毕业设计（论文）-基于PLC的颗粒包装机控制系统设计

毕业设计（论文）类型：□毕业设计说明书□毕业论文题目：基于PLC包装机控制系统设计学生姓名：指导教师：专业：时间：目录摘要 Abstract 第一章绪论 第一章绪论1.1课题研究的现状1.1.1包装机简述现今人们对包装行业的需求中对于食用物品的包装要求十分严格，确保食品卫生质量安全可靠，在人们心目中是不可替代的，特别是随着中国居民收入的增加和人民生活的逐步提高，促使包装的发展，包装食品行业也增加了对包装机的要求。食品工业的发展在我国占很大比例，并且每年都在增长。随着食品工业的快速发展，必将推动包装行业的发展，因此包装机械的转型和创新是非常必要的。包装机目前应用广泛，普遍适用于大中型企业对包装产品的加工包装作业。一般包装机由传送机构、包装机构、封装机构、称重等计量机构等组成，其功能也有很多种，复杂的包装机可以集成多种产品的包装，集成包装成品的检测和后期的装箱包装等操作。本次设计了三种规格的颗粒状或者粉状产品的自动包装形式，常用颗粒状包装机外观图如下图1-1所示。图1-1颗粒状包装机外观图1.1.2国内外发展现状的分析目前，我国的大部分包装设备正在逐步小型化。“小”是主要特征之一。同时，包装的速度和准确性要求达到很高的要求。因此，以前的手工包装不仅生产效率低，而且技术水平高。它是落后的，包装不易调整，阻碍了行业的发展，不再适合生产需要。随着科学技术的不断创新和发展，各种食品和零食的出现对包装技术和设备提出了很高的要求。国外已有许多成熟产品，国外包装技术发展迅速，在高速包装，包装多样化，尤其是多层包装方面取得了良好的效果。美国，意大利，德国等国家在技术和技术方面处于领先地位，可以生产出一批性能优良，操作简便的包装机。它广泛用于各种食品工业。如今，包装机越来越具有竞争力，未来包装机的水平将大大提高，如高效率，高利用率，节能和低消耗。自动包装机的发展趋势：（1）资源利用率高资源的高利用有三个含义：提高资源的综合利用；提高有效成分的提取率；减少营养素的流失。（2）产品节能新的节能技术和新产品已成为国内外包装行业发展的重点。在包装机械中，节能技术的广泛使用在减少生产和提高经济效率方面发挥着重要作用。（3）高科技实用在包装机械方面，采用微电脑技术，真空技术，无菌包装，膜分离技术，超高压等新技术可以提高产品质量。（4）加强研发能力加快科研成果转化为商业转型，使科技真正成为解放生产力，促进社会进步的强大动力。1.2本次设计的内容及目的1.2.1本次设计的内容此次设计本次设计的基于PLC的包装机控制系统硬件主要采用S7-200系列的可编程序逻辑控制器，通过顺序控制和起保停电路的方式对系统程序进行编写，并输入至可编程序逻辑控制器中，通过预设的逻辑关系命令，驱动相应的负载端进行动作。各章主要内容如下：第一章为绪论，对包装机控制系统进行了现状分析，并介绍包装机未来发展趋势，同时简单介绍了论文各章的主要内容。以及对控制系统选择的确定，然后对PLC系统的特点组成及其发展趋势做了简要叙述，第二章是对系统硬件的设计。主要是对PLC的选型，各类传感器等方面做了详细分析。并绘制了硬件配置表。第三章是对软件的设计，主要通过对控制流程的分析，绘制流程图。根据PLC的选型以及流程图分配输入和输出点，最后绘制I/O表。通过S7-200编程软件对控制程序进行编写，并绘制梯形图。最后通过程序和I/O分配表，采用CAD软件绘制PLC外部接线图。第四章是包装机控制系统控制程序的模拟调试，通过模拟仿真软件对PLC进行模拟仿真，对程序进行修改、完善。1.2.2本次设计的目的本次设计的目的主要是通过平时对PLC的学习认知，通过自己所学的知识，系统的对包装机控制系统进行设计，更多的是对所学知识的一种检验与查漏补缺。结合包装机工作原理以及逻辑顺序等，对包装机控制系统进行全面设计，掌握复杂条件下对PLC起保停电路和顺序控制的编程方式等知识。通过对包装机控制系统控制系统硬件的选型与使用，掌握各种电器元件的原理以及使用方法，为以后的学习工作奠定基础。通过对程序的编写与程序的反复调试以及修改，更加熟悉程序的一般编写方法和对程序调试方法的熟悉和认知。进而提高自己的学习能力和知识储备，和发现问题、解决问题的一种方法，为以后的工作奠定更加坚实的基础。1.3系统控制的选择比较目前在控制领域较为常见的控制系统主要有：以单片机为主要控制方式的系统、以微小型计算机为控制手段的系统、以微处理可编程逻辑控制器（PLC）为主要控制手段的方式。以单片机的控制方式的包装机控制系统控制系统虽然价格成本较为便宜，但是使用众多电子元器件，电子元器件越多带了的系统稳定性大大降低，损坏和故障率也大大提高，增加了系统的不稳定性，而且在后期维修维护管理方面，工作量较大，检查故障点较难。单片机采用C语言的编程方式，对维护维修人员具有更高的要求，其编程方式较为难理解，而且不直观简明的，对初学者很难理解。所以本次设计不予采用。以PC微小型电子计算机为控制手段时，其系统庞大，而且成本较为昂贵。在系统便捷和可操作性上较为繁琐，其系统往往需要和电脑终端连接，给使用者和操作者带来了不简洁性，不适合本次包装机控制系统规模小、互换性高的要求。以PLC为控制方式的自动化控制系统在目前的自动化控制领域较为常见，因其采用集成的电子控制器，具有众多功能，比如集成了计时器、计数器、逻辑运算指令、可扩展温度湿度等模拟量的控制模块，不仅可以简单的完成多种功能操作，而且大大减少了电子元器件的使用率，使得系统更加简洁、方便。在编程方面采用梯形图的编程方式，简单明了适用于初学者或者传统的电力工作者管理或者维护，不仅编写程序直观明了而且后期检查维修方便，对程序进行上传下载即可，并且优越的可扩展性能对以后的升级改造具有很重要的意义。经过以上分析对比，本次对包装机控制系统的设计采用可编程逻辑控制器（PLC）为主要控制器的控制方式。1.4PLC定义及简述可编程序逻辑控制器是在工控行业内较为常用的一种控制方式，其英文名称为：ProgrammableLogicController，简称PLC。因其优越的稳定性和可扩展性受到设计人员的青睐，成为工业控制行业不可或缺的控制单元。目前较为常见的PLC品牌有西门子、三菱、欧姆龙、台达等品牌，随着我国技术水平的不断提高一些国产的PLC品牌也层出不穷并得到设计师们的认可，比如信捷、上海永宏等品牌。PLC采用可编程序的逻辑控制存储区，在其内部储存并执行设计师编写的逻辑运行程序，比如常见的顺序逻辑控制、计数计时程序、逻辑运算等程序及其操作指令，并通过单一的数字式或者模拟量进行对输入信号的采集和输出信号的控制，可以控制自动化机械设备、给水量以及温度等各行业的生产过程性控制。它可以集成众多外围设备以及模块，与控制程序形成一个整体，从而形成整合控制系统。在控制执行机构单元方面可以和步进电机、伺服电机、气缸、液压缸、电机马达等等执行机构连接，实现对执行机构的有效控制，从而实现对产品或者工况需求的自动化控制，提供工业控制解决方案。1.5PLC的基本结构组成PLC的硬件组成单元主要包括：中央处理单元、存储器、计数器、计时器、电源等单元。中央处理单元作为可编程序逻辑控制器的控制中枢。主要的任务有：诊断程序的语法及编程错误、检查电源的正常状态、监视检测存储器及其警戒定时器的状态信息。当执行RUN时，以循环扫描的方式对各输入装置的状态和数据进行检索，存入I/O映像区，然后对用户编写的程序进行逐条读取，当所有程序读取完成后将I/O映像区的数据或者状态输出至相应输出单元，然后进行下一次循环，如此循环往复，直到程序运行结束。其内部扫描循环主要包括以下几个过程：，输入采样、用户程序执行、输出刷新三个过程。这三个过程作为一个扫描周期，在PLC的运行过程中处理器根据固有的频率通过以上三个过程对PLC内部进行循环扫描。其内部扫描循环方式主要如下图1-1所示：图1-1PLC内部循环方式过程图存储器主要包含三部分：（1）系统程序存储区、（2）用户编写的程序储存区、（3）系统RAM存储区。存储器的主要作用是存储程序、系统以及系统运行的周期扫描程序。计时器、计数器主要是PLC内部对时间以及次数的累计，在用户编写程序时可以调用，但每个品牌的plc都有其固定的存储单元，不可乱用。PLC主要硬件系统结构如图1-2所示:图1-2PLC系统硬件结构示意图

1.6PLC的发展趋势分析（1）产品规模越来越大，功能越来越全面，在大型PLC的发展方向上，逐步向大型、功能自由扩展、高速度运算等方向发展。（2）在小型PLC领域逐步向体积小、应用便捷、可操作性强等方面发展。（3）编程语言逐步统一化，适合各大品牌的PLC之间相互传输信息，相互控制。（4）开始实现私人定制，以实现不同行业PLC的不同需求。（5）网络化，实现目前大数据下快速分享与控制的目的。（6）越来越强的容错技术，使系统更加稳定。（7）硬件及综合性服务解决方案更加完善，实现控制的多样性。第二章控制系统硬件的设计2.1包装机控制系统控制的要求本次设计控制系统主要由按钮开关、称重单元、超声波热熔封口单元、限位开关、工作指示、三相异步电动机，PLC控制器等部分组成。本次设计的系统工作原理：本次设计的包装机分为三个型号产品规格的包装，分为大袋100克、中袋80克和小袋50克的粉末颗粒状物品的包装，在工人选择需要包装的产品规格后，启动自动运行程序，这时电机带动装有封装薄膜的料带滚轮滚动，当送料机构触碰到限位开关后，停止电机的运行。此时落料电磁阀动作开始落料，知道电子称重装置达到相应设定值后输出信号切断出料电磁阀的控制信号，再次基础上设置了补偿的时间继电器部分，为了避免不可避免的误差带来的产品包装重量的不足，随后超声波热熔机构动作进行封袋包装，并以此成型后实现包装的落料动作，封口包装的挤压时间采用时间继电器的计时方式此处设定为2秒，然后完成一个成品包装的制作，循环上文叙述的动作完成下一件产品的封装，循环往复最终实现产品的自动包装。2.2包装机控制的系统组成包装机控制系统控制系统的主要系统组件有：起主要控制做用的可编程序逻辑控制器（PLC），采集信号和信号输入功能的行程开关，其重量称重和信号输入功能的电子称重单元、起执行作用的电动机、超声波热熔封装机构。包装机构等主要控制组件。其系统组成结构简图如下2-1所示。图2-2包装机控制系统的结构简图2.3硬件选型2.3.1PLC选型常用的PLC品牌主要有三菱和西门子，在此次控制系统中，主要采用顺序循环控制的方式对包装机进行产品包装的动作设计，在西门子的编程方式中主要运用模块的方式对逻辑程序进行编程，较三菱进行运动控制程序简洁，所以本次对包装机系统控制采用西门子plc，选择S7-200的小型plc系列完全满足控制条件，其型号主要有221、222、224、226等CPU型号，本次选择具有14路输入10路输出的224型号作为控制器，其中兼容2个RS485通讯接口，可以兼容多种外围设备，支持多种通信协议，比如PPI、MPI等自由通讯方式。表2-1S7-200PLC参数表特性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226本机I/O

•数字量

•模拟量6入/4出-8入/6出-14入/10出-14入/10出2入/1出24入/16出-最大扩展模块数量

0个模块2个模块7个模块7个模块7个模块数据存储区2048字节2048字节8192字节10240字节10240字节掉电保持时间50小时50小时100小时100小时100小时程序存储器：

•可在运行模式下编辑

•不可在运行模式下编辑4096字节4096字节4096字节4096字节8192字节12288字节12288字节16384字节16384字节24576字节高速计数器•单相•双相4路30KHz2路20KHz4路30KHz2路20KHz6路30KHz4路20KHz4路30KHz

2路200KHz3路20KHz1路100KHz6路30KHz

4路20KHz脉冲输出（DC）2路20KHz2路20KHz2路20KHz2路100KHz2路20KHz模拟电位器11222实时时钟配时钟卡配时钟卡内置内置内置通讯口1×RS-4851×RS-4851×RS-4852×RS-4852×RS-485浮点数运算有有有有有I/O映象区256128入/128出256128入/128出256128入/128出256128入/128出256128入/128出布尔指令执行速度0.22μs/指令0.22μs/指令0.22μs/指令0.22μs/指令0.22μs/指令外形尺寸（）90×80×6290×80×62120.5×80×62140×80×62190×80×622.3.2限位开关的选型在本次系统控制设计中，限位开关的主要作用是通过送带机构和限位开关的接触使限位开关动作并接通信号将信号传入PLC作为控制送料袋电机停止的时间点。本次限位开关的选择电压根据PLC输出输入24V确定，本次选择的纤维开关的主要参数型号为：正泰YBLX-ME/8108其主要参数如下所示：品牌：正泰型号：YBLX-ME/8108额定控制电流：0.8A（AC）0.16A（DC）操作方式：可调机械滚子臂图2-3限位开关外观图2.3.2电子称重装置的选型本次设计的电子称重装置需要重量设定单元和信号输出的功能，当达到设定重量后需要发出一个输出信号给PLC控制器，作为系统的输入端，从而确定装料动作的完成。本次设计的电子称重装置型号为：KX3190-C8+。其主要参数如下：产品型号：KX3190-C8+输入电压：24V转换速度：每秒80次准确度：3级通讯接口：RS232、RS485外控输入：开关量使用温度：0-40摄氏度图2-4电子称重装置外观图2.4本次系统设计的主要硬件清单表2-2主要电气设备清单名称型号规格PLCS7-200224称重装置KX3190-C8+按钮开关LA38-11D/2094,DC24V行程开关YBLX-ME/81083包装机控制系统PLC程序的编写3.1包装机的控制简述本次设计的包装机分为三个型号产品规格的包装，分为大袋100克、中袋80克和小袋50克的粉末颗粒状物品的包装，在工人选择需要包装的产品规格后，启动自动运行程序，这时电机带动装有封装薄膜的料带滚轮滚动，当送料机构触碰到限位开关后，停止电机的运行。此时落料电磁阀动作开始落料，知道电子称重装置达到相应设定值后输出信号切断出料电磁阀的控制信号，再次基础上设置了补偿的时间继电器部分，为了避免不可避免的误差带来的产品包装重量的不足，随后超声波热熔机构动作进行封袋包装，并以此成型后实现包装的落料动作，封口包装的挤压时间采用时间继电器的计时方式此处设定为2秒，然后完成一个成品包装的制作，循环上文叙述的动作完成下一件产品的封装，循环往复最终实现产品的自动包装。3.2绘制控制流程图在程序的软件设计中，流程图的绘制十分重要，它能简明扼要的表示出程序控制的主要步骤以及顺序，可以使程序编写时更加调理有效，所以绘制控制流程图十分有必要，本设计的控制流程图如下所示.图2-5控制流程图3.3配置I/O表在对包装机控制系统进行思考后，计算输入输出点的数量并分配选择，对其输入输出点留有一定的设计余量，为了以后对程序进行升级或者功能改进。对此我们对I、O点进行分配，并绘制表格如下：表3-1I/O分配表名称功能编号名称功能编号SB1启动按钮I0.0KM1包装袋电动机Q0.0SB2停止按钮I0.1YV1出料电磁阀Q0.1SA1行程开关I0.2YV2封袋并落料Q0.2SA2电子秤输出I0.3HL1大袋指示灯Q0.3SB3大袋选择I0.4HL2中袋指示灯Q0.4SB4中袋选择I0.5HL3小袋指示灯Q0.5SB5小袋选择I0.6HL4运行指示灯Q0.63.4接线图本次设计中主要的接线为PLC外部接线图，在外部接线图的绘制过程当中，使用的软件和方法不一，具有多种方法，本次设计外部接线原理图采用CAD软件绘制，其作图方式相对较为简单，原理清晰，适用范围较广。图3-2PLC外部接线图3.5程序编写3.5.1梯形图编写图3-3梯形图3.5.2语句表LDFirst_Scan_On:SM0.1RQ0.0,1RQ0.1,1RQ0.2,1RQ0.3,1LDI0.0OM0.0ANI0.1=M0.0=Q0.6LDM0.0OM1.1OT40ANI0.3ANI0.2ANI0.1=Q0.0=M1.1LDM0.0AI0.4OM0.1ANI0.5ANI0.6=M0.1=Q0.3LDM0.0AI0.5OM0.2ANI0.4ANI0.6=M0.2=Q0.4LDM0.0AI0.6OM0.3ANI0.5ANI0.4=M0.3=Q0.5LDM0.1OM0.2OM0.3ANI0.1AI0.2RQ0.0,1LDI0.2OM1.2ANT37ANT38ANT39=Q0.1=M1.2LDI0.2AM0.1TONT37,100LDI0.2AM0.2TONT38,50LDI0.2AM0.3TONT39,20LDT37OT38OT39ANT40ANI0.1=Q0.2LDT37OT38OT39TONT40,204程序仿真4.1环境要求由于PLC是专为工业生产环境设计的控制装置，因此通常不需要采取任何特殊措施，并且可以直接在工业环境中使用。但是，如果环境过于苛刻，电磁干扰特别严重，或者安装和使用不当，PLC将无法保证正常，安全，可靠的运行。因此，讨论PLC设计和调试非常重要。1.PLC控制安装和接线1.输入接线（1）输入接线不应超过30m。但是，如果环境干扰小并且电压降不大，则输入布线可以更长。（2）输入和输出线不能使用相同的电缆，输入和输出线应分开。2.电源接线电源是PLC引入干扰的主要方式之一。PLC应尽可能使用电压波动小，波形失真小的电源，这对提高PLC的可靠性非常有帮助。3.接地正确选择接地点和完善接地系统接地通常有两个目的，一个用于安全，另一个用于抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。系统接地方式有：浮动模式，直接接地模式和电容器接地。对于PLC控制系统，它是一个高速低电平控制装置，应直接接地。良好的接地是确保PLC可靠运行的重要条件，可避免意外的电压冲击危险。4.2程序调式在程序调试过程中出现了一系列的问题，但最终都一一解决了。在使用指令编程时，刚开始由于对STL指令掌握的不是很好，所以犯了不少错误，加上设计本身存在的一些问题，所以在调试程序时，输出型号动作不符合控制要求。经过不断查阅资料，研究、改进，最终程序调试成功。程序运行良好，动作正确、符合控制要求。如图4-1程序载入，PLC打开RUN模式启动程序。图4-1程序调试画面首先对参数进行设定，通过不断的对程序的调试与修改，使系统的状态更加稳定，有序的执行梯形图指令，使程序的调节更加稳定、准确。程序调试是一个查漏补缺的过程，在期间多次对程序进行修改。系统启动输入I0.0，送带机构电机和工作运行指示输出。模式选择，大袋选择I0.4；中袋选择I0.5；小袋选择I0.6；行程开关接通后，送带电机停止运行，并进行装料电子称重装置动作后，计时补偿，补偿结束后进行封口包装致谢通过毕业设计，是对我大学学习专业课程知识的检验，通过对基于S7-200PLC的包装机控制系统的设计，查阅相关资料，了解PLC可编程序逻辑控制器的用途以及未来发展的趋势有了更细致的认识。从而提高了运用所学知识的能力，全面锻炼了我驾御知识的能力,使我对大学以来所学的理论知识进行了系统化、条理化、全面化的回顾,让我明白了如何运用自己所学的知识，同时又学到了其他获取知识的方法；从而使我获得了一次大规模检索相关资料的机会，提高了运用网络和对专业计算机软件辅助的能力。而这些知识都将化作宝贵的财富,为我以后所要从事的工作打下坚实的基础。毕业设计的完成，即使这个毕业设计并不完美，我也懂得了学习是一个长期积累的过程，我不仅收获了知识而且也锻炼了品质，通过这次认真而又细致的毕业设计，我对待事情的态度更加严谨更加有耐心，并且我更希望把所做的事情做好做完美，我想这将是一种很重要的财富。时光飞逝大学的学习生活到了这个季节将要画上一个圆满的句号（更多的是对老师同学的不舍与感谢），而对于我的人生来说这还只是一个逗号，同时也是我以后人生的一个开端。在此我要特别感谢我的指导老师的热情关怀和悉心教导，在我编写论文之际给与了很大的帮助以至于我不会在设计的过程中迷失方向，失去前进动力。在论文的编写、选题方面得到了老师无私的帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进，直到