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本科设计单独装订成册

2014届　分类号：

　　　　　　　　　　　　　　　　　单位代码：

10452

毕业论文（设计）

自动包装机的PLC控制系统的设计

姓名　袁野

　　　　　　学号　201008140145

　　　　　　　年级　2010

　　　　　　　专业　电气工程及其自动化

　　　　　　　系　（院）汽车学院

　　　　　　　指导教师　王红梅

2014年4月4日

摘要

可编程逻辑控制器即PLC。

PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，用于控制机械的生产过程。

可编程逻辑控制器，又称可编程控制器，有过多种定义。

可以看作是一种经过特殊设计的工业计算机，整个的设计原则就是简单与实用。

自动包装机，一般可分为半自动包装机和全自动包装机，自动包装机主要用于食品、医药、化工等行业和植物种子的物料自动包装。

物料可以是颗粒、片剂、液体、粉剂、膏体等形态。

自动包装机具有自动完成计量、充料、制袋、封合、切断、输送、打印生产批号、增加易切口、无料示警、搅拌等功能。

包装机的工作过程是一个典型的顺序控制,考虑到包装机运作复杂,传感器多,干扰大,而PLC具有可靠性高、控制功能强、编程方便等优点,选用可编程控制器作为其主控制器本论文以阐述了集PLC技术，变频器技术，光电感应技术，通信技术于一体的先进控制技术在该包装机控制系统中的应用。

论文主要内容如下:

1.概述了可编程控制器PLC的现状及其在包装机械上应用的可能性和前景。

2.通过对茶叶包装机生产工艺流程的了解，统计其输入输出I/O点，然后进行PLC选型，硬件组态的设计。

3.详细分析了包装纸放卷过程中的受力（尤其是张力）情况，利用自适应控制原理实现了送料过程中的张力控制。

4茶叶的包装是一个典型的顺序控制，因此我们利用一个移位寄存器，使工艺盘的每一个V形槽对应一个二进制位，通过移位寄存器的移动，实现了包装过程的程序控制。

关键词:

包装机。

PLC。

自适应控制。

同步控制。

Abstract（需要修改）

Thedoublehousingplanerisakindoflarge-scalemechanicalprocessingequipment,usedforprocessingthelarge-scaleworkpieceorgraspsseveralworkpiecesatthesametimeonthebasisofworkingbenchcreatingandparingprocessing,itisoneofthegroundworklathesinthemechanicalindustry.

Mainlypullingadoptsandregardsenlargeroftheelectricalmachineryasthedirectcurrentgeneratoroftheexcitationregulator-motorsystemofthisdoublehousingplaner,becausetheworkingbenchworksinapply-brake-reversereciprocatingthemotionstate,highcontrolrequirement,andthemaintenanceinconvenienceofdirectcurrentmachine,itisverydifficulttousethesystemtomeetthecontrolrequests.

Thedeviceuseselectricalcontrolrelaytocontrolcircuit,usingalargenumberofintermediaterelayandtimerelayresultedinlarge,complexcircuits,relaysthehighincidenceoffailure,poorreliability,andmaintenanceworkload.

AdoptMitsubishiFX2N-80MRprogrammablecontrollerandEmersonTD2000invertertoimplementthetranformationtothedoublehousingplaner.MitsubishiPLC

finishesthecollectionofthedataandtaskofcontrolonapparatussuchasfrequencyconverter,electricalmachineryinthesystem.ThesoftwareGXDeveloper8.0ofprogrammingbasedonFX2NPLCadoptsthemoduleproceduredesignmethod,usesalargenumbercodereuse,reducessoftwaredevelopmentandmaintenance.

Keywords:

Double-housingPlanerElectricalControlPLCVVVF

1绪论1

1.1茶叶包装机的背景及意义1

1.2可编程控制技术的现状...............................................................................2

1.3PLC在包装机械上的应用2

1.4本次工程研究的主要内容3

2茶叶包装机控制系统的设计4

2.1茶叶包装机的生产概述4

2.2茶叶包装机运行速度的影响和提高4

2.3茶叶包装机控制系统的运行方式4

2.4可编程控制方案的设计.................................................................................5

2.5控制系统硬件的设计.....................................................................................6

3自动包装机结构设计和电气器件的选择7

3.1自动包装机的结构设计7

3.2自动包装机电气器件的选择8

3.2.1真空发生器的选型..................................................................................8

3.2.2传感器的选型.........................................................................................10

3.2.3电磁阀的选型.........................................................................................11

3.2.4空气压缩机的选型.................................................................................11

4控制系统的编程与设计9

4.1可编程控制器概述9

4.2可编程控制器的软件设计10

4.3自动包装机的PLC程序设计10

4.3.1PLC程序的总体设计14

4.3.2PLC程序的优化设计18

结论19

参考文献21

谢辞22

1绪论

1.1茶叶包装机的背景及意义

茶叶已经成为人们生活中的必需品，在阳光明媚的午后泡上一杯茶叶，已经成为许多人的一种习惯，随着人们对生活质量的要求越来越高，茶叶需求量已经越来越高，而且对于茶叶的包装，保存也有着越来越高的要求，为了使包装出的物品整齐、美观并且具有较好的包装质量，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，并且价格十分昂贵。

1.2可编程技术的现状

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能己经大大的超过了逻辑控制的范围。

因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称

PLC。

随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。

现代PLC已经成为真正的工业控制设备。

最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。

70年代初，日本的OMRON也推出了他们的PLC。

三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入PLC制造者的行列。

70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。

由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降；加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能；并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。

1.3PLC在包装机械上应用

包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，具有较多的执行元件。

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，而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的。

当然我们不能忽视了PLC的另一个优点，那就是其运行速度及可靠性和寿命远高于继电器控制方式，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：

更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动,程序可以复制，批量生产很容易,电气硬件设计大大简化。

由于PLC除有继电器功能外，尚有多种其他功能，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,可靠性高；

成本相对于继电器控制稍高，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；

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，是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。

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/O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。

1.4本次工程研究的主要内容

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.茶叶包装机各动作控制工艺的研究。

了解茶叶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，为实现高速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，控制程序的设计。

4.工控机软件的设计

2茶叶包装机控制系统的设计

2.1茶叶包装机的生产概述

茶叶包装机主要功能是将茶叶物品以一定的速率包装成为袋装。

且被包装的茶叶具有一定的韧性。

 茶叶包装机的简单工艺流程为：

送纸——压纸切纸——下料填充——封口。

 具体的工作过程如下：

包装纸以卷筒的形状放在原料架上，当开始动作时，送纸电磁阀控制送纸，短气缸运动。

完成一段小的空行程。

分料电磁阀控制茶叶料箱转动进行分料动作。

同时抽真空电磁阀通电，直到关机抽真空电磁阀才断电。

送料架运动一段位移以后，当碰到传感器时，压纸电磁阀和送纸架上抽真空电磁阀得电，压纸电磁阀控制送纸架上的气缸使之将纸压紧，为送纸架托着纸带做准备。

送纸架上抽真空电磁阀控制送纸架前端的抽气管使纸的前端紧贴在送纸架上。

这样前吸后夹地将纸带往前送，此时茶叶料箱仍然顺（逆）时钟转动，送纸架继续往前运动，碰到传感器时压纸电磁阀和送纸架上抽真空电磁阀断开，同时抽真空电磁阀得电，使纸带吸紧在切纸板上，使之不会随送纸架的返回而折叠。

送纸架返回碰到传感器时送纸二电磁阀失电，送纸动作结束。

 送纸架返回碰到传感器时裁纸压纸电磁阀通电，气缸作用，切纸板往下运动，海绵垫板压紧纸带然后在刀片的作用下将纸带裁成边长为50mm×28mm、夹角为65度的菱型纸片。

当切纸板往下运动碰到传感器时，切纸板返向运动，碰到切纸板上位传感器时，切纸电磁阀断电切纸运动结束。

 当切纸板上位传感器采集到信号时，插纸电磁阀得电气缸动作使插纸杆向下运动，进行插纸下料动作，插纸下料运动由两个气缸为其提供动力，插纸长气缸下降（插纸一）以后有个短暂的停留时间，在这个短暂的停留时间里分料板要完成错位动作实现下料，此时料斗阀门电磁阀得电料斗阀门打开，茶叶沿着中空的插纸杆下滑到冲压成U型的纸盆内。

然后在插纸短气缸继续向下运动（插纸二）到目标位置时才开始往上返回到原位。

当颗粒填充完毕以后，料斗阀门闭合且插纸杆继续向上运动，当插纸杆碰到上位传感器时，插纸杆动作结束。

 当插纸杆碰到上位传感器时，封口电磁阀得电开始封口动作，封紧程度由电接点压力表控制，达到预设压力则锁纸板返回，碰到传感器则停止运动。

此时包扎好的成品在自重的作用下掉到收集箱内，完成了整个包装过程。

2.2茶叶包装机运行速度的影响和提高

十八大以来中国的经济增长速度有所放缓，但中国的工业正向高速化、流水化发展，而中国的传统包装业以手动与半自动为主，大大阻碍了高速化发展。

而我们国家的茶叶包装还是半自动甚至有的小作坊还是手动操作，平均包装速度仅仅能达200个/分。

而我们此次设计的茶叶包装机包装能力要求达到425个/min。

我们知道包装机速度越高，要求稳定性和可靠性愈强。

这就要求包装材料供送速度快、精度高、定位准确，包装材料质量标准要符合规格，停机率低，以减少包装材料损耗，且包装材料的装卸都要自动化等。

1、影响茶叶包装机高速化的包装材料的性质有：

 1.抗张（拉）强度要大；       

2.伸缩性要小 。

通过以上的分析我们在包装材料的选择上选用薄页纸。

薄页纸具有纸质均匀、光滑细腻、强度好、纯净度高、可完全回收、可直接印制标识及精美图案等诸多特点。

二、机械结构的影响。

传统的包装机在包装材料切断后迅速离开的办法是用不等速机构。

常见的不等速机构有：

偏心链轮机构，偏置曲柄导杆机构，凸轮、齿轮组合机构，凸轮一四连杆组合不等速转动机构以及非圆齿轮机构等。

由于偏心链轮机构的变速范围有限，结构复杂，高速时易引起链条的跳动，而且传递的力不易过大，因此它只适合于一些速度不太高、传递的力不太大的小袋包装机。

而凸轮齿轮组合机构，凸轮一四连杆组合机构因结构复杂，调整不方便，运动冲击又大，因此不常用。

为了使茶叶包装速度提高，为了使整个包装过程中控制精度高，控制系统以日本三菱公司的FX1N系列PLC作为基础，采用整体式结构，FX1N系列按功能可分为基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊适配器四种类型产品。

基本单元内有CPU、存储器、I/O、电源等，是一个完整的可编程控制器，可以单独使用。

通过使用FX1N可达到变速的目的，且使包装机结构紧凑，惯性小。

2.3茶叶包装机控制系统的运行方式

运行方式分为手动、单步、周期及自动等四种操作方式。

根据茶叶包装机的实际运行情况，本系统采用自动运行和手动运行两种方式。

与运行方式的设计相对应，还必须考虑停止运行方式的设计。

可编程控制器的停运方式有正常停运，暂时停运和紧急停运三种。

根据控制系统要求，由于包装机运行期间采用循环工作方式，只有在工作结束或接收到操作人员的停止运行指令或设备出现故障或异常情况时才停止，因此本系统采用硬件切断电源，使系统立即停车。

包装机控制功能要求：

手动运行可以用按钮对包装机的各个部分进行单独控制，主要用于故障恢复与检修全自动运行按下启动按钮，系统即可连续、协调、周期性地循环完成各包装动作，直到系统接收到停止运行信号。

2.4可编程控制方案的设计

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，分散型控制系统和远程I/O控制系统。

该控制系统多用于控制对象所处的地理位置比较接近，且相互之间的动有一定联系的场合。

单主机控制方式，对主机要求较高，危险相对集中。

远程I/O控制系统的控制结构比较独特，类似于集中控制系统，又具有分散型控制系统的特点，经常用于控制规模中等，控制对象比较分散、工程费用较低的场合。

PLC作为一种控制设备，用它单独构成一个控制系统是有局限性的，主要是无法进行复杂运算，无法显示各种实时图形和保存大量历史数据，也不能显示汉字和打印汉字报表，没有良好的界面。

这些不足，我们选用人机界面来弥补。

为提高PLC的抗干扰能力，在硬件配置与安装上，交流电源使用双层隔离，输入信号光电隔离，远离强电布线，模拟量信号和脉冲信号采用屏蔽线传递，采用放射性一点接地等措施，来消除干扰。

2.5控制系统硬件的设计 

2.5.1总体结构关系 

本系统采用PLC和人机界面两级控制的结构。

PLC负责按钮、光电开关和电接点压力表信号的输入，以及发出信号去控制各个气缸、继电器、真空泵等电气元件，进而控制各部分的运行，同时控制相应指示灯的显示。

人机界面用来进行参数的修改与设定、全自动控制、在线监视、传送信息等工作。

人机界面通过串行口与PLC相连，进行相互通信，所以人机界面是通过发出命令去控制PLC的运行以达到进行全自动控制的目的。

2.5.2 PLC主要器件的选择 

茶叶包装机控制系统主要器件包括人机界面、PLC等。

它们的选择都是以在保证功能的前提下尽可能地选择可靠性高和使用方便的产品为依据，PLC的选型具体情况如下：

在进行这项工作之前，需要对控制对象和控制任务进行统计和分析。

然后确定系统的规模、机型和配值。

据统计，初步确定该包装机控制系统有，20个开关量输入，13个开关量输出。

根据对上述控制任务的分析，本工程选择了三菱公司的中小型PLC系统FX1N系列，它能满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛。

FX1N系列是最多可控制128点的普及型微型PLC。

除了可以扩展输入输出，还具有模拟量控制和通讯链接功能的等扩展性。

所以，FX1N系列可以广泛应用于一般的顺序控制。

    FX1N系列PLC的特点：

1. 定位控制功能是标准配置；

2.  使用关键字功能保护程序 ； 

3. 内置不用电池的EEPROM存储器，无须维护 ；

4. 内置RUN/STOP开关 ，运转/停止执行简便；

5.  设备不停机时更改程序；

6.  在同一个时序动作 ； 

7. 特别适于高速处理；

8. 便捷的时钟控制 ；

9. 使用于各种网络。

而FX1N系列PLC控制规模为24～128点（基本单元：

24/40/60点）特点有：

1、集成化 CPU、电源、输入输出合为一体。

 通过使用显示模块和功能扩展板，可以非常简便地进行系统升级。

另外，也可以扩展输入输出和特殊模块。

2、运算高速化 基本指令：

0.55～0.7μs/指令；应用指令：

数3.7～数100μs/指令。

     3、存储器规格大  内置8000步EEPROM存贮器     无需电池，维护轻松     4、软元件范围丰富 辅助继电器：

1536点，定时器：

256点，计数器：

235点，数据寄存器：

8000点。

 综上所述我们选用三菱公司的FX1N系列的PLC，根据PLC选型对端口预留5%～10%的余量，我们选用PLC为：

型号

主机输入点

主机输出点

电源

FX1N-40MR-001

24

16

AC100-240V

表2.1PLC型号表

3自动包装机结构设计和电气器件的选择

3.1自动包装机的结构设计

自动包装机的结构设计包括给料装置的结构设计、包装纸供送机构的设计、下料装置的设计、压口切口装置的设计、封口装置的设计等。

（1）给料装置的设计

给料装置的设计主要是将颗粒料物品摇均匀，使得包装物在自重的作用下落到下料管中。

为了使颗粒料包装物能够掉到下料管内，而不引起卡死管道的现象，需要计算下料管的管径：

由于物品一般的散装细条状，因此设计管径的直径为5mm。

1-气缸一  2-气缸二  3-箱体  4-斜坡  5-抽板

图3.1给料装置结构图

（2）纸供送机构设计

包装机的全部动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，采用薄页纸卷筒包装材料作为包装材料。

纸供送结构要求将包装机以一定的速度送到指定的位置，中间必须保证送至过程的连续，保证定位切断准确，所切出来的纸的形状完整无误差。

送纸的速度由气缸来决定一般为3m/s。

同时还要求排除一些干扰因素，像其中最常见的是卷带被牵引供送时发生拉伸变形和同辊面打滑。

（3）下料装置机构设计

下料装置要求包装纸冲出一定的形状然后再把颗粒料物品准确地送到包装纸中，这就包含了冲纸机构和导料机构。

根据以上要求设计的冲纸导料机构如下图：

1-导料板 2-内管  3-外管  4-固定板  5-下料板 6-导料管7-放刀板  8-压纸板

图3.2下料装置结构图

（4）压纸切纸机构设计

当包装纸送至正确位置以后，接下来是对纸进行裁剪动作。

按照正确的尺寸进行裁剪，所以将压纸动作设计在裁纸动作之前。

此机构的具体要求是先进行压纸动作再进行裁纸，根据以上要求设计压纸切纸机构图如下：

1-压纸板  2-弹簧  3-刀片  4-下料管  5-放刀板