电池包装送料装置总体方案及控制系统设计设计Word下载.docx
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利用三菱公司的编程软件GXDeveloper软件进行程序的编写和仿真。
本设计的主要任务就是完成PLC控制系统的设计和控制电路的设计。
关键词：
可编程控制器,电池包装机，仿真
Abstract
Programmablelogiccontroller（PLC）asthecoredeviceofthecontrolsystem,powerful,stableandreliableperformance.Itiswidelyusedinmodernindustrialautomationproduction.Toobtaintheidealcontroleffect.
Inthispaper,thehigh-speedautomaticbatterypackagingmachinecontrolsystemasthebackground,combiningtheorywithpractice,elaboratedPLCtechnology,applicationofphotoelectricpositionsensortechnologyandadvancedcontroltechniqueinthepackingmachinecontrolsystem.Themaincontentsareasfollows:
anoverviewofthestatusofprogrammablecontrollerPLCanditspossibilitiesandprospectsofapplicationinpackagingmachinery;
throughtheproductionprocessofbatterypackagingmachineunderstanding,statisticsofitsinputandoutputI\/O,andthenPLCselection,simulationdesignprogram;
batterypackisatypicalsequentialcontrol,thereforeweusethestepcontrolcommandtorealizethepackagingprocesscontrolprogram;
programusingthesoftwareprogrammingsoftwareGXDeveloperoftheMitsubishiCo'
sprogrammingandsimulation.
DesignthedesignofthemaintasksistocompletethedesignofPLCcontrolsystemandcontrolcircuit.
Keywords:
programmablecontroller,batterypackagingmachine,simulation
第一章绪论
1.1全自动包装机PLC控制的目的及意义
电池是人们生活中的必须品，随着人们对电器用量的增加，对电池的需求也越来越大，且对电池的安全性，方便性要求也越来越高。
为使包装出的物品整齐、美观并具有良好的包装质量，研制高速、高效、高质、经济的新型包装机是市场的迫切需求。
目前，该类包装机多半为进口产品，价格昂贵。
为此，我选择了PLC在高速电池包装机上的应用。
1.2包装机控制系统的现状与分析
包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。
在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。
从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是PLC的内部寄存器，在PLC编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。
一般的PLC都有上百点内部辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对PLC进行编程。
事实上PLC用于这种场合是最能显现出其经济性。
从上述意义上来讲，PLC最适合于需要大量中间继电器的场合。
且PLC与其他工业控制系统比较具有许多优点：
（1）更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动；
（2）程序可以复制，批量生产很容易；
（3）电气硬件设计大大简化；
（4）由于PLC除有继电器功能外，尚有多种其它功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化；
（5）可靠性高；
（6）成本相对于继电控制而言稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，成本急骤上升，而PLC控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性；
（7）具有扩展单元或扩展模块，当需要较多I/0时可以方便地扩展。
因此，国外在注塑机、各种包装机上已经大量地采用了PLC来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。
我国包装机械目前控制部件大多还沿用继电器方式。
如果能用PLC来取代的话，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化。
更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现，使机器在某种程度上实现智能化。
通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用PLC控制系统。
1.3本文的设计任务
（1）对可编程控制系统的现状与发展趋势作一简单的介绍，明确背景知识与选型根据；
分析PLC在包装机械上应用的可能性与前景。
（2）电池包装机各动作控制工艺的研究。
了解电池包装机的工作过程及工艺要求。
总结各机构的动作顺序，将其用流程图的形式表示出来，为实现全自动运动控制做准备。
（3）可编程控制器部分的设计，包括控制方案的选取与设计、I/0接口信号的确定、模块的选择，包装过程控制程序的设计。
（4）控制程序的在线仿真。
第二章控制方案要求
2.1该系统能够实现的功能
1）.能够实现全自动连续工作
2）.能够实现点动操作
3）.必须高速运行
2.2电池包装送料装置的工作过程
电池包装送料装置的工作示意图如图2.1所示：
图2.1示意图
电池由进料装置将两节电池送到推杆1前，电动机1转动控制推杆1向前推进，将电池推到推杆2前。
在推杆1向前推进电池的同时胶辊电机转动带动胶辊将放在托架上的包装袋输送到吸盘处，然后电磁阀控制吸盘将膜上层吸起。
当膜的上层被吸起后，此时的电池已经进入二号通道，二号通道的电动推杆2将横放的电池推入到由吸盘吸起的包装袋内，到位后上吸盘和切断刀连接的推杆向下运动时带着切刀将包装袋切断，切断后推杆2退回，刀片气缸退回，吸盘停止工作。
当推杆2和刀片气缸全部退到位后，第三通道的推杆3将纵向的含在包装袋里的电池推入到四号通道，推杆3推到位后，第四号通道的推杆4将电池推送到传送带。
推杆4推到位后，推杆3和推杆4同时退回。
推杆3和推杆4全部退到位后，传送带由步进电动机控制，传送带上有等间距的小格，每一小格能容纳两节五号电池，每次工作时格子底部与电池底部在同一水平面，电池经传送带送入高温箱，出来冷却即达到包装效果。
电池包装机主要功能是将来自料池的电池以每分钟100个的速率包装成合格的电池。
简单的工艺流程如图2.2所示：
图2.2包装工艺流程图
2.3控制方案论证与选择
2.3.1PLC与其它控制装置的比较
可编程控制器与继电器控制的区别
在可编程控制器的编程语言中，梯形图是最为广泛使用的语言。
通过可编程控制器的指令系统将梯形图变成可编程控制器能接收的程序。
由编程器将程序键入到可编程控制器的用户存储区中去。
可编程控制器的梯形图与继电器控制线路图十分相似，主要原因是可编程控制器梯形图的发明大致上沿用了继电器控制的电路元件符号，仅个别地方有些不同。
同时，信号的输入/输出形式及控制功能也是相同的，但可编程控制器的控制与继电器的控制还是有不同之处，主要表现在以下几个方面：
1.可靠性高，抗干扰能力强
这是PLC用户关心的首要问题。
为了满足PLC专在工业环境下应用的要求，PLC采用了如下硬件和软件措施：
（1）光电耦合隔离和R-C滤波器，有效的防止了各类电磁干扰信号的进入。
（2）采用内部电磁屏蔽，防止辐射干扰。
（3）采用优良的开关电源，防止电源线引入的干扰。
（4）具有良好的自诊断功能。
可以对CPU等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。
（5）程序及有关数据用电池供电进行备份，一旦电源断电或运行停止，有关状态及信息不会丢失。
（6）采用了冗余技术进一步增强可编程序控制器的可靠性。
对于某些大型的PLC，采用双CPU构成冗余系统，或三CPU构成表决式系统。
（7）对采用的器件都进行严格的筛选和老化处理，排除了因器件可靠问题而造成的故障。
随着构成PLC的元器件自身性能的提高，PLC整体的可靠性也在相应提高。
一般PLC的平均无故障时间可达到几万小时以上。
某些PLC的生产厂家甚至宣布，今后生产的可编程序控制器不再标明可靠性这一指标，因为对可编程序控制器这一指标已毫无意义了。
经过大量实践，人们发现PLC系统在使用中发生的故障，大多是由于PLC的外部开关、传感器、执行机构引起的，而不是PLC自身的问题产生的。
2.通用性强，使用方便
现在的PLC产品都已系列化了，PLC配备有各种各样，种类齐全的I/O模块和配套部件用户选用，可以很方便地搭建成可满足不同控制要求的控制系统,用户不再需要自己设计和制作相应的硬件装置。
在确定了PLC的硬件配置和I/O外部接线后，用户所做的工作只是程序设计而已。
3．程序设计简单，易学易懂
PLC是一种工业自动化控制装置，其主要的使用对象是广大电气技术人员。
PLC生产厂家大都根据这种实际情况，一般不采用微机所用的编程语言，而采用与继电器控制原理图非常相似的梯形图语言，工程技术人员学习和使用这种语言十分方便。
4．采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便
PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O通道等均采用模块化设计，由机架和电缆将各模块连接起来。
系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行组合，这样便可满足用户要求的合理的性能价格比。
5．系统设计周期短
由于系统硬件的设计任务仅是依据对象的要求配置适当的模块，如同吃饭从菜单中点菜一样方便，这就大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工程设计的进度。
6．安装简便、调试方便、维护工作量小
可编程序控制器一般不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端子相连，系统便可以投入运行，安装接线工作量比继电器控制系统小得多。
PLC软件的设计和调试大都可以在实验室里进行，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可以观察PLC上的相应发光二极管显示，也可以另接输出模拟实验板。
模拟调试完成后，再将本身故障率很低，又有完善的自诊断能力和显示功能，一旦发生故障可以根据PLC上发光二极管或编程器提供的信息，迅速查明原因或直接找到发生故障的外围设备。
如果是PLC本身故障，则可用更换模块的方法迅速排除故障。
这样既提高了维护的工作效率，使故障造成的对工业生产的影响降低到最低程度，也保证了生产的正常进行。
PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业方面得到了广泛应用。
近年来，随着微处理器芯片及其有关元器件的价格大幅度下降，使得PLC成本也随之下降。
与此同时，PLC的性能却在不断完善，功能也在增多增强，应用领域也在逐渐拓宽，使PLC的应用已由早期的开关逻辑到现在工业控制的各个领域。
根据PLC的特点，可以将应用形式归纳为如下几种类型：
1.开关逻辑控制
这是PLC的最基本最广泛的应用领域。
PLC具有较强的逻辑运算能力，可以实现各种开关量从简单到复杂的逻辑控制。
2.模拟量控制
在现代工业生产过程中，除必不可少的开关量和数字量外，还有许多连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、液位等都是模拟量。
而PLC所处理的量为数字量，为了能接受模拟量输入和输出模拟量信号，PLC配置有A/D和D/A转换模块，现将现场的温度、压力等模拟量经过A/D模块转换为数字量，送入微处理器进行处理，微处理器处理过的数字量，又经D/A模块转换为模拟量后，去控制被控对象，这样就可实现PLC对模拟量的控制。
3.顺序控制
在工业控制中，用PLC实现顺序控制，可以用移位寄存器和步进指令编写程序。
也可采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言——顺序功能图SFC编写程序，使得PLC在实现按照事件或输入状态的顺序，控制相应输出更加容易。
4.定时控制
PLC具有定时控制的功能，它可以为用户提供几十甚至上百个计时器，其计时的时间可由用户根据控制时间要在编写用户程序时设定，定时时间可以从0.1秒至若干小时，时间长短可任意设定，也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行修改或重新设定，实现定时或延时的控制，通过编程既可以实现通电延时功能，也可以实现断电延时的功能。
5.计数控制
计数控制也是控制系统不可缺少的，PLC也同样为用户提供了几十甚至上有个计数器，实现对某些信号的计数功能。
其设定方式如同定时器一样，可实现增计数控制，也可实现减计数控制，若用户需要对频率较高的信号进行跟踪计数，可选用高速计数模块。
6．闭环过程控制
运用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制，而且还可以进行闭环控制。
现代大中型的PLC及部分小型的PLC配备有专门的PID控制模块，当控制过程中某一个变量出现偏差时，PLC就按照PID算法计算出正确的输出去控制被控制量，把被控制量保持在整定值上。
PLC的PID控制已广泛地应用在洗煤、酿酒、反应堆、锅炉以及位置和速度等控制中。
7．数据处理
现代PLC都具有数据处理的能力。
它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示和打印以及数据通信等.对于大中型PLC还可进行浮点运算、函数运算等。
8．通信和联网
PLC的控制已从早期的单机控制发展到了多机控制，实现了工业自动化。
现代的PLC一般都具有通信功能，应用远程I/O模块，可实现远程控制，应用通信模块，可实现PLC与PLC、PLC与计算机之间的通信。
也可以构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。
因此，PLC是实现工业生产自动化的理想工业控制装置。
本系统选用日本三菱公司生产的FX2N-32MTPLC，属于整体式PLC。
整体式PLC提供多种不同的I/O点数的基本单元和扩展单元供用户选用，基本有CPU模块，I/O模块和电源，扩展单元内有I/O模块和电源。
一般配有许多专用的特殊功能单元，如模拟量I/O单元、位置控制单元、和通信单元等使PLC的功能得到扩展。
主要的控制功能有如下几项：
主令操作控制和保护监视控制。
FX2N系列是FX系列PLC家族中最普通的系列，其功能最强、速度最快、成本较低。
由于FX2N系列具备如下特点：
最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
为大量实际应用而开发的特殊功能开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要－－模拟I/O。
定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。
对每一个FX2N主单元可配置总计达8个特殊功能模块。
网络和数据通信连接到世界上最流行的开放式网络CC-Link，ProfibusDp和DeviceNet或者采用传感器层次的网络解决您的通信需要。
其它功能内置式24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。
快速断开端子块因为采用了优良的可维护性快速断开端子块，即使接着电缆也可以更换单元。
时钟功能和小时表功能在所有的FX2NPLC中都有实时时钟标准。
时间设置和比较指令易于操作。
小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。
持续扫描功能为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。
输入滤波器调节功能可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元中x000到x017）。
注解记录功能元件注解可以记录在程序寄存器中。
在线程序编辑在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。
RUN/STOP开关面板上运行/停止开关易于操作。
远程维护远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据密码保护使用一个八位数字密码保护您的程序。
2.3.2系统方案的确立
在此综合各种方面因素选择PLC作为电池包装送料装置控制系统的核心,如2.3.1小节所分析的,PLC具有其他任何一种控制器所不具备的优点,更符合设计要求。
2.5本章小结
本章主要介绍了电池包装送料装置控制系统的功能要求、控制器的选择和控制方案的论证选择。
第三章电池包装送料装置控制系统的硬件设计
3.1PLC控制系统结构组成
本设计的电池包装送料装置控制系统硬件主要由PLC、普通电机、步进电机、传感器、数字量开关、输入扩展模块，电源模块，固态继电器等组成。
3.2PLC和I/O扩展模块的选型
选择能满足本电池包装送料装置控制要求的适当型号的PLC是应用设计中至关重要的一步，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要作用。
PLC的选择包括机型，容量，I/O模块的选择等几个方面。
本系统选取的是三菱公司生产的小型整体式可编程控制器FX2N-32MT-001系列，输入端子选择16点,输出端子选择16点，输出点满足控制要求，输入无法满足，因此还需要外加一个外部输入模块FX-16EX，它的性能价格比很高，在小规模控制中获得广泛应用。
三菱FX2N-32MT-001的CPU单元规格是:
输入16点,输出16点,输入、输出为晶体管型形式,电源AC220V。
FX2N-32MT-001PLC的价格为：
2000元，FX2N-16EX价格为：
400元。
3.3PLC控制的优点
①高可靠性；
（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的器件进行严格的筛选。
（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
②丰富的I/O接口模块；
PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流；
开关量或模拟量；
电压或电流；
脉冲或电位；
强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮；
行程开关；
接近开关；
传感器及变送器；
电磁线圈；
控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;
为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
③采用模块化结构；
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化PLC，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
④编程简单易学；
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
⑤安装简单，维修方便；
工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
3.4其他元器件的选择
3.4.1固态继电器的选择
固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。
固态继电器专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。
固态继电器目前已广泛应用于计算机外围接口设备、恒温系统、调温、电炉加温控制、电机控制、数控机械，遥控系统、工业自动化装置；
信号灯、调光、闪烁器、照明舞台灯光控制系统；
仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机；
自动消防，保安系统，以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等等，另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。
通常异步电动机起动电流为额定值的5—7倍，直流电机起动电流还要大。
不但如此，感性负载还具有较高的反电势。
这是一个不定值，随L和di/dt的不同而不同。
通常为电源电压的1—2倍，这样和电源电压叠加。
有高达三倍的电源电压。
这里采用都是直流微型电机，每个电机的功率只有几百瓦。
这里我们选用欧姆龙固态继电器：
G3R-202SLN，输入电压24VDC，输出5-48VDC，电流10A，价格80元每个。
3.4.2断路器的选择
断路器是为了保证系统短路引发的危险，通常短路器为系统总电流的1.2-1.5倍。
3.4.3传感器的选型
传感器是推杆的位置检测元件，将位移转换为电脉冲，用于在线测量活塞位移，以便送到控制器中进行处理。
根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。
物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
我们此次的选择的主要是物理传感器中的开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号，用于判断位置信号的有无。
根据以上我们选择光电开关来作为传感器。
型号为：
TL-Q5MCI-Z，数量为10个，价格为36元每个。
3.4PLCI/0的分配
分配输入/输出点信号、输出点与输出控制是一一对应的。
分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出
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