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08033031乔保林论文
分类号TP278单位代码10642
密级公开学号200408033031
重庆文理学院
学士学位论文
论文题目：
自动控制包装系统的设计
论文作者：
乔保林
指导教师：
郭仿军副教授
专业：
电子信息科学与技术
提交论文日期：
2008年5月30日
论文答辩日期：
2008年6月2日
学位授予单位：
重庆文理学院
中国重庆
2008年06月
GraduationThesisofChongqingUniversityofArtsandSciences
TheDesignofAutomaticControlPackagingSystem
Candidate:
QiaoBao-lin
Supervisor:
GuoFang-jun
Major:
ElectronicInformationScienceandTechnology
DepartmentofPhysics&InformationEngineering
ChongqingUniversityofArtsandSciences
June,2008
目录
摘要I
AbstractII
1引言1
1.1国内外研究现状1
1.1.1国内研究现状1
1.1.2国外研究现状1
1.2研究的主要内容2
2系统组成框图及其工作原理3
2.1系统组成框图3
2.2系统工作原理3
2.3系统功能实现3
3系统的硬件模块设计和选择4
3.1称量传感器4
3.2控制器PLC4
3.3信号放大器5
3.4自动检测秤6
4提高动态称重精度的硬件措施6
4.1影响传感器的因素及解决办法6
4.2影响准确度的主要因素及解决办法6
4.3影响系统灵敏度的因素及解决办法6
5提高动态称重精度的软件措施7
6系统硬件和软件设计7
6.1系统硬件设计与实现7
6.1.1系统控制部分7
6.1.2系统操作部分7
6.1.3系统执行部分7
6.2系统软件设计与实现9
6.2.1控制系统PLC主程序9
6.2.2PLC程序控制梯形图10
6.2.3软件仿真图及其说明11
7结语13
参考文献13
致谢15
摘要
质量计量和自动包装是工业产品的重要生产环节，传统机械杠杆的称重方法造成较大的机械误差，影响称量的速度和精度。
为了避免较大误差的出现，系统采用了PLC作为动态称量包装测控设备。
同时又根据物料输送系统的实际需要提出了硬件结构、控制思想、软件控制为一体的PLC人机界面。
系统在硬件和软件设计中采用了检测修正和自动补偿方法，较好地解决了称量速度与精度的矛盾，实现了产品连续生产中动态称量计量的速度和精度的控制。
关键词：
自动控制包装；定量称量；人机界面；PLC
Abstract
Qualitymeasurementandautomaticpackagingofindustrialproductsisanimportantproductionareas,thetraditionalmethodofmechanicalleverweighingagreatermechanicalerror,weighingtheimpactofspeedandaccuracy.Inordertoavoidtheemergenceoflargererror,thesystemusesthePLCasadynamicweighingpackagingmonitoringandcontrolequipment.Atthesametime,accordingtomaterialhandlingsystemtothepracticalneedsofthehardwarestructure,controlthinking,softwarecontrolofthePLCasoneman-machineinterface.Systeminthedesignofhardwareandsoftwareusedinthedetectionandautomaticcompensationforthat,cansolvetheweighingspeedandaccuracyofcontradictions,andtheproductsfortheproductionofdynamicweighingmeasuresthespeedandaccuracyofcontrol.
Keywords:
automaticcontrolpackaging;quantitativeweighing;humanmachineinterface;PLC
1引言
随着制造行业中的自动化水平不断提高，应用范围也在不断拓展。
包装行业中自动化操作正在改变着包装过程的动作方式和包装容器及材料的加工方法。
实现自动控制的包装系统能够极大地提高生产效率和产品质量，显著消除包装工序及印刷贴标等造成的误差，有效减轻职工的劳动强度并降低能源和资源的消耗[12]。
设计、安装的自动控制包装系统，无论从提高产品质量和生产效率方面，还是从消除加工误差和减轻劳动强度方面，都表现出十分明显的作用。
尤其是对食品、饮料、药品、电子等行业而言，都是至关重要的。
自动装置和系统工程方面的技术正在进一步深化，并得到更广泛的应用。
自动包装的关键在于依据生产加工或包装过程，设计出一个能够得以实现自动控制的结构方案。
显然，自动装置（机械手或机器人）的选择取决于这一过程的需求及特性。
依据定义，一个自动装置即是能通过自动控制或遥控方法完成任务的一台机器或一个机构。
1.1国内外研究现状
1.1.1国内研究现状
自动化包装技术主要有单片机应用系统及专用系统、可编程控制器、集散控制系统、工业计算机应用系统和现场总线技术。
最近由于大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，使微细加工技术和高电压、大电流技术相结合，产生了新一代的电力电子器件，如IGBT、IGCT等，功率半导体技术同计算机技术相结合，可以为电能的产生、运输、分配和消费等各个环节提供优化设计与控制设备。
作为自动控制包装的重要环节之一，以电机为中心的电气传动执行机构是电力电子技术主要的应用，正朝着节能、一体化及智能化方向发展[9]。
我国自动包装化装备技术起步较晚，暂还处于单元控制装置和单体设备自动化应用阶段，一些全线的自动化系统和全厂全公司生产管理和控制系统基本上是引进的生产线。
包装自动化应适用包装行来的发展要求，着力于发展以单体设备自动化和全线自动化成套工程应用技术为主的高技术产业。
90年代以来，随着电子技术的、计算机技术、电力电子技术和检测技术的不断发展和普及，包装工艺和自动化更加密切的结合，包装自动化装备技术已经得到进一步的发展和提高。
在当代工业的发展中，自动化装备技术的发展起着重要的作用，自上世纪60年代以来，包装自动化技术随着电子技术的进步取得了迅速发展。
80年代PLC和DCS的出现，使包装自动化装备的可靠性和实时性、可操作性和可维护性又得到了极大的改善。
方便的软件编制、友好的人机界面和不断提高的性能价格比促使包装自动化装备技术得以推广应用。
单元控制装置、单体设备自动化以至于全线的自动化系统，使得包装产品的质量和生产线的作业率获得极大的提高，缩短了新产品、新工艺的开发周期，取得了显著的经济效益。
1.1.2国外研究现状
国外的包装工业正在向全部自动化发展。
自动包装机械与自动包装流水线的大量采用，可以实现高效率低费用的要求。
在国外随着售货形式的不断发展，顾客自选食品和自动售货机的大量增加，经营管理自动化水平的不断提高，还有半自动化冷库的普及，全自动化冷库的逐渐增多，在食品工业上的包装、分装业务也不断适应食品上的要求而加以改进，因此，食品包装材料与包装机械工业也随之发展很快。
食品包装是工业的一个组成部分，只有工业上出厂的食品包装规格标准化，才有利于装卸、运输、仓储的机械化及自动化；只有将食品直接分成顾客所欢迎的合理小包装，才有利于出售。
近年来在美国、英国、日本等国家都设有专门研究包装与分装业务的研究机构；专门承揽食品包装、分装的包装公司也大量出现。
现将国外的食品包装与机械设备方面情况介绍如下：
1）小型商用集装箱
小型商用集装箱是一种便于食品用机械装卸、搬运和仓储的装货箱子。
它的特点是有统一的规格标准，以适应机械化与自动化的需要，同时又便于食品的出入库，便于清点箱内货物的数量。
有足够的强度，可以反复周转使用，并能保证食品的安全。
有的集装箱根据自动化仓库的需要，在箱子的四周都贴上或印上“通用产品符号”。
小型商用集装箱一般是塑料、木板或瓦楞纸等制成的，还有的在箱底没有弹簧装置，随着箱内食品减少，箱底的食品可自动上移。
这些小型商用集装箱不但便于机械化、自动化的装卸、运输与储存，而且有一种带轮子的小型集装箱还可以直接运到零售商店柜台，作为陈列货使用。
商业上大量使用小型集装箱后，不但提高了工作效率，节省了人力，减少食品的损耗，在零售方面还降低了食品机械设备费用，而且为进一步实现机械化与自动化创造了有利条件。
2）塑料薄膜食品包装
在国外随着塑料机械工业的发展，塑料薄膜作为内包装应用日广，除常见的塑料薄膜袋外，最近又有以下几种新的塑料簿膜包装方法：
热缩包装，热缩包装就是利用一种具有热缩性能的塑料薄膜作为包装材料，将食品包好后，迅速放到一个加热装置中加热到一定温度，包装薄膜即自行按一定比例收缩，紧紧裹住被包装的食品。
热缩薄膜一般很薄，透明度好，顾客可以直接观察食品。
这种包装方法很受顾客欢迎。
热缩包装用途广，可用于食品、工业品及其它商品，也可用于包装多件商品。
例如可以包装一只冻鸡，一袋冻肉，一袋冻鱼等。
热缩包装除具有运销方便，透明度好，外观好看，包装牢固，减少包装体积，保持清洁等优点外，其所用的包装机械设备也比较简单。
目前，在国外这种包装方法很流行。
充气包装，在热缩包装内，充以惰性气体，这样可以抑制细菌繁殖，延长食品的保存期限。
真空包装，用塑料薄膜将食品包好并封口后，再把里边的空气用真空泵抽出。
这样可以防虫，防腐，防潮，使食品不易变质。
自动化真空包装机已在国外广泛使用[14]。
3）国外的包装机械工业
近年来，国外的包装机械工业发展很快。
凡粉状、颗粒、块状食品包装都实现了机械化与自动化。
计量、计数、制袋、装袋、封袋、折盒、装盒、封口及打包等形成了流水线作业，包装效率很高。
包装机械设备品种很多，各国厂商有其各自的名称和型号，名目繁多。
按其作用功能或包装形式，国外通常有如下名称：
装料机（液体，固体），制袋充填机，容器成形装料机，枕形包装机，包封机，收缩包装机，装盒、装箱札，压盖机，贴标签机，捆扎机[21]。
1.2研究的主要内容
论文主要应用PLC作为动态称量包装测控设备，在硬件和软件设计中采用了检测修正和自动补偿方法，较好地解决了称量速度与精度的矛盾,实现了物料连续生产中动态称量计量的速度和精度的控制。
该系统可用于散状产品的称量包装控制。
其主要研究内容如下：
a）方框图设计
b）传感器称重
c）称量误差的自动补偿
d）系统控制器的控制全过程
2系统组成框图及其工作原理
2.1系统组成框图
图2.1系统组成示意图
2.2系统工作原理
用称量传感器、放大器和PLC组成测控系统来完成产品的称量、计量、包装的生产工艺过程，该系统以PLC为核心，配以称重传感器、放大器、各种电动执行器和机械装置，实现产品的动态在线称量计量和包装工作。
称斗的上方是成品仓，该仓中的原料是散状成品料。
成品仓下是一台电动机驱动的螺旋进料装置，启动电动机，则该成品仓中的原料就随着传输绞笼的旋转而进入称斗中称量。
称斗上装有两个S梁式应变式拉力传感器，称斗的质量信号直接由该传感器组转换成与之对应的电压信号，经放大器把该电压信号放大后送入PLC模拟量模块中进行数据处理，当达到预定值时，PLC控制停止下料，然后PLC控制开称斗门，并控制打包机自动装袋后由传送带送出。
于是，就完成了产品的称量打包的自动化生产过程。
系统采用二级给料方式。
粗给料流量大，用短时间加入额定重量的90%～95%。
细给料流量小，为额定重量的5%～0%。
这样即可保证速度，又可保证精度。
在每个称量循环中，关称斗后测皮的质量，以消除由于物料的粘附引起的称量误差；停机时设置处理功能，保证停机排空称斗内物料。
一方面可保证下次开机时称斗无料，且避免了物料较长时间停留在称斗内吸湿而凝结在称斗壁上，细加料信号设置后，待其稳定，然后进行实测，得到误差，以使下一个循环进行补偿校正。
2.3系统功能实现
a）对装袋质量实现自动控制，其设定值可由编程器设置。
b）对每次放料后称斗的皮重进行检测修正。
c）对称量误差进行自动补偿。
d）实现自动包装。
e）故障检测、报警。
系统质量设定值为：
50.00kg，动态误差为：
+0.5kg包装速度：
4～6袋/min。
3系统的硬件模块设计和选择
3.1称量传感器
目前，在称质技术领域中广泛应用电阻应变式传感器，分为金属丝电阻应变式和半导体应变式2种。
前者具有精度高、温度影响小、线度和重复性好的优点，但价格较高，输出灵敏度低；后者性能与前者相反，在精度和温度特性方面较前者差一个数量级，而输出灵敏度比前者高一个数量级，价格为前者的一半。
根据实际控制要求和工作环境，选用T-BX型半导体应变式传感器，该传感器为S型结构，拉压两压，系统中选用三个传感器，采用串联方法[2]。
图2.2T-BX型传感器原理图
3.2控制器PLC
为实现准确计量，本系统除开关量控制外，还需要较高分辨率的模拟量通道，综合比较各种产品后，选用了西门子S7-200CPU224小型PLC外加扩展模块构成系统控制器。
系统中开关量输入信号有启动按键、停机键、斗门状态、夹袋夹紧和气源压力开关等检测信号；开关量输出有粗细进料气缸、放料气缸、夹袋气缸等控制信号和一些显示、报警输出信号。
模拟量输入模块EM231接收传感器质量输入信号，其中称量斗门关闭和夹袋夹紧检测用接近开关，缓冲料门、称重斗门和夹袋由电磁阀带动气缸来控制[15]。
图2.3CPU224接线图
图2.4PLCI/O接线图
3.3信号放大器
仪表放大器是一种闭环增益组件，它具有一对差分输入和一个单端输出。
它与运算放大器相比，不同点是运算放大器的闭环增益是由其反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则是由与输入隔离的内部反馈电阻决定。
仪表放大器两个输入端的阻抗完全匹配，而且数值很高，典型值为
～
。
如果在它的两个差分输入端输入信号时，则增益既可以由内部预置，也可以由用户通过引脚内部设置或通过与输入信号隔离的外部增益电阻设置。
由于仪表放大器是一种经过优化处理，专门设计的精密差分电压放大器，所以它具有很多优点，如共模抑制比高﹑非线性误差小﹑输入阻抗高﹑低噪声﹑低失调电压和失调电压漂移，并带差动输入，可变增益输出。
从仪表放大器的特点来看，非常适合对微弱的电压信号进行放大，因此本文利用仪表放大器来放大压电晶片输出的微弱电信号。
通过比较，我们选用美国AD公司的精密仪表放大器AD524作为前置放大。
AD524采用双电源供电，供电电压最高可达18V。
它具有低的增益误差和高的共模抑制比，当增益为１时，共模抑制比大于90dB，增益误差最大为0.05%；当增益为1000时，共模抑制比可达120dB，且增益误差最大为2%。
AD524的非线性误差在0.01％之内（增益为1000）；输入失调电压50V，输入失调电压漂移0.5V/℃。
AD524两个差动输入端的阻抗完全匹配，而且数值很高，典型值为
，既可以差动输入也可以单端输入。
AD524内置输入电源保护电路，适应上电和掉电时各种恶劣的工作环境。
同时，它还提供较宽的增益带宽、高的输出转换速率和低的阶跃响应建立时间等优越的动态待性。
AD524可以通过改变外围接线来设置增益，增益倍数分别为1、10、100、1000。
当需要1到1000之间其它增益时，可通过外接电阻来设置所需增益。
3.4自动检测秤
自动检重秤是一种高速度、高准确度的在线检重设备，可与各种定量包装生产线以及输送系统集成。
主要用于在线检测产品重量是否合格，包装内是否缺少部件以及提供反馈信号调节加料设备等。
自动检重秤的各种功能充分适应了企业自动化生产的特点和计量管理的需要，除了显示动态检重量，还有多的需要个标准重量分区可储存100多个产品数据，分级密码保护，可按班组产品种类、产品批次、时间段、合格与不合格等统计检重数据，可分别设置正负允差值，能很好地控制包装量。
BMT-30B型自动检测分选秤是对包装后的产品进行二次复称，并可将不合格的产品剃出的设备。
能够有效的进行分类、移走、喷墨、对产品数据进行分析、选配终端设备有人机界面、组态软件、配有RS-232/RS-485接口与外部设备进行连线通信，并且采用高精度电子仪表、可编程控制器、传动设备组成，具有检测速度快，称量精度高，可用于各种流水线上产品检验检测设备，实施动态检测，检测出质量不合格的产品由剃出装置自动进行剃出，合格产品由皮带正常运出，并且有重量打印、数据存储、报表统计、全程微电脑控制、操作简单、自动化高，是质检部门的理想产品。
4提高动态称重精度的硬件措施
影响称重动态精度来源于传感器和放大器组成的硬件系统。
该系统用两个拉力传感器将物料重量W变换为成线性关系的电压信号Ux，并通过两级放大器进行放大。
Un表示等效到放大器输入端的噪声和干扰电压，ΔUi表示等效到输入端的漂移电压。
设两级放大器的放大倍数为A，则Uo=A（Ux+Un+ΔUi）=AUx+AUn+A•；ΔUi式中的第2项主要影响灵敏度，第三项主要影响系统的精度[18]。
4.1影响传感器的因素及解决办法
传感器输出信号的稳定性除决定传感器本身的性能外，还与供电电源和传感器的安装有密切关系。
本系统采用T-BX型两只称重传感器，每只传感器单独供电，通过调节其桥路电压使两只传感器的输出灵敏度K相同，两只传感器串联输出的电压为Ux=K（E1+E2）。
为了提高每个传感器供桥电源的稳定性采用二次稳压，并对元器件进行老化、测试后进行选配，特别是对基准稳压管2DW233的老化处理和时漂测试，选择时漂小的通过调节其工作电流使其工作在接近零温度系数（<2ppm/℃）下，使整个传感器电源的温度稳定性优于10ppm/℃。
两只拉力传感器安装在称斗和称架之间。
如果传感器承受的重量与传感器轴线存有
角，则将产生横向分力而引入误差ΔW=W-Wcos
。
这对于每次称重50kg，在称斗皮重为100kg的情况下，即两只的传感器实际荷重为200kg。
当
=4°时，称重误差就为0.43kg。
因此，安装传感器时应设法确保传感器都能垂直受力。
4.2影响准确度的主要因素及解决办法
影响准确度的主要因素是整个检测系统的非线性和漂移
。
其中系统的非线性，在选配元器件校正的基础上，采用了软件修正。
而对于随温度和时间产生的漂移电压
，主要采用元器件的老化、测试与分选工艺，筛选掉漂移电压大的，然后选配温度系数进行补偿，使整个系统的静态精度达到了0.07%，为实现动态称量精度奠定了基础。
4.3影响系统灵敏度的因素及解决办法
影响系统灵敏度的主要因素是检测电路的内部噪声和外部干扰电压，它与放大器所工作的频带相关。
在研制中，Un通过选择低噪声器件，在满足采集速度所需足够宽的频带的前提下，通过选配电阻来提高放大电路本身的共模抑制能力，整个检测系统采用双层屏蔽，采样时间定为工频周期整数倍等项措施，使整个系统获得了能分辨5g质量的灵敏度。
5提高动态称重精度的软件措施
影响动态称重精度的主要因素是被称物料的比重、流量和落差的大小，它是由成品料仓的压力和PLC所控制的进料驱动装置产生的。
因此，改进控制思路，借鉴静态称量精度高的特点是提高动态计量精度的关键。
为此，我们选用双速变径变距螺旋加料机，采用“先快后慢，最后点动”的控制下料方式，Wx0为称量前PLC所采集的称斗皮重；由此PLC按照每包计量净重量的90%、95%和100%算出快速下料的终了值Wx1、慢速下料终了值Wx2和称量终了值Wx。
其控制过程可以这样简单说明：
在下料开始一段时间，PLC控制绞笼电动机快速下料，当检测达到快速下料的终了值Wx1时，PLC控制绞笼电动机开始慢速下料；当检测达到慢速下料的终了值Wx2时，PLC关闭绞笼电动机后采用“点动”下料，当达到或接近期望值Wx时为止[17]。
6系统硬件和软件设计
6.1系统硬件设计与实现
根据现场生产要求,该控制系统主要由三部分组成：
控制部分：
西门子S7-200CPU224小型PLC外加扩展模块构成系统控制器。
操作部分：
台湾泉毅电子公司的HITECHPWS1711-STN2人机界面（HMI）。
执行部分：
进料绞笼电动机、伺服电机普通打印机、长封/端封汽缸、给膜电机、切刀、点切线刀。
6.1.1系统控制部分
系统控制部分选用的是西门子S7-200CPU224小型PLC外加扩展模块构成系统控制器，控制系统主要输入输出地址分配如表1。
表1控制系统主要输入输出地址分配
输入端子
说明输出端子说明
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
Q0.4
Q0.5
Q0.6
输入SB0Q0.0粗进料控制
输入SB1输出YV1
输入SB2Q0.1细进料控制
输入SQ1输出YV2
输入SQ2Q0.2卸进料控制
进料绞笼电动输出YV3
机控制KM1Q0.7称重完毕显示
皮带运输机Q1.0运行输出标志
控制KM2Q1.1报警输出信号
气泵电动机
控制KM3
6.1.2系统操作部分
人机界面选用的是台湾泉毅电子公司的HITECHPWS1711-STN2机型，该产品取代了传统的面板控制功能，大大节省了PLC的I/O点，减少了故障率，能实现数字设定、信息显示、功能设定等、信息画面简单实现，方便快捷达到自动控制的目的。
6.1.3系统执行部分
1）给料机系统
给料机系统主要由自动供料器和称重装置组成。
自动供料器按照设定转速来决定其生产袋数。
其转速则由变频器编程控制设定的赫兹数来决定，对应的赫兹-转速如6.1图所示。
当设定30.3Hz时，则自动送料器以60转/分的速度旋转。
图6.1自动送料器HZ-V图
称重装置又称连锁信号装置，用于与机器相连,其结构原理如图6.2所示。
其中装入信号（下落请求信号）为可变脉冲宽度（一般100ms），下落信号（移交结束信号）为设定脉冲宽度大于100ms信号。
图6.2称重装置原理图
2）伺服电机
执行机构伺服驱动电机采用日本松下MSMAO42A1A系列，该机构以小惯量MSMA型配合普通电机带动和导引包装膜来代替传统的大惯量伺服驱动电机直接带动包装膜，达到了降低成本的目的。
伺服系统采用位置控制方式,在控制器表格设置中，设定了良好的速度，加减速时间,脉冲数及正反转等参数,使伺服电机达到了良好的运行性能。
3）控制系统控制流程
根据现场生产需要,设计如下系统控制流程，如6.3图所示。
图6.3系统程序流程图
6.2系统软件设
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