PLC自動封箱控制系統(tǒng).doc

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PLC自動封箱控制系統(tǒng) 第1章 開箱裝箱封箱系統(tǒng)的概述 1.1 課題背景 現代社會中，無論在任何行業(yè)，從工廠的生產，到能源的輸送，到與人民生活息息相關的市政工程，甚至人們的工作和休息的樓宇，到處都可以看到自動化系統(tǒng)的身影。自動化系統(tǒng)不僅早就成為了工業(yè)和社會生活的一個組成部分，而且是經濟發(fā)展水平的重要標志。 在自動化生產日漸普及的今天，包裝機械的自動化程度直接影響到產品的質量和生產效率。在現代化的工業(yè)生產中常常需要對產品進行計數，包裝，如果這些繁雜的工作讓人工去完成的話不但麻煩，而且效率低，勞動強度大，不適合現代化的生產需要。為了適應現代化的大規(guī)模生產某種產品，進一步加快工業(yè)現代化的發(fā)展，提高國民經濟，改善人民的生活水平,就必須設計一套完整的自動化生產線，以便用這自動化的生產線來代替人工完成這些繁雜的工作。而且需要對其進行計數，包裝，自動化技術的提高能大幅度的提高經濟效益，這在包裝業(yè)中表現的特別明顯。近年來，包裝生產線的自動化、電子監(jiān)測和控制系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展，使的包裝企業(yè)以高速度、較少的停機時間和包裝故障，以及產品損耗減少、工傷和老毛病降低等優(yōu)點而獲得出色的成績。2002年11月3至7日在芝加哥舉行的國際PACK EXPO上，我們可以看到多家自動化公司展示的最新的包裝設備和新技術。這些經濟實用的自動化技術將會成為未來的發(fā)展力量。可見自動裝箱封箱技術的應用前景十分廣闊。 1.2PLC自動控制系統(tǒng)簡介 PLC自動控制系統(tǒng)主要是由模仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，20世紀70年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的便是汽車制造行業(yè)。 　　PLC自動控制系統(tǒng)是以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。 　　PLC的CPU內有指示程序不存儲地址的程序計數器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC自動控制系統(tǒng)每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC自動控制系統(tǒng)，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。 　　PLC用梯形圖編程，在解算邏輯上也表現出快速優(yōu)點，在微妙量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。 1.3 國外生產線自動化發(fā)展概況 從上世紀30年代開始，機械加工企業(yè)為了提高生產效率，采用機械化流水作業(yè)的生產方式，大型自動生產線承擔的加工對象也隨之改變。生產線的控制系統(tǒng)使用的繼電器數量很多，在頻繁動作情況下壽命較短，使生產線的可靠性降低。為了解決這一問題，1969年美國數字設備公司率先研制出第一臺可編程控制器（簡稱PLC），并在通用汽車公司的自動裝配線上試用成功。 70年代出現了計算機群控系統(tǒng)，即直接數控（DNC）系統(tǒng)，由一臺較大型計算機控制與管理多臺數控機床和數控加工中心能完成多品種，多工序的產品加工。近年來又出現了計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），綜合運用計算機輔助設計（CAD），計算機輔助制造（CAM），智能機器人等多項高技術。 近十幾年來，國外PLC技術取得了飛躍，其容量成倍擴大、體積不斷縮小、功能不斷增強，不但具有邏輯運算、計時、計數、順序控制等功能，還具有PID等特殊控制功能，可直接進行A/D、D/A轉換，還開發(fā)管控一體化。 第2章 控制系統(tǒng)的的設計 2.1采用PLC可編程序控制器控制系統(tǒng) 開箱裝箱封箱系統(tǒng)因其動作復雜、干擾信號多、包裝產品品種、規(guī)格多等特點，因此可編程控制器(PLC)被應用在其控制中，這是因為PLC具有工作可靠、抗干擾能力強、與工業(yè)現場信號直接輸入、輸出連接容易、編程簡單、安裝維修方便等優(yōu)點。 PLC可編程序控制器其實就是工業(yè)控制計算機，用以取代傳統(tǒng)的中間繼電 器、時間繼電器、計數器等，并具有一切計算機控制系統(tǒng)的功能。目前PLC已成為工業(yè)控制的標準設備，其應用面幾乎覆蓋了整個工業(yè)企業(yè)，廣泛應用于化工、石油等企業(yè)的現代過程控制中。 其優(yōu)點如下： （1）具有高可靠性。PLC除采用優(yōu)質器件等外，在硬件方面采用了較先進的電源，用以防止由電源回路串入干擾。其內部采用了電磁屏蔽，以防輻射干擾。而外部輸入/輸出電路則一律采用光電隔離，加上常規(guī)濾波和數字濾波；軟件方面設置了警戒時鐘WDT、自診斷等措施。因而使得PLC的平均無故障時間達到30萬小時，被稱為“永遠不壞的控制器”，因而可靠性優(yōu)于傳統(tǒng)繼電—接觸器電氣控制系統(tǒng)。 （2）靈活性高、擴展性好、通用性強。它采用程序使得硬件軟件化，對于不同的控制系統(tǒng)，只需改變程序即可，因而通用性強。而且現場接口容易，設計周期短。 （3）功能強。PLC具有自診斷、監(jiān)控和各種報警功能既可完成過程控制，又可進行閉環(huán)回路的調節(jié)控制，而且在將來的工控領域，可以說是無所不能。 由于生產線上的惡劣環(huán)境和電磁干擾，一般的電子儀器都會受到干擾。而PLC是從取代工廠內繼電器線路、進行順序控制發(fā)展開來的工業(yè)控制產品。PLC由于具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，以及編程簡單，維護方便，通訊靈活等優(yōu)點。在電器控制系統(tǒng)中得到廣泛應用。PLC不僅能實現復雜的邏輯控制，還能完成定時、計算、計數和各種閉環(huán)控制功能。整個控制系統(tǒng)利用PLC控制傳送帶實現了空箱傳送、產品運輸、產品計數等功能。并且有手動控制和自動控制兩種控制方式。在生產線自動裝箱控制的傳送帶控制系統(tǒng)應用，可使生產線的控制更加靈活、可靠。進而提高生產效率，突現節(jié)約用工，改善工人工作環(huán)境，減輕工人勞動強度，節(jié)約材料消耗和用工。 2.2開箱裝箱封箱系統(tǒng)的結構 該開箱裝箱封箱系統(tǒng)屬于下沉式開箱裝箱封箱系統(tǒng)，為實現全自動包裝過程，由以下幾部分組成:①紙板供送部分主要有紙板儲存區(qū)、紙板下吸機構、紙板輸送機構;②待裝箱產品輸送部分主要有待裝箱產品分排輸送傳送帶、分組機構;③紙箱裝箱開箱部分主要有待裝箱產品裝箱機構、產品紙箱下沉開箱機構;④噴膠封箱整形部分主要有主輸送鏈機構、前噴膠、左右噴膠及施壓裝置、整形輸出裝置。其結構示意圖如圖1所示。 1-紙板供送部分;2-待裝箱產品輸送部分;3-紙箱裝箱成型部分;4-噴膠封箱整型部分 圖1開箱裝箱封箱系統(tǒng)結構示意圖 2.3開箱裝箱封箱系統(tǒng)的工作原理 該機最大特點是由一頁根據包裝結構形式需求，經過壓痕的紙板在裝物品的同時自動折疊成紙箱進行裝載物品，其工作原理是:將已灌裝的容器經輸送帶輸送到分組輸送機構進行包裝分組，進入裝箱機構，同時單張紙板由紙板下吸機構將其從紙板儲存區(qū)吸下，放到紙板輸送機構上輸送到裝箱機構處，然后隨同容器一起由產品紙箱下沉開箱機構處下降到主輸送鏈機構，在這一過程中，紙板按照折痕進行了初步的開箱，隨著主輸送鏈機構間歇式的輸送過程完成噴膠及施壓粘合、整形輸出包裝機，完成整個包裝過程。其包裝工藝流程如圖2所示。 圖2包裝工藝流程圖 2.4 控制系統(tǒng)組成 該開箱裝箱封箱系統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要任務是根據待裝箱產品的工藝流程對各部分進行協(xié)調控制，控制動作主要包括:紙板供送、待裝箱產品輸送、紙箱裝箱開箱、噴膠封箱整形。為完成以上各動作要求，本設備控制系統(tǒng)主要由PLC、各種光電開關、接近開關、磁性開關、電磁閥、交流伺服電機及其控制系統(tǒng)等部分組成，其控制原理如圖3所示。 圖3控制原理圖 第3章 PLC控制系統(tǒng)的設計 3.1 PLC的特點 自動封箱控制系統(tǒng)主要由PLC組成。 可編程序控制器（PLC）是一種以微機處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其實質是一種工業(yè)控制用的專用計算機。因而對于使用者來說，變成完全可以不考慮微處理器內部的復雜結構，不必使用各種計算機使用的語言，而把PLC內部看做是有許多“軟繼電器”等邏輯部件組成。 可編程控制器的主要特點有： 1.可靠性高，抗干擾能力強。這往往是用戶選擇控制裝置的首要條件。PLC生產廠家在硬件和軟件上采取了一系列抗干擾措施，使它直接安裝于工業(yè)現場而穩(wěn)定可靠的工作。目前各廠家生產的PLC，其平均無故障時間都大大超過了IEC規(guī)定的10萬小時。而且為了適應特殊場合的需要，有的PLC生產商還采用了冗余設計和差異設計(如德國Pilz公司的PLC），進一步提高了可靠性。 2.適應性強，應用靈活。由于PLC產品均成系列化生產，品種齊全，多數采用模塊式硬件結構，組合和擴展方便，用戶可根據自己的需要靈活選用，以滿足系統(tǒng)大小不同及功能繁簡各異的控制系統(tǒng)要求。 3.編程方便，易于使用。PLC的編程可采用與繼電器電路極為相似的梯形圖語言，直觀易懂，深受現場電氣技術人員的歡迎。近年來又發(fā)展了面向對象的順序流程圖語言（Sequential Function Chart），也稱功能圖，使編程更簡單方便。 4.控制系統(tǒng)設計、安裝、調試方便。PLC中含有大量的相當于中間繼電器、時間繼電器、計數器等的“軟元件”。又用程序（軟接線）代替硬接線，安裝接線工作量少。設計人員只要有PLC就可以進行控制系統(tǒng)的設計并可在實驗室進行模擬調試。 5.維修方便，維修工作量小。PLC有完善的自診斷、履歷情報存儲及監(jiān)視功能。PLC對其內部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、異常狀態(tài)和I/O點的狀態(tài)均有顯示。工作人員通過它可以查出故障原因，便于迅速處理。 6.功能完善。除了基本的邏輯控制、定時、計數、算術運算等功能外，配合特殊功能模塊還可以實現點位控制、PID運算、過程控制、數字控制等功能，為方便工廠管理又可與上位機通信，通過遠程模塊還可以控制遠方設備。 由于具有以上特點，使得PLC的應用范圍極為廣泛，可以說只要有工廠，有控制要求，就會有PLC的應用[7]。 同樣，可編程控制器控制也有其不足的地方，在性價比上要高于繼電器控制和單片機控制,其開發(fā)潛力要差于單片機，通用性不好，不同廠家的可編程控制器以及其附屬單元都是固定專用等等。 3.2 PLC選用 開箱裝箱封箱系統(tǒng)的工作方式分為手動和自動連續(xù)式2種方式，考慮到該設備輸入點數21個，輸出點數15個，可靠性、經濟性，該設備控制器選用歐姆龍公司生產的CP1H-X40DT-D型號的PLC，該型號的PLC是具有24個輸入點和16個輸出點，其中有4軸脈沖輸出，可用來通過伺服控制系統(tǒng)控制交流伺服電機，完全能滿足開箱裝箱封箱系統(tǒng)的控制任務。 3.3 PLC的工作過程 ①輸入處理:PLC以重復掃描方式執(zhí)行用戶處理程序，在執(zhí)行程序前首先按地址編碼順序將所有輸入端子的通斷狀態(tài)(輸入信號)讀入輸入映象寄存器中，然后開始執(zhí)行用戶處理程序.在執(zhí)行過程中，即使輸入信號發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內容也不變，直到下一個掃描周期的輸入處理階段才重新讀取輸入狀態(tài)。 ②程序控制:在程序執(zhí)行階段，PLC順序掃描用戶程序，每執(zhí)行一條程序所需要的信息都從輸入映象寄存器和其他內部寄存器中讀出并參與計算，然后將執(zhí)行結果寫入有關輸出映象寄存器中。 ③輸出處理:當全部指令執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器中的狀態(tài)全部傳送到輸出鎖存寄存器中，構成PLC的實際輸出并由輸出端子送出。 隨著微電子技術的發(fā)展，可編程序控制器（PLC）以微處理器為核心，適用于開關量、模擬量和數字量的控制，已進入過程控制和位置控制等領域，成為一種多功能、高可靠性、應用場合最多的工業(yè)控制微型計算機。 3.4 I/O地址的分配 根據PLC的輸入、輸出點數及控制要求，該開箱裝箱封箱系統(tǒng)I/O地址的分配如表1所示。 表1 I/O地址分配值 3.5 PLC外部接線圖 根據開箱裝箱封箱系統(tǒng)輸入、輸出點數及控制要求的需要，本控制系統(tǒng)選用歐姆龍CP1H-X40DT-D型PLC，其外部接線如圖4所示。 圖4PLC外部接線示意圖 3.6 程序流程圖 開箱裝箱封箱系統(tǒng)(http://www.yuzhuangsh.com/)控制復雜，動作協(xié)調性高，因此在控制中除應用了PLC作為主控單元外，還用到了光電開關、磁性開關、接近開關、交流伺服電機等元件，保證該設備的高可靠性。在該包裝設備編程過程中考慮到調試、維修的需要，其工作模式設置了手動和自動兩種控制方式，其控制流程圖如圖5所示。 圖5控制流程圖 第4章 過程分析 4.1工作過程分析 電源一旦接通，便發(fā)出一個脈沖使S0.0置1，只有當按下啟動按鈕I0.0時，S0.0這一狀態(tài)被置成0，此時傳送帶B開始啟動運行，一直到被開關SQ2檢測到才將傳送帶B停止，等傳送帶B停止后，傳送帶A才開始啟動，同時傳送出物品，產品經過開關SQ1檢測，每傳送出一個部件，計數器便加1，直到傳送出12個產品，計數器便開始動作，計數器常開觸點閉合，這時如果沒有按下停止按鈕，則開始循環(huán)工作，傳送帶A停止，傳送帶B開始又一輪的啟動同時計數器清零使下面的循環(huán)能夠準確的進行下去。當一旦按下停止按鈕I0.1，此時等計數器完成計數任務，傳送帶A和傳送帶B同時停止。 此程序還可以對傳送帶A和B分別進行點動，下面對這一種情況進行詳細說明。 當按下停止按鈕后，按下按鈕I0.2傳送帶A運行，松開按鈕后運行停止，完成對傳送帶A的點動檢測，對于傳送帶B的點動測試與傳送帶A的相似，便不再展開說明。 當點動完成后，只有再次按下停止按鈕，程序才可以再次重新開始，如果在點動進行后沒有按下停止按鈕，則當想要程序開始運行時按下啟動按鈕也不會啟動，這樣程序很容易實現對設備的運行前檢測和故障維修。 4.2控制系統(tǒng)硬件設計 根據自動裝箱系統(tǒng)的控制要求,系統(tǒng)應有手動控制和自動控制功能。系統(tǒng)的具體設計過程如下： （1） I/O點數的估算 a、系統(tǒng)輸入信號： 自動控制按鈕，需要1個輸入端； 停止按鈕，需要1個輸入端； 手動控制時，傳送帶A和傳送帶B獨立點動控制按鈕需要2個輸入端； 產品數量檢測信號SQ1和空箱位置檢測信號SQ2，需要2個輸入端； 以上共需6個輸入信號點。 B、系統(tǒng)輸出信號： 傳送帶A和傳送帶B，需用2個控制輸出端； 系統(tǒng)上電指示、裝箱指示需要2個輸出端。 以上共需4個輸出信號點。 輸入 輸出 I0.0 自動控制按鈕 Q0.0 B帶動指示燈 I0.1 停止安鈕 Q0.1 傳送帶B輸出 I0.2 SQ2輸入 Q0.2 傳送帶A輸出 I0.3 SQ1輸入 Q0.3 裝箱指示燈 I0.4 B履帶點動 I0.5 A履帶點動 （2）實際接線圖 Q0.0 Q0.1 Q0.3 Q0.2 I0.3 I0.2 I0.0 I0.5 I0.4 I0.1 4.3控制系統(tǒng)程序設計 1程序梯形圖如下： 2、 程序指令如下： 1 LD SM0.1 2 S S0.0,1 3 R M0.0,8 4 R S0.1,7 5 LSCR S0.0 6 LD I0.0 7 SCRT S0.1 8 SCRE 9 LSCR S0.1 10 LD SM0.0 11 = M0.0 12 LD I0.4 13 EU 14 SCRT S0.2 15 SCRE 16 LSCR S0.2 17 LD SM0.0 18 = M0.1 19 LD C20 20 LPS 21 AN I0.1 22 SCRT S0.1 23 LPP 24 A I0.1 25 SCRT S0.0 26 SCRE 27 A I0.5 28 CU C20 29 A S0.1 30 L 12 31 R C20 第5章 系統(tǒng)程序調試及結果 在計算機上進行編程，打開自動裝箱控制程序。斷電情況下連接好PLC電纜，按照I/O分配表，用實驗連線導線將PLC主機模塊輸入、輸出接口與實驗板接口一一對應連接，并將PLC主機模塊的電源端與實驗模塊的電源端相連接。下載程序文件到PLC,監(jiān)控后運行，使PLC進入運行方式。 1、按下自動控制按鈕I0.0后，系統(tǒng)指示燈Q0.0亮；同時傳送帶B啟動運行（Q0.2指示燈亮）。 2、當SQ2空箱到位檢測信號到（I0.4按鈕輸入），傳送帶B停止運行（Q0.2指示燈滅）。同時傳送帶A啟動運行（Q0.1指示燈亮）。 3、當SQ1送入12個計數脈沖時（I0.5按鈕12次輸入）及累計產品數量達12個時，傳送帶A停止（Q0.1指示燈滅），同時傳送帶B啟動運行（Q0.2指示燈亮）。 4、當SQ2到位信號到（I0.4按鈕輸入），系統(tǒng)循環(huán)工作。 5、可以實現傳送帶A、B點動。 結論 在消化吸收國內外同類開箱裝箱封箱系統(tǒng)的基礎上，更多的使用氣動裝置代替機械裝置，簡化了機械傳動鏈，使該設備運動可靠性更高。本文在對開箱裝箱封箱系統(tǒng)的工作原理及已設計的機械、氣動系統(tǒng)研究的基礎上，對PLC控制器的I/O點數進行分配，并設計了PLC接線圖及程序控制流程圖。研制的開箱裝箱封箱系統(tǒng)價格低，可靠性高，必將大范圍的代替進口設備，改變目前食品、飲料等行業(yè)的裝箱現狀，為我國企業(yè)提高生產效率奠定了物質基礎。 致 謝 經過一個多月的設計和開發(fā)， PIC自動封箱控制系統(tǒng)基本開發(fā)完畢。其功能基本符合用戶需求，能夠滿足生產的要求。但是由于畢業(yè)設計時間較短，所以該系統(tǒng)還有許多不盡如人意的地方，在以后的工作中改進。通過本次畢業(yè)設計，我學到了很多東西，無論在理論上還是在實踐中，都讓我受溢非淺。這對于我以后的工作和學習都是一種巨大的財富。同時我非常地感謝我的指導老師，老師認真負責的工作態(tài)度，嚴謹的治學精神和深厚的理論水平，在系統(tǒng)開發(fā)過程中給予了我不少的幫助。在我不知道如何寫論文從何落手的時候給了我指點方向,在我感覺到自己知識有所貧乏的時候給了我細心的指導和技術上的支持。幫助解決了不少的難點，使得系統(tǒng)能及時開發(fā)完成，使我本身的能力得到了不少的提高，在這感謝她們耐心的輔導。 參考文獻 [1]巫莉，黃江峰 電氣控制與PLC應用.中國電力出版社，2010.11 [2]廖常初 PLC基礎及應用.北京：機械工業(yè)出版社，2003 [3]王永華 現代電氣控制及 PLC 技術.北京：北京航空航天大學出版社，2003 [4]王健琪 可編程控制原理應用及通信基礎.北京：機械工業(yè)出版社，1997 [5] 侯志林著《過程控制與自動化儀表》機械工業(yè)出版社 1998 [6] 孫平 可編程控制器原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2003.