总参考基于PLC的糖果包装机的控制系统设计.docx
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总参考基于PLC的糖果包装机的控制系统设计
目 录
1绪论1
2糖果包装机系统分析及控制系统总体设计3
2.1Y06型糖果包装机生产工艺概述3
2.2糖果包装机控制要求3
2.2.1PLC控制系统方式选择3
2.2.2系统运行方式4
2.3糖果包装机控制系统主要器件的选择4
2.3.1包装机控制对象分析5
2.3.2PLC控制器的选择6
2.3.3变频器选择6
2.3.4步进电机及其驱动器选择6
2.3.5传感器选择9
3糖果包装机各功能模块设计10
3.1供电模块设计10
3.2执行主电机模块设计11
3.3包装纸同步控制模块设计12
4糖果包装机主要控制系统的PLC程序设计15
4.1糖果包专机的控制系统设计简述15
4.2主电机的PLC控制指令语句表17
4.3糖果包装机包装机的PLC控制I/O分配表18
结论20
致谢21
参考文献22
附录23
附录A23
1、绪论
食品行业是满足人民“衣食住行”需求的基础性行业，在国民经济中处于重要地位，具有不可替代性，尤其是目前我国居民收入日益提高、生活质量不断改善，对食品的需求也日趋多样化，全国食品工业面临良好发展契机，食品工业规模快速增长，经济效益也大幅提升，产业结构和增长方式进一步优化。
去年食品工业增加值占全国工业经济比重达到十分之一强，并且呈逐年上升趋势。
食品行业的快速发展必定会带动食品包装业的发展，所以对食品包装机的改造创新是非常必要的。
图1-1Y06型糖果包装机系统外观图
Y06型糖果包装机是一款高速糖果包装机械，可用于包装各类块状糖果。
整个设备可以分为三大部分：
生产线送糖部分，糖果包装部分，包装纸部分。
其总体系统外观图如图1-1所示。
生产送糖部分部分直接与糖果生产线相连，通过传送带将糖果送至糖果包装部分入口处。
该部分仅可通过一颗糖果，糖果经过此通道过后形成队列，依次从包装入口进入如图1-2所示
图1-2糖果包装纸送纸部分机械图
图1-3包装纸卷纸机构
包装纸送纸部分由齿轮机构驱动，拖动包装纸向前运动。
包装纸安装于包装纸托盘上，正常送纸时，绷紧的包装纸压迫包装纸刹车，使其在摩擦力的作用下向前运动；缺纸或继纸时，绷力消失，包装纸刹车回到原位置，系统报警。
包装纸的位置由色标传感器进行定位，当位置出现偏差时，由控制系统发出指令驱动步进电机进行拖拉包装纸运动，从而实现包装纸的准确定位。
糖果包装部分是周期性的重复动作。
整个包糖过程包括如下几个步骤：
推糖→送纸→包装→喷胶→传送粘合→成品。
Y06型糖果包装机采用通过三相异步电机带动齿轮机构提供动力，利用凸轮机构与连杆机构等机械结构配合进行包装、进排糖、送包装纸等动作，有效的保证了控制的速度与精度，使系统紧凑、可靠。
2、糖果包装机系统分析及控制系统总体设计
2.1Y06型糖果包装机生产工艺概述
糖果包装机主要通过一台2.2KW的三相异步电机带动各机械部分完成包糖的各种动作。
糖果包装工艺流程如图2-1所示。
图2-1糖果包装机工艺流程图
裸糖经流水线到达糖果包装机，当位于糖果包装机入口处的光电传感器检测到有裸糖到来时，控制推糖机构的电磁阀得电，吸合、下拉推糖机构，与此同时推糖机构动作将糖果送入旋转的糖果托盘中。
当糖果进入托盘三个周期后，控制包装纸转动的电磁阀闭合，开始送包装纸。
利用色标传感器控制、调整包装纸的位置，当纸位置合适时，包装纸被截断，在包糖机构的作用下，按预先设定的步骤，包裹糖果。
若纸位置不合适，PLC将发出脉冲信号驱动步进电机对包装纸进行前后拖动，对包装纸位置进行调整。
包裹完毕，进行喷胶，粘合之后，糖果经传送带送糖机构送至成品糖库。
在传送过程中，由于传送带的楔形挤压作用，糖纸粘合完成，同时也对其进行了更好的整形。
2.2糖果包装机控制要求
2.2.1PLC控制系统方式选择
控制系统和远程I/O控制系统。
由于糖果包装机的控制对象相对集中，主要有变频器控利用PLC可以构成多种控制系统：
单机控制系统，集中控制系统，分散型控制、包装纸位置调整、步进电机驱动控制等，因此选择集中控制系统。
集中控制系统模型如图所示。
各被控对象直接与PLC的I/O口相连接，进行通信、控制。
为提高系统抗干扰能力，在硬件方面，交流电源增加滤波装置，输入信号进行光电隔离，并远离强电布线。
信号采用屏蔽线传输，采用放射性一点接地等措施，消除、减弱共模和瞬变干扰。
图2-2集中控制系统模型
2.2.2系统运行方式
糖果包装机的运行，采用自动运行和手动运行方式。
与运行方式对应的是停止运行方式。
糖果包装机的停止运行方式包括正常停运、暂时停运、紧急停运三种。
包装机控制要求：
手动运行：
可以用按钮对包装机的各个部分进行单独控制，便于调机，主要用于故障的检修与恢复。
自动运行:
按下启动按钮，系统即开始连续、协调、周期性地完成各包装动作，直到系统接收到停止运行信号。
2.3糖果包装机控制系统主要器件的选择
系统采用PLC进行集中控制，主要控制对象为一台2.2KW的三相异步电机，主电机的参数如表2-1所示。
表2-1 Y2-100L1-4三相异步电机主要技术参数
型号
额定功率
满载时
堵转电流
堵转转矩
最大转矩
KW
转速（r/min）
电流（A）
效率（%）
功率因数（cos）
额定电流Ist/IN
额定转矩Tst/TN
额定转矩TM/TN
Y2-100L1-4
2.2
1430
5.16
80
0.81
7.0
2.3
2.3
主要的控制器件包括：
PLC、变压器、变频器、步进电机及其控制器、光电编码盘等。
2.3.1包装机控制对象分析
包装机的主要传感器以开关量提供给PLC，作为决策的依据。
开关输入量有：
（1）启动/停止信号
（2）色标信号
（3）糖果生产线上行程开关
（4）包装后的糖果输送线上的行程开关
（5）自动/手动开关
（6）变频器复位开关
（7）喷胶开关
（8）急停按钮
（9）色标开关
（10）光电码盘
（11）速度调节
（12）压缩空气开关
输出量有：
（1）急停指示灯
（2）无纸断纸指示灯
（3）色标补差信号灯
（4）产品过大信号灯
（5）强行送纸指示灯
（6）色标状态指示楼上
（7）喷胶开启状态指示灯
（8）步进电机控制器
（9）急停控制信号
（10）电磁阀1、2
输出信号大多是一些开关输出信号，如主电机驱动、步进电机驱动等，这些信号经功率放大驱动对应的包装执行机构。
人机界面使用RS-232口进行通讯，变频器使用RS-485口进行通讯。
2.3.2PLC控制器的选择
根据分析，以及I/O点数确定并按20%-30%备用量原则，选择了台达DVP-64EH系统。
DVP-64EH是一款可扩充的高性能型主机，具有高速度，高性能的小型PLC，应用领域相当广泛。
主机具有16KStep程序存储器，最大512点数位扩充，200KH高速计数器，200KHz高速计数器、200KHz脉冲输出（提供伺服定位指令）。
其内建RS-232与RS-485两个通讯口，可自行扩充第三个通讯卡。
可连接八台类比、温度、定位、计数器等扩充模组。
支持PID、PLCEASYLINK（32站）、10,000档案暂存器、187应用指令。
支持数位、类比、通讯、存储卡与资料设定器等功能。
在本系统中，PLC的主要任务是接受外部开关信号（如按钮、行程开关、继电器等）的输入，判断当前的系统及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的任务。
2.3.3变频器选择
考虑到糖果控制系统对速度控制精度要求较高，负载为2.2KW的三相异步电机，属于轻载。
因此选择了容量为2.2KW台达VFD22M43B变频器。
台达VFD－M系列是系列高性能矢量控制交流马达驱动器。
该变频器采用矢量控制技术，从而提高了系统的控制精度和动态响应精度；输出频率在0.1~400Hz且可设定V/F曲线；自动转矩补偿及误差补偿；8段预设速度，7段可编程运转；超低噪音，载波可自1~15KHz调整；内建PID回授控制，简易定位功能；睡眠/唤醒功能和零速Holding功能；省能源，有自动稳压功能[18]。
系统中的VFD22M43B变频器的使用V/f开环控制，但通过光电编码器采集电机的实际转速值。
变频器通过RS-485口接收PLC的“控制字”命令和转速设定值，或向PLC发送“状态字”和转速实际值。
2.3.4步进电机及其驱动器选择
步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。
一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
（1）步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。
电机的步距角应等于或小于此角度。
目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。
（2）静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。
静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。
单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。
直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。
一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。
（3）电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）
综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：
图2-3步进电机选择步骤
步进电机在糖果包装机系统中用于糖果包装纸的精确定位，当糖果包装纸位置不合适时，色标传感器发出信号，PLC根据信号发出脉冲给步进电机驱动器对包装纸进行色标补偿，驱动步进电机前后拖动，不断调整包装纸的位置，保证糖果包装的质量。
糖果包装机步进电机保持转矩为12，系统中选用深圳步进电机公司两相步进电机110系列中的2S110Q-03999型步进电机，使用2H1080型步进电机驱动器对其进行驱动。
该型电动机的基本技术数据如表2-2所示。
表2-2 2S110Q-03999型步进电机基本技术参数
整步步距角（度）
静态相电流（A）
相电阻
（）
相电感
（mH）
保持转矩（）
阻尼扭矩（）
最大轴向负载（N）
最大径向负载（N）
1.8
5.5
0.7
9.8
11.7
9.7
60
220
2H1080型步进电机驱动器是两相双极整半步型步进电机驱动器。
其供电电压最大可达交流100V，提供电机更好的高速驱动性能；采用双极性恒流驱动方式，最大驱动电流可达每相8.5A，可驱动相电流小于8.5A的任何两相双极型混合式步进电机；对于电机的驱动输出相电流可通过DIP开关调整，以配合不同规格的电机；具有DIP开关可设定电机静态锁紧状态下的自动半流功能，可以大大降低电机的发热；采用专用驱动控制芯片，可通过DIP开关设定整步或半步的驱动控制方式，适合高速大力矩的应用需求；具有脱机功能，可以在必要时关闭给电机的输出电流；控制信号的输入电路采用光耦器件隔离，降低外部电气噪声干扰的影响。
2H1080型步进电机驱动器规格参数如表2-3所示。
其接线方法如图2-4所示
表2-3 2H1080步进电机驱动器规格参数
说明
最小值
典型值
最大值
单位
供电电压
60
90
100
V（AC）
输出相电流
4.5
8.5
A
控
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