基于plc包装码垛生产线控制系统设计毕业设计论文Word格式.docx
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1绪论
1.1引言
随着科学技术的迅猛发展，生产力水平的不断提高，人们对降低劳动强度、改善工作环境同时重视起来。
石油化工、化肥、粮食等行业对包装质量和劳动效率的要求也日益提高，从而促进了这些企业的现代化改造。
而传统的人工包装由于其生产效率低下而成为这些行业产量和包装质量提高的巨大障碍，已不能满足现代化大生产的需要。
用户为了便于产品的运输和存储，对包装要求更加严格，包装已成为企业升级和获得经济效益的关键因素，因此尽快提高产品的包装质量，是这些行业的迫切任务之一，也是用户对这些行业的要求。
国际上日本NEWLONG、英国BL、美国ORY等公司掌握了包装先进技术。
目前国内全自动包装码垛设备主要依靠进口，国产设备生产厂家较少，市场呼吁国产化的全自动包装生产线。
在新的世纪,随着我国各项事业的蓬勃发展以及知识经济所面临的机遇和挑战,包装码垛机械必将发挥越来越重要的作用,为国民生产产生不可估量的经济效益。
1.2PLC概述
上世纪六十年代末，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司（GM）为满足市场需求，适应汽车生产工艺不断更新的需要，提出了著名的十条技术指标公开向社会招标，要寻求一种比继电器更可靠，响应速度更快、功能更强大的通用工业控制器。
1969年，美国数字设备公司（DEC）根据十条要求研制出世界上第一台可编程控制器PDP-14，并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功。
可编程控制器是以微处理器为核心，把电气传动和逻辑控制、自动测量和调节、数据计算和处理有机地结合起来，具有丰富的软件资源的现代化工业自动化控制器。
经过30多年的发展，现在可编程控制器己经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。
在可编程控制器中，充分应用了大规模集成电路技术、微电子技术及通信技术，迅速地从早期的逻辑控制发展到进入位置控制、过程控制等领域。
可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicalController），又称PC或PLC，它是以微型计算机为基础的一种为用于工业环境而设计的数字式电子系统，这种系统用可编程序存储面向用户指令的内部寄存器，完成规定的功能，如：
逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等，通过数字量的输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器是“专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机”，由于其具有很强的抗干扰能力，很高的可靠性，能在恶劣环境下工作的大量的I/O接口，因此，伴随着新产品、新技术的不断涌现，始终保持着旺盛的市场生命力。
可编程控制器的出现，除了取代传统的继电器控制外，正在逐步占领DCS和PID市场份额。
国际市场,当今世界的PLC生产厂家约200多家，生产400多种PLC。
全球最大的5家PLC制造商，德国SIEMENS公司、美国A-B公司、SCHNEIDER公司、日本的MITSUBISHI公司、OMRON公司、三菱公司约占全球市场销售额的67％。
我国对可编程控制器的研制始于1974年，目前全国有几十个生产厂家，但产品多为128个开关量I/O点以下的小型机。
我国应用PLC还处于初级阶段，而且局限于钢铁、化工、汽车、机床、煤炭、电站等领域，其他行业的应用尚未普及，中国尚有广阔的应用领域等待开拓。
我国90％的PLC市场由国外占领，中、大型PLC中，几乎100％是国外产品，以美国MODICON公司、GE公司、德国SIEMENS，日本富士公司为主。
我国的包装设备在许多方面采用了PLC，并取得了非常好的效果。
随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。
仅仅将PLC理解为开关量控制的时代已经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。
今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展：
一个是向超小型专用化和低价格方向发展；
另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。
趋势如下：
（1）系统构成规模向大、小两个方向发展。
大是指大容量、高速度、多功能、高性能。
小是指小型化、专用化、模块化、低成本。
（2）功能不断增强，各种应用模块不断推出。
（3）产品更加规范化、标准化。
1.3包装码垛自动生产线设计的内容
1.3.1包装码垛自动生产线的应用现状
包装码垛自动生产线属于工业机器人。
工业机器人是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手。
工业机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多关节的操作机。
它可以是固定式或移动式的，用于工业自动化作业中。
工业机器人与其他专用自动机的主要区别在于，专用自动机是适应于大量生产的专用自动化设备，而工业机器人是一种能适应产品种类变更,具有多自由度动作功能的柔性自动化设备。
包装码垛生产线是机电仪一体化高技术产品，适用于化工、粮食、食品及医药等行业。
它可实现对粉、粒、块状物料（如塑料、化肥、合成橡胶、粮食等）的称重、供袋、装袋、折边、封袋、倒袋整形、金属检测、重量复检、批号打印、转位编组、码垛、托盘和垛盘的输送等作业全部实现自动化。
通过可编程序控制器，对整个生产线的工作过程进行自动控制，对运行过程中出现的故障或供料不足，供袋不及时、出垛不及时等，进行声光报警。
包装码垛生产线简单地讲，它是由包装机械和码垛机械组成的，其中的主要部分还是包装机械，码垛机械是从包装生产线上分离出来而发展起来。
其流程图如图1.1所示。
输送机
图1.1包装码垛生产线流程图
在我国，包装机械的研制始于1958年，主要是自用设备，属革新产品，未进入市场，正式包装生产线起始于七十年代初，“八五”期间呈全方位发展态势，“九五”期间进入转型期，逐步成为高科技、高效益、现代化、国防化的产业。
我国包装机械起步较晚，解放后轻工业开发了一批专用包装设备，为啤酒厂、饮料厂、卷烟厂、火柴厂配套，尚未形成行业。
80年代初，包装机械作为新兴的工业部门开始发展起来，经过近二十年的艰苦努力，一支从事包装设备科研、设计、生产制造及教育管理的行业队伍已形成，并初具规模，产品品种不断增加，产量迅速上升，技术水平逐年提高，作为包装机械工业在我国国民经济的崛起中正在不断发展完善。
1.3.2包装码垛自动生产线设计的要求
（1）进行对包装码垛系统的控制工艺流程分析，确定包装码垛系统原理。
（2）完成对包装码垛控制系统的运行过程分析及控制系统功能，系统硬件分析控制参数选择及电控系统的需求，PLC的选型，确定此系统的布置形式。
（3）电路系统等供电设计，PLC控制系统设计及方案论证。
（4）系统软件分析，系统状态流程图设计，系统抗干扰措施。
2包装码垛自动生产线系统组成
2.1概述
包装码垛自动生产线是一个典型的机电一体化系统。
所谓的机电一体化系统是指在系统的主功能、信息处理功能和控制功能等方面引进了电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机等电子设备以及软件等有机结合而构成的系统，即机械、执行、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行组合而形成的一种新型机械系统。
该系统由机械系统（机构）、电子信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电机）等五大子系统组成。
其五种内部功能即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。
机电一体化系统的一大特点是由于机电一体化系统的微电子装置取代了人对机械的绝大部分的控制功能，并加以延伸和扩大，克服了人体能力的不足和弱点。
另一大特点是节省能源和材料消耗。
其主要特征是自动化操作。
包装码垛自动生产线主要应用于化工、粮食、食品及医药等行业中的粉、粒、块状物料的全自动包装码垛。
包装码垛自动生产线可分为包装部分和码垛部分。
包装部分实现定量称重、自动供袋、装袋、夹口整形、折边缝口、金属检测、重量复检等功能。
码垛部分实现转位编组、推袋压袋、码垛及托盘的提供和垛盘的输送等功能。
2.2包装码垛自动生产线系统组成
电子称重机是包装机起始部机，其作用是完成物料的定值称重、投料等作业。
本生产线采用净重式电子称重方式，这样称量结果不受容器皮重变化的影响，称量精度高，同时采用双秤交替的运行模式，可以保证生产线的包装速度达到800～1000包／小时。
整个称重系统的动力源采用气动元件。
给料系统采用气动控制的二级投料方式，即称重过程开始时，首先粗流料门完全打开，当进料量达到预先设定的粗进料值时（一般为总量的80%～85％左右），粗进料气缸复位，粗流料门关闭，快速投料过程停止；
这时粗流料门前端有一方形孔即细流口还没关闭，物料从该方形孔中继续投料，即开始细投料过程，当充填物料达到预置重量时，细投料气缸复位，细流料门关闭，给料结束。
自动供袋机是由供袋器、吸袋器、袋子传送器、接袋器、取袋器等部件组成。
全自动包装供袋工作是由供袋机械自动完成，操作人员只要将空袋子按要求码放到上袋机的备用仓中就可以了。
当袋仓中没有袋子时备用袋仓中的袋子会被送袋机构整摞地自动送到供袋器的袋仓中去。
带有真空吸盘的吸袋器从供袋器上把包装袋吸住，然后向上提升到位后，传送给传送器。
传送器将袋子输送到供袋机的斜板上。
在导向板、接袋器、吸盘和光电开关的作用下，确保包装袋在斜板上保持正确的位置和形状。
取袋器捡起斜板上的包装袋，在取袋器四连杆的作用下，包装袋定位在包装机的中心线上，等待装袋机将包装袋取走。
自动供袋机供袋速度快，供袋质量稳定可靠，易于实现包装工作的自动化。
但机械结构较复杂，且对袋子的材料、尺寸和质量以及往备用袋仓中码放袋子时袋口的方位等都有一定的要求。
自动装袋机是由过渡料斗、取袋开袋夹送装置、翻门缩口装置、机架等构成。
过渡料斗是装袋机联接电子称重机的过渡装置，它可以存储一袋物料，提高电子称重机的称重速度，减小物料落差，降低粉尘产生量，利于除尘，同时保证物料顺利地导入装袋机并防止装袋机产生的振动传递到电子称重机上。
取袋开袋夹送装置将自动供袋机的取袋器取好的袋子夹住，开袋吸盘吸住袋子的两面，在主气缸推动下送到翻门缩口装置的下面并将袋口拉开（此动作是和翻门缩口动作同时进行）为填装物料做准备，同时将已装好物料的料袋送到夹口整形机内。
在主气缸行程两端安装有缓冲器，使主气缸在行程端点得以缓冲并使装袋机振动减轻。
翻门缩口装置将送过来的料袋通过夹袋手爪夹住袋子的两上边，通过缩口动作收缩袋口（此动作与开袋动作同时进行）使翻门插入袋口，并在检测系统检测到料袋位置正确后向电子称重机和过渡料斗发出卸料请求指令，投下物料，完成装袋。
每次装填完物料后翻门关闭，夹袋手爪将袋口绷紧，松开，放到输送机上，再由取袋夹送装置在取袋的同时夹送到夹口整形机内。
转位输送机:
将送来的料袋进行变换方位的设备。
该机实现料袋水平面内回转+90度,-90度，180度三种角度,料袋所需回转的角度是以保证料袋口向内为准,保证垛形整齐、美观。
当料袋到达转位转板下方时,光电开关给出信号,输送机电机制动,继电器输出,气缸动作,推动夹板夹住,转位电机根据编组工序需要,通过同步带传动将料袋旋转至所需角度。
此时夹板打开,输送电机启动,送到下一工位。
编组机是是将转位输送机送来的料袋按码垛要求实现2-3编组和3-2编组，即垛型每层为二袋竖、三袋横或三袋横、二袋竖并交替进行。
当位于输送带入口处的光电开关检测到一个料袋到来时，立即启动减速电机将料袋向前拖动到预定距离，而后停止运转。
在下一个料袋到来时，光电开关又重新启动电机重复上述动作。
当完成二袋竖放或三袋横放时，推袋装置便把这组料袋推到缓停板上暂存。
如果计数达到一层（二袋竖加三袋横或三袋横加二袋竖）时，推袋装置就将二部分料袋一起推到码垛区。
由于缓停板的设置减少一次来回推袋的时间，从而提高了码垛效率。
推袋压袋、分层、升降机,推袋机将编号的料袋推至缓冲区,并在分层码垛时整形压平,推到分层机,分层机将料袋投放到升降机上的托盘,完成一层料袋的码垛。
当编组机完成一组时,接近开关给出信号,推袋压袋机的减速电机动作,带动推袋小车将料袋组用挡板推至缓冲区,然后推动小车的挡板在气缸的作用下抬起,同时电机反向返回,这一系列动作由一组接近开关状态决定。
当缓冲区一层满信号到位,分层机左右挡板打开,压袋气缸动作,将料袋组放至升降机托盘上,分层机关,推板复位,推袋小车归位,减速电机制动,完成一个循环。
升降机在码垛达到8层后,将托盘送至托盘输送机,托盘仓的启用托盘电机启动,将托盘送到升降机,到位后升降机带着托盘升到位,等待料袋组码垛。
整个过程也是通过判断接近开关和光电开关的状态完成的。
托盘仓:
是存储一定量的托盘,并自动完成托盘输送过程的部分。
通过托盘仓内的光电开关判断托盘的数量,当升降机将托盘送到下一工位,托盘仓下方的气缸动作将托盘仓内的最下端的托盘顶起,同时驱动电机,将下端的托盘送出,气缸恢复,托盘在通过光栅光电开关后,电机制动,作为下一循环的启用托盘。
包装码垛生产线各部分功能的执行机构为气缸、电磁阀、气电转换器、气源处理装置、真空系统等组成的气体系统。
气动系统是生产线的基本组成部分之一，它的性能、寿命及稳定性直接决定着生产线的工作性能和质量。
气源处理装置：
该装置由排水过滤器、减压阀、油雾器组成。
排水过滤器将压缩空气中的脏物和水分滤出，由减压阀把空气压力降到预定压力，然后攻击电磁阀和气缸。
油雾器中的润滑油由压缩空气顺空气流动方向带到需润滑的电磁阀和气缸。
减压阀带有压力表，调整空气压力可由压力表直接读出。
气路的基本回路：
气路系统由基本回路构成，基本回路有电磁阀、气缸、管路、调速器、消音器组成。
电磁阀控制气体通断及执行机构换向。
气缸是执行机构的基本元件，承担负载、输出力及转矩。
调速器用来调节气缸的运动速度，以满足负载的不同速度要求。
消音器用来排除排气噪声，保护环境。
横进装置（开袋、压紧固定）：
横进装置是包装机的重要组成部分，它的主要作用是在取袋装置取来袋子后，从两侧家住袋口，在用真空把持住袋子的同时，向投料口移动，该装置在往返行程上装有一个气垫装置。
该气缸在返回（或向前）运动时，以高速移动，在接近行程终点附近某一点关闭阀门，使压缩空气只能进过另一个狭窄的通道而限速，气缸移动速度便慢下来，然后停住，其运动速度均由调速器调节，只要不产生振动即可。
然后两阀门的开关控制配置在横进装置上的霍尔开关控制。
装袋、夹袋、开袋口的气路系统及检测:
该气路系统为基本气动回路。
横进装置上设置的开袋口吸盘，夹住袋子送到料斗下面，夹袋机构夹住袋口两侧后，向内侧缩口的同时，开袋口机构张开，打开袋口。
开口吸袋器在行进时，启动真空装置，并通过真空检测器检测真空度。
若真空度未达到设定值，则弃袋；
若达到设定值，则发出投料信号。
这时，伸缩料门伸入袋口中卸料。
弃袋有两种情况：
一是真空未达到设定值；
而是伸缩料门击偏或击倒了袋子。
夹袋机构夹住袋口的同时，夹紧探测器便发出一个对袋子的探测信号，夹紧之后检测到袋子正常时，便发出投料信号。
只有真空检测及夹紧检测全部正常才能投料，缺一不可。
弃袋或夹紧检测未探测到袋子，要把各个功能部件返回到原来位置。
装袋时，开口吸袋器不再吸着袋子，返回初始位置。
码垛机的气路系统:
码垛机气路系统中重要部分为托盘仓的气缸升降系统。
气缸下降、中停由换向阀通断实现，该系统为进气节流调速系统，其它装置的气路系统:
除了以上装置的气路系统，其它装置均为基本回路。
如电子称重机、吸袋、取袋等。
真空系统:
真空系统由真空泵、真空电子阀、真空检测器、真空管路等组成。
它是包装机的主要部分之一，其主要功能是吸袋及开袋等。
真空泵是真空系统的心脏，提供真空能源，真空电磁阀承担真空线路的通断，真空检测器承担检测真空的压力，并发出卸料信号。
传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数而定。
传感器量程的选择可依据秤的最大量程值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。
根据经验，一般应使传感器工作在其30%~70%量程内，但有较大冲击力的衡器，在选用传感器时，一般要使传感器工作在其量程的20%~30%之内，才能保证传感器的使用安全和寿命。
称重传感器：
一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的位置它的性能在很大程度上决定了电子衡器的精度的稳定性，因此被喻为衡器的心脏。
传感器的稳定性有定量的指标，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，更能经受长时间的考验。
光电式传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
它可用于检测直接引起光亮变化的非电量，如光强、光照度等。
也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得了广泛的应用。
3包装码垛生产线控制系统硬件设计
在包装过程中，自动完成称重、供袋、取袋、
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