【立式食品包装机控制系统设计8700字（论文）】

第1章绪论1.1研究背景及意义包装机械的出现给人们带来了很多便利，在工业上提高了企业的生产质量，在生活中减少了工人的劳动强度，降低了资源的利用率，同时也提高了生产速度，而且也符合我们国家提倡的绿色环保。当今世界判断一个国家经济文明程度的高低也取决于包装业的发展。包装业涉及范围很广，主要有一些产品的开发和生产，包装材料的设计、批量印刷和售卖以及设备的生产和优化等，涉及领域覆盖了工业、农业和商业，完全笼罩了人们日常生活的方方面面。包装业作为世界公认的“朝阳产业”，在未来肯定会对全球制造业产生巨大冲击，从而加快产品向不同地区流动。当前，我国即将完成全面建成小康社会的任务，在此背景下，我国包装机械设备的发展也将迎来新的机遇和挑战。国内包装企业应紧跟国际趋势，在提高产品机电一体化水平方面做出巨大努力，开发出拥有自主知识产权以及适合中国特社会主义国情的食品包装机械。1.2国内外研究现状及应用价值与前景1.2.1国内外研究现状目前，就包装机械来说，产量和种类均居世界第一的是美国，并且它们所生产的包装机械的特点就是大型、高速。美国的其他工业产品的特点也都以高、大、精、尖为主，因为机械设备与计算机控制有着紧密的联系，所以他们的产品机电一体化程度都很高。此外，德国的食品包装机械和其他工业产品同样紧跟其后，这些产品的主要特点是速度很高，质量很高，可靠性很高，并且自动化程度和成套性也很高，再有就是德国在世界市场占据重要地位的是液体灌装生产线和大型制袋、填充、热封包装机。日本虽然是包装机械的后起之秀但同样也在世界市场占据很重要的地位，虽然日本大多数是中小型企业，但并不影响它们的迅猛发展，它们所生产的中小型单台包装机拥有占地面积小、精度高等特点。90年代以来，随着各种先进技术的产生，日本的食品包装机械产值大约占据了行业总产值的二分之一。意大利的包装机械拥有美观的外形，并且运用了先进的技术，非常灵活而且价格也可以被绝大多数人接受，由于它们的产品被生产大多数用于如今非常火热的食品行业，因此受到了全世界的喜爱。现如今，在国内大约有六千多家公司进行食品包装机械的研究和发展，它们研发的类型将近有两千种。近几年以来，科技研发资金投入越来越多，技术型人才也越来越多，这就使我们国家的研发进度不断加快，同时企业的制造业能力也在逐渐提高，我们与世界上其它国家在研发食品包装机方面的水平大大缩小，而且已经有少部分产品非常接近世界先进水平。国内大多数厂家生产的食品包装机一般由供膜、横封、纵封和切断等结构组成，在机械传动上存在很大差异，但是电气部分没有太大差别，PLC、人机界面、颜色和温度传感器以及光标传感器使用频率还是很高，与传统的主要由继电器构成的控制系统相比优势很大，可靠度相比之下提高了很多，操作界面也变得简单易懂，对于温度和速度等可以实现智能的调节控制，从而实现供膜、横封、纵封、切断的全自动包装过程，还有很大一个原因就是它的价格很低，在两万至五万之间，这样一个价格对于普通老百姓或者小型企业来说在可承受范围内。1.2.2应用价值与前景近几十年以来包装机械的元件大部分包括步进电机、继电器、PLC、传感器等，因此包装机械的自动化程度大大提高，随之生产率和配套性也逐渐升高，在注重效率等方面的同时，外形设计的也更加美观大方，而且贯穿了绿色环保的理念。然而我们国内生产包装机械的企业还是存在企业很多但规模又都很小的现象，并且它们大多数都主要制造传统机械装备，制造水平也大打折扣；产品类型不仅少而且很多都缺少自主知识产权，因此技术含量普遍很低；生产出来的机械设备效率不高且可靠度很低。当前，我国已经进入全面建成小康社会的决胜期，因此传统机械产业将面临升级转型。在全面建成小康社会的背景下，我国包装机械行业发展也会迎来新的机会与挑战。同时国内包装机械企业应该把提高机电一体化水平当做重中之重，紧跟国际化形势，努力研发拥有自主知识产权且适合本国国情的食品包装机械。本文的设计恰好实现了上述大多数要求，因此具有深远的意义和应用价值前景。1.3主要研究内容为了使产品在外观上美丽，在质量上过关，包装机需要具备准确的定位和动作，同时也要注重提升效率和速度。本设计的包装机主要是对颗粒粉末状的物料进行密封。第一步先将包装薄膜制成袋筒，然后自动完成供料、纵向封口和横向封口，最后切断完成产品的输送。整个过程是一个自动化的过程，并有以下特点：模块化结构。当使用同一台包装机包装不同的物料和材料时，只需简单的改动，即可将原来的型号迅速转换成适合当前情况的新型号。

2.高速包装。

3.包装精度高。多种高精度执行机构和新技术的相互配合使得测量准确度大幅度提升。4.智能控制。很多机械设备都安装有触摸屏或者智能仪表，进而可以实现对设备的监控与控制。而且机械设备一般都配有报警系统和监控系统，一旦出现故障和意外，智能系统可以非常迅速的使设备停止工作并在屏幕上显示故障及解决方案。第2章基本结构与工艺流程2.1基本结构立式食品包装机的结构包括六个部分，机架用于保证整体结构的稳定性，供膜机构设置在送料机构的一侧主要用于包装材料的输送，安装在机架顶部的供料机构主要负责提供用于包装的物料，安装在供膜机构的下方的横纵封装置主要对产品进行密封，最后的产品输送机构设置在横纵封装置的下方，以上机构均由PLC电控箱控制。供料机构包括固定连接在机架顶端面上的支架、安装在支架上的角度调节螺钉、送料仓和储料机构。料仓通过调角螺钉斜装在支架内壁上，储料机构与料仓进料口连接，料仓出料口设有整形器，整形器与垂直向下的出料管连接。储料机构为量杯式托盘给料机，采用容积法计量。料杯由上下料杯和底料门组成。物料量的大小由物料杯的体积决定。料杯可上下调节。上升时，两个杯子的重叠体积变小，反之，体积变大。对于流动性好、颗粒均匀的物料，这种测量方法更为准确。供膜机构包括固定连接在框架上的两个相互平行的L形柱体、横向连接在两个L形柱体之间的转轴、套在转轴上用于包装材料的摩擦片、传动杆、控制杆，供膜电机和光电检测控制装置。传动杆水平安装在转轴下方，供膜电机的输出轴与转轴端部连接，光电检测控制装置位于控制杆下方。横纵封机构包括安装在框架一侧和供膜机构下方的密封支架、安装在密封支架上的纵向热封机和横向热封机以及安装在横向热封机下方的切割装置。包装机视图及图中各部分名称如下：3.供膜机构，5.横纵封口装置，6.输送机构（选配），7.PLC电控箱，8.四个万向滚轮，9.四个支撑定位螺栓，32.转轴，33.摩擦盘，34.传动杆，35.控制杆，36.供膜电机，37.光电检测控制装置，51.封口支座，52.纵向热封器，53.横向热封器，54.切刀装置，61.输送滚轮，62.输送带，63.分流隔板.图2.1包装机主视图1.机架，2.供料机构，21.支座，22.角度调节螺杆，23.进料仓，24.储料机构，25.成型器，26.出料管，31.L型立柱，32.转轴，33.摩擦盘图2.2包装机侧视图54-1.左切刀座，54-2.右切刀座，54-3.切刀驱动器，54-4.上切刀，54-5.下切刀，54-11.上左切孔，54-12.下左切孔，54-21.上右切孔，54-22.下右切孔.图2.3切刀结构装置示意图2.2工艺流程本包装机主要用于一些颗粒或粉末的包装。同类物品的包装将在同一台机器上完成，简化了结构，降低了成本。它可以应用于更广泛的包装与简单的更换配件。我们都知道曲柄连杆机构是实现间歇运动非常常用的机构，同时它也被广泛的运用到我们传统的输送机构中，但它存在很大的弊端，尤其是结构上的复杂使得我们需要更换物料或袋筒的尺寸时，调整起来相当困难。现如今科技的进步很好的解决了这一问题，我们可以通过PLC或人机界面控制电机进而控制整个系统，这样做不仅使结构变得简单，而且调整起来更加方便。包装过程如下所示，系统启动时，供膜机构开始将薄膜向下传送，同时走袋电机在包装材料上自动打印日期，接下来经过纵封机构将薄膜进行加热两侧纵封，再通过横封机构加热进行下横封，从而制成袋筒，此时供料机构开始向袋内供送物料，料满时会发送信号停止供料，动盘上多余的物料会被刮板刮掉，接下来由横封机构进行上横封，这样一个完整的食品包装就完成了，再由切刀装置切断，产品就可以被输送到下一个环节的平台。图2.4包装过程示意图第3章硬件设计全自动包装机控制系统的硬件设计包括可编程控制器模块、传感器模块、驱动模块等，硬件设计关系到整个包装机械能否正常运行，因此是极为重要的一部分。3.1可编程序控制器在立式自动包装机控制部分的设计中，由于设备的操作过程繁琐、各种元器件数量多，信号互相干扰。因此需要采用可编程控制器来消除这些劣势。PLC一般由四部分组成：中央处理器、储存器、输入输出系统和电源等。前三部分是实现各种控制功能所必需的组成部分。目前PLC发展迅速，种类型号层出不穷，以下是对FX系列PLC的比较：表3.1主要产品的性能比较表3.2环境指标表3.3输入技术指标表3.4输出技术指标从本文设计的包装机的工艺结构及各种指标来看，同时也考虑到价格方面，FX2N系列PLC有最大范围的标准功能，有更高效的运算能力，有更快的程序执行速度（基本指令每步只需0.08μs）,另外通讯功能也远高于其他PLC，在电源配置上也大都合适，为了满足不同需要还配置了多种专用功能扩展模块。除此以外，其内部的高速计数器也是它的一大优势。综上考虑，本设计控制系统采用的是FX2N-32MR-E/UL系列PLC。它有16个I/O点,输出方式为继电器输出。3.2传感器3.2.1光电传感器控制系统需要检测供料动盘是否到达合适位置，物料是否加满，因此需要使用2个光电传感器。光电元件的优势包括系统响应非常快，测量精度非常高，不需要直接接触等，而且大部分参数都可以被准确测量到。它的结构简单，形式多样，在检测和控制中应用广泛。这里所采用的是E3Z-T61-J0SRW-05型光电传感器。实物及具体参数如下所示：表3.5光电传感器具体参数图3.1光电传感器实物图3.2.2颜色传感器由于涉及到包装材料上色码的识别，因此在控制系统中应采用颜色传感器。这是上海北特威自动化技术有限公司生产的FT50C系列颜色传感器，具体参数见下表。它是一个单光源颜色传感器。安装尺寸很小，在各种工作领域都能保证较高的检测精度。同时，它还具有许多其他技术特性，可以提供良好的性能。表3.6颜色传感器具体参数图3.2颜色传感器工作原理图3.2.3温度传感器在控制系统中，由于横向密封和纵向密封机构的存在，需要进行温度检测。当温度过低时，包装材料没办法进行加热密封，会严重影响到包装的外观和质量；相反，如果温度过高，也会发生上述同样的影响。控制程序中的预设温度在100℃-120℃时，可以达到完美的密封功能，进而达到理想的包装效果。因此我们选用FX2n-4AD-PT温度模块。该模块技术指标如下：表3.6温度模块技术指标3.3驱动单元3.3.1电动机电动机按照结构和工作原理划分为下图所示：图3.3电动机分类对三种电动机优缺点进行比较：表3.7电动机优缺点比较由于全自动包装机属于小型机械，运行连续，负载不大，对启停无特殊要求，综合考虑上述因素，选用三相异步电动机（JW系列）。电压380V，频率50HZ。3.3.2气动单元气动技术可以减少食品的二次污染。气动电磁阀中间有一个封闭的腔体，在腔体中间有一个阀门，并且腔体有好几个通孔，每个通孔又有不同的气管。腔体一端设置有一个电磁铁。电磁铁通电后，阀芯的运动方向与线圈一致。电磁阀通过控制阀体的运动控制各个通孔排气情况，然后由气压推动气缸的活塞。接着就可以实现控制线圈电流来控制整个电磁阀的功能。本控制系统电磁阀选用的型号为：FW-02-3C2-D24。图3.4电磁阀结构示意图3.4触摸屏现如今，人们越来越追求方便快捷，因此触摸屏的出现使得它逐渐代替了鼠标和键盘等操作工具，只需要动动手就可以将信息输入到系统中。触摸屏由触摸检测部件和控制器组成，触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。本控制系统中选用的触摸屏为SamkoonSA-4.3A电阻式触摸屏，其组态软件为SamDraw。它的结构原理图如下：图3.5SA系列触摸屏原理3.5接触器和继电器1.交流接触器作为执行元件，它的优势在于可多次的接通和断开线路，通常以小电流控制大电流或以小电压控制大电压。它可以配合热继电器一起对负载设备起到一定的过载保护作用。各种因素综合考虑之下，本设计选用CJ20-40三相交流接触器。它的额定电压为380V，型号中的40表示电流为40A，20是它的设计序号。2.热继电器用于电动机或其它电气设备和电路的过载保护。在实际运行中，如果机械设备运行不正常或着电路不正常，电动机就会产生过载现象。当过载时间过长时，过载电流会越来越高，电机绕组的温度就会超过它的极限值，进而使电机绕组发生老化，大大降低了电机的使用年限，严重时有可能会烧坏电机。因此，这种过载是电动机承受不起的。热继电器就是利用电流的热效应原理，当电动机不能承受过载时，切断电动机电路，为电动机提供过载保护。综合以上原因，本文控制系统采用的热继电器型号为JR0-40。工作电压380V，保护电流40A。3.6加热管由于控制系统存在横封机构和纵封机构，所以封口包装工作的顺利进行就要求温度必须在合适范围内，因此加热管必不可少，本系统采用了两个。选择的加热管型号是JK08/SRY2-380/2。3.7系统控制总电路图包装机控制系统主电路图如下，其中主电机是走袋电动机。供料、冷却泵电动机以及空气压缩机分别负责供应物料、冷却以及给电磁阀提供风源。横封、纵封加热管分别给横封、纵封运动加热升温。电机的启停控制主要通过交流接触器来实现。图3.6系统控制总电路图第4章软件设计包装机控制系统的软件设计部分由系统控制总流程图、各模块的流程图以及人机界面和调试组成。有了明确的流程，整个系统才可以准确高效的完成我们想要的结果。4.1系统控制总流程图包装机控制系统总流程如下图所示，系统开始运行，首先判断安全门是否关好，若关好则进行下一步，同时也要检测控制设备是否正常，如有异常，则会出现警报，工作人员要及时停止设备进行故障排除。接着进行运行方式的选择，如果系统处在自动运行状态下，则检查运行是否正常，若不正常则会报警显示，若正常，则进行循环周期运行，再判断是否要停止，若停止则运行结束。图4.1系统控制总流程图4.2供料系统流程图系统开始运行，先判断动盘是否到位，准确到位后，开始进行添加物料，接下来判断物料是否加满，料满后对刮板进行通电，刮除多余物料，3秒后动盘通电，将物料放入袋膜中，结束供料过程。图4.2供料系统流程图4.3供膜和纵封系统流程图系统开始运行，选择自动状态对供膜机构进行通电并开始供膜，接下来检测色标和膜是否存在，若正常存在，3秒后结束供膜。

系统开始运行，先检测纵封处温度是否在100－120度之间，若温度正常则通电进行纵封，5秒后结束纵封。图4.3 供料和纵封系统流程图4.4横封系统流程图系统开始运行，先检测横封处温度是否在100－120度之间，若温度正常则通电进行横封，5秒后结束横封。图4.4横封系统流程图4.5人机界面的设计人机界面（Human

Machine

Interaction，简称HMI），又称用户界面或使用者界面，是近些年新发展起来用于人与智能设备之间交流学习的媒介，它的主要作用是使人能够更容易接受一些信息。凡是存在人机信息交流的过程都用到了人机界面。人机界面的设计应考虑以下原则：1.以用户为中心的基本设计原则2.顺序原则3.功能原则4.一致性原则5.频率原则6.重要性原则7.面向对象原则。人机界面的标准在未来应包括简便、易懂、实用、易上手等，充分表现以人为本的设计理念。因为触摸屏可使用时间非常久，响应速度极快，并且占用的空间较小。因此经常被用于人机界面，此时人们只需触摸显示屏上的图形符号或文字即可进行操作，使人机交互更加简单方便。图4.5触摸屏外观和接线使用SamDraw软件创建一个工程一般需要以下几个步骤：1.新建工程对话框及设定在应用名输入框输入你想要创建工程的名称，并在路径输入框设置一下将新工程存放在哪，接下来确定使用的PLC的类型，还可以设置触摸屏的通信参数以及背景颜色。在图上我们还可以看到这个软件对于用户隐私非常保密，不同的等级密码可以很好地防止数据流失。图4.6一般参数设置和通信参数设定2.编辑过程控制画面把监控到的画面画出来，将其中的控件写入地址或使用宏指令进行动态连接。考虑到实际情景的不同，把常用图像保存到自定义图库，便于直接摘取。SamDraw可以对任一对象的属性进行动态描述，实现的方法有直接与控件连接及宏指令（C语言编程）。直接与控件连接是最简单的方式，它使对象属性与所选控件的值一致。图4.7对控件写入地址3.配置系统运行环境包括通讯口的设定、触摸屏参数设置、HMI状态设置、PLC控制、时钟的设置、文件和HMI保护等。4.在SamDraw下运行项目对所编辑好的项目进行启动，画面上的对象将根据之前设置好的动态链接按实际数据进行动态显示，这样工作人员就能在屏幕上看到一个仿真过程，就好像是在操作实物。4.6调试根据上述实现过程控制的操作方法，调试界面如下：图4.8开机和运行界面图4.9数值设置对话框和功能设置界面图4.10系统设置界面和报警界面当包装机的工作状态发生异常或者是设备内部损坏时，操作系统会自动停止运行，进而显示屏会自动跳转到报警界面，发出警报并在屏幕中显示相关故障内容，此时工作人员就可“对症下药”对设备进行维修。屏幕还显示设备运行过程中各种功能指标和参数的实时数据变化。第5章总结与展望5.1总结除了为工业产品的设计积累了丰富的经验外，我们还发现控制系统和样机还有很多需要改进和完善的地方。现总结如下：完成了电气控制系统的硬件和软件设计，程序设计思路清晰，结构紧凑，方便以后对软件和系统的改进和完善。在整个设计过程中，大大利用所学到的理论知识，也查阅了很多相关资料，对整个机械设备安全可靠顺利的生产做了全方位考虑，并且设计了多种保护措施以使电路能够正常运行，尽最大力量减少事故隐患。与传统机械设备相比，包装机的效率大大提高，发生故障的概率大大降低，在有紧急情况时可以按时完成任务。另外由于触摸屏的使用，机械设备的附加值大大增加，同时也使得设备的外观更受人喜爱，让他们看到该设备就有一种操作简便灵活的感觉，提高了人们的购买欲。通过本次设计，我深刻认识到可编程控制器非常适用于小型自动化机械设备，它不仅提高了产品的生产效率，也给操作人员带来了方便，同时也为企业增加了效益。5.2展望在这个过程中和项目完成后，我也觉得还有一些不足和需要改进的地方：因为这次设计的包装机是样机，控制功能比较简单。遗憾的是没有增加变频器，导致电机无法调速。触摸屏中的许多控件没有相应的I/O点。如果进一步采用模块化设计，控制系统将更简单。过程控制不采用闭环控制，造成设备运行中的误差而不能自动修正，只能通过人工调整。在未来的设计中，考虑采用封闭过程控制来达到更高的精度。实验中发现，该机的包装速度有所提高，但幅度不大。提高包装速度将是该机下一次升级改造中亟待解决的问题。通过此次毕业设计，我