包装生产线的PLC控制.docx

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包装生产线的PLC控制

河南质量工程职业职学院

Henanzhilianggongchengzhiyexueyuan

毕业设计〔论文〕

题目:

包装生产线的PLC控制

班级:

现代控制〔一〕班

姓名:

耿中新

指导教师:

薛少烨

摘要

在现代化的工业生产中常常需要对产品进行计数，包装，如果这些繁杂的工作让人工去完成的话不但麻烦，而且效率低，劳动强度大，不适合于现代化的生产需要，并且加重了工人的劳动强度。

在这个迅速开展的信息社会，社会在进步，科技在迅猛开展，一切工业生产都在讲究生产效率。

如果想在竞争剧烈的社会中生存下去，必须顺应社会的开展，科学的改革，运用科学技术，提高生产效率，节约本钱，创造效益，方能使企业得以站稳脚步，立足于不败之地。

现代的科技信息化时代，逼着工厂企业去探索，创新!

为了适应现代化的大规模生产某种产品，而且需要对其进行计数，包装，就必须设计一套完整的自动化生产线，以便用这自动化的生产线来代替人工完成这些繁杂的工作。

进一步加快工业现代化的开展，提高国民经济，改善人民的生活水平。

本文主要对包装生产线系统进行运用可编程控制器〔PLC〕控制研究，对可编程控制器〔PLC〕以及所用到的各个器件的功能进行了详细的介绍。

关键词：

自动，包装，PLC，控制，设计

第一章绪论

任务提出：

包装生产线示意图所示，包装物品是放在传送带1上，由于放置的时间是任意的，所以有些包装离得很远，而有的包装靠在一起。

当合上电源开关，传送带2启动，包装箱随传送带2运动并到达指定位置，碰到光电开关SC2停止。

为使空箱恰好对准产品传送带的末端，使产品刚好落入包装箱中，在包装箱传送带的中间装一光电传感器，用以检测包装箱是否到位。

包装箱到达SC2后，传送带2停止，时间继电器延时两秒后，传送带1运动，物品放在传送带1上，为了准确的计算包装品数量，在物品流出传送带1时，由物品检测器计数，传感器根据在物品通过时发出的脉冲信号计数。

当流入包装箱的产品为10个时，传送带1停止，阻止后面的物品流出，同时传送带2启动运行，已包装的包装箱流出，同时下一个空包装箱到达指定位置，完成一个工作过程。

如果不按停止按钮，该生产线将按着规定工作顺序工作循环下去。

按下停止按钮，传送带1和2均停止。

图1-1包装生产线示意图

现代社会中，无论在任何行业，从工厂的生产，到能源的输送，到与人民息息相关的市政工程，甚至人们的工作和休息的楼宇，到处都可以看到自动化系统的身影。

自动化系统不仅早就成为了工业和社会生活的一个组成局部，而且是经济开展水平的重要标志。

在自动化日益普及的今天，包装机械的自动化程度直接影响到产品的质量和生产效率。

在现代化的工业生产中常常需要对产品进行计数，包装，如果这些繁杂的工作让人工去完成的话不但麻烦，而且效率低，劳动强度大，不适合现代化的生产需要，并且加重了工人的劳动强度。

为了适应现代化的大规模生产某种产品，而且需要对其进行计数，包装，就必须设计一套完整的自动化生产线，以便用这自动化的生产线来代替人工完成这些繁杂的工作。

进一步加快工业现代化的开展，提高国民经济，改善人民的生活水平。

自动化技术的提高能大幅度的提高经济效益，这在包装业中表现的特别明显。

近年来，包装生产线的自动化、电子监测和控制系统持续开展，使的包装企业以高速度、较少的停机时间和包装故障，以及产品损耗减少、工伤和老毛病降低等优点而获得出色的成就。

这些经济实用的自动化技术将会成为未来的开展力量。

可见自动装箱技术的应用前景十分广阔。

图1-2人工包装生产线图1-3自动包装生产线

1.2包装生产线的设计目的和意义

包装生产线是新一代的自动化流水线，具有生产速度高、包装质量好、兼容性好性能稳定等优点，是一种机、电、仪、气、机器人一体化的高科技产品，在纸箱的后道包装中有广泛的应用，可将各种待包物品在纸箱后包装过程中的空纸箱配送、纸箱成形、物品列整输送、机械手装箱、自动拆盖上下封箱、工字角边封箱、批号打印、纸箱捆扎、直角转向、纸箱#字捆扎、输送、机器人码垛、空托盘配送、实托盘输送、实托盘顶捆、实托盘水平捆扎、托盘缠绕、实托盘输出等作业全部实现自动化。

自动包装生产线在无人干预的状况下按规那么的顺序或指令主动进行操作或节制的进程，其目的是“稳，准，快〞。

自动化包装技能普遍用于工业、农业、军事、科学研讨、交通运输、贸易、医疗、效劳和家庭等方面。

采用自动生产线不仅可以把人从沉重的体力劳动、局部脑力劳动以及恶劣、风险的任务情况中解放出来，并且还能扩展人的器官功用，极大地提高劳动生产效率，加强人类看科技和革新世界的才能。

自动化技术的提高能大幅度的提高经济效益，这在包装业中表现的特别明显。

近年来，包装生产线的自动化、电子监测和控制系统持续开展，使的包装企业以高速度、较少的停机时间和包装故障，以及产品损耗减少、工伤和老毛病降低等优点而获得出色的成就。

自动包装生产线是当今社会开展的必然产物。

1.3我国现代包装生产线的开展现状

在中国，自动化技术还未成熟，还需要长时间的开展，所以将会有很大的空间来开展此技术。

这也是未来的开展方向和趋势。

中国的经济高速度开展也需要这项技术来促进和加速，相信在自动化技术成熟以后，中国的经济也将有飞跃性的进步。

当前中国的经济开展格局也是非常的需要高技术来支持。

这样才会有稳定的开展状态。

向西部开展的经济战略思想必然需要有高技术随之转移，生产也将需要自动化技术的支持，这样开展高技术自动化也就是必然的趋势。

所以未来的中国必将出现更多的自动化产业。

现代社会已经出现一些自动化生产线实例：

图1-4食用油包装生产线

图1-5全自动包装生产线

1.4国外生产线自动化开展概况

在一些工业兴旺国家中，配电自动化系统受到了广泛的重视，国外的配电自动化系统已经形成了集变电所自动化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远方抄表等系统于一体的配电网管理系统〔DMS〕，其功能已多达140余种。

国外著名电力系统设备的制造厂家根本都涉足配电自动化领域，如德国西门子公司、法国施耐德公司、美国COOPER公司、摩托罗拉公司、英国ABB公司、日本东芝公司等，均推出了各具特色的配电网自动化产品。

日本是配电自动化开展得比较快的国家。

到1986年，全国9个电力公司的41610条配电线路已有35983条〔86.5%〕实现了故障后的按时限自动顺序送电，其中2788条〔6.7%〕实现了配电线开关〔指柱上开关〕的远方监控〔包括一般的和计算机监控〕。

从国外配电自动化系统采用的通信方式看，尚没有一种通信技术可以很好地满足于配电系统自动化所有层次的需要。

在一个配电自动化系统内，往往由多种通信技术组合成综合的通信系统，各个层次按实际需要采用适宜的通信方式。

第二章生产线的方案设计与研究

第一章我们简要介绍了包装生产线的提出背景，国内外的生产线开展现状。

这一章我们将研究包装生产线的控制，现在最普遍的系统控制主要是可编程控制器〔PLC〕控制，所以对于包装生产线我们也是采用PLC控制！

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。

2.1本课题主要研究的内容

现代社会对物品的包装要求越来越高，为使包装出的物品整齐、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，因此对包装线的控制要求是越来越高。

物品下落，传感器计数

计数到10，M1停止M2运动

到SC2

M2停止M1运动

包装箱运动

开关启动，传送带2运动

图2-1包装生产线的工作流程

该系统有两个传送带，即包装箱传送带和产品传送带。

包装箱传送带用来传送产品包装箱，其功能是把已经装满的包装箱运走，并用一只空箱来代替。

为使空箱恰好对准产品传送带的末端，使产品刚好落入包装箱中，在包装箱传送带的中间装一光电传感器，用以检测包装箱是否到位。

产品传送带将产品从生产车间传送到包装箱，当某一产品被送到传送带的末端，会自动落入包装箱内，并由另一传感器转换成计数脉冲。

本控制系统具有精度高、本钱低、抗干扰能力强、故障率低、操作维护简单等特点，具有良好的应用价值。

由自动包装生产线的工作流程可以发现主要有传送带运动，计数器计数几局部组成，所以该系统输入信号有：

启动信号，传感器计数，包装箱到位检测，过载保护等。

输出信号有：

计数器计数输出，电动机带动传送带运动等。

2.2PLC控制系统的运动

通过分析包装生产线的工作流程，控制系统分为电机控制运动，编码器计数等。

在高速运动中，传统方式中各局部的动作精确度不够，而采用PLC控制的电机完成此项工作是比较容易的。

它既灵活方便，又精确可靠，抗干扰能力强，编程简单，使用方便，通用性好，组合灵活；体积小，功耗低，功能完善，适应面广。

所以我们选择PLC控制的方案是：

在控制系统确定后，利用传感器收集的信号通过PLC去控制其他执行机构。

根据输出的信号来控制电机的运动。

2.3系统运行方式

系统运行方式分为手动和自动

·手动：

按下启动按钮，手动开关闭合，程序才能够运行，完成相应的动作。

·自动：

按下启动按钮，程序完成一个周期的动作后又接着从第一步开始运动，自动循环。

在自动方式下，中途假设按下复位按钮，那么系统要继续运行到第一步开始位置才停止。

根据包装生产线的实际运行情况，本系统采用自动运行和手动运行两种方式，还必须考虑停止运行方式的设计，可编程控制器的停运方式有正常停运，暂时停运和紧急停运三种。

根据控制系统要求，又要包装生产线运行期间采用循环工作方式，只有在工作结束或接收到操作人员的停止运行指令或设备出现故障或异常情况时才停止，因此本系统采用硬件切断电源，使系统立即停车。

2.4系统控制总框图

系统硬件配置机构框图所示，包括中央处理单元及I/O扩展单元、检测元件〔光电开关和接近开关等〕、控制元件〔交流接触器和电磁阀〕以及执行元件〔电动机〕等几局部。

操作人员给出操作指令并指示设备的运行状态，机器启停、功能切换、工况检测、运行状态、故障报警等，检测元件检测料位位置、投料结束信号，以及各局部的动作完成情况；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跟新输出点的状态，通过通断交流接触器和电磁阀来控制电动机的启停，从而完成从包装箱到位到产品落入包装箱内完成计数，流动的过程，完成一个工作流程。

执行元件

输入输出单元

中央处理单元CPU

控制元件

检测元件

第三章电气元件的选择

3.1可编程控制器的介绍

3.1.1可编程控制器的产生

可编程控制器〔ProgrammableController〕的英文缩写是PC，容易同个人计算机〔PersonalComputer〕混淆，因此通常都称其为PLC〔ProgrammableLogicController〕。

PLC是在继电器控制根底上以微处理器为核心，将自动控制技术，计算机技术和通信技术融为一体而开展起来的一种新型工业自动控制装置。

目前PLC已根本替代了传统的继电器控制系统，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱〔可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造〕的首位。

美国数字设备公司〔DEC〕根据以上要求，于1969年研制出了第一台可编程控制器PDP－14，并在美国通用汽车公司的生产线上取得了成功。

它用计算机的软组件的逻辑编程成功取代了继电器控制的硬接线编程，生产硬设备的生产线是“柔性〞的愿望终于实现了。

图3—1美国通用PLC图3—2西门子PLC

3.1.2可编程控制器的特点

PLC技术之所以高速开展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点。

它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、平安、灵活、方便、经济等问题。

主要有以下特点：

1.可靠性高、抗干扰能力强

可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。

PLC的平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施：

〔1〕硬件方面 I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。

〔2〕软件方面 PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起故障；在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。

2．编程简单、使用方便

目前，大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。

梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广阔工程技术人员掌握。

当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。

同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。

这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。

3．功能完善、通用性强

 现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网等许多功能。

同时，由于PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。

4．设计安装简单、维护方便

由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。

PLC的用户程序大局部可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。

在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具有很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。

5．体积小、重量轻、能耗低

由于PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。

可以按照结构形式、I/O点数和功能两种形式分类。

〔1〕按结构形式分类

①整体式

将CPU、存储器、I／O和电源等部件集中于一体，安装在一个金属或塑料的机壳的根本单元内，机壳的上下两侧是输入输出接线端子，并配有反映输入输出状态的微型发光二极管。

整体式结构的PLC具有结构紧凑、体积小巧、重量轻、价格低的优势，适用于嵌入控制设备的内部，常用于单机控制。

一般小型以下PLC多采用这种结构，如三菱公司的FX2N、FX0N、FX1S系列。

②模块式

把各个组成局部CPU、I/O、电源等分开，做成各自独立的模块，各模块做成插件式，插入机架底板的插座上。

可按照控制要求，选用不同档次的CPU模块、各种I/O模块和其它特殊模块，构成不同功能的控制系统。

模块式结构的PLC具有配置灵活、组装方便，扩展容易。

其缺点是结构较复杂，造价也较高。

一般大、中型PLC都采用这种结构，如三菱A2NQ系列PLC。

图3—3三菱FX1S系列PLC图3—4三菱A2NQ系列PLC

〔2〕按I/O点数和功能分类

按I/O点数、内存容量和功能来分，PLC可分为微型、小型、中型、大型和超大型五类。

小型PLC的存储器容量一般在2KB～4KB之间，I/O点数一般在64～128之间。

小型PLC具有逻辑运算、定时和计数等功能，适合于开关量控制、定时和计数控制等场合，常用于代替继电器控制的单机线路中。

〔3〕PLC按功能分类

PLC根据功能可分为低档机，中档机和高档机。

3.1.4PLC的结构

PLC是专为工业控制而设计,采用了典型的计算机结构,主要由CPU、存储器、

采用扫描方式工作的I/O接口电路和电源等组成。

图3-5PLC硬件系统结构框图

PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，它按照用户程序存储中预先编制的控制程序，通过输入接口采入现场信息，执行逻辑或数值运算，进而通过输出接口控制各种执行机构动作。

作为一种以微处理器为核心的用作数字控制的特殊计算机，它的硬件配置与一般微机装置类似，主要是由CPU模块、输入/输出模块、电源等局部组成。

〔1〕CPU中央处理单元CPU是可编程序控制器的控制中枢。

每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的存放器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、存放器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。

〔2〕I/O模块：

PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的根本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入输出模块可分为：

数字I/O接口、模拟I/O接口、智能I/O接口、通信接口、扩展接口。

〔3〕电源模块：

有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源以其输入类型有：

交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。

3.1.5PLC的工作原理

PLC控制PLC采用循环扫描工作方式，集中进行输入采样，集中进行输出刷新。

I/O映像区分别存放执行程序之前的各输入状态和执行过程中各结果的状态。

任务的完成是建立在其硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，这一点是和计算机工作原理一致的。

因此，PLC的工作原理是建立在计算机工作原理根底上的。

PLC是采用“顺序扫描、不断循环〞的方式进行工作的。

即PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号〔或地址号〕作周期性循环扫描。

如果无跳转指令，那么从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

周而复始。

PLC的扫描工作过程可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，并进行周期性循环。

3.2电源开关和按钮的选择

开关是用于接通和断开电路的电器。

常用的开关有刀开关、铁壳开关、组合开关和自动空气开关。

随着社会和科技的不断开展，现代工厂企业车间甚至用户都不在运用这些“古董〞产品，被取而代之的是断路器。

断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合在规定的时间内承载和开断异常回路条件〔包括短路条件〕下的电流的开关装置。

断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。

而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。

目前，已获得了广泛的应用。

断路器的分类方式有多种，常见的有按操作方式分：

有电动操作、储能操作和手动操作；按结构分：

有万能式和塑壳式；按使用类别分：

有选择型和非选择型；按灭弧介质分：

有油浸式、六氟化硫、真空式和空气式；按动作速度分：

有快速型和普通型；按极数分：

有单极、二极、三极和四极等；按安装方式分：

有插入式、固定式和抽屉式等。

在这里我们主要介绍三种根据使用级别和分断能力从大到小依次是：

框架式〔万能式〕断路器；塑壳式断路器；小型断路器。

（1）框架式〔万能式〕断路器

智能型万能式断路器适用交流50Hz，额定电压380V、660V，额定电流为200A-6300A的配电网络中,主要用来分配电能和保护线路及电源设备免受过载、欠电压、短路，单相接地等故障的危害，该断路器具有多种智能保护功能，可做到选择性保护，动作精确，防止不必要的停电，提高供电可靠性。

万能式断路器用来分配电能和保护线路及电源设备的过载、欠电压、短路等，在正常的条件下，可作为线路的不频繁转换之用。

1250A以下的断路器在交流50Hz电压380V的网络中可用作保护电动机的过载和短路。

在正常条件下还可作为电动机的不频繁起动之用。

图3-6万能式断路器图3-7西门子塑壳断路器3VL系列

（2）塑壳式断路器

塑壳断路器在低压配电系统中的应用已经越来越普遍。

塑壳式断路器不仅功能强大、性能优良，和各种电器部件的兼容性也很好。

塑壳式断路器可以和漏电器、测量模块、电操模块等功能单元配合使用。

塑壳断路器凭借着种种优点，在低压配电系统中起到了越来越重要的作用。

目前，塑壳式断路器常被用作低压电路的终端开关或支路开关。

塑壳式断路器已经在一定程度上，逐步取代了熔断器和闸刀开关的位置，成为低压配电系统的主要开关。

塑壳断路器随着应用需求的变化和技术的开展，额定电流的覆盖范围逐步增大，目前普通塑壳断路器的额定电流可以到达1250A，足以满足工业供电线路的使用需求。

塑壳式断路器较常应用于工业配电系统，如电动机回路、出线回路等。

（3）小型断路器

小型断路器适用于交流50/60Hz额定电压230/400V，额定电流至63A线路的过载和短路保护之用，也可以在正常情况下作为线路的不频繁操作转换之用。

小型断路器主要用于工业、商业、高层和民用住宅等各种场所。

图3-8正泰小型断路器DZ47-60

3.2.2按钮开关

按钮开关是一种结构简单，应用十分广泛的主令电器。

在电气自动控制电路中，用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器、电磁起动器等。

　按钮开关的结构种类很多，可分为普通揿钮式、蘑菇头式、自锁式、自复位式、旋柄式、带指示灯式、带灯符号式及钥匙式等，有单钮、双钮、三钮及不同组合形式，一般是采用积木式结构，由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳等组成，通常做成复合式，有一对常闭触头和常开触头，有的产品可通过多个元件的串联增加触头对数。

按钮的分类方式很多，生产厂家也很多，下面我们主要介绍几种常用的按钮开关。

正泰NP4系列按钮适用于交流50Hz或60Hz、电压至380V，直流工作电压至220V的电路控制系统中。

作为电磁起动器、接触器、继电器及其它电气线路的控制之用。

图3-9正泰NP4按钮图3-10带灯指示按钮

还有一种工厂企业里常用的一种带灯按钮，这种按钮相对于一般的按钮开关来说主要是使操作者能够清晰的观察按钮的动作状态，这种按钮一般有指示灯电源。

另一种常见按钮主要运用于机床一级流水线上，这便是我们所说的急停按钮。

急停按钮也可以称为“紧急停止按钮〞，业内简称急停按钮。

顾名思义急停按钮就是当发生紧急情况的时候人们可以通过快速按下此按钮来到达保护的措施。

3.3熔断器的选择

熔断器其实就是一种短路保护器，主要进行短路保护或严重过载保护。

根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。

熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。

对熔断器的选择要求是：

在电气设备正常运行时，熔断器不应熔断；在出现短路时，应立即熔断；在电流发生正常变动〔如电动机起动过程〕时，熔断器不应熔断；在用电