全自动包装码垛生产线控制系统设计图文精.docx
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全自动包装码垛生产线控制系统设计图文精
江南大学
硕士学位论文
基于PLC的全自动包装码垛生产线控制系统设计姓名:
卢志珍
申请学位级别:
硕士
专业:
控制工程
指导教师:
刘飞;宗宏森
20080201
摘要
摘要
传统的机械设备与产品,多是以机械为主,是电气、液压或气动控制的机械设备。
随着工业水平的不断发展,机械设备己逐步地由手动操作改为自动控制,设备本身也发展成为机电一体化的综合体。
可编程序控制器（PLC是以微处理器为核心,综合计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。
经过30多年的发展,目前,可编程序控制器己成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置,已跃居工业生产自动化四大支柱（可编程序控制器、数控机床、机器人、计算机辅助设计与制造的首位。
其应用的深度和广度已成为衡量一个国瘃工业先进与自动化程度高低的标志。
本论文共分五章,从可编程序控制器（PLC基础到整个系统的规划设计,以及PLC控制系统的硬件、软件的开发,给出全面、详细的设计思路。
本文主要研究了包装码垛自动生产线机械系统设计;气动及真空系统的设计;系统控制部分的设计等。
该系统的核心部分是包装码垛自动生产线的控制系统,其控制系统主要是以可编程序控制器（PLC为基础进行集成控制的。
包装码垛自动生产线适用于石油化工、化肥、粮食、港口等行业,可对PP、PE粒子、PVC、化肥、粮食等粉状、颗粒状物料进行全自动包装码垛作业,便于用户储存、运输和销售,全自动包装码垛生产线主要由自动定量包装机、自动上袋机组、封口系统、倒袋机、金属检测机、重量检验机、检选机、喷墨打印机、码垛机等单元组成。
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,对运行过程中出现的故障或供料不足,供袋不及时、出垛不及时等,进行声光报警。
该设备具有操作简单,运行可靠,维修方便等优点。
根据用户要求,配上通讯接口和打印机、有打印日、月累计报表的功能。
还可与上位计算机或触摸屏连接,对包装码垛自动生产线实现实时监控、远程诊断和网络化管理。
关键词:
PLC;控制系统;包装码垛自动生产线
Abs仃act.
Abstract
Mostconventionalmechamcalf犯ilitiesaremac;hhles.Theyaremed扭血calf.acilitiesinthecon缸Dlofelectrics,hydraulicpressureaIldaerodym曲icpressure.AutomaticC0rl仃olofmecbanicalf.aCilitrhaSreplacedmallualworkstI印bystep.PLCisa1ate-modelautomaticequipment.Itsdevelopmentisbasedoncomputertechnologr,automatiZationtecllrl0109ya11dC0mmullicatiolls.Attllepresent,PLChaSbecometllemostirllpon2mtautomaticequipmentandbeenapplied谢dely,撕ertlledeVelopmentof30years.PLChaShold让lep曲Lacyin恤fieIdofinduS缸yautomati刎on（PLC,ROBOT'CAD&CAM.胁ede伊ee觚dextentofPLCdeVelopmentarenlesylnbolsofautomaticleVelinorlec01H1乜y.
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baggingmacllinemonitoringor砸髓netne咖rkmaIlagement.
Keywords:
PLC;C0ntrolsystem;automaticbaggingandpalletizinglineII
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料.与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意.签名:
阵日期:
二。
。
八年二月二十六日关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定:
江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文,并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致.
保密的学位论文在解密后也遵守此规定.
签名:
导师签名:
纠哥
日期:
二oo八年二月二十六日
第一章绪论
第一章绪论
1.1PLC的产生、优点、应用现状和发展趋势.
1.1.1PLe的产生
1968年,美国最大的汽车制造商——通用汽车公司（GM为满足市场需求,适应汽车生产工艺不断更新的需要,提出了著名的十条技术指标公开向社会招标,要寻求一种比继电器更可靠,响应速度更快、功能更强大的通用工业控制器。
1969年,美国数字设备公司（DEC根据十条要求研制出世界上第一台可编程控制器PDP一14,并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功Ⅲ。
可编程控制器是以微处理器为核心,把电气传动和逻辑控制、自动测量和调节、数据计算和处理有机地结合起来,具有丰富的软件资源的现代化工业自动化控制器瞳1。
经过30多年的发展,现在可编程控制器己经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。
在可编程控制器中,充分应用了大规模集成电路技术、微电子技术及通信技术,迅速地从早期的逻辑控制发展到进入位置控制、过程控制等领域。
用可编程控制器已经可以构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集、图形工作站等的综合控制系统∞1。
1.1.2PLC的优点.
按照IEC（国际电工协会国标标准定义,可编程序逻辑控制器（Progr锄ableLogicalController,又称Pc或PLc,它是以微型计算机为基础的一种为用于工业环境而设计的数字式电子系统,这种系统用可编程序存储面向用户指令的内部寄存器,完成规定的功能,如:
逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等,通过数字量的输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLc产品在抗电磁、噪声干扰、有害废气的腐蚀、高温、粉尘等方面有很高的能力,能直接和现场各种单元、部件连接,坚固耐用,可靠性方面PLC的平均无故障时间可达5万小时以上,操作与维修十分方便,功能日益扩大。
因此,PLC广泛的应用于许多工业领域,当然技术的日新月异、突飞猛进是PLC迅速扩展市场的根本原因。
具体表现在:
（1实时性,由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提,信号处理时间短,速度快。
基于信号处理和程序运行的速度,PLC经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护。
更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目。
（2高可靠性,所有的I/o输入输出信号均采用光电隔离,使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离。
各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间常数一般为lO~20Ins。
各模块均采用屏蔽措施,以防止噪声干扰。
采用性能优良的开关电源。
对采用的元器件进行严格的筛选。
良好的自诊断功能,一旦电源或其他软、硬件发生异常情况,CPU立即采取有效措施,以防止故障扩大。
大型控制器还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
（3系统配置简单灵活,控制器产品种类繁多,规模可分大、中、小等。
I/O卡件种类丰富,可根据自控工程实现功能要求不同,而进行不同的配置。
满足控制工程需要前提下,I/O卡件可灵活组合。
控制器针对不同的工业自控工程的现场信号,如:
交流或直流;开关量或模拟量;电压或电流;脉冲或电位;强电或弱电等。
有相应的I/0模
江南大学工程硕士学位论文
块与工业现场的器件或设备如:
按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能,它还有多种人一机对话的接口模块;为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块等。
为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型控制器以外,绝大多数控制器均采用模块化结构。
控制器的各个部件,包括CPU,电源,I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
（4价格优势,质优价廉,性价比高。
（5安装简单,维修方便,可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接,即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。
1.1.3PLC的应用现状
可编程控制器是“专为工业环境下应用而设计的”工业控制计算机”1,由于其具有很强的抗干扰能力,很高的可靠性瞄1,能在恶劣环境下工作的大量的I/O接口,因此,伴随着新产品、新技术的不断涌现,始终保持着旺盛的市场生命力。
可编程控制器嘲即的出现,除了取代传统的继电器控制外,正在逐步占领DCS和PID市场份额。
国际市场:
当今世界的PLC生产厂家约200多家,生产400多种PLC。
全球最大的5家PLC制造商,德国SIEMENS公司、美国A—B公司、SC删EIDER公司、日本的MITSUBISHI公司、oMRoN公司、三菱公司约占全球市场销售额的67%。
我国对可编程控制器的研制始于1974年,目前全国有几十个生产厂家,但产品多为128个开关量I/O点以下的小型机。
我国应用PLC还处于初级阶段,而且局限于钢铁、化工、汽车、机床、煤炭、电站等领域,其他行业的应用尚未普及,中国尚有广阔的应用领域等待开拓。
我国90%的PLC市场由国外占领,中、大型PLC中,几乎100%是国外产品,以美国MoDICoN公司、GE公司、西德SIEMENS,日本富士公司为主。
我国的饮料包装设备在许多方面采用了PLc,并取得了非常好的效果嘲。
1.1.4PLC的发展趋势
随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求,可编程控制技术得到了飞速的发展,其技术和产品日趋完善。
仅仅将PLC理解为开关量控制的时代已经过去,PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要,而且将通信技术和信息处理技术融为一体,其功能也日趋完善。
今后,PLC将主要朝着以下两个方向发展:
一个是向超小型专用化和低价格方向发展;另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。
总的趋势如下‘9卜‘1羽:
（1可编程控制技术的标准化
在工业自动化产品繁花似锦的今天,各生产厂商既互相竞争又相互合作。
一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外,更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。
标准化一方面保证了产品的出厂质量,另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。
出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。
按照这些标准,
2
第一章绪论
各种型号的PLc产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。
但是,这些标准目前只能是统一区域性的产品,而不能实现全球的统一性。
为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面,制定国际标准是必然趋势。
（2CPU处理速度进一步加快
目前PLC的CPU与微型计算机的CPU相比,还处在比较落后的地步,最高的也仅仅处在80486一级。
将来会全部使用64位RISC芯片,实现多CPU并行处理或分时处理或分任务处理,实现各种模块智能化,且部分系统程序用门阵列电路固化。
这样PLc执行指令的速度将达到纳秒级。
（3可编程控制技术的智能化
提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质,在某种意义上也提高了系统的可靠性。
（4系统的开放性和兼容性
开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。
一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度,另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。
当今可编程控制产品种类繁多,加上自动化项目越来越大,致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象,这就要求每一厂家的产品族中,都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题;另一方面,可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点.除此之外,同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。
（5通用性和专业化的结合
可编程控制产品是通用的。
但是工业的每一领域都有其自己的特点。
怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢?
硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。
这样,适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。
常用的专用模块包括:
定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。
‘（6可靠性迸一步提高
随着PLC进入过程控制的领域,对PLC可靠性的要求进一步提高。
硬件冗余的容错技术将进一步得到应用,不仅会有CPU单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、I/0单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。
但从根本上来讲,系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。
要保证整个系统的可靠运行,首先要求系统各单元的质量要得到保证。
MTBF（平均无故障时间是衡量产品质量的重要指标。
纵观各著名厂商,其PLC产品都有不同程度的冗余功能,而且发展越来越完善。
（7控制系统分散化
根据分散控制、集中管理的原则,PLC控制系统的I/O模块将直接安装在控制现场,通过通信电缆或光纤与主CPU进行数据通信。
这样使控制更有效,系统更可靠。
（8控制与管理功能一体化
为了满足现代化大生产的控制与管理的需要,PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术,使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。
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综上所述,我们不难得出下面几个结论:
①工控机、计算机集散控制系统及PLC正在走着一条相互融合的道路。
②智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。
③系统的智能性将越来越重要,因此系统的分析运算能力将越来越强。
④基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据。
⑤通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。
1.2包装码垛自动生产线的发展、应用现状和存在问题
1.2.1包装码垛自动生产线的发展
在工业生产中,有很多地方需要对粉末状或小颗粒状散状固体的流量进行准确的测量和控制,再配以给料设备组成定量给料控制系统。
它是集喂料、流量测量和控制于一身的设备。
目前,作为许多生产设备的定量给料控制系统己广泛应用于水泥、冶金、建材、电力、化工、食品、矿山、粮食等各行各业。
在冶金行业中,典型的例子就是烧结矿的自动给料系统:
在建材行业中,典型的例子是水泥生产厂用于原料、生料、熟料、煤粉等物料的配料、喂料等工艺环节。
定量给料在工业生产中发挥着越来越重要的作用,正因为其应用的广泛性,如果能提高给料系统的精度、自动化程度,就有着重要的现实意义。
近几年,传统的机械系统和计算机控制相结合,能极大的提高工业生产效率和企业的经济效益,因此,结合机电一体化技术,实现定量给料的计算机定量控制是必然的发展方向。
。
随着科学技术的进一步发展,计算机在自动控制领域中已得到了广泛的应用。
计算机控制系统是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统,是一种把计算机硬件,软件技术与自动控制技术相结合的一种应用技术,它属于离散控制系统。
当前,用于工业控制的计算机可分为几类:
可编程控制器、基于PC总线的工业控制计算机、基于单片机的测控装置、用于模拟量闭环控制的可编程调节器、集散控制系统（DCS和现场总线控制系统（FCS等。
可编程控制器（（PLC是应用广泛、功能强大、使用方便的通用工业控制装置,它已成为当代工业自动化控制的主要支柱之一。
可编程控制器可以构成单机控制系统、集中控制系统和分布式控制系统。
单机控制系统就是控制器由单台PLC构成,不需要与其它PLC或计算机通信。
集中控制系统采用一台PLC控制,每个被控对象与PLC指定的I/0相连,各被控对象之间的数据、状态不需要另外的通信线路;分布式控制系统的控制对象通常比较多,分布在一个较大的区域内,相互之间比较远,而且,被控对象之间经常的交换数据和信息。
这种控制系统的控制器采用若干个相互之间具有通信功能的PLc构成。
系统的上位机可以采用PLC,也可以采用工控机。
包装码垛生产线属于工业机器人。
工业机器人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n3】。
工业机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多关节的操作机。
它可以是固定式或移动式的,用于工业自动化作业中。
工业机器人与其他专用自动机的主要区别在于,专用
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第一章绪论
自动机是适应于大量生产的专用自动化设备,而工业机器人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n耵。
包装码垛生产线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n钉、送袋、装袋、折边、封袋、倒袋整形、金属检测、重量复检、批号打印、转位编组、码垛、托盘和垛盘的输送等作业全部实现自动化。
电子包装秤运用通讯速度快、实时性强的现场总线（Profibusn63技术,将梅特勒——托利多的称重技术与可编程控制技术结合,使之适应连续化生产的要求。
同时,通过人机界面n刀,可对包装秤进行相应的参数设置及数据统计及分析等工作。
人机界面（姗I又称可编程终端。
姗I是PLC的一种外部设备,与PLC联机通信后,通过轻触键盘或屏幕上的触摸键,可向PLC输入数据,显示数据或图形Ⅱ羽。
包装码垛生产线以PLC为控制核心,以触摸屏为输入设备n9】啪】,PLC与变频器通过Profibus总线犯1¨矧进行通信,完成对各电机转速、转向及各个接触器、中继器等的控制
【23】
o
包装码垛生产线简单地讲,它是由包装机械和码垛机械组成的,其中的主要部分还是包装机械,码垛机械是从包装生产线上分离出来而发展起来的。
其流程图如图卜1所示:
蠡H攀H垂物料lI斗lI剿霎机l’l磊仓库
图卜1包装码垛生产线流程图
Fig.1一lF10wFig.ofbaggingandpalletizing1ine
在我国,包装机械的研制始于1958年,主要是自用设备,属革新产品,未进入市场,正式包装生产线起始于七十年代初,“八五”期间呈全方位发展态势,“九五”期间进入转型期,逐步成为高科技、高效益、现代化、国防化的产业阱】。
我国包装机械起步较晚,解放后轻工业开发了一批专用包装设备,为啤酒厂、饮料厂、卷烟厂、火柴厂配套,尚未形成行业。
80年代初,包装机械汹1作为新兴的工业部门开始发展起来,经过近三十年的艰苦努力,一支从事包装设备科研、设计、生产制造及教育管理的行业队伍已形成,并初具规模,产品品种不断增加,产量迅速上升,技术水平逐年提高,作为包装机械工业在我国国民经济的崛起中正在不断发展完善嘲。
1.2.2包装码垛自动生产线的应用现状
从专业化程度看,目前国内包装设备厂专业化程度还不高,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。
江南大学工程硕士学位论文
总的来说,我国包装设备制造工业经近三十年的努力,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
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