竞争力。由以上的原因，可以看出来，可编程控制器在工业控制方面具备明显的优越性，特别 是对于流水生产线，复杂动作的机器，PLC 与前几个控制系统相比较，具有寿命长，对环 境无特

22、殊要求，可靠性高，开发费用低，周期短，不需要专门的计算机软硬件知识。并且 可以在短时间内掌握操作方法，是现代机电一体化产品控制装置理想的选择。1.4 包装机的背景和发展前景随着中国的发展和商品经济的繁荣以及制造业的不断发展，包装机械具有非常乐观 的前景。许多生产企业对包装设备和生产技术的技术改进以及创新投入大量资金，这样做 在某种程度上提高了我国相关生产行业的制造水平和市场竞争力。虽然这在某种程度上提 高了我国的包装机械的包装水平，可是我国的包装机械的包装技术和包装设备与发达国家 的相关设备相比较还是处于明显劣势。国内有约 30%的包装机械属于较低水平的重复建设， 这种状况不光浪费了有限的人力

23、、资本等重要资源，还会造成包装机械市场的无序和混乱， 阻挡了包装行业的健康发展，同时限制了我国中小食品企业包装机械的升级换代和包装技 术的创新。1.5 可编程控制器在包装机械上应用的发展前景包装机的最大特点就是动作复杂，频繁，并有大量执行元件。若使用继电器，必须使 用大量的中间继电器，如果使用 PLC 的话，就可以对内部辅助继电器进行编辑从而取代中 间继电器，可以简化线路等结构2。PLC 适用于需要用到大量中间继电器的场合。并且 PLC 相比较其他工业控制系统有以下有点： （1）改变逻辑程序不需要更改硬件，只需要修改程序； （2）可以复制程序，批量生产比较容易； （3）大大简化了电气硬件设计；

24、（4）PLC 不仅具有继电器的作用，而且还具有其他许多功能，能够实现继电器不能实现的 控制功能，在某种程度上的实现了智能化，而且可以使机构简化； （5）具有高可靠性； （6）虽然可编程控制器相比较继电器成本较高，但当有大量中间继电器时，继电器成本 也相应增高，对于复杂的控制来说，PLC 具有无可比拟的优势；3（7）具有扩展模块和扩展单元的功能，当需要较多的 I/O 口的时候，可以进行扩展3。 选用小型 PLC 控制的全自动包装机械是集光电检测，变频电机，自动跟踪纠偏等功能 于一体的多功能自动包装机，该包装机具有自动跟踪，可编程控制，电机变频等功能，并且具有稳定性能，操作维护方便，效率高等特点。

25、4第 2 章 自动包装机控制系统的总体设计本章详细结合了自动包装机械和电气控制系统的实际应用，可编程控制技术不仅仅指 PLC 本身，而是包括 PLC 在内的自动化控制和技术的应用。在实际实现的过程中，根据系 统的可靠性和方便使用性，将设计成为一个功能齐全，高可靠性并且易于使用的包装机械。 在控制系统设计前，需要先对自动包装机的生产工艺作简单的了解。2.1 自动包装机生产工艺自动包装机的主要功能是将包装纸输送到成型器成型，用封口器对包装纸进行封口， 将物料送进包装袋内，再次封口加热，将成品切落并输送到成品区。简单的工艺流程图如 图 2-1 所示。图 2-1 工艺流程图包装纸以卷筒的形式放在原料架

26、上面，当开始工作的时候，送袋电机开始工作，当包 装纸送到一定位置的时候（色标传感器感应），包装纸经过袋成型器成型，并且通过封口 器，将侧面封口，同时通过物料输送，当 PLC 给出下料气缸信号后，物料通过包装袋送到 包装袋最底部，之后对横向封口并且切刀输出动作，将成品输送落下到成品区。各个加工工位的动作是由顺序逻辑控制然后由继电器带动相对应的机构动作，包装纸 有 1 工位开始装入，在 2 工位完成袋成型，同时气缸工作进行送料动作，并且在 3 工位完 成横封封口加热成型，之后物料送达完成，经行纵封封口加热成型，并且使切刀输出动作， 将包装袋切断，由重力掉落到成品区。包装过程各动作时序图如图 2-2

27、 所示。5图 2-2 包装过程各动作时序图这是一个典型的顺序控制，开始通过夹袋气缸动作，将包装纸加紧，再由送袋电机夹 送包装纸，当包装纸上的黑色感应区域被色标传感器感应时（由于包装袋长度以及电机运 转频率不同，选择比较适中的 360ms 作为动作时间），送袋电机停止运行，并且启动电机 夹紧机构，将电机抱死，同时给给料气缸信号，往包装袋中填充物料。延时 120ms，启动 横封口加热成型。延时 120ms，送袋电机启动反转，将送袋电机送回初始位置。确保物料 填充完毕，延时 240ms，之后启动纵封口加热成型，此时，包装袋包装完成，延时 120ms 启动切刀动作，将包装袋切割下来，此时包装完成的包装

28、袋由重力下落到成品区。最后延 时 120ms，使 PLC 进行周期扫描。然后进入下一个周期。由设定值，包装袋完成一次包装， 需要用时 1440ms，则包装机包装速度为每分钟 42 袋。2.2 包装机包装速度影响的分析与提高我国的工业正向着流水化、高速化方向发展，然而我国传统包装以手动和半自动为主， 阻挡了包装工业高速化发展。国外高速包装机已经达到了 300 包/min，假如引进国外产品， 不仅价格昂贵，而且不利于我国包装机械的发展。因此研究高速包装机械是社会发展的必 然趋势。包装机的包装速度越快，对稳定性和可靠性的要求越高。这就要求包装纸的供纸速度 快，供纸精度高，供纸定位准确，包装纸的材料要

29、符合规格，停机率低，以便减少包装纸 的损耗，并且包装材料的装卸都需要简化等。2.2.1 包装材料性质的影响抗张（拉）强度大。在高速包装机中，包装材料运动的线速度可以高达 480m/min 以 上，并且包装机都是间歇性运动，包装纸卷筒直径大，包装纸卷筒的惯性大，因此包装袋 材料要有很好的抗拉强度，包装袋才不会被拉断。现如今，还在使用的包装机械中，供纸 机构中加入了缓冲冲击力的机构来解决这个问题。6伸缩性要小。包装纸在送纸过程中，由于包装纸卷筒的直径较大，高速包装机的送纸 速度快，会使包装纸受到非常大的拉力以及惯性冲击力，轻易造成包装纸的拉伸变形，将 会影响包装纸定位的准确性，因此包装材料的伸缩性

30、要小，以此保证包装机械工作的可靠 性和包装成品的质量。静电性要小。包装纸在成型和使用过程中，容易产生静电。当包装材料按照固定长度 的切断，在转移过程中，如果发生静电粘附，应立即停止，所以静越小越好。2.2.2 机械结构的影响传统的包装机械在送袋过程中是采用不等速机构。常见的不等速机构有：偏心链轮机 构，凸轮、齿轮组合机构，偏置曲柄倒杆机构，凸轮-四连杆组合不等速转动机构和非圆 齿轮机构等。偏心链轮机构的变速范围有限，机械结构复杂，在运转高速时会导致链条的振动，并 且该机构没有太大的力矩传递。因此，偏心链轮机构适用于一些转速不是太快，传递力矩 不是很大的小袋包装机械。对于凸轮齿轮组合机构以及凸轮

31、-四连杆组合不等速转动机 构，由于结构复杂，调整困难，运动时冲击过大，因此不会经常使用这类机构。当前高速包装机械中使用多的一种不等速机构是偏置曲柄倒杆机构。该机构简单，容 易调节以及加工，制作成本低。缺点是体积相对较大，调整机构比较长。在传动过程中， 由于角不等于 90 度，因此传力特性不好。但是转速超过 300r/min 的时候，会降低偏置 曲柄倒杆的动力性能，该机构在高速运转时，对于动载振动和动平衡的问题找不到合适的 解决方法。在设计过程中，采用了控制精度高，动态响应快的欧姆龙 SYSDRIVE INVERTER 3G3RV 系列变频器以及变频电机，可以用来取代不等速机构，使用变频器可以达

32、到变速的目的， 而且能够简化包装机，使得包装机结构紧凑，机械惯性小。在包装过程中，通过时间序列的分析，想要获得预期的速度，电机的驱动和停机的时 间一定要快，响应速度比较快的电机。正常的步进电机从开始驱动到额定转速所需要时间 约 ，不符合所需的要求。所以需要响应速度快的电机，如松下的交流伺服电机， 型号为 MSMA042A1E 400W，该电机从静止开始驱动，运转达到额定转速的时间约为几毫秒。 并且为了使电机能够快速停止，设计了电机夹紧装置，当色标传感器感应到信号的时候， 能够快速的将电机停止。2.3 可编程控制系统控制方案的设计整个控制系统以欧姆龙 CJ1G-CPU42H 的 PLC 作为基础

33、，欧姆龙 PLC 是一种功能全面的 PLC。CJ 系列 PLC 体积小，速度快，适合高频计数和高脉冲输出。采用 PLC 可以形成多种控制系统：单机控制系统，集中控制系统，分散型控制系统和 远程 I/O 控制系统。因为包装机需要控制的对象相对较多，包括了送袋电机的正反转和停7止，送料气缸的动作控制，封口动作的控制，同步控制等，由于控制对象比较集中，因此 我们采用集中控制系统的方案。集中控制系统如图 2-3 所示，各个被控制的对象和可编程 控制器的 I/O 连接，因此，各个被控制的对象之间的数据和状态之间的转换不需要其他专 门的信号路线。单机控制系统中，对主机要求较高，同时危险也相对集中。远程 I

34、/O 控制 系统的控制结构相比其他控制系统比较独特，类似集中控制系统，具有分散控制系统的特 点，所以经常应用于控制规模中等，控制对象分散，工程费用低的场合。图 2-3 集中控制系统图PLC 是一种控制设备，单单由 PLC 构成一个控制系统是具有局限性的，主要问题是 PLC 不能够执行复杂的运算，不能显示各种实时控制的图形以及保存历史记录，没有良好的显 示界面，所以不能够显示控制的状态。对于这些不足，采用了触摸屏作为人机界面，采用 了 NS10-TV0-V2 型号的触摸屏，该触摸屏具备了与欧姆龙控制器件之间极强的兼容性，具 有名副其实的不用编程和不用绘图的开发环境；具备了 SAP 程序库，可以大

35、幅度减少梯形 图和画面的的制作时间，即使没有计算机也可以对故障经行确认和设定，故障检修功能可 以通过 SAP 程序库经行修改；可以直接连接温度设备；可以不通过计算机，直接显示梯形 图；可以做到数据追踪，并且有打印输出的 USB 端口4。为了提高 PLC 与控制系统的抗干扰能力，在硬件配置以及安装上，交流电源使用交流 电源隔离器，输入信号采用光电隔离技术，远离强电布线，模拟信号使用屏蔽线输入，添 加抗干扰模块5。2.4 系统的运行方式运行方式采用自动方式和手动方式。 手动方式：选择进入手动控制见面，选择各个执行动作，动作执行完毕后，自动停止。主要用在故障维修以及机器的检修。自动方式：按下启动按钮

36、后，系统由 PLC 控制自动运行，能够连续地完成每一个包装 动作，直到包装机接收到系统发出的停止信息。当按下停止按钮，则延长一段时间后停止 工作，若按下急停按钮，系统全部停止。之后再按下启动按钮，系统从第一部开始运行。8控制系统的总体硬件设计 总体结构的关联 本说明书在之前已经提到，该系统是由可编程控制器和触摸屏两级控制组成的结构。 PLC 主要负责虚拟按键，接触器，色标传感器信号以及其他开关量信号的输入，以及给接 触器，继电器，变频器等电器元件发出动作的信号，进而控制各个电机的运行，并且控制 各个相应的指示灯的显示。触摸屏可以用来经行参数的设定以及修改，全自动运行的监控， 显示工作状况，信号

37、的传递等工作。触摸屏通过串口与 PLC 相连接，可以进行相互的通信， 所以触摸屏发出命令信号控制 PLC 运行以达到全自动运行的目的。2.5.2 控制系统的硬件选择自动包装机的控制系统主要包括触摸屏，PLC，变频器等。它们的选择是在满足要求 的前提下，尽可能的选择可靠性高并且使用方便的产品，具体选择如下：触摸屏本系统选择的触摸屏选用欧姆龙 NS10-TV01B-V2 触摸屏，图像存储器为 60MB，VGA 为 640X480 点，2 个 RS-232C 串行接口，1 个 USB SLAVE(用于数据传送)，1 个 USB HOST(用于打印机)，1 个扩展接口和 1 个存储卡接口。该触摸屏采用

38、 DC24V 供电。 PLC 的选型及其模块的配置在选择 PLC 之前，需要先对控制对象和控制任务经行分析以及统计，之后再确定系统 的规模，机型的选择和配置。通过计算，该控制系统要配置如下不同性质的 I/O 点：16 个 开关量输入；16 个开关量输出；2 个模拟量输入。通过分析，选择了欧姆龙的中型 PLC 系统 CJ 系列。该 PLC 指令系统丰富，具有较强 的通信和网络功能，采用无底板的结构，单元组合灵活，采用多任务结构化编程，软件兼 容性好。根据 I/O 端口的确定需要按照实际点数增加 20%-30%的备用 I/O 端口，配置如下的的 模块:2 个数字量输入模块 CJ1W-ID211，可

39、以提供总数为 32 路的开关量输入通道；2 个数 字量输出模块 CJ1W-OC211，可以提供总数为 32 路的开关量输出通道；1 个模拟量输入模 块 CJ1W-AD041-V1，可以提供 4 路模拟量输入通道，分辨率为 1/8000；电源模块CJ1W-PA205R,AC100240V；CPU 模块 CJ1W-CPU42H 系列，有串行通信模块，controller link模块，该 PLC 执行基本指令的时间一般为 条，执行高级指令的时间一般为s/条。图 2-4 系统结构和配置图在该控制系统中，PLC 的主要作用是获得外部的信号，包括按钮，行程开关，继电器 节点的输入，判断实时系统的状态并且

40、通过输出模块将控制型号信号输出给控制接触器，9继电器等器件，已完成所要求的控制任务。除此之外，还有个也重要的任务就是接受触摸 屏的控制命令，从而进行全自动包装的循环。如图2-4所示，该控制系统中配置CJ1G-CPU42H 型号的 PLC 的模块型号以及数量。变频器 控制系统中，电机是用来经行拉袋动作，对于精度要求比较高，但是负载不大的特点，在选用变频器的时候选择了欧姆龙的 SYSDRIVE INVERTER 3G3RV 变频器，容量在 ， 400V。该系列变频器以矢量控制来改善速度控制精度，当电机停机时保持电机在零伺服状 态。3G3RV 变频器功能强大，组态灵活，可以适合各种场合应用的需要6。

41、传感器以及执行机构自动包装机的控制系统中的传感器将以开关量信号给 PLC，这里开关量包括：安全门 行程开关；色标传感器；缺纸传感器；缺物料传感器。PLC 控制信号输出大多都是开关量 信号输出，包括拉带电机动作，拉袋气缸动作，送料气缸动作，封口动作等，这类信号通 过功率放大可以驱动对应的包装执行机构7。色标传感器选用 BZJ-511 色标传感器，BZJ-511 具有较高的灵敏度，紧凑的结构，使 用方便，较强的抗光干扰能力，响应速度更快等特点。BZJ-511 色标传感器的响应时间为500s，检测距离为 9mm。红外光电传感器选择 M18 型红外光电传感器。采用 DC10-30V 的电压，输出电流

42、200mV。 相应时间快，在 2ms 以下，采用振动传感器的工作方式8。10第 3 章 电控系统设计以及程序设计自动包装机有三相异步电机驱动，由专门的变频器提供所需电源，可以通过变频调速 实现改变转速，其中大部分是有 PLC 控制的动作。3.1 供电线路图 3-1 供电线路如图 3-1 供电线路所示，三相电源引入配电柜，通过一个总进线断路器（QF1）后提 供给变频器电路和系统的控制回路，其中控制部分电路由欧姆龙开关电源进行脉冲频率调 制，将电压转换成 DC24V，供给 PLC 作为输入模块的供电电源以及温度模块的供电，其中 HL7 是用作电源指示灯，与控制电路无关。3.2 输入输出点的分配自动

43、包装机的工艺流程主要有袋成型，恒封口，纵封口，填充，切断等几个工序组成， 包装机控制系统的输入信号有：启动，停止，急停，安全门行程开关检测，色标传感器信 号，重量传感器信号，接近开关信号，警报信号输入等。输出信号包括变频器控制信号， 气缸动作信号，指示信号，切刀输出信号等。综上所述的控制要求，按照 PLC 模块，分配 I/O 表的如表 3-1 所示。表 3-1 控制系统 I/O 分配输入 I/O输入点输入设备输出 I/O输出点输出设备SB0启动按钮HL6送料指示SB1停止按钮KM5送袋气缸SB2急停按钮KM6封口输出SQ0安全门行程开关KM7切刀输出SQ1缺纸光电检测KM8给料气缸SQ3色标传

44、感器KM9电机停止KM0物料缺少传感器HL5打印机指示SB3供纸接近开关KM11打印机动作11续表 3-1输入 I/O输入点输入设备输出 I/O输出点输出设备SB4拉袋接近开关HL1缺纸指示KM1计数传感器HL2缺料指示SB5计数复位按钮HL3安全门指示KM2电机警报S2变频器电机反转KM3打印机警报S1变频器电机正转KM4封口温度警报S5变频器调频接口SB6故障复位按钮S6变频器调频接口SB7封口器加热按钮S7变频器调频接口图 3-2 放大电路和模拟量输入该自动包装机还用到一个模拟量输入模块，使用 LM35D 温度传感器。LM35D 是一款内 部已校准的集成温度传感器，LM35D 的输出电压

45、和温度成正比，线性度良好，灵敏度较高， 精度适中，其输出灵敏度为 ，精度为 ，测量温度范围是 0-100。在静 止温度中自热效应低，为 ，工作电压较宽，可以再 4V-20V 的供电电压范围内正常 工作，并且耗电低，输出阻抗低。在温度范围内，LM35D 直接输出的电压在 0-1000mV，需 要进行信号放大，由于 CJ1W-AD041-V1 模块可以选择输入信号范围为 0-10V，所以对信号 进行 10 倍放大。如图 3-2 所示，放大电路和模拟量输入。在设置 CJ1W-AD041-V1 模拟量 模块的时候，将操作模式开关都置于 OFF 位置，为正常模式；输入信号类型开关置于 OFF 位置，为电

46、压信号输入；将单元号开关设置为 0-0，则单元号为 0#，CIO 区为 20002009。 在编程软件中的 IO 表中，将第一路模拟量设置“Enable”，输入信号范围为“0-10V”，其 他选择默认设置。3.3 控制系统的程序设计系统运行开始之前先检查安全门是否关闭，之后判断横封口和纵封口的温度是否达到 设定温度要求，同时还必须检测设备是否出错，如果有错误则不能运行，并且发出警报。 选择是否进行参数设定，在参数设定中可以改变变频器电机的频率，选择手动运行方式或 者是自动运行方式。程序流程框图如图 3-3 所示，显示程序框图主程序一部分，主要是开 机后的初始化，安全检测以及封口器加热，为包装机

47、正常工作的预备动作，以及选择运行 方式等等9。12图 3-3 流程框图主程序 1选择手动运行时，将调用手动控制子程序，通过触摸屏选择按钮经行包装工作，一般 手动运行用于重新启动机器，调试机器等时候。详细手动控制内容如图 3-4 所示，手动控 制子程序。图 3-4 手动控制子程序流程框图选择自动运行时，只需按下启动按钮，程序就自动运行，在遇到故障会自动报警并且 停止工作。当按下停止按钮，自动包装机将当前工序执行完毕后停止工作。自动部分流程 框图如图 3-5 所示。其中 A 处于图 3-3 的 A 处相连接。13图 3-5 流程框图主程序 23.4 PLC 的程序设计可编程控制器设计的编程支持软件

48、是 CX-Programmer，简称 CX-P。该软件提供了梯形 图方式和助记符方式的编程方式。这次主要使用梯形图方式编辑程序，可以在工具栏中用 鼠标点击梯形图的编辑符号，直接在编辑窗口中进行对梯形图的编辑，可以对梯形图进行 修改，插入，剪切等的操作，也可以将梯形图形式的 PLC 程序转换成以助记符形式的 PLC 程序。CX-P 可以实现在线模拟监控的功能，程序编写完毕，可以通过在线模拟，对程序进 行简单的检测，可以大大节省程序编程设计的时间。每个梯级的梯形图都是从左母线开始，到继电器线圈或功能指令结束；所有的输入， 输出继电器，继电器内部的 I/O 继电器，定时器，计数器等接触点的使用是无限

49、次数的， 常开，封闭的形式，也都可以用；输出继电器可以作为内部辅助继电器，可以无限使用接 触点；继电器线圈不能与左母线直接连接；同个线圈不能重复使用。3.4.1 温度输入比较梯形图外部温度以电压输入到 AD041 模块中，在程序设计中，以 次的频率读取外部温14度，将得到是数字量进行处理显示到触摸屏上，并且将该数字量与已经设置的温度经行比 较，判断温度是否达到标准，判断的节点为 P_LE，是小于等于（LE）的标志。梯形图如图 3-6 所示。当温度达到预设值时，中间继电器 2.14 接通，则后续动作可以开始运行。3-6 温度输入比较梯形图 电机正转、反转以及停止装置梯形图 电机正反转用来带动拉袋

50、气缸以及气缸回位的动作，当色标传感器获得信号后，电机 停止运转，并且启动电机加紧机构，使电机停止转动。梯形图如图 3-7 所示。由于实验室 没有相应的加紧机构，并且电机型号与所选型号不一样，惯性较大，所以在模拟试验的时 候，通过延时 5s 使电机停止，用来消除电机正转和反转之间转换产生的冲击10。15图 3-7 电机正反装与停止装置梯形图同时通过设置参数可以对电机转动频率进行改变，SYSDRIVE INVERTER 3G3RV 变频器 的调速范围是 15Hz-50Hz，当电机反转，拉袋电机回位的时候，电机转速选择最高频率 50Hz， 如图 3-8 所示，当电机反转时，中间继电器 接通，直接接通

51、变频器的 S5、S6、S7, 在图中只给出接通 S5 端子的梯形图，在接通 S6、S7 的时候，与图 3-8 相类似。3-8 电机正反装以停止装置梯形图 计数累计以及生产速度程序梯形图 在设计中有用到高速计数器，在实验中使用程序设计的方法，每执行一个循环，则计 数一次，通过累加送 D2 寄存器。之后通过定时器，可以计算每分钟生产的件数，通过按 键 SB5 可以清除累计生产的件数，并且重新计数以及计算每分钟生产的件数。如图 3-9 所 示。16图 3-9 计数累计及生产速度计算梯形图在图 3-9 中，当定时器 T0003 动作时，启动中间继电器 ，产生信号给 D2 寄存器 进行递加，当按下 SB

52、5 计数复位后，给 D2 送“0”，清空计数，当启动工作后，定制 60s17后，将当前生产件数送 D2，并且送 D10，再过 60s，将当前生产件数送 D11，之后差值送D12。由触摸屏调取 D12 显示为当前每分钟生产件数。3.5 触摸屏的程序设计采用了欧姆龙 NS10-TV01B-V2 触摸屏，触摸屏软件设计使用欧姆龙 CX-Designer 软件。 可编程终端触摸屏是用来作为新的人机界面，可以对数据进行显示以及将数据输入的功 能；可以以不同的形式显示控制器内部的数据，表现形式有文字、图标、灯、数据、曲线 等；使用屏幕上用 CX-Designer 软件绘制的触摸开关能够向控制器输入命令或传

53、递数据。 所有的画面都由 CX-Designer 软件设计，包括了欢迎界面，参数调整界面，电机频率选择 界面，主操作界面，警报显示界面以及手动操作界面。主要用来对 PLC 进行控制，操作， 信息通信等功能，可以实现温度、生产情况的监控，生产参数的设定，警报显示以及调整 复位等的功能。并且 CX-Designer 软件可以与 CX-Programmer 软件进行模拟联机操作，可 以大大简化了设计过程，节省大量时间。在软件设计调试完毕后，通过 PC 电脑的 USB 端 口将数据传输到触摸屏的 USB SLAVE 端口上，通过触摸屏上的 RS-232C 串行接口于可编程 控制器相连接，可以实际控制

54、PLC 进行操作11。3.5.1 触摸屏主操作界面图 3-10 人机界面主操作界面如图 3-10 所示，是本系统人机界面的主要操作界面，从欢迎界面进入就可以看到该 界面。左上角为封口温度显示，每隔 由程序发出读取温度信号，通过转换显示实时 温度。开机后，可以按下封口器加热按钮，对封口器进行加热，当有停机信号或者急停信 号，则加热停止。当温度未达到预设值的时候，温度显示位置左侧会有温度未达到的信号18等显示。右上角的“光电传感器信号”按钮是指在模拟运行时由色标传感器产生的模拟开 关信号。3.5.2 触摸屏参数设置界面图 3-11 参数设定主界面如图 3-11 所示，是参数设定主界面，通过该界面，

55、可以选择对电机变频调速经行设 置，电机频率转换界面如图 3-12 所示，通过选择所需频率，对应指示灯亮。图 3-12 电机频率选择界面在图 3-11 所示中，可以看到对应包装袋的包装长度以及当前包装机实际包装生产的 件数。在界面底部，可以选择操作方式，可以选择手动操作，如图 3-13 所示，在手动操 作模式下，需要先停止自动工作。手动操作可以对包装机各个工步进行动作，包括有输送包装纸，即拉袋电机动作，当19有传感器信号时自动停止；拉带电机回位，也是拉袋电机，以电机最高频率返回拉袋初始 位置，当有光电信号则自动停止；给料气缸，给出一个信号，进料完毕自动停止；电机停 止装置，用来停止电机转动，处理

56、紧急情况发生，以及调试用；横封口打印和纵封口打印， 对于横封和纵封都可以打印，分开动作；切刀切断，将包装完成的包装袋从包装机上切断。 之后可以返回主页面重新进行自动工作，也可以在点击该页面的“启动自动工作”按钮。手动操作模式一般用在停机调试，初袋试包装运行，故障检修，更换包装产品进行设 置等的时候。图 3-13 手动生产模式界面3.5.3 警报显示界面在图 3-14 所示中，为警报显示页面。当有故障时，在图 3-11 所示中，警报显示旁边 的指示灯会亮起，进入警报显示界面可以看出哪一部分出现故障。安全门指示灯，当安全门未关闭，安全门光电传感器没有信号，则发生警报，若安全 门关闭，警报未消失，则

57、光电传感器出现故障；缺纸停止，包装纸已经使用完，由传感器 发出信号；物料停止，由于物料不足，无法进行包装，由重量传感器发出信号；打印机停 止，打印机出现故障，无法正常打印以及封口工作；电机故障停止，无法正常送袋等动作。当故障处理完毕，对应的指示灯灭掉，同时需要按下故障复位按钮，才可以重新开始 自动包装工作。20图 3-14 警报显示界面3.4 温度模拟量输入模块采用美国国家半导体公司 National Semiconductor 生产的 LM35D 温度传感器，LM35D温度传感器输出电压信号，并且输出的是摄氏温度。LM35D 是一款广泛使用的温度传感器， 因为运用了温度补偿原理，使该传感器输

58、出将从0开始。LM35有多种不同封装型式。在 常温下，LM35D 不用额外的校准行为，其准确率就可达到?.25。在静止温度情况下， 自热效应低，为。图3-15 LM35D 输出电压计算公式如图3-15所示，为 LM35D 输出电压的计算公式，在测量范围内，成线性，比例因子为 10mV/。由于输出电压值教低，选择放大器对其电压进行放大，放大电路原理图如图3-4 所示。使用 LM324作为运算放大器，该运算放大器由四个相互独立的，有较大的放大倍数， 内部有频率补偿的放大器。LM324管脚如图3-16所示，为 L324管脚连接图，在使用中使用 到管脚1、2、3以及5、6、7作为2个反相放大器接口。管

59、脚4为 Vcc，管脚11为 Gnd。输入 端拥有静电保护能力，拥有内部补偿的能力，短路自动保护功能，确保输出，电源工作电21压为3V-32V，较低的偏置电流最大为100mA12。图3-15 L325管脚连接图如图3-16的放大电路所示，由于 N（+），P（-）两端虚短路，电位相同，则ui uN uP ，使用2个反相放大电路，相比较同相放大电路，反相运算放大电路的输出电压与输入电压u0R1（.R2） ui10ui 。相比，电压极性改变。如图中所示，R1R1 。带入相应的数值，得出u0该反相运算放大器放大倍数为10倍。图3-16 放大电路图22第4章 包装机机械结构设计自动包装机有送袋电机机构，袋

60、成型器，横封口成型器，纵封口成型器，切带机构， 送料机构等组成。4.1 包装机总体结构设计图 4-1 包装机机构图如图 4-1 所示，为包装机的机构图，最上部分是落料机构，往下为袋成型器，横封口 成型器，送袋电机，拉袋气缸，纵封口成型器以及切刀机构，最后为落料盘，落料盘后面 为包装袋卷筒放置处。包装机各个结构的设计 拉袋机构设计 如图 4-2 所示，为拉袋机构图。由变频电机驱动，带动联轴器，使滚珠丝杆转动，带 动导轨滑块在 2 根导轨上移动。工作的时候，当气缸继电器获得信号，接通气缸，使气缸 盖向气缸方向移动，通过 2 个橡胶将包装袋加紧，之后由变频器驱动变频电机，将包装袋 由上往下夹送，当获