基于PLC与组态的红枣自动去核包装控制系统毕业设计.docx
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基于PLC与组态的红枣自动去核包装控制系统毕业设计
2015年度本科生毕业论文（设计）
基于PLC的自动红枣去核包装控制系统
院－系：
工学院
专业：
电气工程及其自动化
年级：
2011级
学生姓名：
学号：
导师及职称：
2015年4月
2015AnnualGraduationThesis（Project）oftheCollegeUndergraduate
TitleoftheGraduationThesis（Project）
Department:
collegeofengineering，DepartmentofAutomation
Major:
ElectricalEngineeringandAutomation
Grade:
2011
Student’sName:
StudentNo.:
Tutor:
April,2015
毕业论文（设计）原创性声明
本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。
作者签名：
日期：
毕业论文（设计）授权使用说明
本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。
有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。
学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。
保密的论文（设计）在解密后适用本规定。
作者签名：
指导教师签名：
日期：
日期：
毕业论文（设计）答辩委员会（答辩小组）成员名单
姓名
职称
单位
备注
主席（组长）
摘要
在核果类水果的前加工工作中，去核是一项很重要的加工工序，作为核果类水果之一的红枣，红枣去核是一个比较困难的事情，在红枣收获之际，一边要着急收获红枣，一方面又要赶着把红枣去核卖更好的价钱。
目前大多数红枣种植户、工厂采用的去核方法是传统的手工去核，这种去核方式不仅效率低，而且费时费力，偶尔还会弄伤手指，因此，设计一种新型的自动去核控制系统是很有必要的。
本文主要内容包括对红枣自动去核包装控制系统进行方案设计、电气设计、软件设计。
采用PLC和组态王对红枣去核包装控制系统进行设计与实现，建立人机界面，对生产进行实时监控。
在操作台内用独立的PLC专门对称量器上红枣的重量、孔状运输带的位置与速度、推进去核电机与清除废料电机的推进与伸缩、装箱前称量器内红枣的质量、纸箱的位置等进行自动控制，将控制信号传给主控PLC,完成对储物仓仓门闭（合）、运输带停止（启动）、推进器推进（收缩）、封口机的工作与否，实现各部分之间的协调运行。
同时对上料系统、定位系统、抓取系统、冲核系统、顶核系统等进行了初步计算设计。
使得其工作效率更高更精确，产品质量更好。
自动红枣去核包装系统能在短时间内对采摘回来的红枣进行去核并包装，省时省力，在很大程度上帮助了红枣种植户、加工厂更轻松更有效率的完成去核并包装的任务，让红枣产品生产线的控制更加方便快捷。
关键词：
红枣去核机；PLC；组态；控制系统
Abstract
Instonefruitsbeforeprocessingwork,togonuclearisaveryimportantprocessstep,asoneofthedatesdrupefruit,reddatesisamoredifficultthing,inoccasionofharvestdates,Sidetoworryharvestdates,ontheonehandbutalsotocatchthereddatestosellabetterprice.Fornow,mostofjujubegrowersandfactorytogonuclearbytraditionalmanual,thisisnotonlyinefficientwaytogonuclear,time-consuming,occasionallyinjuredyourfinger.Andso,todevelopanewtypeofnuclearequipmentisnecessary.
Themaincontentsincludeenucleatedofautomationandpackagegetdesignincludethecontrolsystemdesign,electricaldesign,softwaredesign.WithPLCandKing,designtheControlSystemsandImplement,establishHMI,Real-timemonitoringofequipment.
IntheconsoleinsideuseaseparatePLCweighthejujube,Controlthespeedoftheconveyorbeltandlocation,EnucleatedofthemotorandCleaningMachine,controlthemforwardandbackward.Theweightofthejujubebeforetestingintocartons,detectthelocationofthecarton,PassthesignaltoPLC,makethevalveopenedorclosed,controlthestartorstopofconveyorbelt,Sealingmachineorstopwork,letthecoordinationbetweentheparts.
Atthesametime,controlconveyingmaterialsystem,positioningsystem,fetchingsystem,removethestoneofthefruitandcalculationanddesignforthem,letthemworkmoreefficient,betterthequalityoftheproduct.
Thecontrolsystemcaninashortperiodoftimetogotobigjujubenuclearandpackaging,tosavetimeandeffort,toagreatextent,helpedthejujubefarmersandprocessingplants,moreeasilyremovethedateandthepackagingmoreefficienttask,makejujubeproducedgoodsmoreconvenientandquick.
Keyword：
Jujubetonuclearequipment；PLC；Configurationsoftware；Controlsystem
1.前言
1.1研究背景及意义
我国从80年代后期就对核果类水果的去核系统、技术进行了开发和设计，但是取得的成果并不理想，很少有较好的自动控制系统能进行大范围的推广，研究成果也是寥寥无几。
目前国内的果核去除工具及技术大多仍然是停留在手工去核或者简陋的工具去核的层次，投入的劳力大，强度也大，而且不能达到卫生水平的要求。
在工人们进行去核生产的时候还会刺伤手指，为人们的人身安全带来了极大的安全隐患，并且在去核处理中会破坏果肉，造成极大的浪费。
而随着社会的不断进步与发展，人们生活水平的不断提高，人力劳动力的成本在生产过程中所占的比例越来越多，人们对食品安全卫生的要求也越来越高，因此实现核类水果的自动去核并包装是非常有必要的。
而作为核类水果中的红枣，有的地方又叫做大枣，它维生素含量非常高，有“天然维生素丸”的美誉,具有滋阴补阳，补血等功效。
我国是红枣生产大国，也是红枣制品消费大国，在我们的日常生活中，红枣产品随处可见，红枣饮料、红枣雪糕、红枣月饼、红枣干、红枣糕、红枣茶……但是在生产这一些产品之前，大都需要把红枣先去核，而红枣去核是一个比较困难的事情，目前大多数红枣种植户、工厂采用的去核方法是传统的手工去核，这种去核方式不仅生产效率低，而且费时费力，往往去核后的枣肉质量也得不到保证，偶尔还会使人受伤，因此，设计一种新型的自动红枣去核包装控制系统是一种必然的发展趋势。
1.2基于PLC的自动红枣去核包装控制系统概述
红枣去核包装控制系统主要用于红枣前加工的去核工作与去核后的称重包装工作。
红枣由储物仓倒入运输带，由运输带输送至临时储物箱中，跟随孔状运输带输送到去核针部分，去核针由PLC控制对孔状运输带内的红枣进行冲核，冲核的同时气压机由PLC控制适时喷射高压空气把枣核喷射到废料运输带，与此同时顶枣杆对残留在孔状运输带里面的残余枣肉进行清理，去核之后的枣肉随即掉落在成品运输带上，随之被运输至称量装置上，当称量器内的红枣达到预定的重量时，由PLC控制运输带停止运行，同时称量箱进行红枣倾倒，把红枣倒入下方纸箱内部，再通过PLC控制进行运输、冲核、清理、封口等步骤的进行。
整个系统由上料系统、自动控制系统、定位系统、冲核系统、清理系统、运输系统、称量系统、装箱系统、封口系统、报警系统等构成，实现了自动去核、称量、包装的功能，快速、经济、省时省力、安全，为广大红枣种植户解决了去核困难的问题。
1.3国内外研究现状综述
近年来，国内外的红枣去核系统的研究设计取得了一定的成果，例如，由宁天德自己设计的半自动硬枣去核机,使用了双输出轴的减速箱和转盘支座，这个设计将去核设备的上下往复运动系统与供料系统的间歇和运动实现了统一，虽然去核效果较好，但是需要采用人工上料，每分钟只能加工两百多个，投入的人力劳力较大，去核效率并没有得到显著提高。
二零零五年，由彭三河自主设计的红枣去核机，其采用了上下工作头双针来进行定位系统的定位，用上、下切刀进行去核，虽然去核效果较好，但是生产的效率比较低。
后来王在政设计了一种新型的红枣去核机，其使用的定位、扶正系统可根据红枣的大小进行调节，使得红枣可以均匀的进入旋转盘上面的红枣定位孔，冲核装置、冲枣装置进行上下运动作业，完成去核任务，将枣核枣肉排出，这种去核机不需要人工一个一个的将红枣放入定位孔，一定程度上提高了机器的工作效率，也提高了安全性能，但是适应性差，且工作效率也不是很高。
又如王兵臣发明的红枣去核机，由机架、储料料斗、红枣输送带、下传送链、冲核杆、上定位链、冲核杆导向套、偏心轮、拨片组件、支撑挡板、离合器、滚动轮、卡板等组成，其去核效果相较上面的集中去核机来说比较好，但是其结构非常复杂，不便于维修，生产成本比较高，而且自动化程度比较低，属于机械自动化。
直到二零一一年，新疆农业科学院的农业机械化研究所研制出了6QH-600型红枣去核机，设备采用了多面体轮驱动的载枣履带进行上料、毛刷进行扶正、曲柄连杆装置驱动冲核针上运动进行冲核，每小时可去核可达五万枚左右，去核率达90%以上，但是这种机型容易出现冲破枣的问题。
综合各种去核设备的控制系统来看，目前红枣去核设备系统的结构、设计有一些地方不合理，而且制造工艺、技术水平比较低，科技含量不高，使得运行时噪音非常大，不仅仅影响了周围居民的生活，而且在进行作业时需要经常有人在旁看守，如果操作人长期进行操作的话，对其听力是有很大的损害的。
系统运行的时候往往震动比较大，存在的安全隐患比较大，给操作人的人身安全带来了很大的威胁。
工作环境也是比较差，工作缺乏弹性，易使人感到疲劳。
而且纵观这些去核控制系统，大多为纯机械结构，自动化水平比较低，在运行的过程中各个部分之间都是统一进行运行的，上料系统、运输系统、定位系统、冲核系统等各部分之间不能独运行，一旦期间某一系统出现故障，整个系统都将瘫痪，而且还会造成各部分之间不必要的机械损坏，维修工作量大。
在机器出现故障时，甚至还会伤害到操作人员。
1.4主要研究内容
本文主要分为以下几个部分:
第一章是前言部分,主要对基于PLC的红枣自动去核包装控制系统进行了简要介绍,简单阐述了国内外对红枣自动去核包装控制系统的研究现状,说明了该研究的研究背景、意义。
第二章的主要内容是红枣自动去核包装控制系统的控制方案的设计,首先对红枣自动去核包装控制系统的系统结构及工作原理进行了介绍,然后给出了设计步骤和详细的总体方案设计。
第三章是红枣自动去核包装控制系统的硬件设计,首先进行设备的选型,然后描述了运输系统、给料系统、定位系统、冲核冲枣系统、清理系统、包装系统、报警系统等部分的设计，并画出PLC外部接线图。
第四章是红枣自动去核包装控制系统软件系统的设计,详细介绍了PLC的设计，对软件程序的编程进行了流程设计并以此编写梯形图，达到预期目的。
第五章是人机界面的建立，用组态软件建立人机界面，对系统进行实时监控，执行设备监控、实时曲线、报警等，便于读取所系信息。
第六章是总结部分，总结了设计过程中的收获与结果，分析了过程中遇到的困难，并对未来的发展趋势进行了简单阐述。
2红枣去核包装控制系统方案设计
2.1红枣去核包装控制系统的构成
此去核包装控制系统由供料系统将红枣运输至去核系统，再运输到称量包装系统进行称量装箱封口。
设备结构如图2.1所示。
图2.1自动去核包装控制系统结构图
去核系统各单元组成及工作原理如下:
当系统启动之后，储物仓开关打开，储物仓内的红枣进入运输带，与此同时控制运送未加工的红枣的运输带的电机启动，把红枣运送至临时储物箱中，当临时储物箱中的称量传感器检测到箱内的红时，控制孔状运输带的电机启动，红枣掉
入运输带上面的孔内，随之被向上运送至去核系统进去核。
临时储物箱内的称量传感器实时监控箱内红枣的重量，当临时储物箱内的红枣质量过重时，则储物仓的送料阀门关闭，运输带1停止，保证临时储物箱内的红枣数量与质量在一定的范围内，因为如果临时储物箱内的红枣数量太多的话，会有很多的红枣随运输带上涌，导致红枣溢出箱外。
在孔状运输带上，孔呈列状排列，在相应的位置安装接近传感器，当红枣随运输带运输至去核区域时，安装于去核端的接近传感器检测到红枣随运输带的到来，由PLC控制孔状输送带的电机停止一段时间，与此同时，用于去核的电机与用于把枣核喷射出去的气压机装置同时启动，在一个运行周期内进行去核、吐核、返回的操作。
与此同时，在该停留时间内，位于下端的顶枣电机启动，并推动顶枣针运作，把残留在运输孔内的红枣顶出。
被清除的枣核随滑梯滑落进入废料桶内，但是枣核会粘在废料运输带上，所以每过一段时间就会由清除电机启动对内部的枣核进行一次清理。
去核之后的红枣直接进入后面的运输带，随运输带落入带有称量传感器的容器内，当容器内的红枣质量达到一定的值后，运送去核后红枣的运输带的电机停止运行，与此同时而装满了额定质量的红枣的容器则倾倒，将内部红枣倾倒入下方运输带上面的纸箱内，下方的限位开关被倾倒动作触发后则倾倒装置复位，等待下一次的装枣准备。
当倾倒容器复位后，运输纸箱的运输带运行，将已经装满红枣的纸箱运送到封口机的位置进行封口，将空纸箱运送至将要倾倒端的容器下方接收红枣。
在整个过程中，操作人员可以对各个部分进行实时监控，通过组态建立的人机界面控制每一个部分的运行或停止，各个部分还设立了报警系统，当自动调节控制系统或料位超出预定范围时报警，以快速通知操作员进行检修或相关操作。
2.2红枣去核包装控制系统设计步骤
不仅在红枣去核包装控制系统中,在每一种电气控制系统中都应该要做到满足被控对象的工艺要求,以提高生产效率和产品
的质量。
在设计、应用系统时,包括硬件部分的设计、软件部分的设计、系统调试这三大部分。
如图2.2所示:
否
是
否
是
我们在进行该系统设计之前,必须要全面深入了解该系统,熟知各个被控对象,详细的了解被控对象的结构特点、生产工艺、生产流程和机械工作性能等。
接下来应该在这个基础上,分析并确定该系统的各种控制要求,例如设备需要动作的时间、位置、行程、顺序、条件等。
对端子数进行计算，确定了I/O端子数便于对PLC进行选择。
在进行对系统I/O端子数进行估算时应该全面考虑I/O信号的个数，还要考虑到信号的类型等其它特定的因素，最终确定端子数时要留一定的余量，以方便以后需要扩充的时候有剩余端子可用。
然后再根据估算的端子数来对PLC进行合适的选择。
分别确定输入、输出设备，列出清单，然后再对应PLC的1/0端口，进行I/O分配，画出PLC接线图，然后进行PLC的梯形图等软件设计。
最后对控制系统进行调试,对系统进行软件调试时必不可少的一个步骤，通过模拟实验对软件进行调试，更改错误，使之达到预定的效果。
2.3红枣去核包装控制系统的控制方案
PLC控制系统有四种，分别是单机控制系统、集中控制系统、远程I/O控制系统、分布式控制系统，他们各自的特点如下：
单机控制系统：
单机控制系统是由1台PLC控制1台设备或1条简易生产线。
单机控制系统构成简单，所需要的I/O点数较少，存储容量小，选择PLC的型号时，无论目前是否有通信联网的要求，都应当选择有通信功能的PLC，以适应将来系统功能扩充的要求。
图2.3.1单机控制系统
集中控制系统：
集中控制系统是由1台PLC控制多台设备或几条简易生产线。
这种控制系统的特点是多个被控对象的位置比较接近，且相互之间的动作有一定的联系。
由于多个被控对象通过同1台PLC控制，因此各个被控对象之间的数据、状态的变化不需要另设专门的通信线路。
集中控制系统的最大缺点是如果某个被控对象的控制程序需要改变或PLC出现故障时，整个系统都要停止工作。
对于大型的集中控制系统，可以采用冗余系统来克服这个缺点，此时要求PLC的I/O点数和存储器容量有较大的裕量。
图2.3.2集中控制系统
远程I/O控制系统：
远程I/O控制系统就是I/O模块不是与PLC放在一起，而是远距离地放在被控对象附近。
远程I/O通道与PLC之间通过同轴电缆连接传递信息。
同轴电缆长度要根据系统的需要选用。
图2.3.3远程I/O控制系统
分布式控制系统：
分布式控制系统有多个被控对象，每个被控对象由1台具有通信功能的PLC控制，分布式控制系统的特点是多个被控对象分布的区域较大，相互之间的距离较远，每台PLC可以通过数据通信总线与上位机通信，也可以通过通信线与其他的PLC交换信息。
分布式控制系统的最大好处是：
某个被控对象或
PLC出现故障时，不会影响其他的PLC。
图2.3.4分布式控制系统
对于红枣去核包装这个系统而言,要对顶核针、顶枣针、清理装置、称量装置等部分进行控制，而且要对多台设备进行控制，所以如果采用单机控制系统的话会对主控PLC造成较大的负担，所以不宜采用单机控制系统。
另外由于控制对象只有去核包装系统,被控对象相对来说比较集中,并且不需要大量的交换数据和信息,所以也没有必要选用分布式控制系统。
对于远程I/O控制系统来说，因为主控室一般都会在生产厂区，距离各个被控设备较近，各个设备都比较集中，也没必要选择远程控制系统。
红枣去核包装控制系统不需要投入很多的计算，运作也不算繁琐，各设备的工作与程序都一样，且不需要经常变更程序，所以选用集中控制系统最适合。
2.4人机界面设计方案
组态王是亚控科技开发的一套监控系统软件，该软件是新型的工业自动控制系统，利用组态软件可以实现图形界面的设计、建立动画链接、构建数据库、运行和调试等功能，利用组态软件我们可以轻松的实现各种数据的采集、发出。
利用其图形的编辑功能可以以动画的方式监控设备的运行状态，对设备进行非常直观的实时监控，并可以用其生成历史数据库、实时报表、历史报表等，在对红枣进行自动包装的过程中，需要对装箱红枣的重量与红枣的数量进行记录，并生成历史趋势曲线、实时趋势曲线等，便于工作人员对生产进行更好的监控。
报警记录等功能能使相关工作人员
对设备进行及时的检修与维护。
图2.4为去核包装监控界面的系统构成。
图2.4去核包装监控系统的构成
3红枣自动去核包装控制系统的硬件设计
3.1主要控制元件
红枣自动去核包装控制系统主要有下面几个部分元件组成：
（1）主控元件：
也就是PLC，它是整个系统的控制中心，通过对其进行程序的编写，使其指挥电机、气压机、封口机等各个装置按照所需要的方式运行，得到预期的结果。
（2）传感器：
这里主要用到压力传感器、接近传感器、料位传感器，它们分别负责临时储物箱内红枣的重量、料位监，称量器内红枣的重量监控，储料仓料位监控等，控制孔状运输带的停止、运行，顶核针顶枣针的运作等。
（3）驱动元件：
这里的驱动元件主要是电机与气压机，分别有驱动运输带运作的电机，驱动顶核针与顶枣针运作的电机，驱动清理残余枣核的电机，还有负责将顶核针内枣核喷出的气压机。
（4）限位开关：
主要有负责称量器与封口机两部分的限位开关，分别完成对称量器倒料、复位，纸箱位置检测、封口机的工作与停止等工作。
（5）传动装置：
由驱动元件带动完成运输、顶核顶枣、清理等工作。
（6）报警装置：
达到报警条件时进行报警工作。
图3.1为控制系统的构成
图3.1去核包装系统的构成
3.2PLC的选型
确定PLC的选型首先要确定输入、输出量的数量，再根据所需配置选择相应的PLC型号，现对系统的输入、输出端子数估算如下表：
表3-1输入端子数估算
设备说明
数量（个）
故障报警
4
启动
5
停止
5
备用
2
合计
16
表3-2输出端子数估算
设备说明
数量（个）
电机
12
气压机
1
封口机
1
传感器
5
报警器
3
合计
22
I/O点总数在256点一下的PLC称为小型PLC。
小型PLC的I/O点数小于256点，单CPU、8位或26位处理器、用户存储器容量在4K以下，基于以上因素考虑，选用小型PLC能满足要求，经考虑最终选用三菱FX2N-64MR-DPLC，该PLC基本单元带32点输入、32点继电器输出，足以满足系统需求。
三菱FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方面都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。
可在基本单元上进行单元扩展或者模块扩展，能进行16—256点的灵活输入输出组合。
软元件应用指令非常丰富，例如高速处理指令、中断输入处理、简单指令、直接输出等。
图3.2为三菱FX2N-64MR-DPLC实物图。
图3.2FX2N-48MR实物图
3.3传感器的选型
3.3.1压力传感器的选型
压力传感器分别用在系统中的临时储存箱和称量装置上面，分别用于
升级会员 