基于PLC的糖果包装机的控制系统设计文档格式.docx
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2.2.3系统运行方式7
2.3糖果包装机控制系统主要器件的选择8
2.3.1PLC控制器的选择8
2.3.2变频器选择9
2.3.3步进电机及其驱动器选择10
2.3.4传感器选择12
3糖果包装机各功能模块设计13
3.1供电模块设计13
3.2执行主电机模块设计14
3.3包装纸同步控制模块设计16
4糖果包装机主要控制系统的PLC程序设计18
4.1糖果包装机的控制系统设计简述17
4.2糖果包装机的功能流程18
4.3主电机的PLC控制指令语句21
4.4系统仿真21
结论24
致谢25
参考文献26
附录27
1绪论
近年来，随着科学技术发展，现代化的生产日益趋向商品化、社会化和国际化。
其产品已不单纯是本国的消费，而是要发展出口创汇，逐步形成外向型的经济。
所以产品包装以不可能依靠手工操作，因手工包装不仅在速度、指令、卫生条件和花色品种等方面都无法和机械化包装相比拟，现代化的包装机械已超越简单地模仿人的动作，有许多功能是手工操作根本不能实现的。
机械包装的生产能力往往比手工包装提高几倍，十几倍甚至几十倍，无疑这将会更好地适应市场的实际需要，合理安排劳动力，为社会多创造财富。
国内糖果技术专家在引进合作，自主独创方面取得了可喜可贺的成绩，在糖果设备方面先后推出充气奶糖生产线，胶体软糖自动线，超薄膜真空瞬时熬煮机组，棉花糖生产线等：
包装机械有单扭结包装机，折叠式包装机，高速枕式包装机等。
巧克力设备方面有多功能花色巧克力浇注线，巧克力复合制品自动线，巧克力挤出成型线，巧克力快速精磨机等。
多功能是新设备开发的一个重要趋势，因为糖果品种花样多，更新快，生产厂家对设备的要求是多功能，适应性强。
此外，现在新推出的设备大都采用伺服电机，光电跟踪等新技术，使其自动控制能力大大提高。
比如一种巧克力复合制品自动线，全线由近20台机组构成，由于不同品种工艺要求的差异，不但有个机组本身调整的问题，更有运转过程中各机组之间的速度协调问题，该机组采用一台总变频器来控制各机组的调速变频器。
PLC控制系统已经扩展到了很多工业领域，基于PLC总线的工艺控制计算机。
基于PLC糖果包装机的控制系统，要求制造业对市场需求做出迅速的反应能生产小批量，多品种，多规格的各种糖果包装，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，此类PLC控制系统专为在工业环境下应用而设计的，PLC的应用面广，功能强大，使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。
巧克力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。
PLC控制，袋长即设即切，无需调节空走，一步到位，省时省膜。
参数设定方便快捷，故障自诊断功能，故障显示一目了然，能将检测出来的信息通域记忆构件或记忆演算，指令远距离执行机构所规定的动作，如自动剔除不合格品，无料不送袋，断瓶不充填，缺盒不上标等等。
高感度光电眼色标跟踪，数字化输入封切位置，使封切位置更加准确。
温度独立PID控制，更好适合各种包装材质。
定位停机功能不粘刀，不浪费包膜。
设备消耗的功率小，糖果包装机的包装对象（糖块）的质量小（一般不超过20g），机器的功率主要用于克服摩擦力，所以消耗的功率就小。
卫生要求高，糖果包装机必须保证糖果的卫生质量。
直接和糖块接触的构件应符合食品卫生要求，且能迅速地分解和组合，形状简单，便于洗涤。
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。
其总体外观图如图1-1所示。
图1-1糖果包装机外观图
生产送糖部分直接与糖果生产线相连，通过传送带将糖果送至托盘上，再通过送糖盘将巧克力糖送到钳糖机械手上，包装完成后由传送带将成品输出。
糖送到托盘上以后，接糖杆向下运动，顶糖杆向上运动是糖块和包装自夹在两者之间，然后同步上升，进入机械手，使包装纸成形，经过折边器折一边，由转盘带着机械手旋转，经过托板，是包装纸全部覆盖带糖块的端面上，完成全部包装。
所有控制由软件实现，方便功能调整和技术升级，永不落后。
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。
1-2糖果包装机卷纸图
糖果包装机的自动化程度高，一般都是自动包装机，其结构复杂，自动化程度高，它可以是送纸，切纸，抄纸，理糖，包裹及打糖过程自动完善。
易于调节糖块的形状，大小，及包装纸的性能，为使糖果包装机能可靠地工作，糖果包装机都有调节系统和一定范围内的无级变速装置。
可以根据需求，对糖果包装的速度进行无极变速，本机还可以自由更换糖果种类（但必须为颗粒状的，其尺寸必须在长95-420mm，宽10-360mm，高5-70mm范围内）。
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；
缺纸或断纸时，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。
如图1-3所示。
1-3包装纸卷纸机构图
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。
巧克力糖果包装机工作时很多动作是间歇性的，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。
而且糖果包装后外形美观，包装纸无明显损伤，撕裂，皱褶，机械结构简单，操作方便，安全，维修容易，造价低。
在包装机开始工作前，通过安装在下料筒后侧的一个传感器控制左、右压紧气缸动作，使左、右同步带压在下料筒两侧的平面上。
推动裸糖进入包装主箱体，同时另一端的送纸机构开始工作，将准备好的包装纸通过传送带送入包装主箱体，主箱体在得到传感器和PLC的信号后开始工作，将裸糖包裹，并喷胶进行粘合，最后通过成品传送带将已经包装好的糖果送入成品糖库。
2糖果系统分析及控制系统总体设计
2.1巧克力糖果包装机生产工艺概述
巧克力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糖果包装机工艺过程图
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
2.2.1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。
2.2.2控制系统方式选择
当前控制系统领域较为成熟的控制技术主要有两种，分别是DCS控制系统和PLC控制系统。
PLC控制系统和DCS控制系统相比，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。
PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。
因此在糖果包装机的控制系统方式的选择上，采用PLC控制系统。
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集中控制系统模型图
2.2.3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Y2-IP54系列三相异步电机。
该Y2系列异步电动机具有效率高、起动转矩大等特点。
电动机比Y系列提高了外壳防护等级为IP54；
提高了绝缘等级为F级绝缘，温升作B级考核，降低了电动机的噪声，用负载噪声考核（原Y系列（IP44）电动机用空载噪声考核）。
电动机的结构设计合理，外形美观。
Y2系列三相异步电动机的冷却方式为IC411，安装尺寸及功率等级完全符合IEC标准和德国的DIN42673标准，与Y系列（IP44）电动机相同。
使用条件：
环境空气温度不超过40℃；
海拔不超过1000m；
工作方式为连续运行A1工作制；
额定电压为380V；
额定频率为50Hz；
3kW以下为Υ联结，4kW及以上为△联结。
电机的参数如表2-1所示。
表2-1 Y2IP54三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
Y2IP54
2.2
1430
5.16
80
0.81
7.0
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。
2.3.1PLC控制器的选择
合理选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用有着重要作用。
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。
2.3.2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。
有两款变频器适用与糖果包装机的要求，分别为台达VFD-A型和台达VFD-V型，我选择了容量为2.2KW台达VFD-V型变频器。
因为台达VFD－V系列是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]。
如图2-3所示。
图2-3台达VFD-V型变频器（左）和台达VFD-A型变频器（右）
系统中的VFD-V型变频器的使用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。
2.3.3步进电机及其驱动器选择
步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机，步进电机的最大特点是其“数字性”，对于控制器发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度，具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单，成本低（相对于伺服）、电机和驱动器不易损坏等特点，非常适合于微电脑和PLC控制。
步进电机有步距角、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）
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。
它的特点是高性价比，高速力矩大，相应快，光隔离拆分信号输入，静止时自动低功耗运行，锁机电流可调等特点。
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2-3所示。
表2-3 2H1080步进电机驱动器规格参数
供电电压
交流60V～100V
输出相电流
4.5A～8.5A
控制信号输入电流
6～20mA
冷却方式
内置强制风冷
使用环境要求
避免有大量金属粉尘、油雾或腐蚀性气体
使用环境温度
10℃～+45℃
使用环境湿度
<
85%非冷凝
重量
1.65Kg
图2-4H1080驱动器典型接线图
2.3.4传感器选择
传感器分为NPN和PNP型。
NPN是指当有触发信号时，信号输出线动作于L+这条高电平的电源线。
对于NO型，在没有触发信号时，输出线是悬空的；
有触发时则发出与L+电源线相同的电平。
对于NC型，在没有触发信号时，信号输出线与L+电源线是连通的；
当有触发信号后，输出线就悬空了。
对于PNP型传感器来说，信号输出线是作用于L-这条低电平的电源线的，
系统中PLCs/s端接+24V，故选择NPN型传感器。
糖果包装机中，共需要3个传感器：
一个色标传感器、一个光电开关、一个行程开关。
光电开关传感器位于糖果包装机的入口处，当有糖果到来时，发出信号，并传送给PLC，PLC控制位于传感器附近的推糖电磁阀吸合，推糖机构向下运动，将糖果推入糖果托盘。
当糖果进入糖果托盘三个周期后，PLC发出指令，吸合控制糖果包装纸运动的送纸电磁阀，开始送包装纸进行糖果包装。
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