基于PLC全自动药品包装机系统设计【实用文档】doc

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基于PLC全自动药品包装机系统设计【实用文档】doc文档可直接使用可编辑，欢迎下载河北化工医药职业技术学院毕业论文（设计)论文题目:基于PＬC的药品包装机控制设计姓名：贾晓明学号：26专业班级：机电1４0２班指导老师：耿惊涛2016年１２月1３日摘要现代社会对物品的包装要求越来越高，药品也不例外,为使包装出的药品整齐美观并且具有良好的包装质量，要求包装机具有精确的动作、定位精度及较高的生产率和一定的柔性，因此对包装机的控制要求是越来越高。传统的继电器已经不能满足现代药品生产的要求了，所以高效、经济且有一定柔性的新型包装机械是市场迫切需要的。本文着重介绍了一种基于PLC的全自动袋成型药品包装机,对控制系统中硬件设计和软件设计做了详细的介绍。该药品包装机选用的是FＸ２Ｎ—4８MＲ型编程器,使用SＴＬ指令编程能够实现手动、单步、单周期、回原点、连续各种不同的工作方式的切换。论文主要内容：1。介绍研制全自动药品包装机的意义，国内外的研究现状以及以前的药品包装存在的问题，本次设计的目的；2.结合袋成型自动包装机的机械结构,分析其工作过程为自动控制做准备；3．设计PLＣ控制系统的硬件，画外部接线图分配输入输出点,根据输入输出点数选择PLＣ型号；4。设计ＰLC控制系统的软件，编写梯形图程序，并且进行仿真调试。经过三周的努力终于完成了以上的工作,该药品包装机可以实现简单的控制要求,但控制精度还有待于提高。关键词：药品包装机;袋成型；PＬC；FX２Ｎ－４8ＭR目录TOＣ\o＂1—3”\ｈ\z＼u第１章概述PAＧEＲEＦ＿Toc3４66３7００6\h1ＨＹPＥＲLINK1.3国内外研究现状PＡＧEREF_Toc34６637０09\ｈ３１。3.1国外袋成型包装机发展现状PAＧERＥF＿Toc34６63701０\h3HYPERLINK\l”_Toｃ3４6637011"1.３．２国内袋成型包装机的发展现状ＰAGEREF＿Tｏc34６63701１＼h4HYPＥＲLINＫ\l”_Ｔoc３466370１２"1。3.３自动包装机存在的问题PAＧERＥF_Ｔｏｃ３46６37０1２\ｈ5HＹPERLＩNK\l＂＿Toc346637013”1。４本次设计的任务和设计内容PＡＧＥREF_Toc346637013\ｈ6１.４。1设计内容和要求PAGEREF_Ｔoc346637014\ｈ6HＹPERＬIＮK\l"_Toc3466370１5＂1。4．２设计工作任务和工作量的要求PＡGEＲEＦ_Tｏc３4663７015\h６第2章系统总体设计ＰＡGERＥF_Toｃ３466３７016\ｈ7２.1袋成型自动药品包装机的机械结构以及工作原理PＡGEREＦ_Toc3466３70１７\h７2.2工艺分析PAGEREF_Ｔoc３466３７0１８\h８HYPＥRLINK\l"_Toc346637019＂２．2.1内装物的工艺特性分析PAGＥＲEF_Ｔoc３466３７0１９\h８2.2．2包装材料的要求ＰＡＧEＲEF_Tｏc34６6370２0\h82．2．3系统工作循环过程ＰAＧEREF＿Toc３466370２1\h9ＨYPEＲＬＩNＫ\l”_Tｏc3４６63702２”２．2。４包装机原理框图PAGＥREF_Ｔoc3４663７０22\h9第3章PLＣ控制系统的硬件设计PＡGＥＲEＦ＿Toc346637０23＼h１0HYPＥRLINK3。1硬件配置PＡGERＥF_Toc３4６６3702４\h1０3.2操作面板的设计PＡGＥREＦ_Toc346637０25\h103.3输入输出点分配ＰAGERＥF_Toc3４66３7０２6\ｈ1１ＨYＰEＲＬＩNK\l”_Ｔoｃ346637０27”3．４ＰＬＣ选型PAGEＲEF_Ｔｏc3466３70２７＼ｈ123。５Ａ/Ｄ模块的选择PＡＧERＥF_Ｔoc３4６637028\h12HYPERLINK\l”＿Toc３４6637029”3。6ＰＬC外部接线及电机的驱动电路PAGEＲEF＿Toc346６37０29\ｈ13ＨYＰERLＩＮK\l”＿Tｏc34663７030”第4章PLC控制系统的软件设计ＰAGＥREＦ＿Toc3４６63703０\h16HYPＥRＬINK4。5自动回原点程序PAGEREＦ＿Toc3４６６3７0３5\h1９HYＰERLＩNK4。6自动程序PAGEREF_Toｃ34６6370３6＼h21HYＰＥRLIＮK\l”_Ｔｏｃ3４663７037"第5章结束语PAGEREＦ＿Toc３４66３7037\ｈ24ＨＹＰERLＩNK\l＂_Toｃ3４6637038＂5．１方案综合评价和结论PＡGEREF_Toc346637038＼h24５.2体会和展望PAGEREＦ＿Toc3４663７０39\ｈ2４参考文献PAＧEＲＥF＿Toc346637０４0＼ｈ25第1章概述１。1课题研究背景随着经济持续健康的发展，我国已成为世界十大医药生产国和原料出口国之一，但目前我国医药包装的整体水平还落后于发达国家。据上海药品包装测试所所长纪炜介绍,高速度、低效益、高消耗的粗放型增长是我国医药包装发展的典型特征,国内大多数医药产品的包装质量与发达国家存在较大差距。目前，我国有６5%的医药包装产品还达不到发达国家20世纪80年代的水平;包装材料质量及包装对医药产业的贡献率偏低。在发达国家，医药包装占药品价值的3０%，而我国的比例还不足１0％.其中，国内规模较大的医药包装企业虽然在设备上与国外差距不大,但在软件环境上却不尽如人意。据了解,造成这种差距主要有3个原因：首先是我国制药行业整体水平较低，医药生产企业的技术相对较落后。我国制药企业数量多，但规模小,重复生产严重，企业管理水平较低。其次，是医药产品长期以医院销售为主,在药店销售的药品只占总量很小的一部分,企业自然很难在包装上下大力气改革，医药包装长期保持老面孔.最后是医药包装机械设备和材料的技术水平落后、从业人员的质量意识不强，也制约着我国医药包装业的发展。对于包装设备而言，国内规模较大的医药包装企业虽然在设备上与国外差距不大，但在软件环境上却不尽如人意.国内药厂的大部分包装工作，特别是较复杂一些的包装物品的排列、装配等工作基本上是人工操作,众多的操作人员无法保证包装的统一和稳定。有些药厂即使使用某些包装机械，也只是应用在整个包装链的某个环节上。改进措施：(1）提高自动化程度是药品包装机械发展的重要趋势.高自动化的设备应具有：一是每个机械手均由电脑控制,一台包装机械为完成复杂的包装动作,需要由多个机械手完成。完成包装动作时,在电脑控制的摄像机录取信息和监控下,机械手按其发出的指令完成规定的动作，确保包装质量；二是具有对材质及厚度的高分辨能力,在包装过程中包装材料的厚度及材质变化不易为人眼所辨别,所以应在包装机械上采用由电脑控制的摄像机和探测器来分辨包装材料厚度和材质的变化，并在显示屏上显示。同时机器会根据分辨后材料的变化来改变有关参数，进而使设备在最优状态下运行；(2)机械功能要求多元化。1.2课题研究意义随着社会的发展、生活水平的提高，人民对药品包装提出了更高的要求。如果药品用手工进行包装，劳动强度大，速度慢，效益和质量差，而且手工包装不能满足卫生要求。因此需采用自动包装机来完成这些工作。包装机械是现代包装工业的基本设备，是商品生产中必不可少的关键技术设备。随着人类社会的进步，国民经济的发展，人民生活水平的提高，人们越来越重视包装的质量、品种类型，包装机械在包装领域中起着重要的作用。包装机械是使产品包装实现机械化、自动化的根本保证。它能够大幅度地提高生产效率;降低劳动强度，改善劳动条件；保护环境，节约原材料，降低产品成本；有利于被包装产品的卫生,提高产品包装质量,增强市场销售的竞争力;由于包装机械的计量精度高，产品包装的外形美观、整齐、统一、封口严密，提高了产品包装的质量,增强了产品销售的竞争力,可获得较高的经济效益;延长产品的保质期,方便产品的流通.包装机械保证包装产品质量高、生产效率高、品种多、生产环境好、生产成本低、环境污染小，因而获得较强的市场竞争力,带来巨大的社会效益和经济效益。自动包装机堪称为拥有漫长发展历史和富有强大生命力的主导机型。现已被各国视为前景较好的包装机械.由于现有国产袋成型自动包装机存在的软硬件问题，并且缺少相应的设计指导理论,所以对其进行研究改进是非常有意义的。包装容器的制袋－充填－封口是包装工艺必须的工序.充填的精确度影响到厂家经济效益；封口的好坏则影响包装产品的外观质量和保质期。因此，包装质量在很大程度上取决于袋长的精确控制以及封口质量，本研究对整机结构了解的基础上针对纵封、横封的封口形式完成了对薄膜输送系统等关键部分硬件设计其在实际生产中也具有十分重要的指导意义.1.3国内外研究现状为满足现代商品包装多样化的要求,目前国内外开始不断发展适应多品种、小批量的通用包装机械和设备，从而使得包装机械的形式日趋增多。袋成型自动包装机是将具有热塑性的塑料复合膜经加热软化制成包装容器，在一台设备上自动完成制袋成型、计量充填、封合剪切等全过程的自动包装设备。1．３。1国外袋成型包装机发展现状国外袋成型包装机发展全面,优势明显，主要特点有:结构设计标准化、模块化.用一台包装机完成对不同物料的包装时，利用原有机型的模块化设计可在短时间内迅速进行规格更换或转换为其他包装形式的机型，并为不同的计量系统提供了足够的空间。包装速度高速化.目前，国外的小袋包装机单列包装速度一般为30—８０袋/分,近些年来很多公司推出的多列式包装机(2列到10列不等)可使包装速度大大提高。如意大利ILAＰＡK公司的30０和400系列枕型包装机，计量范围15０到450ｇ，包装速度１20袋/分:日本横滨电机制作所的YＤE-70型四边封合包装机，计量范围：0．5到30mｌ,可以2到1０列，最高速度为80０袋／分。结构运动高精度化。由于采用各种新技术，如通过伺服电机、编码器及数字控制、动力负载控制ＰLC等高精密执行机构控制各种动作,使整机的充填计量精度和制袋精度都有所提高。如日本东京自动机械的SIGMA3型粉末计量机，配有可调速驱动马达,采用螺杆下料填充,最大充填为每次1。2kｇ，充填精度60.25%。控制智能化、弹性化.国外大多机器都通过智能型控制仪表和触摸屏上的菜单式应用软件对机器的各种参数进行跟踪调整。电子显示屏显示切袋长度、包装速度、充填物的净含量以及包装产量等，一目了然。标准的色标跟踪光电系统能绝对保证包装产品的印刷图案正确。另外，机器可对工作过程进行在线状态监测和故障诊断分析，一旦发生问题，自动停机，并显示故障原因及解决方法.包装形式多样化。国外的袋包装目前既有三边封合袋、四边封合袋、枕形袋，还有风琴式、自立袋等.用户可以根据市场的需要,具有更大的选择空间.国外的袋包装机执行机构和传动系统趋于简单，横封、纵封等动作的执行机构都采用气动原件，包装动作简捷快速,整机噪声小；采用变频调速装置,实现无极变速，不仅调速范围大、平滑性好、低速特性，而且可实现恒转矩调速，节电效果也十分明显。1.３。2国内袋成型包装机的发展现状我国包装机械发展较晚，目前正处于起步应用阶段。而且由于用户的技术水平和各种环境因素的限制，我国包装机械的需要就像一座“金字塔”。对高、精、尖设备的需求就是塔尖，越尖端的设备需求越小;对中、低档设备的需求就像“金字塔”底部,量大面广，商机无限.随着市场需求的不断增加，九十年代后,我国袋成型自动包装机有了较快的发展。通过参考国外产品,进行消化、吸收及自主开发、研制，技术上有了很大的提高，计量范围从1g到1000g不等，特别是产品功能和自动化方面也有了长足的进步。我国通过参考国外同类型产品,进行消化、吸收及自主开发研制，技术上有了很大的发展和提高。我国现有的袋成型自动包装机应用广泛,机型分为立式和卧式两种，可包装液体、糊状物料、粉状物料、颗粒和固体物料，包装形式有枕型袋、三封袋、四封袋、砖形带、屋形带、角形自立袋等多种类型。通过PLＣ和PＣ控制技术的不断推广和应用,使袋成型自动包装机的自动化程度得到了很大的提高。我国生产的袋成型自动包装机以普通型、通用型为主，即在同一台设备上，同一竖直方向上自动完成包装袋成型、计量、打印日期、充填、封口、切断、输出等工序。包装物料一般为：液体、粘稠体、颗粒物料、粉料、膏体、片剂、膨化食品等。充填计量方式一般为：容积式、称重式.容积式又可分为量杯式、旋转阀式、柱塞式；称重式又可分为电子秤、杠杆秤两种。有些包装机还采用组合式，粗供料采用容积式,精供料采用称重式等。所有包装材料主要是具有可热封的塑料单膜和各种复合膜。包装成型袋以扁平袋为多.热封方式主要：有往复、Ｌ型闭合式、旋转式.国产中型袋包装机多采用的横封装置是连续对辊式,其缺点是开机和关机时,在辊轮中间都要夹持部分包装材料，既难于清洗又浪费材料.小型袋包装机，横封装置采用的是扇形开合的封口方法,当包装袋的尺寸扩大后,其封口质量难以保证。客观地讲,我国生产的袋成型自动包装机综合性能与国外先进国家的产品还存在着很大差距。比较突出的问题是：机械加工工艺技术水平低；机构动作的同步、协调性差；关键零部件、易损件、电气元件寿命短、可靠性差；生产速度一般都比较慢，自动化水平不高，自动化调节、自动化控制水平低；设备的可操控性差,维护保养较麻烦；充填精度低、速度慢；外观造型和表面质量差。1.3．3自动包装机存在的问题据调查，现有自动包装机存在以下问题:１．包装机长期存在着包装材料输送速度难以控制的问题,薄膜输送速度不稳，对袋长精度和袋形精度和袋形质量的影响；工作初期和末期,带膜卷的直径速度变化很大,转动惯量变化,造成包装输送时拉力不均匀，使得袋封长度变化，袋长控制精度不高。2。包装精度(充填精度）低且工作时不稳定。3.包装速度低；目前国产包装机的包装速度,小袋包装在60～1２0袋／分之间，包装速度超过８０袋/分时包装质量将下降;中袋包装为35～60袋/分。国外设备的包装速度以达到1200袋/分，中袋包装1６０袋/分.４。封口质量难以保证5。外观质量.国家规定,包装袋的封口处应平整,网纹清晰，不得有灼化和压穿现象。而现有的包装机不能很好的达到国家的标准；包装成品的封口强度低；由于塑料包装材料与被包装物之间的静电作用,在塑料袋内壁上会吸附细小的被包装物粉粒，若不除去会造成横封口处封口不牢,严重影响包装袋封口质量.自动包装机的横封机构运动形式的不合理，将导致封口质量问题。传统的包装机的封口机构，其作用封块是扇形开合，封口部位热封时间不同,导致封口处不平滑，部分灼化或者强度不够。两横封快机构采用左横封快运动时,两横封快对包装袋的作用力不同，会造成其封口不匀。而且封口周期长，包装速度慢。1.4本次设计的任务和设计内容１。4.1设计内容和要求全自动药品包装机工艺全过程包括：制袋、充填、封口、日期打印、切断袋膜等,设计采用ＰLC对药品包装机工艺过程进行控制，实现手动、自动工作方式.１.4。２设计工作任务和工作量的要求（1)画出ＰLCＩ/O端口接线图，并按图接线。（２）编制控制程序，并画出梯形逻辑图.（3）完成系统调试，实现控制要求.(4)完成课程设计说明书。第2章系统总体设计２。1袋成型自动药品包装机的机械结构以及工作原理袋成型自动药品包装机是将具有热塑性的包材经加热软化制成包装容器，在一台设备上自动完成制袋成型、计量充填、封合剪切等全过程的自动包装设备.该机主要由计量装置、拉膜机构、纵封机构、横封机构、纠偏机构等组成。机构原理如图2-1：图2—1机构原理图当袋成型药品自动包装机整机运行时，拉膜电机启动，通过传动机构带动拉膜带恒速连续运行，拉膜带的速度可以按照包装速度设定值自动调整.拉膜带的内测为齿形带外侧为高弹力的橡胶带.高弹力橡胶带可以增强其与薄膜的摩擦力，在该摩擦力的作用下，包装材料随拉膜带向下运动。袋成型自动药品包装机的工作原理如图2—2：图2—2工作原理图2.２工艺分析2。2。１内装物的工艺特性分析药品主要是颗粒状、粉末状或者流体,该包装机可以在微小更改的基础上完成固体物料的包装.如果固体内装物的形状变化，只需简单更改零件就可以了。如尺寸大小变更可以调整成型器或更换成型器,其它的可以只是简单调整。易碎的物件可以在中封牵引、端封切断器上粘贴一些缓冲的物料，而无需更换零件就可以使机械适应范围广。若包装物由粉末状变为液体，则需要换物料输送模块，以及物料填充计量装置。总而言之,袋成型自动包装机的使用范围极广，只要是一般特性的药品都可以包装.2.2。2包装材料的要求包装材料在包装机设计中也是重要的。塑料包装的问世,引起了包装机的革命。使包装工艺、包装技术发生了巨大变化。如塑料包装可以采用高频加热热封包装或电热丝脉冲热封包装。医药行业多采用聚乙烯薄膜包装，考虑到在薄膜牵引时,薄膜要受到较大的张力，一般来说，包装的速度越高,包装材料越容易被拉断.如果包装材料的拉力强度不够,势必影响包装速度的提高。因此，选择包装材料的质量是十分重要的。2.2。3系统工作循环过程袋成型药品自动包装机的结构适合于连续式自动包装。从工艺上讲，其包装工作循环过程如图2－3所示.工艺是连续的，只有在内装物供送时,每送入一件必须保证端封切断器封切一件。图2-３包装工作循环过程2。2。4包装机原理框图结合设计任务的功能要求以及包装机的工作原理和工作过程，设计出包装机的原理框图,如图2—4所示。图2-4原理框图第3章PLC控制系统的硬件设计3。1硬件配置系统硬件配置结构如图3-1：系统硬件配置图３－1包括中央处理单元以及I/Ｏ扩展单元、检测元件（光电开关和接近开关等）、操作面板（旋钮开关、按钮开关）、控制元件（交流接触器和电磁阀)以及执行元件(电动机和气缸）等几部分.操作面板作为设备控制的操作界面，接受来自操作人员的操作指令并指示设备的运行状态；检测元件检测料位计量、投料结束信号，以及各部分的动作完成情况;PLＣ自动循环扫描各个输入输出点的当前状态,并根据梯形图程序所确定的逻辑关系更新输出点的状态，通过断通交流接触器和换向电磁阀来控制电动机的启停和气缸的动作，从而完成从卷膜输送到物料排出全过程的自动控制。3。2操作面板的设计为满足生产地需要，很多设备要求设置多种工作方式，本次设计的药品包装机同样需要,系统设有手动、单周期、单步、连续和回原点５种工作方式。工作方式选择开关的5个位置对应于5种工作方式，操作面板左下部的8个按钮时手动按钮。为了保证在紧急情况下（包括ＰLC发生故障时）能可靠地切断PLC的负载电源设置了交流接触器。在ＰLC开始运行时按下“负载电源"按钮，使KM线圈得电并自锁,KM的主触点接通给负载提供交流电源，出现紧急情况是用“紧急停车”按钮断开负载电源。操作面板如图3－2:操作面板图３—2３.3输入输出点分配自动包装机工艺过程由袋成型、充填、封口、冷却等几部分组成，包装机控制系统输入信号有：启动、停止及急停信号检测,卷膜袋长色标检测,缺袋检测，定量充填部分返回有无充填信号,横封到位检测,横纵封结束检测。输出信号有:卷膜牵引启动,卷膜横封控制，防止过冲刹车控制,水冷却控制，卷膜纵封控制，卷膜切刀控制，打印控制，拌料送料电机启停控制等。综合上述控制要求，并基于整个控制系统总成本及备用点考虑,本设计选用输入２4点、输出２４点的ＰLC基本单元。I/O点分配如下表：输入端子说明输出端子说明X０安全门限位Ｙ0打印气缸电磁阀X1扩展用Y1纵封气缸电磁阀X2纵封到位检测Y2动盘气缸电磁阀X3扩展用Ｙ3刮板气缸电磁阀X4动盘到位检测Ｙ４横封气缸电磁阀X5料满检测Y5切刀气缸电磁阀Ｘ６横封到位检测Y6走袋电动机Ｘ７扩展用Ｙ７供料电动机X10手动Ｙ1０冷却泵电动机X１1回原点Ｙ１1横封加热管X１2单步Y１２纵封加热管Ｘ1３单周期Y13空气压缩机Ｘ14连续Y14X15启动Y15Ｘ16停止Y16X1７供膜Y17Ｘ20打印Y20X21纵封Y２1Ｘ22动盘移动Y22X2３供料Ｙ2３X24刮板移动Y24Ｘ25横封Ｙ２5X26切断Y２6Ｘ２7扩展用Y273.4ＰLC选型根据输入输出点数该控制系统采用日本三菱公司生产的FX2N－48MR型可编程控制器，选用AＣ电源，DC2４V电源输入,继电器输出。FX2N系列PＬC是三菱公司近年来推出的高性能小型整体式PLC，能实现高速运算，基本指令每步0.0８微秒。程序容量最大16Ｋ步,基本指令有27条，步进指令有2条,功能指令有２９８条。内附高速计数器、内部元件很丰富，是一种功能很强大的小型PLＣ.由于其结构紧凑小巧、执行速度快、功能强大及性价比较高等特点,符合本系统各方面要求.3.５A／D模块的选择该药品包装机需要对一些非开关量(色标检测、温度检测）进行监控，普通的限位开关已经不能满足使用要求，因此此处选用变送器来转换这些模拟量,再通过与PLC适配的A／D模块将信号传送到PLC内部。该包装机需要检测三个模拟量即色标检测、横封温度检测以及纵封温度检测,此处选用FX２N-４AD模拟量输入模块,该输入模块有4个通道可以同时接收并处理4个模拟量输入信号最大分辨率为12位。通道1输入色标检测量，通道２输入纵封温度检测量，通道3输入横封温度检测量。在初始化程序中需要将这3个两读入PＬＣ中。３。6ＰLＣ外部接线及电机的驱动电路全自动药品包装机控制系统外部接线图如图3—3所示,依据选好的PLC型号和Ｉ/O分配表设计出系统的外部接线。主电路图如图３—４所示。根据控制系统的要求，系统中需要多台电动机.其中主电动机是走袋电动机，它给系统提供必需的膜,是保障系统正常运行的关键所在.供料电动机、冷却泵电动机和空气压缩机等分别是给系统提供物料、冷却和给电磁阀提供风源的。横封加热管和纵封加热管分别是给横封运动和纵封运动提升温度的。另外，电源模块是给电磁阀和Ａ／Ｄ模块提供工作电压的。由于要控制电机，所以系统中还要运用交流接触器来控制其通断情况，为了防止过载等情况发生还有加入热继电器等。图３—3外部接线图图3－4控制系统主电路图第４章PLＣ控制系统的软件设计4。1步进指令编程的介绍全自动药品包装机控制系统的软件设计部分包括了系统控制流程图和梯形图程序的设计。有了程序的驱动整个控制系统才能按照设计要求动作，在梯形图设计这一块，要充分考虑各个部分要实现的功能等。对于复杂的控制要求使用步进指令（STL/RET)指令编程较为简洁，用FX系列ＰLC的状态继电器编写顺序控制程序时，应与ＳTL指令一起使用。S０~Ｓ9用于初始步,S10~S19用于自动返回原点.使用ＳＴＬ指令的状态继电器的常开触点称为STL触点,它是一种胖触点，STL触点驱动的电路块有三个功能,即对负载的驱动处理、指定转换条件和指定转换目标。步进指令的使用说明：1）STL触点是与左侧母线相连的常开触点，某STＬ触点接通,则对应的状态为活动步;2）与STＬ触点相连的触点应用ＬD或ＬDＩ指令，只有执行完RＥT后才返回左侧母线；３)ＳTL触点可直接驱动或通过别的触点驱动Y、M、Ｓ、Ｔ等元件的线圈；４)由于PＬC只执行活动步对应的电路块，所以使用SＴL指令时允许双线圈输出（顺控程序在不同的步可多次驱动同一线圈）；5）STＬ触点驱动的电路块中不能使用ＭC和ＭCR指令，但可以用CJ指令。4。２控制系统的主程序以上设计的是控制系统各部分的子程序，分别实现系统初始化、手动控制、自动回原点和自动控制,把以上程序结合在一起成为一段程序就能够实现手动、回原点、单步、单周期、连续各种不同的工作方式的变换，其主程序流程图如图4—1所示。图４－１主程序流程图4。3初始化程序ＦX系列PＬC的状态初始化指令ＩST与ＳTL指令一起使用，专门用来设置具有多种工作方式的控制系统的初始状态，和设置有关的特殊辅助继电器的状态，可以简化复杂的顺序控制程序的设计工作.ISＴ指令只能使用一次，它应放在程序开始的地方，被它控制的SＴL电路应放在它的后面。该药品包装机系统的初始化程序用来设置初始状态和原点状态条件。初始化程序如图4-３，M30~M37与X1０~X16的关系，已经在程序中写出，与工作方式开关对应的Ｘ10～Ｘ１4中同时只能用一个处于OＮ状态，必须使用选择开关，以保证这5个输入中不可能有两个同事为ON.IST指令的执行条件满足时,初始状态继电器S0~S2和下列状态辅助继电器被自动指定为一下功能,以后即使IST指令的执行条件变为OFF,这些元件的功能仍保持不变：M８０4１禁止转换M8042转换启动M8043起动脉冲M8０4４回原点完成Ｍ8047STL监控有效S0手动操作的初始状态继电器S1回原点操作的初始状态继电器S２自动操作的初始状态继电器初始化程序如下：图4-２初始化程序４。４手动程序图4－３是手动程序,手动操作时X１7～X26对应的8个按钮控制供膜、打印、纵封、动盘移动、供料、刮板移动、横封、切断.为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的软件互锁和按钮联锁,如打印、纵封、横封、切断时供膜电机不能运行,在供料时刮板不能移动，在横封时切刀不能移动等,以免机械发生干涉。图4－3手动程序4。5自动回原点程序由手动工作方式切换到自动工作方式之前必须满足原点条件否则无法执行，所以此处编写一段回原点程序。自动返回原点结束后,用SET指令将M80４３置为ON做为标志.回原点程序流程图如图4－4，自动回原点控制程序如图４—5。该药品包装机的原点为安全门关闭、动盘到位、走袋电动机关闭.图4—4自动回原点流程图图４—５自动回原点程序4。6自动程序图4—６是自动控制程序流程图，图4-7中是自动控制程序,能够在原点条件满足且切换到自动运行时，实现自动运行。自动程序能够实现单周期、单步、连续的功能。使用IST指令后,系统的单周期、单步、连续的几种工作方式的切换时系统程序自动完成。工作方式的切换时通过特殊辅助继电器M８０40~M8042实现的，ISＴ指令自动驱动Ｍ８040～M804２。图4－6自动程序流程图图4－7自动控制程序第5章结束语5.1方案综合评价和结论本次课程设计完成了电气控制系统硬件和软件的设计工作，可以实现手动、回原点、单步、单周期、连续各种工作方式的切换,能够按照预期的目标正常地运行。程序设计时结构清晰，易于检查和修改。而且为以后软件的维护和改进提供了方便。对系统的可靠性进行了充分的考虑,加入了各种的保护措施，尽量消除了各种可能的事故隐患.PLＣ非常有利于小型自动化系统的实现,用PLC作为下位机实现现场的信号输入和实时控制，是执行可靠,而且有效地实现了分散控制。设计完成之后,也发现本设计中存在着一些不足和需要改进的地方:1.本次控制系统中采用的是旋钮开关和按钮没有采用触摸屏，如果设计了触摸屏，那么一些数值就能直接通过触摸屏设置好，使系统动作更加精确.而且外观也会更美观；２.硬件设计中采用的电机等部件会发生过热现象,如果加入声音报警功能，即当电机过热时，程序利用蜂鸣器发出尖锐的声音提醒操作人员有故障发生，达到提高反应速度、降低故障危险性的目的。5。2体会和展望体会这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导和自己认真查资料后，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识,在次我们表示感谢！同时,对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！我深知做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限,所以在这次课程设计过程中,我们了解了很多元件的功能,并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时,有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了.而且还可以记住很多东西，认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。展望1.通过数字PＩD控制将包材速度控制在目标值附近,使包材速度在小范围内波动;2.将拉膜机构部分上添加拉力检测装置，然后对主轴电机的速度增加拉力控制，可更好地保证生产的顺利进行；3.在计量系统方面，可以用单片机系统收集信息并返回ＰLC，并根据误差变化调整充填电机的速度。也可将变频器驱动电机改为步进电机驱动进料,以此提高包装充填精度；4.由于本系统控制硬件仍有扩展余地,可考虑在此平台上由现有的单列封袋，改为多列封袋,由此提高生产速度.参考文献【1】李学忠，张国全。全自动包装机ＰLC控制系统设计【J】。广西轻工业。２007。2:41－４2。【2】FX2N系统微型可编程控制器适用手册。广州:正海科技开发有限公司,１9９６。【3】廖常初.FＸ系列PLC编程及应用【M】.第1版.北京：机械工业出版社，20０5。【4】周亮。袋成型自动包装机控制系统的设计与研究：【D】.湖北：武汉理工大学。２０0９.题目:基于PLC高速全自动包装机的控制系统设计指导教师：职称：学生姓名:学号：专业:机械设计制造及其自动化院(系)：机电工程学院答辩日期：２０15年６月23日摘要卫生卷纸是人们生活中的必须品，随着人们对纸质品用量的增加，对卫生纸的需求也越来越大，且对卫生纸的安全性,方便性要求也越来越高。为使包装出的物品整齐、美观并具有良好的包装质量，研制高速、高效、高质、经济的新型包装机是市场的迫切需求。本设计以高速全自动卷纸包装机控制系统作背景，同时结合理论和实践，细致地记述了：光电感应技术、ＰLＣ技术、通信技术于一体的先进控制技术在这款包装机控制系统中的应用。本设计主要内容如下：1.记述了可编程控制器ＰLC的现况和它在包装机械上应用的可行性与前景。2.基于对卷纸包装机生产工艺流程的认识,计算其输入输出Ｉ／Ｏ点,然后对PLC选型，硬件组态的设计。3．包装纸包装过程中的同步控制问题。4.利用Siemenｓ公司的编程软件Step7、和通信功能设计了包装过程梯形图、ＰLC通信网络及STR语句，用来实现数据的采集与控制输出设备的高速、高效、安全地运行。经过我们的努力,卷纸包装机控制系统的设计已经完成。并且经过了严格的测试，在实验室的模拟运行中,取得了良好的控制效果。使该机无论从功能上还是效率上都获得了质的提高，较好地实现了控制要求.关键词：PLC包装机同步控制Ｓｔep７AbstractArｏlｌoｆtｏiｌｅtｐａｐerispeopｌｅ'slifｅmuｓt，wiｔhtheｉｎcreasingoftheａmｏuntofpaｐerｐｒｏducts，tｈedｅｍａndｏftoiletpaperisａlsomｏreandmｏreｂigandtheｓafetyoｆtｏｉletpaｐｅr，cｏｎｖｅniencｅareincreasｉｎgｌyhighreｑuｉreｍentｓ.Ｉｎorｄｅrtomaketheｇoodsnｅａｔ,beautｉfulandhaｖｅgoodpaｃｋagiｎgqｕａliｔy，thenewpaｃkaｇiｎｇmachineｗithhiｇheｆfｉcieｎcy，higｈeffiｃieｎcy，ｈigｈqｕalityａｎdecｏｎｏｍyistheuｒｇeｎtｎeｅdofthemarket．Thedesiｇｎoｆhigh—speedautomatiｃrｏｌｌpapeｒpackagｉngｍachinecontrolsyｓtemastｈebaｃkground,combineｄwithｔheoｒyａndpraｃtice,cａrefuｌｌyChｒonicｌesphotoeleｃtｒｉcsenｓｏrtecｈｎoloｇｙ,PLＣtｅｃhnoloｇyaｎdcomｍunicatｉonsｔechnolｏgyｉnｏneoｆｔｈｅadvａncｅdcｏnｔroｌｔｅchnｏｌogyiｎｔhｉspackａgingｍａchinecｏntrolｓystemapｐlicａtion。Ｔｈemａincoｎtentsofthisdesignaｒeａsfoｌlowｓ：1.theprｅsentsiｔｕａtionofthepｒoｇrammabｌｅｃoｎｔｒｏｌｌeｒPＬCanditsｆeaｓibilityanｄprospectｉｎｔhｅapplicationofｐackagiｎgmａchinｅｒy。２.ｂaｓedｏnthｅｒｅcogｎitionoｆｔhｅproductionprocessflowｏｆｔhepaｐerpaｃkaｇingmａcｈｉｎe，cａlcｕlａｔeｔheｉnpｕtａndoutｐuｔI／Opoｉｎtｓ，anｄtheｎselecttｈeＰLC，hａrdｗarecｏnfiｇuratｉondeｓiｇｎ.3。Sｙnchronizatiｏｎcontｒｏlinｔheproｃｅsｓofｐackagｉngpａｐeｒｐacｋａｇｉnｇ。4.ＵseSｉｅmenｓSTEP7ｐｒograｍｍinｇsoｆtware,aｎdｔｈｅcoｍmuｎiｃationfuｎctiondesiｇnthepａcｋagiｎgｐrocｅsｓladｄerdｉagraｍ，PLCcoｍmuｎicationnetwoｒkaｎdSTＲstatｅmenｔ,uｓeｄｔoｉmplemenｔdａtaaｃquisｉtiｏnanｄconｔrｏloutpｕtdeviceofhighｓpeed,highefficｉｅncyａndsａfeoperａtｉoｎ。Afterｏｕrｅｆforｔｓ，thedesignoftｈecontrｏｌｓyｓtemofthepapeｒpａcｋagingmachiｎehaｓbeｅncompletｅｄ.．Ａnｄａｆteｒarｉgorｏustｅst,ｉｎtｈelａbｏratｏrysｉmuｌation,achievedgｏoｄcontｒoｌreｓulｔs.Tｈemachｉｎeｗastoimprｏvｅtｈeqｕaliｔyｏｆｂｏththeｆunctｉｏnａndeffｉｃieｎcy，ａchievebeｔｔeｒconｔroloｆｔherequｅsｔ．Kｅyｗordｓ：PＬCPackingmachinｅSynchrｏnoｕscontrolＳtｅp７目录TＯC\＊MＥRGＥFORＭAT1绪论PAＧＥREF_Tｏc153241１。1可编程控制技术的现状ＰAGEREF_Toc310311１。２可编程控制技术的发展趋势PAGＥＲEF＿Toｃ２505211．3PLＣ与其它工业控制系统的比较ＰAGＥＲEＦ_Ｔoｃ23６7６31。3．１PLＣ与继电器控制系统的比较３1。３.2PLC与单片机控制系统比较PAＧERＥＦ_Toc1788641。3。3PLＣ与计算机控制系统的比较41。3.4PLC与集散型控制系统的比较PＡＧEREF＿Ｔoｃ1713351．4卷纸包装机产生的背景及意义5１.5PLC在包装机械上应用的可能性和前景51。6本设计研究的主要内容６1。7设计的安排62卷纸包装机控制系统的总体设计PAGＥRＥF＿Ｔoc11238８2。1卷纸包装机生产工艺论述PAGＥＲEＦ＿Toｃ152９582。2控制方案的设计９2。3系统的运行模式103控制系统硬件总体设计PAＧEＲEF_Tｏc13９62113．1总体结构关系PAＧEREＦ_Tｏc１021811３。２控制系统主要器件的选择６２2１14电器线路和元件模块的设计PＡGEREF＿Tｏc４41２13４。1供电线路PAGＥRＥＦ_Tｏc1455３13４。2主要控制功能模块的设计1３4。2。1装料工位１１34。2。2夹钳抓紧、旋转与窝边工位２154。3卸料工位3分析164。4放卷、分切部分的张力控制１65同步控制系统分析PAGEREF＿Toc14６３４185．１送料过程中的同步控制1８5．2信号的获取185.3同步控制电路原理的分析19６系统的软件设计PＡＧEREF_Toc16307２１6.1概述ＰAGEREＦ＿Ｔｏc１７964２１６.1。1可编程序控制器实现控制的要点216．1。２可编程序控制器实现控制的过程226。１．３可编程控制器实现控制的方式226。2PＬC程序的总体结构2２6。3PLＣ软件的选择23６.4Step７软件的介绍23６。5模块化编程236．６程序的仿真调试30结论31致谢３2参考文献3３附录351绪论1。1可编程控制技术的现状可编程控制器（ProgrａｍｍableLogicalConｔrollｅr）简称PC或ＰLＣ，是60年代末发明的工业控制器件,是美国数字公司（ＤEＣ)为美国通用公司（ＧM）研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生[1]。随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代ＰLC已经成为真正的工业控制设备。最初，ＰLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。但不久，西德的西门子(SIEMEＮS）公司、ＢＢC公司就开始研制PLＣ，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上.70年代初，日本的OMRＯＮ也推出了他们的ＰLC。三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。７0年代中期,美国和西德首先出现了微电脑化的小型ＰＬC.由于PＬＣ是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置,所以成本迅速下降；加上其是专为工业控制所设计,所以具有极好的抗干扰性能；并且他的使用和维护都极为方便,实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战,更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。据国外资料介绍:１９８2年美国PLＣ用户中,有48％来自自动程序操作部门（如汽车、拖拉机工业、机械工业等）、1３%来自石油化工业、9%来自食品饮料业、7％来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门。近年来，随着我国对外开放,日、美、西德等国生产的PLC已通过多种途径进入了我国,引起了各方面的重视并得到应用.如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的ＰLC。1．２可编程控制技术的发展趋势随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求,可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善［2］.仅仅将ＰLC理解为开关量控制的时代已经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体,其功能也日趋完善。今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展：一个是向超小型专用化和低价格方向发展;另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。总的趋势如下：(1)可编程控制技术的标准化在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既互相竞争又互相合作。一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。按照这些标准,各种型号的PLＣ产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。但是,这些标准目前只能是统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面,制定了国际标准.（2）CＰU处理速度进一步加快目前PLC的CPＵ与微型计算机的CPＵ相比,还处在比较落后的地步，最高的也仅仅处在8０48６一级。将来会全部使用６4位RＩSC芯片,实现多CＰU并行处理或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。这样PＬC执行指令的速度将达到纳秒级。（３）可编程控制技术的智能化提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系统的可靠性。（４）系统的开放性和兼容性开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多,加上自动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的产品族中,都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题；另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平.(5)通用性和专业化的结合可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域都有其自己的特点.怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢？硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。常用的专用模块包括：定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。(6)可靠性进一步提高随着PLC进入过程控制的领域，对PLC可靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错技术将进一步得到应用,不仅会有ＣＰU单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、1/0单元冗余、而且整个系统都会实现冗余.但从根本上来讲,系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度.要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。MTＢF（平均无故障时间)是衡量产品质量的重要指标.纵观各著名厂商，其ＰLC产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。(7)控制系统分散化根据分散控制、集中管理的原则，PLC控制系统的1/0模块将直接安装在控制现场，通过通信电缆或光纤与主ＣPU进行数据通信。这样使控制更有效,系统更可靠。（8）控制与管理功能一体化为了满足现代化大生产的控制与管理的需要,PＬC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。综上所述，我们不难得出下面几个结论：=1\*GＢ3＼＊MＥRGEFＯRMAT①工控机、计算机集散控制系统及PＬC正在走着一条相互融合的道路.=2\*ＧＢ3\*ＭEＲＧEFORMAT②智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想.=3＼*GＢ３＼＊ＭERGEFORMAT③系统的智能性将越来越重要,因此系统的分析运算能力将越来越强。＝４\*ＧＢ3\＊MERGEＦORMAT④基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据.=5＼＊ＧB3＼＊MERGEFＯRMAＴ⑤通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征［3]。1。3PＬC与其它工业控制系统的比较在现代工业设备及自动化项目中，我们会遇到大量的开关量、脉冲量及模拟量等控制装置。如电机的启动与停止，电磁阀的开闭，工件的位置、速度、加速度的测定，产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等等.传统的工业自动控制主要是由继电器或分离的电子线路来实现的。这种控制方式虽然造价便宜，但却存在许多致命的弱点：只适用于简单的逻辑控制,仅适用某种控制项目，缺乏通用性,一旦要实现改动或者优化，只能通过硬件的重新组合来实现。目前,工业界比较有代表性的控制方式主要有以下几个类别:继电器控制系统,单片机控制系统，微型计算机系统,集散型控制系统[4].１。３.1PLC与继电器控制系统的比较继电器控制是采用硬接线逻辑,利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。如果要在现场做一些更改和扩展更是难以实行。而PLC是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变PLC内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。对于PLC来讲,只要用PＬC配备的编程器在现场就可以完成更改。至于PLC对外部的联系,只有I/O点，只要输入输出对象不变,就无须对硬接线作任何改动。继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现的。工作频率很低.一次动作一般为数十毫秒。对于复杂的控制，使用的继电器越多，反应就越慢。而PLC是以微型计算机为基础的控制装置，其运行速度为每个指令步数十微秒（对于高速PLC则是5微秒以下)。并且内部有严格的同步,所以不会出现抖动的问题。对于限时控制，继电器是利用时间继电器的延时动作来实现的。由于时间继电器是利用空气阻力，半导体延时电路来实现延时的，所以其定时精度低，调整不方便。且环境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。而ＰLC则是由晶体振荡器所产生的脉冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时的，定时范围一般为０．1秒，也有０.０１秒的,精度一般高于１０毫秒，只要根据需要由编程器送入时间常数即可实现定时时间的设定或更改。由于PLＣ的定时是对时基脉冲进行计数来实现的,所以如果是对外脉冲进行计数，就成为计数器。现代的ＰLC一般都具有定时器和计数器功能。从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点，连接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使接线松动,所以可靠性和可维护性都较差。而PLC则采用了无触点的电子电路来替代继电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在上述缺点。而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程成为透明.ＰLC一般还具有步进控制指令,可以进行步进控制,而继电器逻辑就比较困难。继电器逻辑只能对开关量进行控制.而PLＣ除了具有开关量控制功能外,有些功能较全的PＬC还具有A/D，D/A转换装置，可以用来对模拟量进行控制.但是目前在成本方面PLC还比继电器贵，一般进口产品每个Ｉ/O点为人民币80元左右；国产一般点I／O为6０元左右.1.3。2ＰＬC与单片机控制系统比较虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业控制而设计的.同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍较差，成本高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制都为开关量控制,所以其长处仍得不到发挥。单片机与PＬC的比较:在很大程度上,单片机是专为工业控制而设计的。因此，它具有较好的环境适应性。事实上,现代PLC的核心就是单片微处理器。用单片机作控制部件在成本方面具有优势.但是不可否认,从单片机到工业控制装置之间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然PLC也有必不可少的软件开发过程,但两者所用的语言差别很大,单片机主要使用汇编语言开发软件。而PLC用专用的指令系统来编程的。前者复杂而易出错，开发周期长.后者简便易学，现场就可以开发调试。单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。硬件上主要受ＣPU、内存容量及I/O接口的限制;软件上主要受限于与CPU类型有关的编程语言。一般说来单片机或单片机系统的应用只是为某个特定的产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性都相当差。１.3.3PLC与计算机控制系统的比较ＰＬC是专为工业控制所设计的.而微型计算机是为科学计算、数据处理等而设计的，尽管两者在技术上都采用了计算机技术,但由于使用对象和环境的不同，PLC较之微机系统具有面向工业控制、抗干扰能力强、适应工程现场的温度、湿度环境、输入、输出一般采用“光电”隔离技术，并配备有可承受较大负载的继电器或可控硅（也有用晶体管）输出部件，一般可以直接驱动小型电机等负载。此外，使用面向工业控制的专用语言而使编程及修改方便。并有较完善的监控功能。而微机系统则不具备上述特点,一般对运行环境要求苛刻,使用高级语言编程，要求使用者有相当水平的计算机硬件和软件知识。此外，微机系统的外设配备较多，有些对工业控制并非必须.因此PＬＣ显然较微机系统更适合于工业控制。1.3。4PLC与集散型控制系统的比较ＰLＣ是由继电器逻辑控制系统发展而来的[5]。而集散控制系统DCS(DisｔributionControｌSyｓtｅm）是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模拟量处理，回路调节等方面有一定的优势。PLＣ随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展,无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上,都有很大的提高。并开始与小型计算机联成网络,构成了以PＬC为重要部件的分布式控制系统。随着网络通信功能的不断增强，PLC与PLC及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统,在数据高速公路上(DatａHigｈway）挂接在线通用计算机,实现在线组态、编程和下装,进行在线监控整个生产过程,这样就己经具备了集散控制系统的形态，加上ＰＬC价格和可靠性优势，使之可与传统的集散控制系统相互竞争。由于以上的原因，可以预见随着ＰLC成本的下降和机器要求的提高，将很快在大部分场合取代继电器控制屏。无论是与传统的继电器、接触器控制逻辑相比，还是与现代的微型计算机系统乃至专用于控制的单片机相比,在工业控制方面PLC都具有明显的优越性。尤其是对生产流水线、动作复杂的单机，比起前述几种控制手段来具有寿命长、可靠性高、对环境无特殊要求、开发费用低、周期短、无需专门的计算机软、硬件知识就可在短期内掌握,功能扩展方便,成本可为一般用户所接受等优点,是现代机电一体化产品控制装置的理想选择。１。4卷纸包装机产生的背景及意义卫生卷纸是人们生活中的必须品，随着人们对纸质品用量的增加，对卫生纸的需求也越来越大,且对卫生纸的安全性，方便性要求也越来越高。为使包装出的物品整齐、美观并具有良好的包装质量，研制高速、高效、高质、经济的新型包装机是市场的迫切需求。目前,该类包装机多半为进口产品,价格昂贵.为此,我选择了关于卷纸包装机控制系统设计的课题。1.5PＬC在包装机械上应用的可能性和前景包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合,而后者只是ＰＬＣ的内部寄存器，在PLC编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的PＬＣ都有上百点内部辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部电器,足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对PLC进行编程。事实上ＰLC用于这种场合是最能显现出其经济性。当然我们不仅忽视了PLC的另一个优点,那就是其运行速度及可靠性和寿命远远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲，PLC最适合于需要大量中间继电器的场合。且PLC与其他工业控制系统比较具有许多优点：（１)更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动；（2）程序可以复制，批量生产很容易；（3)电气硬件设计大大简化;（４)由于PLＣ除有继电器功能外,尚有多种其它功能,可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化,并有可能使机构简化；（5)可靠性高；（6)成本相对于继电控制而言稍高,但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，成本急骤上升，而PLC控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性；(7）具有扩展单元或扩展模块，当需要较多１/0时可以方便地扩展。因此,国外在注塑机、各种包装机上已经大量地采用了PLＣ来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。我国包装机械目前控制部件大多还沿用继电器方式。如果能用PLC来取代的话，则可以简化机械结构,机械和电气设计都可以得到简化[6].更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现，使机器在某种程度上实现智能化。通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用PLC控制系统。1.6本设计研究的主要内容（1）对可编程控制系统的现状与发展趋势作一简单的介绍,明确背景知识与选型根据;分析PLC在包装机械上应用的可能性与前景。（2）卷纸包装机各动作控制工艺的研究。了解卷纸包装机的工作过程及工艺要求。总结各机构的动作顺序，将其用流程图的形式表示出来,为实现高速全自动运动控制做准备。（３）可编程控制器部分的设计,包括控制方案的选取与设计、I/０接口信号的确定、模块的选择,控制程序的设计与调试。1.7设计的安排本设计共分六章。设计的第一章主要介绍了可编程控制器的现状及发展趋势及其在包装机械上应用的可能性及前景，分析了PＬC控制系统与其他控制系统的区别，介绍了本课题的研究内容。第二章分析了卷纸包装机工艺流程和包装各动作的时序及包装机速度的影响因素及提高方法,设计了包装机控制系统的控制方案、运行方式及硬件的选择。第三章主要对硬件进行总体设计。第四章主要是对控制系统的供电线路及包装机各工位元件的设计。第五章主要是对包装过程的同步控制系统进行分析。第六章根据PLC原理用SIEMENＳ的STEＰ7设计了某些功能块的梯形图，并用S7-ＰＬCSIMsimulａtｏｒ模拟其运行结果。２卷纸包装机控制系统的总体设计第一章介绍了可编程控制技术的一些概要情况,下面就具体结合卷纸包装机电控系统的实际来看一下它的应用。这里需要说明的是,正如前面所提到的那样，可编程控制技术并非单纯是指PLC本身,而是包括其在内的一系列自动化控制产品和技术的应用。本系统在电气控制部分设计时,充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的配合需求,在具体实现的过程中,又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的包装机设备.在设计控制系统之前，首先得了解其生产工艺.２．1卷纸包装机生产工艺论述卷纸包装机主体作用是把来源卷纸库的卷纸按照每分钟6０个的频率包装为满足要求的卫生卷筒纸.如图2．1—1所示是简易的工艺流程图。包装纸按照卷筒的形式安装在原料架上方，一旦上位机释放命令,放卷电机开始动作,放卷开始。放卷到规定长度（长度依靠色标来确定）时,通过色标信号向切纸机构发出指令。切纸机构用的是交流变频调速电机,带动一个凸轮旋转，进而带动切断刀上下进行运动,在凸轮上放置一个位置传感器,当凸轮转到某一固定位置时，切刀开始向上运动，二刀分离，当出现色标信号时,刀又开始向下进行运动。切刀向上和向下的工作频率可借助变频调速电机进行调整,操作简单方便。已经完成切割的纸片经过整理后放到纸片库中，等待推纸空心台送纸片。同时卷纸库的卷纸通过整理等待托盘推杆送卷纸球.包装过程依靠包装工艺盘及其辅助机构来实现。包装工艺盘一共有八个V形槽和三个加工工位,当包装纸与待包装的卷筒纸放到槽中之后,由工艺盘载着其开始转动,依次送到每个加工工位.工艺盘的转动是借助交流电机通过皮带传动带动的，每个加工工位的动作是借助顺序逻辑控制电磁阀带动执行机构动作的。工件先是从1号工位装入，然后在2号工位由夹钳机构完成前进，抓紧，旋转以及窝边的动作，同时依次向托盘与推纸空心台发出送纸球和送纸片信号，最终在３号工位处，已经包装好的产品由于重力作用自由落入到成品库中.原包装纸防卷切纸原包装纸防卷切纸纸片空心台纸片库纸片空心台纸片库工位3工位2工位1工位3工位2工位1纸片整理纸片整理托纸盘托纸盘卷纸库卷纸库图2．1－1卷纸包装工艺流程图图2．1－2包装过程各工位时序图因为它是一个突出的顺序控制,最简便的方法是运用移位寄存器来运转。移位寄存器假设是一个8位的，一个Ｖ形槽与一个移位寄存器吻合，移位一次要１20ms,2号工位给出上料指令时，纸片被推动于推纸空心台,纸球被托盘牵引并且用一样的速度向前推进当第一工位恰好工艺盘V形槽相吻合时，工艺盘不动，拖延时间在这个时间是1５0ms，守候纸片被放纸空心台压到时，到位行程开关，关闭，托盘到位行程开关，被托盘压到时，托盘不动，实现了送料目的，等到延时结束，齐头并进。存纸空心台与托盘向后运动，并且插纸板向前移动顶起纸球和工艺盘运动到2号工位的位置时,工艺盘不动，延时2５0ms指令，在这段时间内，当工艺盘不运作后插纸板也跟着停止运作，并且给出送料不过因为惯性会出现包装纸绕着纸球以一个很小的角度旋转，目的是让纸球被包装纸全部包起来,接着又向后运动，轴向移动的是夹钳机构，限位开关被接触到时，轴向移动就暂停，但是三个夹杆一起径向移动，握捞包装纸的两头，抓紧限位开关被打开时，经过90度变化后夹钳机构轴接着向前运动，完成窝边后,这个机构就向后运动。与3号工位位置吻合时,产品自动掉下,包装过程完成,过程反复进行,等到给出暂停指令。如图2.1—２所示，包装一个卫生卷纸只需88０mｓ，由于扫描周期的存在，所以一分钟只能生产出60个产品.2.2控制方案的设计根据卷纸包装生产工艺，卷纸包装机的控制系统主要包括放卷过程的控制,送料过程控制，同步控制,由于控制项目多，被控工序还都聚集在一块,所以选用集中控制系统这方案。集中控制系统如图2。2-1所示，可编程控制器特定I/0和每个被控制工序相通，所以被控对象中的状态,数据的转换不用另外开通信号线。PLC是一个控制设备，它在单独的控制系统的缺点是有局限性，攻破不了有难度的计算,实时图形，历史记录，显示汉字。打印报表等功能在PＬＣ中无法实现。针对这些缺陷,上位机的辅助是我们的理想选择。上位机的功能是对数据的存贮、处理和输出，用图形或表格形式给现场用动态模拟图来表达、预判限值或报警信号，根据实时需要打印报表。控制器控制器ABC控制对象控制对象控制对象控制对象控制对象控制对象图2。2-1集中控制系统2。3系统的运行模式运行模式有四种分别是手动、单步、周期和自动。（1）手动：每道工序都单独运作，按开关按钮即可控制.（２）单步：按开始开关，运作一个工序，到位就停止。又按开始键，就是下一道工序的运作。(3）周期：从第一道工序位置算起，按开始开关，程序自动实现一个来回的操作后返回到启始位置停止。(4）自动:按开始开关，程序自动实现一个来回的操作后返回到启始位置又接着从第一步开始运行,自动调节。在自动模式时,如果按下复位开关,系统还是运行到第一步启齿的地方才暂停;如果按停止开关,运行就马上停止,这时候如果再按开始,系统就从这位置运行至启始处停止。从卷纸包装机的实际出发,自动运行和手动运行是我们最佳选择［7］。和运行模式的设计对比，停止运动的模式也要策划。正常停运,暂时停运和紧急停运是可编程控制器的三项停运方法。考虑控制系统需要,因为包装机运行模式是循环模式，当在操作完成或检测到停止运行信号或机器出现问题或突发事情时才停止，所以该系统应用硬件切断电源，让系统马上停车。３控制系统硬件总体设计3。１总体结构关系由于PLC管理按键、行程开关与其它开关量信号的导入，和把信号送去控制接触器、继电器、变频器等电气元件，这样就控制每个电机的运作，指示灯的显示也得到了控制工控机的作用是参数的修改和设置、全自动控制、在线监督、输送信号.工控机由串行口和PLC相接，通信交换，因此工控机是用发出信号来控制PＬC的运作来完成全自动控制［8].3．2控制系统主要器件的选择工控机、ＰLC、变频器是卷纸包装机控制系统的主要零件。工控机：本系统上位机选用研华ＩPＣ—6１0工控机,ＩSA总线插槽4个分布在内部底板上、由于有2个PCI总线插槽与一个CPU插槽,所以可以更简捷的拓展系统，运用WINDＯＷSNT操作系统，打印机外接一个，目的是报表的打印。达到报表数据完善性。如下是PＬC的选择和它的模块配置一定要对控制对象与控制目的计算与研讨在工作开始前。这样才可以明确系统的机型，规模，与配值。据了解,这个包装机的控制操作系统应具备配置以下不相似的特点的Ｉ/0点。首先选择８0个开关量导入;然后再选择５0个开关量导出；再对任意挑个类似量导入；最后任意挑个类似量导出；由控制任务得,该设计挑中了Ｓ７—3００软件，它的特点是适合中等控制系统的需要，而且被非常广泛的应用.它的模块化、没有排风扇结构功能、但是很用以完成分布,用户学习操作起来简单等优势让S7—30０能达到各式由小规模到中等性能需求控制任务的简捷且实惠的方式.根据I/0点数的确定要按照实际点数再加2０Yo－30％的备用量及其特性，配置了如下的模块:（1）２个模拟量输入模块SM331为1６路的模数转换通道;(2）4个模拟量输出模块ＳM332为1６路的模数转换通道；（3）4个数字量输入模块SM32１为输入通道;（４)3个数字量输出模块SＭ322关量输出通道；（５）中央处理单元CPU315-2DP；(6）通讯处理器CP３4３－5；（7）接口模块IM３6０和IＭ３６1.在该系统中，主要功能是收集外部开关信号(按钮、行程开关、继电器节点）的输入，预测现在的系统的状态和输出信号来控制接触器、继电器等器件，用来达到控制任务的目的。另外,还有一个艰巨任务就是收集工控机的控制命令,达到全自动包装循环的效果。本项目中配置的S7-3OＯPＬC模板的型号和数量如图３。2－1所示。IM321SM322IM322SMIM321SM322IM322SM322IM321SM321IM361CPU模块CPU模块处理部件通信部件处理部件通信部件PS307CP3436IM331IM331SM332CP3436IM331IM331SM332IM332SM332IM360图3．2－1系统结构和配置图变频器的选择由于张力与精度控制联系密切，且负载小的特性，所以选用的变频器是西门子MICROMＡＳＴＥR４40矢量型变频器.这个系列的变频器控制和动态感应度都很好.另外，因为他的内部配备各种相关量数组构成,增加控制的自由度,让这款变频器更多运用在高运动性能的控制领域。完善了各种各样控制工程的需求。尤其是近期时期，这种工程型变频器的系统被大部分应用在机电气造纸生产行业中.MIＣＲOＭAＳTER440系列变频器作用稳定，可以适合各类环境的应用需求［９,10］。在卷纸包装机控制的系统里大部分传感器用开关量分配给PＬC,用它给执行决定的根据，例如：（1)上位机开始命令（2）色标信号（3）货物配送命令（4）纸片上路径按钮(５）纸球上路径按钮(6）工艺盘标准位置１,2，3工位的路径按钮(7）送料机、皮带、推纸机的停止和开始命令（8