苯酐成品自动包装系统的设计.docx

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苯酐成品自动包装系统的设计

摘要

自动包装控制系统适用于石油化工、化肥、粮食、港口等行业，可实时对PP、PE粒子、PVC、化肥、粮食等粉状、颗粒状物料进行全自动包装控制，便于用户储存、运输和销售。

包装系统的控制精度以及自动化程度，对产品的生产有着重要意义。

本设计主要对苯酐成品进行自动包装设计，苯酐成品自动包装系统主要由给料部分、称重部分、装袋折边部分、封口部分、冲突检测部分组成。

文中利用CPU224和称重仪表F701以及变频器、各种电机实现包装物料的称重及自动包装过程的控制。

通过检测信号对物料进行装袋、折边、封口、输送的控制。

本设计通过光电传感器实现了两条生产线的协调工作。

文中给出各器件选型及各部分电路设计，并给出了软件流程及主要梯形图。

本系统实现了粗细给料、称重、夹袋装袋、折边封口、输送的自动控制，并提高了控制运行速度，保证了生产的正常安全运行，大大提高了劳动效率。

该系统具有操作简单，运行可靠，维修方便等优点。

关键词：

控制系统；传感器；可编程程序控制器；称重仪表

Abstract

Automaticpackagingcontrolsystemissuitableforpetrochemical,chemicalfertilizer,grain,portsandotherindustries,canbereal-timeforPP,PE,PVCparticles,chemicalfertilizer,food,andotherpowder,granulematerialssuchasfullyautomaticpackagingcontrol,makingiteasyforuserstostore,transportandsales.Packagingsystemcontrolprecisionandautomationdegree,fortheproductproductionhasimportantsignificance.

Thisdesignmainlyforbenzeneanhydrideproducttoauto-packaging.Benzeneanhydrideproductpackagingautomaticsystemismainlycomposedofgivingpart,weighingpart,baggingfoldingpart,sealingpart,partsforcollisiondetection.Inthispaper,weuseCPU224,weighinginstrumentsF701andfrequencyconverter,allkindsofmotortorealizeweighingandpackagingmaterialsandauto-packagingprocesscontrol.Bydetectingsignaltocontrolthematerialstobebagging,folding,sealingandtransporting.Thisdesignachievethecoordinationoftwoproductionlinesthroughthephotoelectricsensor.Thispapergivingallpartsofthedeviceselectionandcircuitdesign,andalsogivingthesoftwareflowandmainladderdiagram.

This system realizes the thickness giving weighing,  bagging, sealing and transporting automatic control, this improve the control speed, to ensure the safe operation of the production, and also greatly improve the labor efficiency .Thesystemhassimpleoperation,reliableoperation,convenientmaintenance,etcadvantages.

Keywords：

ControlSystems；Sensor；ProgrammableLogicController；Weighing

第1章绪论

自动包装系统的背景

自动包装控制系统是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手。

自动包装系统是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多关节的操作系统。

它可以是固定式或移动式的，用于工业自动化作业中。

自动包装控制系统与其他专用自动控制系统的主要区别在于，专用自动控制系统是适应于大量生产的专用自动化设备，自动包装控制系统是一种能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化设备。

自动包装控制系统是机电仪一体化高技术产品，适用于化工、粮食、食品及医药等行业。

它可实现对粉、粒、块状物料（如塑料、化肥、合成橡胶、粮食等）的称重、供袋、装袋、折边、封袋、倒袋整形、输送等作业全部实现自动化。

通过可编程序控制器，对整个生产线的工作过程进行自动控制。

可编程控制器（ProgrammableLogicalController）简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司（DEC）为美国通用公司（（GM）研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。

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。

但不久，西德的西门子（SIEMENS）公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。

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了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。

小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。

据国外资料介绍:

1982年美国PLC用户中，有48%来自自动程序操作部门（如汽车、拖拉机工业、机械工业等）、13%来自石油化工业、9%来自食品饮料业、7%来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门‘11。

近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的PLC已通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用。

如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的PLC。

自动包装系统的应用现状

从专业化程度看，目前国内包装设备厂自动化程度还不高，57%的企业是兼业生产，仅上海、山东、江苏、辽宁、浙江、广东等省市专业厂较多。

很久以来，包装生产线只做到把物料包装好为止，至于后续的搬运工作，则完全由搬运工人来完成。

造成这种局面有多方面的原因，但主要是由于我国生产力水平较低，劳动力便宜，科研人才缺乏造成的。

随着知识经济时代的到来，这种局面必将会被打破。

总的来说，我国包装设备制造工业经近20年的努力，在数量、质量、水平方面均有较大的进展，为我国建立一个门类齐全、技术先进、水平相当、独立完善的包装设备生产系统奠定了坚实的基础。

但要想在未来的国际竞争中占有一席之地，还必须要找出自身缺点和不足，特别是要找出与北美、日本、西欧等国家的差距。

纵观20余年的发展，不难发现我国包装机械行业中存在的某些明显不足之处。

1．低水平产品重复生产多如小型自动封口机、真空包装机、小型灌装机、小食品生产设备等。

这些设备技术难度小，成本低，起步快，因此，不少企业选中它做“入门”产品，以此积累资金再展鸿图。

这样，就造成产品不可避免地重复，产品积压卖不出去，自然又影响设备的更新，最终使得生产水平难以提高。

2．高技术含量的产品尚未有人生产如多层共挤设备。

欧美一些著名的公司，虽有成套设备供应，但其共挤头也是从美国购来配套的。

再如高压杀菌设备，甚至连实验室阶段也未进入。

3．自主开发能力较弱一方面是我国的企业起步较晚，还未摸清市场的脉搏，另一方面是科技力量薄弱，高科技人力资源不足，不具备先进的设计工具。

本行业应用CAD的还不是很多，所以一提新产品，许多企业往往看好别人已生产的产品，市场不错，买来图纸依样画葫芦，结果并不理想。

有的企业照搬国外产品测仿，达到了样机水平的则吹为“国际先进水平”，实际上是人家早已淘汰的产品。

4．可靠性问题普遍存在我国一些企业不太注意产品质量，表现在两个方面：

一是自身加工的零部件，有的精度不够，有的材质不好，有的该热处理的不热处理，该锻压的不锻压，以致于出现出口产品断轴，运行不到一个月即严重磨损而不能使用。

另一方面是配套件，进货把关不严或有意购进低价劣质产品，以致于出口产品轴承开裂。

有的产品在用户开机时因电器故障一次就卡壳。

当然，密封件、传动件问题也不少。

5．产品防护问题未能引起重视为了操作人员的安全，设备安全所采取的措施较少这类产品绝对进不了欧美市场，只能进入第三世界没有防护立法的国家和地区。

安全性、可靠性是至关重要的，一定要引起企业的足够重视。

自动包装系统的发展趋势

为了满足各行各业对日新月异的商品的包装要求，改善工作环境，降低劳动强度，包装码垛系统就必须适应不断发展的包装工业的需要，未来的包装系统将有以下发展趋势:

1．机电仪综合技术是自动包装控制系统的发展主流，自动化程度是衡量包装机械技术水平的重要标志。

其内容包括自动控制（工艺过程、工艺参数、产品质量、运行故障、安全防护等控制）和自动检测（包装物、包装容器及材料、包装产品、包装过程等检测）两个方面。

由于大量采用了微电子、远红外、传感器等高新技术，特别是微型计算机的应用，使上述两个方面的水平迅速提高，从而简化了产品结构，减少了人工操作，提高了包装质量。

2．在促进单机高速化的同时，注意提高系统效率高速化是提高包装机械生产效率的主要途径，为此，不断提高包装速度已成为总的发展趋势。

其主要途径是在提高自动化水平的同时不断改进结构。

与此同时，还将更多的注意力投向提高整个包装系统的生产效率上，使高速化向深层次发展，使包装系统更加经济合理。

3．在发展专业机的同时，积极开展通用机型对于某些形状、尺寸基本固定，生产批量较大的包装物如烟、糖果等，为了提高生产效率，简化产品结构，便于专业化生产，往往有各种相应的专用设备进行包装，但近年来由于多品种小批量的商品市场需求以及中、小型用户的发展，多功能通用包装系统发展十分迅速，其适用范围也愈来愈广。

4．大力开发辅助设备，促进连续化包装生产线的发展单机联线生产效率的提高，除主机外，各种辅助设备也相当重要。

为此，全面地系统地开发各种包装辅助设备已引起普遍关注。

如用于包装容器、包装物及包装产品的各种整理、转向、运送装置、检测装置、打印装置等的开发，大大提高了包装生产线的效率和自动化程度。

苯酐的自动包装技术

苯酐定量包装系统的要求较高，既要尽可能提高包装速度，又要保证每袋包装的重量精度（每袋的重量偏差在国家规定的标准之内）。

苯酐生产线主要由自动定量包装机、自动上袋机组、封口系统等单元组成。

通过可编程序控制器（PLC）对整个生产线的工作过程进行自动控制，此系统具有操作简单，运行可靠，维修方便等优点。

可根据用户要求，在通讯接口上连接各种不同的设备。

还可与上位计算机或触摸屏连接，对苯酐自动生产线实现实时监控、远程诊断和网络化管理。

日趋规模化、国际化的现代化工业生产，要求包装作业依次完成自动包装、输送、检测、贮存等工序。

一般的机械称量、手工装袋，不仅在速度、质量、卫生条件和花色品种等方面无法达到要求，单机操作设备和单一包装品种、规格的包装机产品也难以胜任其全部要求。

常规的生产模式在市场竞争激烈的现代社会已经不能满足人们的需求，而在对资源的利用上也有着较大的浪费，为了能够在激烈的市场竞争中占有一席之地，并且能够更加有效的利用资源，避免不必要的资源浪费，降低生产成本，自动化生产就实现了这一目的。

自动化生产能够降低工人的劳动强度，并可以提高产品的质量和生产速度，适应批量生产的需要。

随着时代的发展、生产水平的不断提高、人们对物质的需求越来越大，导致传统的生产方式已经不能满足社会的需要。

因此自动化生产就应运而生，同时单片机和PLC就在自动控制系统中得到了广泛的应用。

单片机的价格低廉，体积小巧，应用起来比较方便，在许多方面都得到了应用，如：

智能车、智能楼宇、导弹的导航、各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等方面。

PLC相对来说价格较高，但是功能更加强大，广泛应用在汽车、自动化生产等领域。

在机械自动化生产中，单片机的是无法大规模应用的，即使应用系统也会很繁琐，一般是整个系统中的一部分采用单片机组成一个最小系统来进行工作。

而PLC在自动化生产中的应用是非常普遍的。

本设计中以PLC为控制核心，对称重部分、给料部分、夹袋部分、封口部分、传送部分进行综合控制实现苯酐成品的自动包装。

第2章

方案论证

设计任务及要求

本设计中，主要设计固态成品自动包装系统（称重仪部分选择合适的仪表），完成自动称重、包装以及两条生产线的协调工作，要求设计组态界面，并尽可能满足低价位、实用型的要求。

主要技术要求如下：

（1）额定称重：

25kg/每袋；

（2）精度等级：

0.2级；

（3）双螺旋双速给料；

（4）称重仪表具有自动零点校准、故障自动诊断量程超差报警等功能；

（5）称重速度：

160—200袋/每小时；

设计方案选择

方案一：

以单片机为控制核心的控制系统，通过称重仪表传送过来的信号在单片机内内部进行比较，输出控制阀门的系统。

总体框图如图2.1所示。

A/D转换器

图2.1单片机称重系统

方案二：

以PLC为控制核心，以称重仪表送来的信号为输入，通过编程后输出开关量控制气缸、电机、变频器的运转实现自动包装系统。

系统总体框图如图2.2所示。

装袋

图2.2PLC自动包装系统

PLC的核心其实就是一块单片机，它围绕着这块单片机（CPU），建立起外围硬件系统，并在其内部固化了编译和通讯等等的特殊程序，这样就能直接和外部编程器通讯。

外部的程序写进来。

通过编译形成一段执行程序，来控制PLC的输出达到工业控制的目的。

分析对比：

单片机对环境要求较高，抗干扰能力差，而PLC的抗干扰能力强，对工业环境的适应能力强，而且它具有构造简单，扩展容易（模块化），编写程序简单（梯形图程序非常直观）等等优势。

对于大型设备来说，非常易于维护，结构的模块化使其扩展和更换都变得非常容易。

而且容易掌握

对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好。

综合以上优点，本设计采用PLC为控制核心设计自动包装系统。

PLC的选型及I/O编址

根据要求需要设计两条生产线，单条生产线需要的输入主要有启动停止按钮、粗细给料信号、夹袋信号、装袋信号、卸袋信号、折边信号、封口信号、倒袋信号和冲突信号，输出有气缸、电机和指示灯的驱动和输出。

根据分析可知单条生产线需要输入/输出点为13/20，并作出I/O分配如表2.2。

本设计采用西门子S7-200PLC系列中的CPU224，本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

13K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。

1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

I/O端子排可很容易地整体拆卸。

是具有较强控制能力的控制器。

该PLC具有14点输入和10点输入，为了满足设计要求，需要添加扩展模块。

并且需要预留出一定量的余量做备用。

本设计采用具有16点数字量输入、16点数字量输出的EM223扩展模块和8点数字量输出的EM222扩展模块以及具有2路模拟量输出的EM232模块。

模块连接图如图2.3所示。

模块5

EM232

AO2

图2.3模块连接图

根据模块连接图做出I/O编址表，如表2.1所示。

表2.1I/O编址

主机I/O

模块1

模块2

模块3

模块4

模块5

I0.0

Q0.0

I2.0

Q2.0

Q4.0

Q5.0

AQW0

AQW4

I0.1

Q0.1

I2.1

Q2.1

Q4.1

Q5.1

AQW2

AQW6

I0.2

Q0.2

I2.2

Q2.2

Q4.2

Q5.2

I0.3

Q0.3

I2.3

Q2.3

Q4.3

Q5.3

I0.4

Q0.4

I2.4

Q2.4

Q4.4

Q5.4

I0.5

Q0.5

I2.5

Q2.5

Q4.5

Q5.5

I0.6

Q0.6

I2.6

Q2.6

Q4.6

Q5.6

I0.7

Q0.7

I2.7

Q2.7

Q4.7

Q5.7

I1.0

Q1.0

I3.0

Q3.0

I1.1

Q1.1

I3.1

Q3.1

I1.2

I3.2

Q3.2

I1.3

I3.3

Q3.3

I1.4

I3.4

Q3.4

I1.5

I3.5

Q3.5

I3.6

Q3.6

I3.7

Q3.7

表2.2I/O分配表

输入

输出

I0.0

第1条生产线启动按钮SF1

Q0.0

第1条生产线的进料气缸QA1

I0.1

第1条生产线停止按钮SF2

Q0.1

第2条生产线的进料气缸QA2

I0.2

第2条生产线启动按钮SF3

Q0.2

第1条生产线的卸料气缸QA3

I0.3

第2条生产线停止按钮SF4

Q0.3

第2条生产线的卸料气缸QA4

I0.4

第1条生产线夹袋信号KF1

Q0.4

第1条生产线的折边机

I0.5

第2条生产线夹袋信号KF2

Q0.5

第2条生产线的折边机

I0.6

粗给料1停止信号（24kg）KF3

Q0.6

第1条生产线电源指示灯PG1

I0.7

细给料1停止信号（25kg）KF4

Q0.7

第2条生产线电源指示灯PG2

I1.0

粗给料2停止信号（25kg）KF5

Q1.0

输送电机1

I1.1

细给料2停止信号（24kg）KF6

Q1.1

I1.2

第1条生产线装袋信号KF7

Q2.0

第1条生产线粗给料指示灯PG3

I1.3

第2条生产线装袋信号KF8

Q2.1

第1条生产线细给料指示灯PG4

I1.4

Q2.2

第1条生产线粗给料指示灯PG5

I1.5

Q2.3

第1条生产线细给料指示灯PG6

I2.0

第1条生产线卸袋信号KF9

Q2.4

第1条生产线装袋指示灯PG7

I2.1

第2条生产线卸袋信号KF10

Q2.5

第2条生产线装袋指示灯PG8

I2.2

第1条生产线折边信号KF11

Q2.6

I2.3

第2条生产线折边信号KF12

Q2.7

I2.4

第1条生产线折边完成信号KF13

Q3.0

第1条生产线折边指示灯PG11

I2.5

第2条生产线折边完成信号KF14

Q3.1

第2条生产线折边指示灯PG12

I2.6

第1条生产线封口信号KF15

Q3.2

第1条生产线封口指示灯PG13

I2.7

第1条生产线封口完成信号KF16

Q3.3

第2条生产线封口指示灯PG14

I3.0

第2条生产线封口信号KF17

Q3.4

第1条生产线夹袋指示灯PG15

I3.1

第2条生产线封口完成信号KF18

Q3.5

第2条生产线夹袋指示灯PG16

I3.2

第1条生产线的冲突信号KF19

Q3.6

输送电机2

I3.3

第2条生产线的冲突信号KF20

Q3.7

I3.4

第1条生产线的倒袋信号KF21

Q4.0

第1条生产线的夹袋气缸QA5

I3.5

第2条生产线的倒袋信号KF22

Q4.1

第1条生产线的夹袋气缸QA6

I3.6

Q4.2

第1条生产线的夹袋气缸QA7

I3.7

Q4.3

第1条生产线的夹袋气缸QA8

Q4.4

第1条生产线的夹袋气缸QA9

Q4.5

第1条生产线的夹袋气缸QA10

Q4.6

第1条生产线封口机

Q4.7

第1条生产线倒袋电机

Q5.0

第2条生产线的夹袋气缸QA11

Q5.1

第2条生产线的夹袋气缸QA12

Q5.2

第2条生产线的夹袋气缸QA13

Q5.3

第2条生产线的夹袋气缸QA14

Q5.4

第2条生产线的夹袋气缸QA15

Q5.5

第2条生产线的夹袋气缸QA16

Q5.6

第2条生产线封口机

Q5.7

第2条生产线倒袋电机

AQW0

第1条生产线的变频器输出

AQW2

AQW4

第2条生产线的变频器输出

AQW6

第3章

硬件电路设计

整体电路设计

根据设计要求，本设计要实现的功能有粗细螺旋给料、称重模块、夹袋封口模块、显示输出和防止冲突设计。

螺旋输送电机传输物料，物料经过称重传输物料，物料经过称重仪表准确称量后送入装袋部分。

装袋后对物料进行封口和运输送入仓库。

根据工艺过程设计总体框图3.1所示。

倒袋

图3.1总体设计框图

称重仪表和称重传感器设计

称重传感器是将被测力一重力（压力）等机械量转换为与之成比例的电信号的仪器。

被称为电子衡器中的心脏部件，随着科技的飞速发展，由称重传感器制作的电子衡器也已被各行各业广泛地应用，实现了对物料的快速、准确的称量。

称重传感器的选用除了要考虑使用的实际需要，即在满足测量精度和主要技术性能方面，还考虑经济实用。

由于它的弹性体结构和采用的应变计性能不同，在测量精度和其它性能方面也会有所不同，因制造工艺不同，生产成本也会有很大差别，销售价格也因之不同，所以要综合考虑应用的实际需要来选用合适的传感器。

（1）传感器精度的选择

传感器的精度包括额定载荷、灵敏度、非线性、重复性、滞后性和蠕变等技术参数。

目前，称重传感器的普通级精度为千分之五，中级精度为千分之二至万分之五，高精度为万分之三