精密包装机软件系统设计.docx
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精密包装机软件系统设计
本科毕业设计（论文）
题目精密包装机软件系统设计
姓名
专业
学号
指导教师
郑州科技学院信息工程程学院
二○一五年三月
精密包装机软件设计
摘要
对一台基于PLC的罐头包装机进行其软件系统的设计，以此来提高设备的自动化，提高其生产效率。
采用PLC软件控制系统大大提高了设备的生产能力，又能保证设备的稳定性。
在人机交互方面则采用了更加直观的触摸屏技术，使得人机交互更加方便、直观，可以让工人更好的了解设备的运行情况。
采用此软件系统设计的设备拥有较好的稳定性，方便、直观的操作平台，提高了包装机的工作性能和工作效率。
关键词：
包装机；自动化；PLC；触摸屏
SOFTWAREDESIGNOFPRECISIONPACKAGINGMACHINE
Summary
OfacannedfoodpackagingmachinebasedonPLCforitssoftwaresystemdesign,soastoimprovetheautomationofequipment,improvetheefficiencyoftheirproduction.PLCsoftwarecontrolsystemsgreatlyimprovetheproductivecapacityoftheequipment,butalsoensuresthestabilityofthedevice.Inhuman-computerinteraction,itusesthemoreintuitivetouch-screentechnology,allowsmoreconvenient,intuitivehuman-computerinteraction,allowingworkerstobetterunderstandtheoperationofequipment.Usingthesoftwaresystemdesignofequipmentwithbetterstability,convenient,intuitiveplatform,improvingworkperformanceandproductivityofthepackingmachine.
Keywords:
packagingmachineautomationPLCtouchscreen
前言
相比于国外，我国当前的罐头加工技术仍处于引进、消化、创新的阶段，致使我国罐头加工业发展的相对落后这已成为制约罐头产业进一步发展、提升的症结。
罐头装罐包装机是罐头生产中必不可少的关键性设备之一，但根据目前的现状，国内的各罐头生产厂使用的装罐包装机中，大都是从国外进口而来，价格相对昂贵，而类似的国产的装罐包装机技术相对落后，生产效率低，不能满足罐头生产的需要，故要对包装机进行软件系统进行设计，提高生产效率，满足生产需求，降低成本。
1包装机发展概况及发展趋势
包装机械属于包装行业中的一大门类产品，在包装工业中有着很重要的作用，其地位举足轻重，它给本行业提供了必要的技术设备，用来完成对产品的包装工艺过程。
相对于属于消耗性产品的包装材料，包装机械所产生的经济效益远远低于包装材料的经济效益，在整个包装机械产值中只占相对较小的比例，但它却是整个包装行业现代化进程中的，必不可少的一环。
现代化的包装工业必须要有现代化的包装机械的支撑。
相对于普通机械，包装机是一种专业性的机械，除了和普通机械一般要求，它还具有自己独特的特点。
要能够稳定可靠，高效率的生产，为保证产品质量还要求传动装置紧凑，具有高精度特性，为提高销量还应外观美观，适应市场需求。
国外：
由于各国发展起点不同以及不同的资金投入和技术研发，目前包装机械行业由美国、日本、德国、意大利等四国领先于其他国家。
其中美国由于其包装机械历史发展时间较长，拥有自己独立的体系，品种和产量均居世界之首，拥有自己的一套完整的包装机械体系。
基于其技术优势，美国近十年来，始终是世界上最大的包装机械生产国，同时也是最大的消费国。
美国行业将机械与计算机结合，并运用机电一体化控制技术，使其产品以高、大、精、尖产品居多。
随着技术发展，出现了多种新型机械产品，其中增长最快的是成型、填充、封口等三种机械产品，其市场占有率达到15%，纸盒封装包装机在市场占有率中居第二位。
从上世九十年代以来，由于其技术优势，加上不断地资金投入以及技术研发，美国的包装机械行业一直保持着良好的发展态势。
散体物料包装机的改进设计日本与美国、德国相比，起步较晚。
在上世纪六十年代时，国内从事包装机械的厂家不足60家，并且从事低级的简单包装，只能包装糖果、香烟等。
在60-70年代，日本的包装机械行业开始起步，其产值以惊人的速度增长。
70-80年代，其增长速度相对之前开始放低，但年增长率仍达13%。
而在八十年代，随着科学技术的发展，初始将微电子技术应用于包装机械行业，获得成功，之后出现的光导纤维技术、以及工业机器人技术、模块化技术，都被采用到包装机械行业，大大提高了其安全性，也使得包装机械行业开始向高生产率、自动化等方向发展，大大提高了日本产品在国际市场的竞争力。
从日本的包装机械行业的发展来看，其在六十年代至九十年代的三十年中经历了引进、消化、发展等历程，使得日本的包装机械行业开始了连续三十多年的高速增长。
除了美国和日本，德国、意大利、英国、瑞士和法国，经过发展也已经是世界上很重要的包装机械生产国家。
德国的包装机械行业的优势在于计量、制造、技术性能等方面，而其最为突出的是在啤酒、饮料等液体灌装方面，其依靠高速、高程度自动化、良好的可靠性等特点享誉全球。
其国内一些公司可生产高级包装机械，这些机械集机电仪和微机控制于一体，并且包采用光电感应技术，用光标进行控制，并增加了防静电装置。
其大型自动包装机不仅包装容积大，而且高度集成化，集制袋、称重、充填、真空、封口等工序于一台机器。
由于其技术优势以及产品质量，德国的包装机械出口额保持在80%左右，一直处于稳定增长状态，是世界上最大的包装机械出口国。
不同于德国，意大利的包装机械大多应用于食品工业，因此，相对于德国的高度集成化，其特点是性能优良、外观考究，价格相对便宜。
由于包装机械产生的经济价值增大，各国都十分重视包装机械的发展，加大了技术研究，将各种新兴的技术应用到包装机械行业，出现了一大批集机、电、磁等新技术于一体的高新技术产品。
而随着技术的改变和观念的改变，高效的生产化、低功耗、实用化、资源高效利用化等性能指标确定了包装机械未来的发展方向，这已成为世界各国包装机械发展的趋势。
国内：
中国的包装机行业发展较晚，但经过改革开放30多年的发展，包装机械整体行业有了长足的增长，包装机械产品不仅在数量上有了惊人的增长，在产品品种上也从空白单一产生了众多单机生产，使得整体行业生产总值以极高的比例增长。
当前我国的包装机械产品有了可喜的增长，数量已有1000多种，虽距世界已能生产的包装机械6000多种还有较大差距，但已能满足国内行业发展的需求，在食品药品等行业发挥着重要的作用，满足了包装制品、包装加工的需要。
在十一五期间，国家加大对包装行业的支持，实施了“食品加工关键技术研究与产业化开发”等一大批科研项目，在食品、果蔬等一系列民生领域和关键装备开发等重要领域取得了一系列的突破。
突破了一批食品加工领域的重大共性技术问题外，在重大装备及成套装备生产上也实现了跨越式发展，从最初的功能单一、结构简单发展为运动复杂、技术含量高的机械产品，在包装机械行业的发展中起到了举足轻重的作用。
但在发展中也出现了一些问题，其缘由也值得我们思考。
中国包装机械企业80％以上属于中小企业，地处分散，规模小，生产集中程度低，技术装备落后，资金缺乏。
由于以上诸多原因，大多厂家没有能力进行装备升级和工艺技术改造，更没有能力研发新产品，种种原因导致中国的包装机械行业整体水平较低。
中国包装机械企业的另一个弱势是专业化程度低。
在中国，57%的包装机械企业是兼业生产，除沿海省、市专业企业较多外，其他省市的包装机械企业多属兼业生产。
中国包装机械行业长期走“多品种、小批量”的发展之路，甚至一个企业一年出几个新产品，因此导致产品多而不专，缺乏技术含量。
而国际上较为知名的厂商却走的是“高大上”的路线:
高品质、专业化、大批量的路线，一个企业只有一两个产品，技术含量高，产品批量大，从而能集中力量对产品进行技术升级使产品质量大大提高，增加了产品在国际市场的竞争力，使得产品成为国际知名品牌。
更为严重的是，我国机械行业产品的构成有着极大的不平衡，在生产生活以及轻工业的包装机械产品较多，这些产品虽然数量较多，但其含金量并不高。
在对经济起着关键作用的重工业方面，我国的包装机械不论是种类还是产量上都是相对较少的。
特别是化学工业、冶金工业等对经济有着重要作用的行业，以及制糖行业、粮食加工等对关系民生的产业，在这些行业中，高质量、高技术的国产包装机几乎没有。
这些问题的存在都是有着多方面的原因：
重袋包装机械产品技术含量相对较高，涉及的专业技术较多，具有很强的专业性，整体的科技含量较高。
要想生产出技术含量高的包装机械产品需要投入巨额的研制经费。
而我国大多数厂家并没有足够的资金进行研发，这就造成了我国包装机械行业的现状，专业生产包装机械的厂家相对较少。
相比于包装机械强国，我国的包装器械产品在市场上并没有太大的竞争力。
中国包装机械企业要提高市场竞争力，必须克服企业经营认识上的一些误区，与国际先进的发展理念接轨：
一是从重有形资本向重无形资本转变。
当今国际上的竞争不再仅是产品品种、数量等有形资本的竞争，而更包括了产品品牌、知识产权、技术标准、技术壁垒、技术创新、安全卫生等软实力方面的竞争，企业通过这些无形的软实力，给产品增加了知名度，从而在无形中获取了更大的利益。
二是从重数量增长向重质量效益提升的转变，即从“多品种、小批量”的生产方式转向“少品种、专业化、大批量”的生产方式。
三是由最终产品质量控制向全程质量控制转变。
过去企业只重视最终产品质量的检测控制，现在应当对产品进行全程质量控制，即从产品的设计、制造、使用以及报废后的处置和回收利用等全生命周期对产品进行监管。
主要表现在：
一是与世界包装机械强国相比，中国包装机械企业生产的品种局限性较大，大多局限于轻工行业，其技术含量并不高，并没有包含太多的高技术，生产效率低下，对于特殊材料，需要特殊加工包装的机械较少，更多的是通用机械。
二是重机械本身的生产，轻配套附件及软件的生产，这些附件及软件的缺失使得包装机械本身丧失了一些本可以拥有的功能。
而德国包装机械厂家却将提供配套附件齐全的成套设备作为努力目标，如德国生产的一条饮料灌装生产线就配备了2000多个微电脑件及许多显示屏和管线，并拥有高达百种的软件程序，这些程序可以控制各种包装动作，其生产效率可以高达1200瓶/h，安装了2套同时工作的灌装机械，整个饮料灌装生产线约占半个足球场的面积。
如此庞大和功能齐全的设备，德国的企业只需在一个厂家就能完成生产，可以将成套的包装机械产品提高给客户。
三是设备的不稳定、不可靠、寿命短。
究其原因，主要是我国的包装机械生产厂家没有将机、电、液、气基础元件的标准严格执行，甚至没有标准。
这就使得基础的元器件的质量没有一个保障，使得元器件没有一个稳定的性能，从而使得产品的质量没有一个可靠的保障。
由于我国的材质与金属的热处理技术相对较低，在一定程度上影响了产品的质量。
四是设计方法落后。
在德国包装机械设计已经普遍采用计算机仿真技术，在设计过程中，技术人员只需将各种机器零、部件参数存入计算机数据库，设计人员可根据要求直接调用数据库内各种参数进行设计，而计算机能将各种参数自动生成包装机械三维模型；然后，把实际生产要求的各项数据和指标以及各种可能发生的故障输进去，计算机即可演示出所设计的包装机械能达到的生产率及产品报废率，同时可计算出生产线各环节能否匹配生产，能够快速的找出不能匹配生产的原因，并能够通过显示屏上的图像和曲线让人一目了然，充分的体现了产品性能。
最后，设计者再根据客户的意见对三维模型进行修改，直到使客户或设计者满意为止。
由于计算机合成速度很快，因此修改工作迅速方便。
而這些高效的仿真技术的使用，大大提高了工作效率，缩短了产品的开发周期。
与美国、日本、德国等包装机械强国相比，中国包装机械在质量、可靠性、技术含量、软件上还存在明显差距，目前国内对包装机械需求量的60%~70%，尤其是技术含量高的成套装备，如瓦楞纸板（白纸板）加工、印刷生产线，高档食品灭菌、灌装生产线等，还严重依赖进口。
中国包装机械企业应加快“引进—消化—发展”的步伐，吸收国外的先进技术，提高自我开发能力，研发出高技术含量的包装设备。
当前中国的包装机械行业在设计方面以测绘仿制为主，自身的创新开发能力相对薄弱，甚至达到了没有参照物就不能设计的地步，造成了新的包装机械产品缺乏技术含量这一困境。
而事实上，行业中的一些高端制造企业并不是没有制造能力，他们主要是缺乏开发设计能力。
由于缺乏设计开发设计能力，导致在这一环节出现大规模的仿制。
但由于只会外观的测绘仿制，而缺乏相关软件的支持，故仿制产品缺乏以软件为特征的技术含量，从而使产品的技术性能和市场竞争力大大降低，导致中国包装机械产业的高端技术和大型装备仍依靠从美欧日进口。
而与之相反的，跨国公司和高端企业除了主要的专业化生产外，还在软件等无形资本中投入了相当大的精力，从而大大提高了其产品的技术性能和市场竞争力。
中国包装机械创新开发能力薄弱的原因除长期采用测绘仿制的设计方式外，还主要和研发经费的投入不足有关。
中国多数企业投入的研发经费仅占销售额的1%，而包装机械强国企业的研发经费却高达8%~10%，两者差距明显。
不同的研发经费的投入带来的销售效益也是不同的，更为重要的是其市场竞争力也是不同的。
因此，在技术日新月异，市场竞争日趋激烈的今天，中国包装机械行业的发展需要大量经费的投入，用以新产品的研发设计，努力将机电一体化技术、热管技术、无线遥控技术、计算机仿真技术等应用在包装机械上，使得新型产品的技术性能有一个质的提高，加强其国际市场竞争能力。
从2011年起，世界食品和包装机械市场已显露出竞争激烈的态势，且竞争将愈演愈烈。
这种竞争将主要体现2个特点：
一是高新技术和技术创新作用越来越显著，二是安全和卫生技术将发展成为国际通则和技术壁垒。
与自动化有关的高新技术，如高智能化的数控系统、编码器及数字控制组件，微电脑，动力负载控制等新型设备将大大增加包装机械产品的技术含量，使得包装行业取得更向前一步的发展。
使得整个包装行业的生产方式有一个质变的过程，从通用化生产向专业化生产转变，由间歇式生产转变为连续式生产。
在整个产业中，整个生产的管理、质量的管理都会有着巨大的改变。
生产厂家应整合资源，完成从小型生产到大型化生产的转变。
企业应更注重生产质量，不仅仅注重最终产品的质量控制，更是要发展为对生产全程都要有良好的质量控制。
这样就能使得生产过程更专业化、自动化、全程化，可以让企业连续化生产从而实现产品化经营。
高效率化、数控化、柔性化、智能化、多功能化、模块化己成为包装机械行业发展的必然趋势。
世界包装机械发展的趋势具体体现在未来将会强化应用和研发包括基础技术、安全设计技术、卫生设计技术、绿色设计技术以及集成设计技术等在内的多种技术【3】。
2设计背景及目的
由于我国包装机械行业整体水平的限制，导致我国罐头加工行业相对国外发展较为落后，已成为制约罐头产业进一步发展、提升的症结。
罐头装罐包装机是罐头生产中必不可少的关键性设备之一，而目前国内使用的装罐包装机中使用的大多是技术含量低、生产效率低的国产设备，而采购的进口设备，价格大多高昂，故要对包装机进行软件系统进行设计，提高生产效率，满足生产需求，降低成本[4]。
在此基础上，要做出一台高效率的罐头包装机并对其进行软件系统设计的对象是一种连续回转式罐头装罐包装机，研制一台水果罐头精密称重包装机，由传送机构自动灌装水果入罐，用高精度的组合应变片传感器，测量罐头重量，系统采用可编程控制器PLC进行闭环控制，并通过PLC的触摸屏界面实现具体的操作控制，需要完成设备总体的机械框架设计，完成后可以实现自动装罐的工艺过程。
对这台包装机完成安装以及调试，并对其进行控制系统的软件设计，要求称重误差为±5g，性能达到60-100瓶/分钟。
3包装机软件系统设计的选择
本文主要目的是进行包装机软件系统的设计，经过研究当前包装行业的主流方向，并兼顾实际情况，决定在继电器控制系统和PLC控制系统这两种系统中进行对比，找出相对较好的方案。
3.1继电器控制系统
继电器控制系统是一种逻辑控制，其主要是用继电器机械触点的串联或并联以及延时等通过硬件接线实现的，由于其是由众多硬件组成，致使系统复杂、体积大、功耗大。
一旦构成系统，整体的功能基本固定，如果再增加过改变功能就会较为困难。
另外，由于它是硬件接线而成，所以触点数量是固定的，导致整个控制系统的灵活性和扩展性受到很大限制。
工作方式:
继电器控制系统采用并行工作方式控制电路，即电源接通时，电路中的继电器都处于受制约状态，根据规定，该吸合的继电器同时吸合，而受到某种限制的部分继电器不能吸合。
控制速度：
继电器控制系统的处理速度一般在几十毫秒数量级，工作频率较低，其主要依靠机械触点的动作实现，触点有时会出现晃动问题。
可靠性和可维护性：
继电器控制系统的可靠性以及可维护性较差，其原因是采用了太多的机械触点，并且是由导线连接而成，所以在触点开闭时会出现机械磨损、电弧烧伤等情况，故其触点寿命较短。
3.2PLC控制系统
PLC的基本构成可编程控制器（ProgrammableLogicController）是上世纪九十年代快速发展的计算机技术，它主要是面向工业生产的工控设备。
其基本构成包括有：
电源、接口电路、CPU、I/O电路，以及存储器等。
在这些基本构成中，电源又另包含了系统、掉电保护和备用等部分。
CPU则指中央处理器，是PLC的核心技术所在，这一部分的主要功能，是进行逻辑运算和数学运算，以协调整个系统的工作。
PLC的接口电路，主要是指整个系统和其他生产设备、外围设备相连接的通道。
I/O电路，是指系统的输入/输出电路，其任务主要是对输入的信号进行隔离，并进行电平的转化，是对PLC输出结果的放大。
同时，又用以存放系统中的逻辑变量、用户程序和监控信息等等。
因面对的对象和目的不同，PLC也不同于一般的电子计算机，它是专用于工业生产控制的计算机控制器，主要借助自身存储的程序，处理机内存储单元中的数据。
而这些程序所反映的，都是工业生产控制的要求，是工业生产现场的各种信号，对这些数据进行处理，其处理结果则成为输出驱动执行器件完成控制任务。
展开来说，PLC的主要功能如下:
（1）控制开关量。
即结合控制生产现场所给的检测信号，依据计算机系统的限位开关及其操作按钮，实施对工业生产控制中的机械运动部件的控制。
（2）限时控制和计数控制。
通过在PLC系统内部设置相关的计时指令，用以准确控制生产过程的时间，同时又能对设定时，根据生产实际，做出必要的变通。
计数控制则是对各种用途的计数进行控制，其计数器分为高速、普通和可逆计数器等，由于生产过程复杂，系统中的各种计数器，都针对不同需要，作出计数控制。
（3）步进控制。
PLC通过系统内部的移位寄存器，能方便地完成生产机械的步进控制功能。
（4）数据处理。
通过中央处理器，PLC能完成加、减、乘、除、乘方、开方等复杂而快速的数字运算，完成与、或、异或、求反等逻辑运算，还能进行数值的转换和数据的移位、比较、传递等多种复杂的操作。
（5）通讯及联网。
关联通讯技术和互联网技术，PLC系统之间、PLC与计算机之间通过同位链接，借助信息通讯技术，满足计算机集成制造系统及智能化工业生产的需要。
除特殊的功能作用外，PLC还具有通用性强、使用方便、良好的可靠性、优越的抗干扰性、出色的适应性和编程简单易学等特点。
它在工业自动化控制领域中的地位，是其他控制系统所无法替代的。
工业生产的自动化控制领域引入PLC技术，其重点主要在开关量控制、运动控制和精度控制等方面
3.3开关量控制
开关量控制，是一种逻辑性控制，主要是对工业生产过程的开关操作，需要把握时间、程度、可能性时机等，这些条件，构成因素复杂，甚至需要大量的数据处理和计算过程，人工不但慢、把握不准，也无法随机应变，达不到高准确度的精密要求，PLC技术则可以游刃有余地实现。
例如食品、大棚温室、冶金、化工、建材、机械、石油等工农业生产，用PLC控制其生产环境、机械和接触面的温度，就极富自动逻辑控制的作用。
其控制器的系统组成，可以做出如下设计：
使用PLC作为控制核心，控制对象的温度变量，经过温度变送器（温度传感器）采集以后，送到A/D转换模块，转换成PLC可读的数据，再由PLC将所得数据与温度设定值做出比较，并按原先引入的控制规律对误差进行逻辑运算，推出决策，然后驱动执行机构，最终实现温度的闭环控制，系统的过程控制和运动控制。
PLC技术在自动化控制领域的又一重要应用，是实现系统过程和运动过程的控制。
工业生产过程及其机械的运动，需要按照一定的程序、时间、范围、强度等条件的制约，实现其过程和运动的开闭控制。
例如根据系统的模拟量，来决定工作与否，这就需要自动控制。
有时候又需要让系统的参数依照要求，来进行运转，也需要通过中央处理器做出逻辑运算、数据处理，然后做出开通或封闭的动作，实现机械的过程控制。
许多化工、冶金、热处理等自动化生产，都需要类似的过程控制。
PLC对于机械的运动控制，主要是指在工业加工中需要加工的圆周运动和直线运动，能够在PLC的控制下自主完成，实现自动控制。
PLC通过系统的脉冲量控制机械的运动，由于脉冲控制的位移量非常小，控制要求的精度很高，手动控制无法实现，只有PLC技术可以实现。
目前，PLC运动控制主要应用在机械、电梯、机床等设备上。
3.4系统模拟量确认和系统的集中控制
工业生产自动化控制领域中，对系统的各种仪表监控，是一大难题，继电器技术无法实现模拟量的确认，进而实现自动控制。
PLC技术能够把准模拟量，进而轻松实现对仪表的监控，并能有效提高控制的精度。
在工业化的自动控制中，需要对热处理升温、降温、保温等功能实现精确控制，通过PLC技术，就都可以借助模拟量确认，实现升降温的控制。
PLC的控制功能是基于整个系统的，甚至包括了软件自身。
所以人们概之为对系统的控制是立体的、集中性的、全面性的。
例如对系统的故障检测、故障显示提示、故障报警、故障分析等，都可以给以自动操作、显示和控制。
即使出现了设备故障，设备原有的预留设置数据遭到破坏，PLC仍可以借助原先编好的程序，来判断故障，进行分析，做出报警。
3.5PLC相对继电器的优势
经过各个方面的比较，PLC控制系统相对继电器控制系统具有以下优势:
1、高性价比，功能性强
PLC内部具有很多编程原件，就算是一台小型的PLC，其内部的编程元件达上千个之多，以供用户编程使用，因此具有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。
与相同功能的继电器相比，使用PLC的控制器系统具有更有优势的性价比。
通过网络实现通信，实现了分散控制，集中管理。
2、配件齐全，操作简单，应用范围广
随着技术的发展，目前的PLC产品都已经实现了模块化、标准化、以系列产品的形式出现，其拥有各种品种的硬件装置，用以用户选择。
用户可根据实际情况的要求，进行系统配置，组成所需要的系统。
由于用户要求不同，组成的系统不同，其规模不同，功能也不同。
由于PLC一般使用接线端子用以连接接线，故其接线安装很是方便。
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