浅论封口机的设计全解.docx
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浅论封口机的设计全解
编号
潍坊学院
本科毕业论文
课题名称:
浅论封口机的设计
***********
学号:
******
专业:
自动化
班级:
2013级班
指导教师:
****教授
2015年11月
摘要…………………………………………………………………………………………1
引言…………………………………………………………………………………………2
参考文献……………………………………………………………………………………15
致谢…………………………………………………………………………………………16
摘要：
通过将充填有包装物的容器进行封口，在产品装入包装容器后，为了使产品得以密封保存，保持产品质量，避免产品流失，需要对包装容器进行封口，设计了封口机。
用户可以通过WinCC查询转速、温度、加工记录、数量等信息；其中的参数通过WinCC直接调试。
方便了封口机的工艺参数选取与管理。
在以前的技术上，采用了PLC控制，热电偶检测，提高了封口的质量与效率。
封口机是指在包装容器盛装产品后，对容器进行封口的机械。
关键词：
封口机；通信；WinCC；PLC应用
ABSTRACT:
Byfillingapackagingcontainerforsealingtheproductintothepackagingcontainers,inorderomaketheproducttobesealedtomaintainproductqualityandavoidproductloss,theneedforsealingpackagingcontainersdesignedsealingmachine.UserscanquerybyWinCCspeed,temperature,processingrecords,quantityandotherinformation;oneoftheparametersdirectlythroughtheWinCCdebugging.Processtofacilitatethesealingmachineparameterselectionandmanagement.Inprevioustechnologies,theuseofthePLCcontrol,thermocoupledetection,improvethequalityandefficiencyofsealing.Sealingmachineisdressedinthepackagingcontainerproducts,mechanicalsealonthecontainer.
KEYWORDS:
Sealingmachine;communication;WinCC;PLCapplications
引言
工业自动化技术的发展从简单的电动单元组合式模拟仪表控制系统、DCS、PLC、IPC，一直发展到现在的FCS。
从单机控制系统到工业网络控制系统。
随着社会自动化程度的不断提高，互联网技术的不断成熟，传统的以单元生产设备为核心的自动化孤岛时代已经过去，多层次网络互联的自动化网络化时代正在到来。
工业网络是应用于工业领域的计算机网络。
具体的说是在一个企业范围内将信号检测、数据传输、处理、存储、计算、控制等设备或系统连接在一起，以实现企业内部的资源共享、信息管理、过程控制、经营决策，并能够访问企业外部资源和提供限制性外部访问，使得企业的生产、管理和经营能够高效率地协调动作，从而实现企业集成管理和控制的一种网络环境。
封口机的设计
为了适应在包装容器盛装产品后，对容器进行封口加工自动化，采用了PLC控制，WinCC监控，PID控制温度。
1.西门子S7-200
1.1西门子S7-200简介
1、工业控制领域里常见的几种控制方法：
传统的继电器-接触器控制、单片机控制、可编程控制器（PLC）控制、计算机控制（PC）、计算机-单片机控制以及计算机-可编程控制器控制等。
2、PLC是通过程序实现其控制功能，即通过“软接线”实现，因而当需要改变控制功能时，只需改变“软接线”，大大减少了劳动强度，提高了工作效率。
3、PLC控制的编程采用继电器式控制电路的梯形图编程，对于一般的人员也很容易学会使用编程。
PLC由于是专门为工业现场使用而设计的，故对工业现场的适应能力很强，PLC具有可靠性高、抗干扰能力强，功能强大，体积小、重量轻，易于实现机电一体化。
1.2STEP7—Micro／WIN32编程软件
1、编程软件与S7-200的连接
（1）、PC/PPI通信
（2）、在PC中安装MPI卡——RS485通信
2、STEP7—Micro／WIN32编程软件是基于Windows的应用程序，有西门子公司专门为S7-200系列可编程控制器设计开发。
它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可实时监控用户程序的执行状态。
3、软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发任务，利用该软件可设置PLC的工作方式和参数，上载和下载用户程序，进行程序的运行监控，还具有简单语法的检查、对用户程序的文档管理和加密等功能，并提供在线帮助。
1.3EM231模拟量输入模块
1、在工业控制系统中，温度、压力、流量、液位、成分、转速等物理量经传感器或变送器转换为直流电压、直流电流、毫伏电压、电阻等模拟量信号，这些信号需要经A/D转换变成数字量信号后才能被PLC所处理。
而执行器、变频器要求PLC输出模拟信号，从而实现对介质流量、电机转速的控制，模拟量I/O模块的主要任务就是实现A/D转化（模拟量输入）和D/A转化（模拟量输出）。
2、S7-200PLC有三种模拟量扩展模块：
EM231模拟量输入模块、EM232模拟量输出模块、EM235模拟量输入/输出模块。
1.4S7-200任务
1、在控制系统中，最主要的一个功能就是要将现场的信号采集进来，这项工作由S7-200PLC来完成，其中包括现场的传感器信号（热电偶信号、光电开关信号）、故障报警信号和控制按钮信号。
以上的各种信号中，故障报警信号、控制按钮信号和光电开关信号直接连接到S7-200PLC的数字量信号输入端就可以了，由于热电偶输出的信号不是标准的模拟量接口信号，无法通过模拟量输入模块直接采集，只能利用热电偶模块EM231来进行数据采集。
2、在加热器温度控制系统中，用热电偶实现被测参数温度检测，热电偶输出的毫伏电压送给PLC热电偶扩展模块，将毫伏电压转换成电压信号后经信号滤波、电平转换等预处理后，由A/D转换器将其转换成与加热器温度成比例的数字量，将EM231采集到的信号送到S7-200PLC的数据交换区，通过MPI或PROFIBUS工业网络将数据送到S7-300PLC进行PID运算。
2.西门子S7-300
2.1西门子S7-300简介
1、S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。
由多种模块部件组成，包括导轨（Rack）、电源模块（PS）、CPU模块、接口模块（IM）、输入输出模块（SM）、功能模块（FM）、通讯模块（CP）等。
用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块组合在一起，从而可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。
2、组成:
各种模块按照一定的顺序用总线连接器连接起来，固定在安装导轨上。
每个机架不能超过8个信号模块（SM、CP、FM），所需处理信号量大或没有足够的插槽，就需要扩展机架。
CPU总是位于0号机架（也称中央机架CR）上，最多可增加3个扩展机架（ER）。
需要接口模块，其作用是将S7-300背板总线从一个机架连接到下一个机架。
3、两层机架之间的电缆长度：
采用IM365的两层之间最大长度：
1m；采用IM360/361的多层组态之间最大长度
10m。
2.2STEP7编程软件
1、STEP7主要有以下功能：
•组态硬件，即在机架中放置模块，为模块分配地址和设置模块的参数。
•组态通信连接，定义通信伙伴和连接特性。
•使用编程语言编写用户程序。
•下载和调试用户程序、启动、维护、文件建档、运行和诊断等功能。
2、STEP7与S7-300的连接
STEP7可以用下列硬件与PLC通信
（1）PC/MPI适配器
PC/MPI适配器用于连接运行STEP7的计算机的RS-232C接口和PLC的接口。
计算机一侧的通信速率为19.2kbit/s或38.4kbit/s，PLC一侧的通信速率为19.2kbit/s～1.5Mbit/s。
除了PC适配器，还需要一根RS-232C通信电缆。
（2）USB/MPI适配器
USB/MPI适配器用于连接安装了STEP7的计算机的USB接口和PLC的MPI接口,特别适合于笔记本电脑使用。
（3）安装在计算机内的通信卡
CP5611、CP5613和CP5614是用于台式机的PCI卡，CP5511或CP5512是用于笔记本电脑的PCMCIA卡。
可以用它们来将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络，通过网络实现计算机与PLC的通信。
也可以使用计算机的工业以太网通信卡CP1512（PCMCIA卡）或CP1612（PCI卡），通过工业以太网实现计算机与PLC的通信。
3、硬件组态的顺序：
①创建项目②插入站点③进入画面④插入机架⑤插入模块⑥设置CPU属性⑦设置其他信号模块的属性⑧组态扩展机架
4、硬件组态的任务就是在STEP7中生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统。
生成的网络中各个站的机架和模块，以及设置个硬件组成个部分的参数，即给参数赋值。
所有模块的参数都是用编程软件来设置的，完全取消了过去用设置参数的硬件DIP开关和电位器。
硬件组态确定了PLC输入/输出变量的地址，为用户程序打下了基础。
2.3电源模块
1、PS307电源模块将AC120/230V电压转换为DC 24V电压，为S7-300、传感器和执行器供电。
额定输出电流有2A、5A或10A。
2、电源模块安装在DIN导轨上的插槽1，紧靠在CPU或扩展机架的IM361的左侧，用电源连接器连接到CPU或IM361上。
3、PS3072A电源模块的输入和输出之间有可靠的隔离，输出DC24V正常电压时，绿灯LED亮；输出过载时LED闪烁；输出电流大于13A时，电压跌落，跌落后自动恢复。
输出短路时输出电压消失，短路消失后电压自动恢复。
4、电源模块PS3072A属性:
•输出电压为24VDC；短路和断路保护
•与单相交流电源连接（额定输入电压120/230VAC，50/60Hz）
•安全隔离符合EN60950
•可用作负载电源
2.4S7-300任务
1.逻辑控制功能的实现
逻辑控制功能作为最基本的设备动作控制，可由S7-300PLC来完成。
具体的方法如下：
（1）整个系统的启停、故障报警等功能通过S7-300PLC的基本逻辑指令来实现；
（2）封口计数可以用S7-300PLC利用计数器指令来实现；
（3）封口速度与温度设定之间的对应关系可以通过S7-300PLC的温度变化来实现
2.PID闭环控制功能的实现
为了减少S7-200PLC的计算量，选择用S7-300PLC来实现PID的闭环控制
（1）热电偶信号从EM231直接采集进入S7-200PLC；
（2）将EM231采集到的信号送到S7-200PLC的数据交换区，通过MPI或PROFIBUS工业网络将数据送到S7-300PLC与设定值相比较得到偏差信号，并按控制规律对偏差信号进行计算，将运算结果作为控制信号作为脉冲发生器的输入信号经计算输出开关量（由S7-300的系统功能块完成）；
（3）在S7-300PLC中完成PID运算，再将运算的结果送到S7-300PLC的数据交换区，通过MPI或PROFIBUS工业网络将数据送到S7-200PLC，作为执行器输入信号用以改变加热器的通与断，实现对加热器温度的自动控制。
3.WinCC
3.1WinCC简介
1、组态软件是数据采集监控系统SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。
它具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大等特点。
组态软件的功能有：
资源浏览器、报警系统、数据驱动程序、报表生成与输出、脚本语言二次开发、历史数据存储与查询。
2、通常，你不会建立一个永不改变的自动化和IT解决方案,而是建立能经受不断变化，在逐步实施的基础上完美的解决方案。
例如，使各个厂区现代化，扩大工厂规模，在公司内实现对不同现场的集中监视，以及在现场或在公司内优化过程序列。
为了应对日益增多的各种要求，必须能够在任何时间扩展过程可视化而不致割断原先的技术或需要实施复杂的重新组态。
这意味着，保护投资是十分重要的。
SIMATICWinCC提供所需要的持续的延展性，从一个单用户解决方案直到集成有“Historian”和基于Web的操作员工作站的客户机/服务器解决方案。
3、WinCC（视窗控制中心）是一种工控组态软件，是西门子全集成自动化（TIA）系统的一个重要组成部分，是一个真正“开放的”HMI/SCADA软件，可在任何标准的PC上运行。
4、WinCC主要功能：
：
①对象图形编辑器②报警存档和信息编辑器③变量存档编辑器④与控制系统的连接⑤变量标签管理器⑥用户管理员（安全性）⑦SQL和ODBC⑧多语言支持
3.2WinCC创建项目
使用WinCC创建一个简单项目的流程：
1启动WinCC
2建立一个项目
3选择及安装通迅驱动程序
4定义变量
5建立和编辑过程画面
6指定WinCC运行系统的属性
7激活WinCC画面
8使用变量模拟器测试过程画面
3.3WinCC与PLC的连接
1、WinCC与PLC的硬件连接可以用PROFIBUS电缆连接。
2、首先在创建好项目后在左边窗口中右键单击“变量管理”，在弹出来的对话框中左键单击“添加一个通讯驱动程序”再选择对应的驱动程序（选择与实验室PLC对应的PLC驱动“SIMATICS7ProtocolSuite.chn”）,再打开“SIMATICS7ProtocolSuite”右键单击MPI选择“新驱动程序和连接”，输入逻辑连接名，对属性进行设置，单击“确定”。
然后便是检查Wincc与PLC的连接状态：
首先激活WinCC,然后选择工具菜单下的“驱动程序连接状态”查看是否连上。
3、创建和编辑变量
（1）创立内部变量
在Wincc项目管理器的变量管理中，打开“内部变量”。
右击并从快捷菜单中选择“新建变量”，打开“变量属性”对话框对变量进行设置
（2）创立过程变量
在完成Wincc与PLC软件连接后，右键单击相应的连接，并从快捷菜单中选择“新建变量”，打开“变量属性”对话框对变量进行设置。
具体设置为：
打开“变量属性”对话框在“常规”上输入变量的名字，并选择相关的数据类型。
单击“选择”按钮，打开“地址属性”对话框，输入此变量的地址，再单击“确定”。
3.4WinCC的应用
1、控制:
WinCC画面中能直接启动、停止封口机系统与硬件的按钮有一样的效果，二者之间没影响。
系统正常时，设定好设定值，按下启动按钮，启动信号先写入S7-300，程序运行后控制信号送到S7-300的数据交换区；系统正常启动后，按下停止按钮，若当前的温度超过30℃时电机和风扇不会马上停止，使温度快速将下来；若当前的温度小于30℃，按下按钮电机立即停止。
2、显示:
画面能显示PV（当前温度值）、SP（温度设定值）和MV（控制器的输出）三者的实时曲线，还有电动机转速、产品数量、电源的指示、当前温度值、设定值，S7-300与S7-200的通信状态。
项目信息和系统信息等
3、报警:
为了提高系统的稳定性，当加热器到极限温度、电机到极限转速时都有报警。
每月和每年都有提示维护、检修系统
4、其他:
系统提供了很多的功能和强大的扩展功能，能直接在WinCC界面上关机、注销、重启、切换语言，打开.pdf格式文件的帮助文档和使用说明书等。
4.通信
4.1MPI通信技术
1、MPI是多点接口的简称，是当通信速率要求不高，通信数据量不大时可以采用的一种简单经济的通信方式。
通过它可组成小型PLC通信网络，实现PLC之间的少量数据交换，它不需要额外的硬件和软件就可网络化。
每个S7-300CPU都集成了MPI通信协议,MPI的物理层是RS-485。
通过MPI，PLC可以同时与多个设备建立通信连接，这些设备包括编程器PG或运行STEP7的计算机PC、人机界面（HMI）及其它SIMATICS7，M7和C7。
连接的通信对象的个数与CPU的型号有关。
2、MPI网络连接规则
1）MPI网络可连接的节点。
凡能接入MPI网络的设备均称为MPI网络的节点。
可接入的设备有：
编程装置（PG/个人计算机PC），操作员界面（OP），S7/M7PLC。
2）为了保证网络通信质量，组建网络时在一根电缆的末端必须接入浪涌匹配电阻，也就是—个网络的第一个和最后一个节点处应接通终端电阻（一般西门子专用连接器中都自带终端匹配电阻）。
3）两个终端电阻之间的总线电缆称为段。
每个段最多可有32个节点（默认值16），每段最长为50m（从第一个节点到最后一个节点的最长距离）。
4）如果覆盖节点距离大于50m，可采用RS485中继器来扩展节点间的连接距离。
如果在两个RS485中继器之间没有其他节点，那就能在两个中继器之间设一条长达1000m的电缆，这是两个中继器之间的最长电缆长度。
连接电缆为PROFIBUS电缆（屏蔽双绞线），网络插头（PROFIBUS接头）带有终端电阻，如果用其它电缆和接头不能保证标称的通信距离和通信速率。
5）如果总线电缆不直接连接到总线连接器而必须采用分支线电缆时，分支线的长度是与分支线的数量有关的，一根分支线时最大长度可以是10m，分支线最多为6根，其长度限定在5m。
6）只有在启动或维护时需要用的那些编程装置才用分支线把它们接到MPI网络上。
7）在将一个新的节点接入MPI网络之前，必须关掉电源。
3、缺省的MPI地址
节点（装置）
缺省的MPI地址
缺省的最高MPI地址
PG
0
15
OP
1
15
CPU
2
15
4、全局数据块通信方式
在MPI网络中的各个中央处理单元（CPU）之间能相互交换少量数据，只需关心数据的发送区和接收区,这一过程称做全局数据块通信。
全局数据块的通信方式是在配置PLC硬件的过程中,组态所要通信的PLC站之间的发送区和接收区,不需要任何程序处理,这种通信方式只适合S7-300/400PLC之间相互通信。
5、无组态的MPI通信方法
无组态的MPI通信需要调用系统功能块SFC65～SFC69来实现，这种通信方式适合于S7-300、S7-400和S7-200之间的通信,是一种应用广泛、经济的通信方式。
通过调用SFC来实现的MPI通信又可分为两种方式：
双边编程通信方式和单边编程通信方式。
（1）双边编程通信方式
在通信的双方都需要调用通信块,一方调用发送块发送数据,另一方就要调用接收块来接收数据。
这种通信方式适用S7-300/400之间的通信，发送块是SFC65“X_SEND”，接收块是SFC66“X_RCV”。
（2）单边编程通信方式
单边编程通信只在一方PLC内编写通信程序，即客户机与服务器的访问模式。
编写程序一方的PLC作为客户机，无需编写程序一方的PLC作为服务器，客户机调用SFC通信块访问服务器。
这种通信方式适合S7-300/400/200之间的通信，S7-300/400的CPU可以同时作为客户机和服务器，S7-200只能作为服务器。
SFC67“X_GET”用来将服务器指定数据区中的数据读回并存放到本地的数据区中，SFC68“X_PUT”用来将本地数据区中的数据写到服务器中指定的数据区。
4.2PROFIBUS通信技术
1、PROFIBUS是属于单元级、现场级的SIMITAC网络，适用于传输中、小量的数据。
其开放性可以允许众多的厂商开发各自的符合PROFIBUS协议的产品，这些产品可以连接在同一个PROFIBUS网络上。
PROFIBUS是一种电气网络，物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤、无线传输。
2、PROFIBUS主要有三部分组成，包括：
（1）、由现场总线报文——PROFIBUS-FMS
（2）、分布式外围设备——PROFIBUS-DP
（3）、过程控制自动化——PROFIBUS-PA
3、直接利用I/O口实现小于4个字节直接PROFIBUS的通信方法包含两个方面的内容：
⑴、用装载指令访问实际I/O口——比如主站与ET200M扩展I/O口之间的通信；⑵、用装载指令访问虚拟I/O口——比如主站与智能从站的I/O口之间的通信。
4、要保持数据的一致性，在一个周期处理这些数据就要选择参数“All”，当通信数据大于4字节时，要调用SFCl5给数据打包，调用SFCl4给数据解包，这样数据以数据包的形式一次性完成发送、接收，保证了数据一致性。
这是用系统功能SFC14、SFC15的PROFIBUS通信方式。
5、多个S7-300之间的PROFIBUS通信方法在实际工业控制非常普遍。
6、S7-300与S7-200采用组态的方式通信。
4.3工业以太网通信技术
1、工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输的以太网标准。
该技术基于工业标准，利用了交换以太网结构，有很高的网络安全性、可操作性和实效性，最大限度地满足了用户和生产厂商的需求。
工业以太网以其特有的低成本、高实效、高扩展性及高智能的魅力，吸引着越来越多的制造业厂商。
以太网的核心思想是使用共享的公共传输信道.
2、目前的以太网按照传输速率大致分为以下四种：
10Base-T以太网、快速以太网、Gigabit以太网、10Gigabit以太网
3、工业网络与传统办公室网络的比较：
工业网络与传统办公室网络的比较
办公室网络
工业网络
应用场合
普通办公场合
工业场合、工况恶劣，抗干扰性要求较高
拓扑结构
支持线形、环形、星形等结构
支持线形、环形、星形等结构，并便于各种结构的组合和转换，简单的安装，最大的灵活性和模块性，高扩展能力
可用性
一般的实用性需求，允许网络故障时间以秒或分钟计
极高的实用性需求，允许网络故障时间＜300ms以避免生产停顿
网络监控和维护
网络监控必须有专人员使用专用工具完成
网络监控成为工厂监控的一部分，网络模块可以被HMI软件如WinCC监控，故障模块容易更换
4、传输介质网络的物理传输介质主要根据网络连接距离、数据安全以及传输速率来选择。
通常在西门子网络中使用的传输介质包括：
·2芯电缆，无双绞，无屏蔽（例如：
AS-interfacebus）
·2芯双绞线，无屏蔽
·2芯屏蔽双绞线（例如：
PROFIBUS）
·同轴电缆（例如：
IndustrialEtherenet）
·光纤（例如：
PROFIBUS/IndustrialEtherenet）
·无线通信（例如：
红外线和无线电通信）
·在西门子工业以太网络中，通常使用的物理传输介质是屏蔽双绞线（TP
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