基于PLC的定量自动包装设备控制系统设计.docx

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基于PLC的定量自动包装设备控制系统设计

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院

本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表

学生姓名：

学号：

专业：

电气工程及其自动化

毕业设计（论文）题目：

基于PLC的定量自动包装设备控制系统

指导教师意见：

（请对论文的学术水平做出简要评述。

包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。

还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。

）

设计选题切入较好，系统设计具有很好的示范性。

设计中利用PLC构成定量包装系统，便于将开关量设置、复位操作以及设定和修改系统参数、功能有机的结合，提高机器速度和精度，，方法实用，逻辑严密，写作基本规范，达到了本科毕业设计的要求，可以提交评阅。

指导教师结论：

合格（合格、不合格）

指导教师

姓名

所在单位

兰州工业学院

指导时间

2014-09-17

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院

本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表

学生姓名：

学号：

专业：

电气工程及其自动化

毕业设计（论文）题目：

基于PLC的定量自动包装设备控制系统

评阅意见：

（请对论文的学术水平做出简要评述。

包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。

还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。

）

该论文选题符合专业要求，切合生产实际，具有实用价值。

文章介绍了基于PLC的定量自动包装设备控制系统的控制方案选择、电路设计和PLC控制系统软件设计，并对全文进行了总结。

作者参考了一定量的文献资料，文章观点明确，结构比较完整，逻辑性较强，写作格式比较规范，语言通顺，但是文章的摘要提炼得不够好，摘要应当是对全文核心内容的高度概括。

总体上说，该论文基本达到本科毕业论文的要求。

修改意见：

（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。

评阅成绩合格，并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。

）

毕业设计（论文）评阅成绩（百分制）：

71

评阅结论：

同意答辩（同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）

评阅人姓名

所在单位

中国地质大学（武汉）

评阅时间

2014-10-01

论文原创性声明

本人郑重声明：

本人所呈交的本科毕业论文《基于PLC的定量自动包装设备控制系统》，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。

论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。

对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。

本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。

论文作者（签字）：

日期：

2014年　7　月　12　日

摘要

定量包装商品与人们的日常生活息息相关，定量包装商品是指以销售为目的、与消费者利益密切相关，在一定量限范围内具有统一的质量、体积、长度标注的预包装商品。

随着自动化水平的不断提高，自动控制技术在定量包装生产中应用越来越多，在粮食、化肥、饲料和轻工等行业中都有广泛应用，称量包装技术的发展大致经历了手工称量、继电器控制、称重仪表控制、PLC（ProgrammableLogicController，可编程控制器）控制等几个阶段。

相对于传统的称重仪表控制，应用基于PLC构成的定量包装系统便于将开关量设置、复位操作以及设定和修改系统参数功能有机的结合，提高机器速度和精度，同时随着国内现代化生产水平的不断提高，人工劳作模式已不能适应市场发展的需求。

定量包装机作为一种能够按照预先设定的称重程序和预定值将大批散状物料自动分成重量相等的小份额载荷的自动衡器已经越来越受到欢迎，并渗透到各行各业，市场的需求量越来越大。

关键词：

1、定量称重2、PLC3、自动包装

（二）包装机械发展新趋势及发展状况1

（三）工控技术在包装领域的应用3

（一）系统方案选择6

（二）可编程序控制器的应用和发展概况9

（一）外围电路设计17

（二）PLC程序地址分配20

（三）系统程序流程图22

四、结论30

致谢31

参考文献32

一、绪论

（一）选题目的及意义

包装是产品进入流通领域的必要条件，而实现包装的主要手段是使用包装机械。

传统的包装机械多采用机械式控制，造成了浪费能源，材料损耗大，工作效率低等缺点。

近年来，随着科技发展越来越快，人民生活水平不断提高，对生产力的要求也就越来越高，传统的控制已经无法满足要求，因此包装机械的自动化显得尤为重要，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着重大作用。

包装工业的自动化时代大约始于20年前，当时，全机械式设备配备一台可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），用于控制逻辑功能和驱动器的机械动力轴，但灵活性并不尽如人意。

控制与驱动技术被证明是包装机械结构领域中的关键技术。

如今，完全电子化的第三代机器具备了伺服技术的一切优势，同时树立起新的行业标准。

数字化包装机械不仅可以提供更大的产量和更强的设备柔性，还增加了远程维护、与公司ERP系统进行集成、对生产数据的评估等许多新特性。

（二）包装机械发展新趋势及发展状况

1、包装机械发展新趋势

随着科学技术的不断发展进步，各种食品加工品的出现，对包装技术和包装设备都提出了新的要求，包装机械在流通领域中发挥着越来越大的作用。

目前包装机械竞争日趋激烈，而高度自动化、智能化、多功能、高效率、低消耗的包装设备越来越受到行业的青睐。

进入21世纪以来，较之传统包装机械，新型包装机械要求具有简洁化、高生产率、配套更完善，更具自动化等特点。

未来的包装机械将配合产业自动化趋势，促进包装设备总体水平提高。

如高智能数控系统、编码器及数字控制组件、动力负载控制等新型智能设备已经普遍应用到包装机械设备中，使设备使用者在操作过程中更具有独立性、灵活度、操作正确性、高效率和兼容性。

据了解，目前国外包装和食品机械水平高的国家主要有美国、德国、日本、意大利和英国等。

而德国的包装机械在设计、制造及技术性能等方面则居于领先地位。

最近几年，这些国家包装和食品机械设备发展呈现出新的趋势。

工艺流程自动化程度越来越高。

目前自动化技术在包装生产线中已占50%以上，大量使用了电脑设计和机电一体化控制，提高生产率、设备的柔性和灵活性，增加机械手以完成复杂的包装动作。

每个机械手均由单独的电脑控制，摄像机监控包装动作并将信息反馈到电脑以调整动作幅度，保证包装的质量。

2、包装机械的发展情况

（1）国外包装机械的发展情况

随着科技的发展包装机械在各国都在广泛使用，占领着市场的主导地位。

下面简单介绍下国外各国的发展情况：

意大利生产的包装机械中，40%是食品包装机械，如糖果包装机、茶叶包装机、灌装机等。

意大利包装机械行业的最大优势就在于可以按照用户的要求进行设计和生产，并能保证很好地完成设计、生产、试验，实现监督、检验、组装、调整和用户需求分析等。

产品的特点是外观考究、性能优良、价格便宜。

日本的食品包装机械，虽然以中小单机为主，但设备体积小、精度高、易于安装、操作方便、自动化程度也较高。

德国的包装机械在计量、制造、技术性能方面均属世界一流。

该国生产的啤酒、饮料灌装成套设备生产速度快、自动化程度高、可靠性好。

主要体现在生产的灵活性、构造的灵活性和供货的灵活性，以适应产品更新换代的需要；利用计算机和仿真技术提供成套设备，故障率低，可以进行远程诊断服务；对环境污染少，主要包括噪音、粉尘和废弃物的污染。

美国的包装机械大多数用计算机控制，使包装机械向高速度、高效率、高质量的方向发展。

对商品包装材料所需的温度、强度、电压和包装的数量等都编成程序输入电脑，进行自动控制。

这不仅可以提高包装机械的使用效率，提高包装机械的精密度和准确度。

美国的包装机械向注重经济、自动、高效和多功能方向发展。

如微处理程序控制、调控系统、传感、光电等装置，在美国的包装机械设备上广为应用，既提高了工作效率，又改进了包装质量。

例如，有一种充填机，在同样的条件下不受包装材料和包装物体形态差异的限制，只要稍加调试，即可适应各种形状包装容器的充填。

（2）我国包装机械行业现状

经过20多年的发展，我国包装机械已成为机械工业中十大行业之一，为我国包装工业快速发展提供了有效的保障。

但目前，我国包装机械出口额还不足总产值的5%，进口额却与总产值大抵相当，与发达国家相去甚远。

包装机械行业缺少龙头企业，生产规模大、产品档次高的企业不多。

根据食品和包装机械工业协会的统计，中国目前有包装机械厂商3600多家，但产值及销售额超过亿元的现在只有20家。

我国还基本停留在测试仿制阶段，自行开发能力弱，缺少科研生产中试基地。

统计显示，我国包装机械品种只有1300多种，配套数量少，缺少高精度和大型化产品，不能满足市场需求，产品质量差距表现在产品性能低，稳定性和可靠性差、外观造型不美观、表面处理粗糙，许多元器件质量差，寿命短、可靠性低，影响了整体产品的质量。

（3）定量包装行业的现状

我国定量秤生产企业以小规模为主，产品的设计、研究和开发环节非常薄弱。

我国的定量包装工业过去长期处于一种生产力水平低下、主体技术不高的状况，大部分企业目前仍然处于互相照搬照抄国内外技术，降低生产成本的原始经营阶段。

更有一些作坊式的小企业用一套图纸存活，一味的追求低成本，严重扰乱国内市场。

企业没有自主知识产权，尤其是核心的控制技术，控制器是定量包装机械的大脑，大多数企业却需要从国外或合资、独资企业购买。

目前，我国的定量包装设备已进入调整产品结构、提高开发能力的新时期。

技术升级，产品换代是行业发展的重要课题。

定量包装机械的低水平发展必将影响到整个定量包装工业的快速发展，所以必须努力改变其落后状况。

争取更大的国内和国际市场。

（三）工控技术在包装领域的应用

1、实现包装机械自动化的技术

包装机械集机、电、光、声、磁、化、生、美为一体的高技术、高智能、高竞争的产品。

发展速度快、更新速度快是它的一大特点。

世界上一切高科技产品都可以应用其中。

包装机械上使用的自动化产品主要有控制系统、传动控制、运动控制、机器视觉，人机界面和传感器等几类，具体包括：

控制系统（嵌入式产品、PLC、IPC、现场总线）、传动控制（变频器，直流调速）、运动控制（伺服、步进电机、运动控制器）、人机界面（文本显示器、触摸屏、平板电脑），电器元件及传感器（温度传感器、压力传感器，光电开关、行程开关，RFID等）以及机器视觉（远程监控、工业相机）。

具体来说，主要涉及到以下几种自动化技术：

（1）现场总线技术。

运用现场总线技术首先解放了大部分的硬件，使得繁琐的安装环节得到简化；在生产应用的实际过程中，便利性与灵活性更加明显；可以将现场总线技术与ERP系统集成，这样管理层就可以通过ERP系统十分便利地调取、分析运行数据，了解生产的实际和即时情况，监测车间的运行情况。

现场总线技术在国内的大型食品加工企业应用较为普遍，这为整个生产线的无人化操作以及传动、检测等工序的无缝衔接提供了便利。

（2）传感器技术。

在食品加工与包装机械行业中，传感器的应用场合繁多，在食品饮料存储罐的监控、灌装封装、混合及加工、冷却及加温、清洁、包装等工序都要用到传感器。

该技术应用市场的缺口成为了众多自动化厂商的必争之地。

（3）传动控制技术。

传动产品在包装机械上的使用主要是为了调整主工艺速度和控制电机在生产过程速度的周期性变化。

但对于大多数包装机械而言，变频器并非必选的电气产品。

变频器在本行业的使用率较低，在大型标准规机和包装生产线上有较大的发展空间。

（4）运动控制技术。

运动控制产品在包装机上的应用主要是实现精确的5位置控制和严格的速度同步，用于装卸，输送，打标，码垛，卸垛等工序。

由于中国包装行业的快速发展，国内将需要更多的高端包装机械，运动控制产品将在本行业获得更大的发展空间。

（5）人机界面技术。

包装机械的HMI通常与PLC或者单片机配合使用，用以设定生产工艺参数，监控设备运行状态，记录设备生产历史。

少数高端机械使用了触摸屏。

（6）物流自动化技术。

物流自动化的进一步发展就使得整个食品加工与包装生产线得到完善，一个完整的食品加工链就形成了。

物流自动化技术最直接的体现就是使得人力得到节省，尽管中国的劳动力较为充足，但物流的发展是大势所趋。

（7）自动识别技术。

自动识别包装材料的厚度、硬度、反弹力等，通过电脑反馈到机械手调整动作幅度，保证不反弹；同时，保证各种不同的产品装到同一盒中，其排列是有规律的。

由于生产线传递的产品是无序的，那么则需要探头扫描来确定不同形状的物料位置，然后反馈给不同机械手，这样它就会准确无误地将物品按准确的位置及方向放入托盘中。

（8）安全检测技术。

食品加工与包装过程中的检测技术不仅仅局限于生产线上杂质的检测，随着食品检验受重视程度逐渐加大，检测技术应用领域进一步扩大。

在机器视觉产品中，彩色机器视觉产品在食品检测方面应用较为突出。

综上所述，包装行业属于配套行业，涉及国民经济的许多领域，特别是食品行业与饮料行业，更是依赖于包装行业的技术进步和配套服务，因此，我们不能忽视包装机械落后的现状，努力积极推动包装业走上快速健康发展的自动化道路。

2、自动化产品在包装机械行业的使用的总体情况

包装机械上使用的自动化产品主要有控制系统，传动控制，运动控制，人机界面和传感器这几类，具体包括：

控制系统：

嵌入式产品，PLC，IPC，现场总线；

传动控制：

变频器，直流调速；

运动控制：

伺服，步进，运动控制器；

人机界面：

文本显示器，触摸屏，平板电脑；

电器元件及传感器：

光电开关，温度传感器，压力传感器，行程开关等。

3、PLC在定量包装上使用的优越性

包装机一般都需要有速度控制、定位控制、温度控制、以及称重控制等一些较为精确的控制功能。

以前，涉及到这些精密控制或模拟量操作必须用到中型或中大型PLC，成本较高。

一般国内用户及生产厂家都难以接受。

随着电子技术的发展，西门子公司于前两年推出了功能相当完善的S7-200系列PLC。

这一小型系列PLC产品规格齐全、价格便宜，性能可靠，非常适合包装机控制。

二、系统设计方案

（一）系统方案选择

结合我国现代自动包装工业的发展趋势以及市场的供求情况，可以看出，自动定量技术在包装设备上的应用将会越来越广泛，尤其在粮食、化肥、饲料和轻工等行业中都会得到了广泛的运用。

称重式自动定量包装的使用不仅可以提高产品的精确度，避免物料的浪费，更重要的是它节省了劳动力，提高了劳动的生产效率，为企业创造了更多的价值。

对此，本次设计了一种以PLC为控制核心的（颗粒型等固体物料）称重式自动定量包装系统。

称重式自动定量包装系统是一个复杂而完整的系统，包括很多的包装工序，其中对物料的自动定量是包装过程的关键，因此本次设计主要侧重物料的自动定量过程，至于包装袋上袋及投料后包装袋封口等包装工序这里不作为设计重点。

1、包装系统组成

本系统主要由投料单元，称重单元，排料单元，封口单元，传输单元等组成。

主控单元是由PLC及其相应的控制执行电路组成的，主要实现了定量称重包装系统各个工序的自动控制功能。

投料单元：

即投料斗，它用于将所需要包装的物料经过料斗到达称重部分，并分为大小两个料斗，即快速进料阀和微调进料阀。

称重单元：

即称重盘，它与称重传感器相连，完成对物料重量的测量。

排料单元：

物料重量达到给定值后打开卸料门，完成标准重量物料的卸9料装袋过程。

运输单元：

将封好口的袋子传输到下一工位，进行装车等操作。

系统示意图如图2-1所示：

图

图2-1系统示意图

2、系统工作原理

称料斗的上方是成品仓，该仓中装有待包装的物料，成品仓下面是大小两个进料阀，系统采用二级给料方式。

粗给料流量大，用短时间加入额定重量的90%~95%。

细给料流量小，为额定重量的5%~10%。

这样即保证速度，又保证精度。

启动系统，这时完全打开快速进料阀（电动阀）进入大给料状态，物料落到称料斗后进行称量，称料斗上装有悬臂梁式称重传感器，称斗的质量信号直接由该传感器组转换成与之对应的电压信号，经过称重变送器把该电压信号放大后送入PLC模拟量模块中进行数据处理，经过PID计算后，当前测量重量逐渐接近设定重量时，快速进料阀（电动阀）关闭，打开微调10进料阀，直到达到设定重量时完全关闭，然后已投料的包装袋由传送带送出，完成一个包装过程。

投料系统工作原理流程如图2-2所示：

图2-2投料系统流程

3、系统功能

在每个称量循环中，对已装好物料的包装袋进行称量，以消除由于物料的粘附引起的称量误差；若该包装袋的重量不在允许的动态误差范围内，则将其剔除，停机时设置处理功能，保证停机排空称斗内物料。

一方面可保证下次开机时排料斗内无料，且避免了物料较长时间停留在排料斗内吸湿而凝结在料斗壁上，微调进料信号设置后，待其稳定，然后进行实测，得到误差，以使下个循环进行补偿校正。

（1）对装袋质量实现自动控制，其设定值可由编程器设置；

（2）对每次称量并投料的重量进行自动检测修正；

（3）实现自动包装；

（4）故障检测、报警。

系统质量设定值为：

25kg，动态误差±0.5kg，系统误差±0.2kg，包装速度5~8袋/min。

包装系统原理如图2-3所示：

图2-3包装系统原理

（二）可编程序控制器的应用和发展概况

在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。

传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。

但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。

PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算和顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入和输出接口，控制各种类型的机器设备或生产过程。

1、PLC的产生和发展

1968年美国通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号的不断翻新，提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了该装置的研制指标要求，即十项招标技术指标。

其主要内容如下:

（1）编程方便，现场可修改程序

（2）维修方便，采用模块化结构

（3）可靠性高于继电器控制

（4）体积小于继电器控制

（5）数据可直接送入管理计算机

（6）成本可与继电器控制装置竞争

（7）输入为交流115V

（8）输出为交流115V，2A以上能直接驱动电磁阀接触器

（9）扩展时原系统只需很小变更

（10）用户程序存储器容量至少扩展到4K

美国的数字设备公司（DEC）中标，并在1969年研制出了第一台可编程序控制器（PDP-14）。

其后，美国的MOD工CNO公司也推出了084控制器，1971年，日本推出了DSC一8控制器，1973年西欧各国的各种可编程序控制器也研制成功。

我国在1974年开始研制成可编程序控制器。

美国的数字设备公司（DEC）中标，并在1969年研制出了第一台可编程序控制器（PDP-14）。

其后，美国的MOD工CNO公司也推出了084控制器，1971年，日本推出了DSC一8控制器，1973年西欧各国的各种可编程序控制器也研制成功。

我国在1974年开始研制成可编程序控制器。

目前，PLC正朝着两个方向发展。

其一是向大型化、快速、高功能方面发展，以取代工业计算机的部分功能。

其二是向小型化、专用化、成本低方向发展，以真正成为继电器的替代品。

2、PLC的应用概况

PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻工、电力等各行业。

按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。

（1）用于逻辑控制

这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。

用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。

例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。

（2）用于模拟量控制

PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。

（3）用于机械加工中的数字控制

现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。

（4）用于工业机器人控制

（5）用于多层分布式控制系统

高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。

3、PLC的选择

PLC的生产厂家很多，并且各个厂家的产品种类繁多，特点各异，主要有：

美国AB，ABB，松下，西门子，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷等。

而常用的PLC有三菱、欧姆龙和西门子等。

在本系统中，PLC是整个控制单元的核心部件，它以通信形式接受上位机的监控，并向下级器件发送命令，同时协调完成系统的其它控制功能，如PID计算控制调节阀开启或关闭、脉冲输出等。

选择PLC时，要根据系统需要实现的功能，主要从I/O点数、运算能力和通信能力等方面综合考虑。

在模拟量I/O方面，PLC接收1路传感器信号，另1路输出用于控制电磁阀开启和关闭。

由此可见，本系统所需的I/O点数并不是很多，因此选择小型机即可。

此外，在实际应用中，还需留有一定的I/O裕量以备扩展之需。

另外，根据系统要求，PLC还需具备PID计算能力，定时中断，脉冲输出等功能。

综上，本次设计拟采用西门子公司研制生产的S7-200系列PLC为控制核心完成控制任务。

它具有极高的可靠性和丰富的内置集成功能，拥有强劲的通信能力以及扩展模块应用功能。

S7-200CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，体积更小，成本低廉，具有极高的性价比。

良好的扩展性以及功能强大的指令集使得S7-200PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。

4、S7-200系列PLC的主要特点

（1）抗干扰能力强，可靠性极高

PLC是专为工业环境下设计的。

它在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路，在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。

在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施，所有这些是PLC具有较高的抗干扰能力。

另外，PLC特有的循环扫描的工作方式，有效地屏蔽了绝大多数的干扰信号。

（2）编程方便

采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令编程，易学。

（3）使用方便

PLC的结构不仅具有先进的通讯和输入、输出能力，而且其模块化的系统结构、灵活的配置能力，使用户可以灵活组成各种规模和不同要求的控制系统。

（4）维护方便

PLC模块化的系统结构，使操作人员在维修时只需要更换插入式模板或其它易损部件即可完成，PLC的控制程序可通过编程器输入到PLC的用户程序存储器中，此外PLC还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员。

这些特点既方便又减少了影响生产的时间。

（5）设计、施工、调试的周期短

用PLC完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行。

同时，由于用户程序大都可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC