基于PLC的全自动包装机系统设计毕业设计论文.docx
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基于PLC的全自动包装机系统设计毕业设计论文
吉林化工学院毕业设计说明书
基于PLC的全自动包装机系统设计
TheDesignofAutomaticPackagingMachineControlSystem
BasedonPLC
吉林化工学院
JilinInstituteofChemicalTechnology
独创声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
摘要
全自动包装机系统生产工艺及主要设备，建立在机械电气特性的基础上，对在控制系统设计中如何充分利用现代控制技术、网络技术、现场总线技术、计算机技术等。
全自动包装机控制系统达到国际先进水平进行了较深入的研究。
论文充分考虑了成本、维护可靠性和先进性等诸多因素，提出了基于全自动包装机控制系统的实现方案，设计出全自动包装机控制系统的构成。
自动控制系统设置3个现场PLC监控站和1个中心操作站。
下位机系统采用PLC，上位机系统采用PC或IPC（工业PC机）。
考虑到全自动包装机控制对系统安全性、可靠性、可维护性和灵活性的要求，本系统现场控制站选择西门子公司S7-300系列的模块结构PLC，上位机选择工控机IPC。
下位机编程采用STEP-7V5.0软件包进行PLC软件设计。
建立高度全自动包装机控制系统，不仅可以加强整个系统的可靠性、准确性，还可以减少劳动强度，降低处理成本和节约能源。
全自动包装机控制系统的建设将降低生产和维护成本，减轻生产及维护工人的劳动强度，并为生产工艺的进一步改进提供方便，具有很好的经济效益和社会效益。
关键词：
全自动包装机，可编程控制器，硬件组态
Abstract
Withtherapiddevelopmentoftheautomaticcontroltheory,industrialcontrolnetworks,computernetworksandcommunicationnetworks’technology,inmodernindustrialoccasionfortherealizationofpeople-orientedworkethic,reducingtheintensityofwork,iincreasingworkefficiency,productionlineofautomaticcontrolsystemwhichmusthavehighreliabilityandflexibilityhasbecomeanimportantpartofthestudyinthedevelopmentofthecontrolindustry.
ThesystemusesSiemensS7-300PLCprogrammingsoftwareSTEP7toconductthereasonablecontrolproceduresdesign,inordertobeabletovividlyreflecttheactualoperatingandcontrollingprocess,makingcontrolschemeflexibleandoperatingsimplyachievingthewholecontrolprocessofalcoholdistillationsection.
CombinedwiththeprocessofalcoholdistillationsectionandbasedonthefunctionanalysistowardsPLC,inthecasethattakingfullaccountofthecost,maintainingreliabilityandmanyotherfactors,thisdesignaccomplishesmanyimportantfunctionssuchasanaloginputrangeconversion,analogvolumeoutputrangeconversion,theeditofdigitalmanualprogramandmainprogram,andsoon,thusitimprovesthesystem’sreal-time,anti-interferenceandmaneuverability,meetstheactualneedsinindustrialprocess,achievesflexiblecontrolscheme,operatessimplyandachievescontrolofthewholeprocessofalcoholdistillation.
Thesystemcanconductonline-monitoringtowardstheoperatingparameters,loopcontrol,PIDtuning,operatingconditionsofequipmentsandsystemfaultoftheethanoldistillationsystem.Itcaneffectivelyreducelaborintensity,saveproductivecost,andimprovetheanti-jammingcapability,theleveloftheautomationcontrolandthereliabilityofthesystem.
Keywords:
watertreatment,programmablecontroller,hardwareconfiguration
第1章绪论
本论文陈述了全自动包装机控制系统对我国生产机械化的重要性，介绍了关于PLC控制系统特点，并且与其他的控制系统做了简单的比较，说明了PLC控制系统的优越性以及不足。
1.1选题的目的及意义
1.1.1选题的目的
1、通过本次毕业设计，使得对全自动包装机控制系统现状及发展有进一步了解。
2、掌握STEP7系统软件的状况，了解它们的工程应用。
3、熟悉全自动包装机控制系统配置、工艺流程及控制方案。
4、掌握如何进行现场调试及投运。
1.1.2选题的意义
自动化是现代科技进步的一特征，现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求，同时也为自动化技术的革新提供了必要条件。
基于PLC的全自动包装机系统改变着了包装过程的动作方式。
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。
要想在规定的时间内，为自己创造出最大的利益，就要确保自己的食品包装生产线运行良好，在生产过程中不会出现错误，这样在尽量避免错误出现和故障的影响，才会为企业获得最大的利益。
自动化水平在制造工业中不断提高，应用范围正在拓展。
包装机械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。
具有革命意义的自动化改变着包装机械行业的制造方法及其产品的传输方式。
设计、安装的自动控制包装系统，无论从提高包装机械行业的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。
全自动包装机是以塑料或塑料铝箔薄膜为包装材料，对液体、固体、粉状糊状的食品、粮食、果品、酱菜、果脯、化学药品、药材、电子元件、精密仪器、稀有金属等进行包装。
特别适用于茶叶、食品、医药、商店、研究机构等行业，具有外型美观、结构紧凑、效率高、操作简便等优点。
随着自动化程度的提高，包装机的操作、维护和日常保养更加方便简单，降低了对操作人员的专业技能要求。
产品包装质量的好坏，直接与温度系统、主机转速精度、追踪系统的稳定性能等息息相关。
中国的全自动包装技术是在上世纪80年代初期发展起来的，全自动包装技术在上世纪90年代初期开始少量使用，随着小包装的推广及超市的发展，其适用范围越来越广泛，有些将逐步替代硬包装，前景非常看好。
1.2全自动包装机系统国内外形势
国内全自动包装机系统虽还较落后，基本仍是手工操作，但有些城市全自动包装机系统引进全部或局部计算机控制，取得了一定的经验。
全自动包装机工业从诞生到现在大体经历了两个发展期：
从20世纪50年代开始到80年代中期是第一个发展期，这一时期是从制造简单的抽气机开始的。
当时全国生产真空设备的企业不足20家，产品以中低档真空获得设备为主，如制镜镀膜机、香烟包装机等。
从20世纪80年代后期到整个90年代是中国全自动包装机工业发展的第二个时期。
这期间，生产企业增加到近3000家，从业人员达到3.5万人。
整个全自动包装机行业经过“七五”、“八五”的技术改造后整体水平有了大幅提升，从加工条件上讲，加工中心、数控机床、树脂砂铸件等先进生产设备开始装备企业。
到1996年，由于炼镁行业的拉动，使全自动包装机行业得到飞速发展。
我国包装机械发展较晚，目前正处于起步应用阶段，虽然从九十年代后，我国的制袋充填机有了较快发展，通过参考国内外产品进行消化吸收，自主开发研制，技术上有了很大的提高，但与国外相比，国内大多数产品技术含量低，产品差异程度低，成熟产品技术易模仿和抄袭，造成低水平重复，阻碍了对包装机的技术创新和发展。
在产品技术方面，国内包装机的主要特点如下：
1．速度低，品种少
国外大多数制袋充填包装机根据包装物料的不同和产量的大小，一般在20-100袋/分之间，大多为单列式包装，封合形式一般是三边封，四边封和背封式。
2．精度低
采用螺杆充填的计量充填系统，当充填量为100g～1000g时，国外机器的计量精度一般<1%，而国内一般在62%～63%之间。
3．可靠性低
国内一些企业为了能在产品初期快速赚钱，低价格倾销，采用无质量保证的电子元件、控件或低级的原材料，再加上无规范的加工和装配工艺，没有针对具体情况进行改造，导致产品不稳定或不适合用户使用要求。
4．自动化和智能化水平低
近年来，我国的包装机械虽采取了一些PLC和具有智能控制功能的仪表，但总体来说，大多数还是低水平的机电控制，还没有带有数据储存、采集、修正功能的机器。
1.3可编控制器的发展
1.3.1可编程控制介绍
可编程控制器最初用于逻辑控制，称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。
随着计算机技术的发展及微处理器的应用，可编程控制器的功能不断扩展和完善，早已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。
由于可编程控制器在不断发展，对它下一个确切定义比较困难。
目前公认的是1980年美国电气制造商协会NEMA对它下的定义：
可编程控制器是一种数字式的电子装置。
它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算，顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。
将其正式命名为可编程控制器（ProgrammableController），简称PC。
但为了与个人计算机（PersonalComputer）的专称PC相区别，常常把可编程控制器仍简称为PLC。
PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置。
目的是用来取代继电器、执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。
在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器占主导地位的。
这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点：
体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，造成了时间和资金的严重浪费。
1.3.2可编程控制器功能
1．逻辑运算和定时计数功能——开关量控制功能
PLC设置有与、或、非等逻辑运算指令，能够描述继电器触点的串联、并联、复合串并联等各种连接关系，还为用户提供了若干个定时器和计数器，并设置了定时和计数指令。
定时值和计数值可由用户编程时设定，并可在运行中被读出或修改。
因此可以取代继电器进行逻辑组合与顺序控制。
2．数据处理和数字量与模拟量的转换功能——模拟量控制功能
PLC设置有数据传送、比较、运算、移位、位操作、数制转换等数据处理指令和打印输出指令，并可对存储器间接寻址。
PLC可配有模数转换A/D和数模转换D/A模块，能实现对模拟量的测量和控制。
3．数据发送和接收功能——通信功能
PLC设置有数据发送和接收指令，可与计算机、其它PLC和外设之间建立链接，具有通信联网功能。
4．中断处理功能
PLC设置有中断指令，通过中断响应，及时得到所输入状态的变化信息，能够进行故障检测和提高运行速度。
5．监控和自诊断功能
PLC设置有报警和运行信息的显示，它在系统发生异常时自动停止运行并发出报警信号，能够保护和恢复现场，还能通过软件进行故障检测和程序校验。
6．扩展功能
PLC主机上设有输入输出扩展接口，通过专用模块配置可扩大信息处理范围和实现功能扩展。
例如，配置扩展I/O模块，可增加输入输出点数，配置智能I/O模块可使PLC增加伺服电机控制、闭环过程控制、温度控制、远程通信等专项特殊功能。
1.3.3可编程控制器特点
1．可靠性高
设备的高可靠性指的是平均无故障工作时间（MTBF）长和故障平均修复时间（MTTR）短。
可编程控制器在恶劣工作环境中应用的高可靠性，由以下设计得到保证：
硬件接线元件少，且采用精选、冗余、集成化、模块化等措施，使元件寿命长、故障少、故障易于查找；采用多层次的抗干扰措施，如对CPU模块的电磁屏蔽，在电源电路和I/O模块中设置滤波电路和在输入输出电路中采用信号光电耦合，使PLC可与强电设备在同一环境下可靠工作；因编程简单、操作方便而使失误减少；设置了掉电保护、监控、报警、故障检测等电路和程序，能够及时发现和排除故障。
采取以上措施后，一般可编程控制器的抗干扰能力可达1000V1μs的窄脉冲的冲击，平均无故障工作时间可高达5～10万小时。
可见PLC具有极高的可靠性，这也是PLC得到用户认可的首要因素。
2．柔性好
设备的柔性是指其在使用过程中的适应性和灵活性。
可编程控制器的柔性表现为：
由于采用程序控制方式，所以在因产品改型而改变工艺流程或更换生产设备时，只需通过程序的编制和更改即可适应生产要求，而不必改变控制装置。
这一柔性特点使PLC成为柔性制造系统FMS中必不可少的控制装备。
模块式结构具有扩展的灵活性，用户可根据实际控制要求选用和组合模块，方便地进行系统设计、修改和安装。
3．功能强大
可编程控制器不但具有开关量控制、模拟量控制、数据通信、中断控制等完善的功能，还能根据需要实现容量和功能的扩展，形成各种专门的智能控制功能。
这是PLC得到各行各业广泛应用的重要原因。
4．使用方便
可编程控制器的使用方便表现在以下两方面：
编程方便。
PLC提供了多种面向用户的编程语言：
梯形图、指令语句表、功能图等，其中梯形图语言的表达方式与继电器控制系统的电气线路图类似，极易被工厂电气技术人员接受和掌握。
这样，即使不懂计算机原理和语言的用户，也能使用PLC。
操作方便。
对PLC的操作是指程序的输入和程序的更改，通常采用手持式编程器和个人计算机进行。
编程器直接或由电缆插入PLC的相应插座，程序由键盘输入并有液晶显示，可工作在编程、运行和监控的不同状态下，用于现场调试和在线修改是非常方便的。
通过PLC厂商提供的编程软件及通信接口，用户还可以使用个人计算机对PLC编程，并对系统进行仿真、测试、监视和控制。
5．体积小、功耗低
集成电路模块使可编程控制器达到小型化或超小型化，使其易于装入机械电子设备内部，这是产品实现机电一体化的关键。
1.3.4可编程逻辑控制器发展史
上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。
1．第一阶段：
初级阶段（1969至70年代中期）
主要是逻辑运算、定时和计数功能，没有形成系列。
与继电器控制相比，可靠性有一定提高。
CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。
2．第二阶段：
扩展阶段（70年代中期至末期）
PLC产品的控制功能得到很大扩展，包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。
增加了数字运算功能，能完成模拟量的控制。
开始具备自诊断功能，存储器采用EPROM。
3．第三阶段：
通信阶段（70年代中末期至80年代中期）
PLC随着计算机通信的发展，形成了分布式通信网络。
PLC就已经从汽车行业迅速扩展到其它行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。
4．第四阶段：
开放阶段（80年代中期至今）
通信系统开放，使各制造厂商的产品可以通信，通信协议开始标准化，使用户得益。
PLC开始采用标准化软件系统，并完成了编程语言标准化工作。
随着PLC技术的推广应用，PLC将向两个方面发展：
一方面向着大型化的方向发展，另一方面则向着小型化的方向发展。
PLC向大型化方向发展，主要表现在大中型PLC高功能、大容量、智能化、网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合的自动控制。
第2章全自动包装机控制系统总体设计
第一章介绍了可编程控制技术的一些概要情况，下面就具体结合包装机控制系统的实际来看一下它的应用。
这里需要说明的是，正如前面所提到的那样，可编程控制技术并非单纯是指PLC本身，而是包括其在内的一系列自动化控制产品和技术的应用。
在电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的配合需求，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的包装设备。
2.1本课题研究的主要内容
现代社会对物品的包装要求越来越高，为使包装出的物品整齐、美观并且具有良好的包装质量，要求包装机具有精确的动作、定位精度及较高的生产率，因此对包装机的控制要求是越来越高。
传统的继电器已经不能满足现代生产的要求了，所以研制高效、经济的新型包装机械是市场的迫切需要。
供膜
日期
打印
纵封
运动
装料
横封
运动
切断
袋膜
成品
图2-1包装机工作控制
包装机工作控制如图2-1所示。
全自动小袋包装机是具有日期打印、纵封运动、装料、横封运动、切断袋膜等功能的包装设备。
其工作原理是将卷膜按照规定的供膜要求安装好后，卷膜由走袋电动机通过同步带轮带动两组同步带将薄膜带动行进。
当薄膜通过打印器时，可自动打印上需要的日期。
薄膜经翻领成型器，通过纵封器的纵封将薄膜制成袋筒，袋筒经过横封器进行下横封（此时上、下横封同时进行，袋膜经过刀片从上、下横封中间切断，刀片上的为上袋下横封，刀片下的为下袋上横封）。
物料通过漏斗的料位检测，电控系统自动控制上料机得启停使漏斗内的物料保持一定的高度，形成稳定的料压，以保证计量的精度的稳定性。
物料充填量杯后，超出杯口的物料由刮板刮平，当物料视比重变化时，可通过旋转计量调整机构手轮改变量杯容积，达到计量精度要求。
物料通过下料筒流入袋膜中进行上横封，上、下横封工序完成后，装有物料的袋膜通过自重落入溜板输出机外。
自动包装机工艺过程由袋成型、充填、封口，冷却等几部分组成，包装机控制系统输入信号有：
膜检测、横封和纵封的最高温和最低温检测、动盘到位检测、色标、料满检测，横封、纵封日期打印情况、过载保护等。
输出信号有：
走袋电动机、打印电磁阀、刮板电磁阀、切刀电磁阀、动盘电磁阀、供料电动机、冷却电动机、横封加热管、纵封加热管、空气压缩机和声光报警等。
2.2基于PLC的包装机生产工艺概述
通过分析控制系统，控制系统分为纵封运动、供料系统、横封运动和封切运动等。
纵封运动和横封运动中要牵涉温度的控制。
横封结束后要运用切刀的动作将包装好的成品和膜切断。
在高速运动中，传统方式中各部分的动作精确度不够，而采用PLC控制的电机完成此项工作是比较容易的。
它既灵活方便，又精确可靠。
所以我们选择PLC控制的方案是：
在控制系统确定后，利用传感器收集的信号通过PLC去控制其他执行机构。
根据膜上的色标来确定横封的位置。
PLC除完成以上对执行机构的控制外，还要同时检测其他过载信号，同时声光报警，提醒工作人员检修。
以此减少控制系统因为故障而产生不必要的浪费。
此全自动包装机控制系统中最主要的就是PLC。
其次系统中需要采用有膜信号、动盘到位、日期标号等信号，所以要采用光电传感器去检查以上信号。
要判别横封和纵封的最低温度和最高温度，所以要采用温度传感器去检测。
要检测色标的位置，所以要采用颜色传感器。
要使传感器工作，要用一个24V的电源模块给电路中的电磁阀和A/D模块供电。
防止电路中各电机等过载，所以要用到热继电器。
由于横封和纵封的存在，所以还要有加热管。
其他还要电机、交流接触器和电磁阀等。
2.3系统运行方式
系统运行方式分为手动和自动。
1．手动：
按下启动按钮，手动开关闭合，程序才能够运行，完成相应的动作。
2．自动：
按下启动按钮，程序完成一个周期的动作后又接着从第一步开始运动，自动循环。
在自动方式下，中途若按下复位按钮，则系统要继续运行到第一步开始位置才停止。
根据包装机的实际运行情况，本设计采用自动运行和手动运行两种方式，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，又要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。
2.4系统控制总框图
系统硬件配置机构框图如图2-2所示，包括中央处理单元及I/O扩展单元、检测元件（光电开关和接近开关等）、控制元件（交流接触器和电磁阀）以及执行元件（电动机）等几部分。
操作人员给出操作指令并指示设备的运行状态，机器启停、功能切换、工况检测、运行状态、故障报警等，检测元件检测料位
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