卷烟厂成品物流自动化控制系统设计李丹.docx

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卷烟厂成品物流自动化控制系统设计李丹

卷烟厂物流自动化PLC控制系统的设计

摘要

可编程控制器（programmablelogiccontroller）简称PLC。

它是历年代以来，在集成电路计算机技术基础上发展起来的一种新兴工业控制设备。

目前，国外已广泛的应用于自动化控制领域。

PLC的生产商正不断地开发PLC，使PLC的应用面越来越广。

近几年，国内在PLC开发应用方面的发展也很快，除许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越多地采用PLC控制系统取代传统的机电接触、控制系统。

在控制功能方面，PLC机与计算机相比，编程可靠，工业化强，应用和调试周期短，可以在工作环境恶劣下工作。

很容易实现机电一体化，因此PLC机受到人们的普遍欢迎，成为工业控制领域方面的主流。

卷烟厂物流自动控制系统利用PLC控制技术，按照生产指令，通过系统的自动识别功能和输送系统，自动地和柔性地把托盘箱上生产物料，以最佳的路径，最快的速度，准确地从生产场地的一个位置输送到另一个位置，完成托盘箱和生产物料的时空转移，以保证工厂的设备和生产的高效率地运行。

在本次设计中我们采用了可编程序控制器来控制物流设备的工作，真正实现了卷烟厂的自动化，这不仅节省了卷烟厂的人力，还提高了工作效率，降低了维护和操作者的劳动强度，改善了工作环境。

增强了物流系统在运行中的实时性，而且操作简单易懂过程明确易于发现故障并且在短时间内排查，为检修带来了很大的方便。

关键词　PLC（可编程控制器）；读码器；计算机技术；分流器

CigaretteFactoryAutomationPLClogistics

controlsystemdesign

Abstract

Programmablecontroller（programmablecontroller）.IscalledPC.Sinceithasbeenundergoestheage，developsoneemergingindustrycontroldeviceintheintegratedcircuitcomputertechnologybase.Atpresent，overseasalreadywidespreadapplicationtoautomatedcontrolpresent，overseasalreadywidespreadapplicationtoautomatedcontroldomain.ThePcproducerunceasinglyisdevelopingpc，causespctheapplicationsurfacetobemoreandmorebroad.

Inrecentyears，domesticisalsoveryquickinthepcdevelopmentapplicationaspectdevelopment，exceptmanyfromoutsidetheoverseasintroductionequipment，theautomaticproductionline，thedomesticallyproducedenginebedequipmentmoreandmoremanyhasusedthepccontrolsystemsubstitutiontraditionthemechanicalandelectricalcontact，thecontrolsystem.Inthecontrolfunctionaspect，pcmachineandthecomputercompare，programmingreliable，industrializationstrong，applicationanddebuggingcycleshortunder，maybebadintheworkingconditionsworks.Veryeasytorealizetheintegrationofmachinery，thereforepcmachinereceivespeople'suniversalwelcome，becomestheindustrycontroldomainaspectthemainstream.

CigaretteFactorylogisticscontrolsystemusesPLCcontroltechnology，accordingtoproductionordersthroughthesystemofautomaticidentificationanddistributionsystems，automaticandflexiblemannertotheproductionofmaterialsonthepalletboxes，tothebestpath，thefastestspeed，accuracyFromtheproductionsitesofatransfertoanotherlocation，palletboxesandcompletethespace-timetransferofproductionmaterialstoensurethattheequipmentandfactoryproductionofhigh-efficientoperation.

Inthedesignwehaveadoptedaprogrammablelogiccontrollertocontroltheworkoflogisticsequipment，realcigarettefactoryautomation，notonlysavehumancigarettefactory，butalsoimproveworkefficiencyandreducethemaintenanceandoperationoftheLaborintensity，improvedworkenvironment.Enhancedlogisticssysteminoperationinrealtime，buttheprocessissimpleeasytounderstandclearandeasytofindfaultinashortperiodoftimeinvestigating，fortheoverhaulhasbroughtgreatconvenience.

KeywordsPLC;reading;computertechnology;shunt

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摘要

Abstract

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第1章绪论

1.1课题背景

中国是世界上烟草生产和消费大国，烟草工业在整个国民经济中占据着举足轻重的地位。

近些年来，随着国家政策的逐渐调整和国外卷烟厂的大量涌入，国内烟草业的发展和外界环境竞争与威胁越来越大，发展烟草行业的现代物流自动控制技术成为当下烟草业面临的一个重要问题。

物流自动化，是指物流作业过程的设备和设施自动化，包括运输、装卸、包装、分拣、识别等作业过程，是把先进的科技成果应用于物流活动的各个方面，实现物流管理、物流作业、物流控制过程的无人操作，进而提高物流作业效率，降低物流成本。

尤其是进入21世纪以来，物流业的发展水平已经逐渐被视为一个国家综合国力和企业竞争能力的反映，是国民经济的核心竞争力的重要标志。

而物流自动化在整个物流业中发挥着极其关键的作用。

它的总体思路是自动化思想和方法合理应用于物流过程中，实现物流过程各环节有机的结合，从而提高物流效率满足用户需求。

随着计算机技术的不断发展，单片机在科学计算、企业管理和生产等工业控制方面起着非常重要的作用。

但由于单片机技术本身的复杂性，编程的难度高，价格昂贵等，未能广泛应用于工业控制。

20世纪70年代以来，人们越来越多的引入可编程逻辑控制器（简称PLC）。

可编程控制器是在集成电路，计算机技术的基础发展起来的一种新型工业控制设备。

在控制功能方面，与单片机等其他微控制器相比，工业化更强、可靠性强，编程简单，使用非常方便，应用和调试周期也大大缩短，又能在恶劣的工作环境下和强电一起工作，环境适应能力强，很容易实现机电一体化，因而受到人们的普遍欢迎。

目前，正广泛应用

目前，国内大多卷烟厂利税相对较高，尤其卷烟年产量在50万箱以上的大型卷烟工厂技术的改造起点和目标的定位也比较高，加之资金充足，其对物流自动化系统的技术需求也越来越高，但我国烟草行业物流体系建设中仍然存在一些问题，传统的烟草流通模式已经不适应于行业发展的需要，物流自动化的研究与发展还需要不断加深和改进。

随着我国信息化和现代化程度的不断提高，尤其是PLC技术的发展，越来越成为这方面研究的热点。

运用PLC的相关技术，实现烟草物流自动化的现代化建设，可以进一步提高我国烟草行业的经济效益，从而有助于全面提升我国烟草行业的总体的竞争力。

发展烟草现代物流自动化控制技术，是增强烟草行业核心竞争力，参与国际、国内竞争的迫切需要，也是烟草行业实现可持续发展的需要。

1.2卷烟厂成品物流自动化控制系统国内外发展现状

物流自动化技术是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。

20世纪50年代，美国出现了采用桥式堆躲起重机的仓库；20世纪50年代末60年代初出现了司机操纵的巷道式堆垛起重机立体仓库；1963年，美国率在仓库业务中采用计算机控制，建立了世界上第一座计算机控制的高架立体仓库。

此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。

发达国家研究人员先后将电磁导引技术、激光导航技术、惯性导航技术、计算机控制技术、工业机器人等应用于物流自动化领域，尤其是计算机及其网络技术被引入物流领域后，各种设备被有机的整合为一体，使物流自动化发生革命性变化。

60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。

AmericanEagle公司在美国堪萨斯州的物流配送中心，安装了一套仓库管理系统（WMS），如图1-1所示。

通常。

绝大多数的WMS负责管理拣选、包装和发货作业，但在AmericanEagle，此系统还负责指挥收货和存放作业，并保持对存货清单的追踪。

对订单执行管理是软件的更高功能实现，其主要负责确定哪些订单将要提货，谁来为这些订单以及哪一个工作站将包装这些货物。

图1-1美国Eagle公司WMS物流系统图1-2德马泰克多层穿梭车自动化系统

此外还有德国的德马泰克多层穿梭车系统等烟厂自动化系统。

如图1-2所示。

德马泰克还设计了一个配备了12台料箱堆垛机、20万个料箱货位的箱式自动化立体库和一个配备了5台托盘堆垛机、2万个托盘存储位的托盘自动化立体库。

经过码垛，单元载货可以直接进入发货，或移至纸箱拣选的四个工作站之一等待拣选。

此外德马泰克20米高的箱式自动化立体库拥有30万个货位，配备了12个特殊设计的双深位堆垛机，可以同时处理四种不同尺寸的纸箱，系统可以达到每小时800次双循环的作业率。

1980年，我国第一座自行研制的自动化高架仓库投产。

此后，高架仓库在我国得到了迅速的发展。

目前我国己建成的立体仓库约有600余座，分布在烟草、汽车、化工、电子、机械、军队后勤等行业和部门，如红河卷烟厂自动化物流系统（如图1-3所示）、深圳市星海物流输送设备（如图1-4所示）、青岛海尔国际自动化物流中心等。

国内对高架仓库物流系统的需求不断增加，高架仓库物流系统的建设在我国方兴未艾。

图1-3红河卷烟厂自动化物流系统图1-4深圳市星海物流输送设备

相比之下，国内烟草企业大都建于20世纪80年代末之前，是以生产自动化为主进行规划设计的，没有为物流自动化的实施留出良好的外部条件，因此后续的技术改造（即物流自动化）的条件比较差，厂房、库房、地基、电源、人流、车流等环境影响已较难实现最优化（即最合理的物流工艺流程、最少的投资、最佳的系统）的自动化物流系统。

这种企业建立的自动化物流系统，用户在使用起来有不合适的地方。

如人机界面过多、人工干预多、投资多、物流工艺流程不太合理等。

20世纪90年代后，一些烟草企业相继进行易地搬迁或者扩建改造，设计单位遵循用户的要求，将生产自动化和物流自动化一起进行规划设计，这就为物流自动化的实施提供了良好的环境。

1.3研究的目的和意义

中国加入WTO后,随着中国这个全球最大的烟草市场的对外开放,外烟的冲击力会愈加明显。

面对日益激烈的市场竞争,各卷烟厂为降低自己的生产成本纷纷掀起了技术改革的浪潮。

同时中国是世界上最大的烟草生产和消费大国，烟草工业在国民经济中占据着举足轻重的地位。

而科技的进步对烟草行业的增长贡献率高达70%以上，烟草行业为谋求更多的市场份额和生存空间，各烟厂纷纷投入巨资致力于应用先进制造模式。

更是为了适时地有效地组织大批量大规模的生产，节约人力物力，减少成本，提高企业竞争力。

所以提高成品的工作流程速度势在必行，而PLC控制在物流方面有着一定的优势，因为其简单易于操作，直观，更有易于出现故障及时改进。

在库房、生产车间以及包装车间之间范围内，建立一个统一的物流自动控制系统，以完成在库房、生产车间和包装车间之间的自动生产配送任务，从而实现降低企业成本的目的。

PLC是以微处理器技术为基础，综合了计算机技术、自动化技术和通讯技术的一种新型工业控制装置。

其可靠性极高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便等特点，与机器人技术、CAD/CAM并列称为工业生产自动化的三大支柱（是本世纪60年代发展起来的被国外称为“先进国家三大支柱”之首的工业自动化理想控制装置），是近年来发展极为迅速，应用面极广的工业控制装置，现已广泛应用于自动化的各个领域。

本文研究的物流自动控制系统利用PLC控制技术，按照生产指令，通过系统的自动识别功能和输送系统，自动地和柔性地把托盘箱上生产物料，以最佳的路径，最快的速度，准确地从生产场地的一个位置输送到另一个位置，完成托盘箱和生产物料的时空转移，以保证工厂的设备和生产的高效率地运行。

整个过程不仅节省人力、物理和财力，降低劳动成本，带来经济利益。

而且更对企业的发展有长久的推动作用，更是一个国家物流工业发展进步的重要体现，具有较好的实用价值和经济影响。

第2章卷烟厂物流自动化系统硬件PLC

2.1可编程控制器PLC

2.1.1PLC的定义

可编程序控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），是一种专门为在工业环境应用而设计的一种数字运算操作的电子系统（如图1.1）。

它采用一类可编程的存储器，用于存储用户程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟量输入，输出控制各种类型的机械或生产过程。

图1.1可编程控制器PLC

欧姆龙PLC是一种功能完善的紧凑型PLC，能为业界领先的输送分散控制等提供高附加值机器控制；它还具有通过各种高级内装板进行升级的能力，大程序容量和存储器单元，以Windows环境下高效的软件开发能力。

本论文控制系统是以欧姆龙公司的C200H控制器为控制核心，

2.1.2PLC的基本结构

可编程控制器实质上是基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。

普遍计算机进行入出信息变换，多只考虑信息本身，信息的入出，只要人机界面好就可以了。

而PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。

特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。

其系统的实际组成与微机基本相同，一般由电源、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块六个部分组成。

其基本组成框图如图1.2.

图2-2PLC结构图

2.2PLC基本工作原理

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

PLC采用对I/O操作、数据处理等的循环扫描工作方式，每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。

CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。

PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。

扫描工作全过程如图2-3。

执行用户程序

读入现场信号并采样

与编程器或计算机通信

自诊断

输出刷新

图2-3PLC的扫描工作过程

整个过程可分为四个部分：

第一部分是上电处理，PLC上电后对系统进行一次初始化，包括硬件初始化和软件初始化，停电保持范围设定及其他初始化处理等；第二部分自诊断是指PLC每扫描一次，执行—次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常。

如CPU、电池电压、程序存储器、I/O和通讯等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。

当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描便停止。

第三部分是与编程器或计算机通信，指PLC检查编程器或计算机等是否有通信的请求，并接收发出来的程序、指令和各种数据，然后调用调用相应进程，完成与其他设备的通讯处理，并对通讯数据作相应处理；然后进行时钟、特殊寄存器更新处理等工作。

第四部分是程序扫描过程。

PLC在上电处理、自诊断和通讯服务完成以后，如果工作选择开关在RUN位置，则进人程序扫描工作阶段。

先完成输入处理，即把输入端子的状态读入输入映像寄存器中，然后执行用户程序，最后把输出处理结果刷新到输出锁存器中。

第四部分是CPU对各输入端扫描并将输入端的状态送到输入状态寄存器，完成对现场信息的输入采样过程；PU逐条调出并执行用户程序的指令，按照指令对数据进行运算，并将结果送至输出寄存器，实现PLC的程序控制过程。

当所有指令执行完毕后，PLC集中将输出状态寄存器中的状态通过输出模块单元转换成控制设备的电压或电流信号，以驱动控制设备，实现对输出状态的刷新。

PLC虽具有微机的许多特点但它的工作方式却与微机有很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式（如常见的键盘扫描方式或I/0扫描方式，有键按下或I/0动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描）。

当可编程逻辑控制器投入运行时，PLC则采用循环扫描工作方式，基本工作原理如图2-1所示。

图2-1PLC循环扫描工作原理

首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

2.3欧姆龙C200HPLC

2.3.1欧姆龙C200HPLC介绍

本论文控制系统是以一台欧姆龙公司的C200HPLC控制器为控制核心，现场工业总线的网络为基础，ID431和DC222为主要控制模块，构成一个分布式控制系统。

在CPU01-E里运行着由语言编制的系统控制程序，控制着物流输送系统正常工作。

系统相关的控制和检测部分都是通过现场工业总线的网络连接到PLC上。

控制程序通过现场总线，控制着系统各部分相互协调地工作运行，达到物流控制目的。

C200HPLC采用模块化、总线式结构，整个系统以CPU单元为核心。

CPU单元包括系统电源、微处理器、存储系统、控制逻辑、总线接口及其它接口电路等，是系统的主模块。

其编程器通过接口与CPU单元相连接，编程器还提供了录音机连接接口。

另外，CPU单元还提供了独立的用户程序存储单元，以利于用户程序的方便安装和更换。

C200HPLC的I/O系统均采用模块化结构，所有的I/O模块均通过标准的总线SYSBUS与CPU单元相连接。

其组成结构框图如图2-5所示

图2-5C200HPLC结构框图

C200HPLC的基本组成：

一个提供系统总线和模块插槽的安装机架（母版）、一个CPU单元、一个用户存储器单元、一个编程器及若干个基本I/O单元或特殊I/O单元。

其中安装机有4种规格，CPU单元3种型号，I/O单元的最大个数由安装机架的槽的个数而定。

此外，本文自动化系统设计现场由一个工业多路转换器MX4000和分布在输送线附近的不同位置的6个固定式条形码激光扫描仪，通过总线连接，构成一个数据采集系统。

经条形码激光扫描仪扫描托盘箱上的条形码，获得的条形码信息汇总到工业多路转换器MX4000。

由于MX4000是挂在Profibus-DP总线上一个子站，PLCCPU318-2DP程序可以直接处理这些汇总的托盘箱条形码，对托盘箱进行识别。

由此而形成一个自动识别系统。

2.3.2欧姆龙C200HPLC硬件结构

可编程控制器的控制方式，其实质是按一定算法进行输入和输出变换，并将这个变换予以物理实现，即输入输出和物理实现是PLC实现控制的两个基本点。

PLC对输入和输出的处理类似于现代微处理机的信息处理，但是针对复杂恶劣的工业现场环境显得更加专业化。

PLC的物理实现要考虑实际控制的需要，例如，要求输入应排除干扰信号，输出应放大到工业控制的水平，并能为实际控制系统方便的使用，这点使PLC有别于普通微机信号，只针对信号本身，而不考虑实际现场的需要。

图2-2为PLC的基本控制原理结构图：

图1.2PLC控制原理结构图

欧姆龙PLC是一种功能完善的紧凑型PLC，能为业界领先的输送分散控制等提供高附加值机器控制；它还具有通过各种高级内装板进行升级的能力，大程序容量和存储器单元，以Windows环境下高效的软件开发能力。

本文采用的欧姆龙C200HPLC的基本控制结构设计仍采用了典型的计算机结构，一般都是由中央处理单元（CPU）、存储器（memory）、输入部分（input）、输出部分（output）和电源部分（supply）五部分组成。

其中，CPU是PLC的核心，存储器是存放系统程序和用户程序及数据的，I/O部分是连接现场设备与CPU的接口电路，电源部分则为PLC内部电路提供电源。

第3章卷烟厂物流自动化控制系统要求说明

3.1卷烟生产的物流自动化系统

卷烟生产的物流自动化系统主要包括：

原料物流、辅料物流、成品物流三部分。

如图3-1所示：

图3－1物流自动控制系统平面图

3.1.1原料物流

原料物流是完成卷烟生产使用的原料从进入工厂到运送至生产现场加工生产并进行库存的全过程系统。

包括原料供应、原料储存、配方库、原料供给、剩料回收等几个过程。

首先将不同品种类型的原料从运送的卡车卸下，并运送到原料储存仓库。

原料储存包括登记原料信息并生成识别标签、原料运输与码放、储存、出库等工序。

然后配方库计算机管理系统接到排产单，根据排