PLC对自动包装机的控制.docx
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PLC对自动包装机的控制
PLC对自动包装机的控制
包装是产品进入流通领域的必要条件，而实现包装的主要手段是使用包装机械。
近年来，随着经济的迅速增长和人民生活水平的不断提高，作为传统行业之一的包装工业，呈快速发展态势，是人们普遍看好的“朝阳产业”，随之而来的就是包装机应用需求的大幅增长。
机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。
传统的包装机械多采用机械式控制，但随着生产力的日益提高，包装参数的随机多变，这些控制系统已越来越难以满足新形势的发展。
在机电一体化技术迅速发展的今天，随着自动化技术的发展，包装机已全部实现了自动化。
自动包装机一般分为半自动包装机和全自动包机两种，由人工供给包装材料（容器）和内装物，但能自动完成其它包装工序的机器称为半自动包装机，自动完成主要包装工序和其它辅助包装工序的机器称为全自动包装机。
本文将设计利用小型一体化PLC控制自动包装机，该应用在提高包装机自动化方面取得了很好效果，具有很好的推广前景。
第一章包装机械概述
第一节包装机械的发展及现状
我国包装机械工业起步较晚，很长时间都没有形成一个独立的行业。
20世纪80年代初，我国政府发布的机械产品目录中还没有包装机械这一门类。
70年代中期以前，我国商品包装的技术装备相当落后。
大多数食品企业都采用作坊式生产、手工包装和散装销售，仅有糖果、烟草等几个领域采用机械包装。
机械结构简单，技术落后。
经过多年的努力，我们在依靠自己力量的同时，积极吸收国外的先进技术，我国包装机械工业，在包装机械化、自动化方面已取得了很大进展，初步形成了包装机械研究、设计及制造的独立体系，设备在数量、品种、水平方面均有较大发展。
但是，我们离国际水平还存在很大一段距离，尤其是在包装设备科技含量上的差距更大。
这使得我国在建材工业、粮食加工工业、冶金、制糖等需要包装活动的行业不能摆脱繁重的体力劳动，因而这些行业劳动生产率低下、生产成本高、产品质量不稳定、浪费大，严重困扰这些行业的发展。
目前我国包装机械行业发展的共性问题主要有：
一、产品质量差距。
产品质量是关键，我国的设备基本是由国外引进消化吸收的，外观像，用起来却不一样。
二、产品技术差距。
目前国外发展趋势是智能化，远程造作与控制，尽管我国已开始制造，但与国外先进技术水平相比还有很大的差距。
三、产品品种差距。
我国目前各种装备1700多种，而国外由3000多种，差距主要表现在较高水平和高超水平产品上，低水平的产品差距不大。
行业的发展受国家政策的影响很大。
不过虽然存在这些问题，但根据全国包装工业统计年报显示，我国包装工业总体发展情况正常，发展速度较快，结构调整出现一定变化，包装工业整体实力进一步增强。
现在，包装工业在党的指引下，保持生产稳定增长的同时，加大结构调整力度，以市场为导向大力发展企业集团，发挥优势企业带动结构调整的作用，加快放开搞好国有小型企业步伐，把改革、改组、改造和加强管理结合起来，能促使包装工业经济效益的提高，促进包装工业经济增长质量的提高，使包装工业继续保持持续、快速、健康的发展。
第二节包装机械自动化的意义
包装机械是为商品进入市场提供保护、方便流通、促进销售及提高附加价值而完成生产过程的技术装备。
它是包装工业，同时也是机械工业的一个重要组成部分，可以说没有现代化的包装机械，就没有现代化的包装工业。
当前，轻工产品手工包装仍占有相当大的比重，占用大量的劳动力。
手工包装意味着工人们每日做着单调重复的动作达几万余次，非常紧张劳累。
有些产品包装因工作条件差，以致损害工人的健康。
因此，实现产品包装的机械化、自动化是轻工业生产中迫切需要解决的问题之一。
实现包装机械的自动化，具有很多优点：
1.大幅度提高劳动生产率；
2.减轻工人的劳动强度，改善劳动条件；
3.保证产品的质量；
4.有利于节约原材料，降低生产成本[4]。
此外，食品工业生产的现代化，使食品包装业的地位日益重要。
对食品包装的要求，不但要保持食品的营养、色味品质和卫生，而且还要方便运输贮存以及通过包装装潢起到美化、宣传、扩大销售和提高商品价值等作用。
同时，食品的种类繁多，形态各异，对包装的要求也不相同。
因而使用的包装材料、容器和包装形式及包装方法很多，与其相应的填充方式，计量控制方法以及包装机的工作结构和装置也不相同。
因此，包装机械的进一步发展更是迫在眉睫。
本设计就是在这样的情况下提出的。
第三节包装自动化的需要
为了改变包装行业现状，适应社会的发展，对包装机械的自动化有以下要求或发展趋势：
1.机电仪表综合技术是包装生产线的发展主流。
自动化程度是衡量包装机械技术水平的重要标志。
其内容包括物料流动、产品质量、运行故障、安全防范等的自动控制和包装物、包装袋或容器、包装产品、包装过程的自动检测两个方面。
由于大量采用了微电子、远红外、传感器等高新技术，特别是微机的应用，使水平迅速提高，从而减少了人工操作，提高了包装质量。
2.在促进单机高速化的同时，注意提高系统的效率。
高速化是提高包装机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。
其主要发展途径是在提高自动化水平的同时不断改进结构。
还将更多的注意力投向提高整个包装系统的生产效率，使高速化向深层发展，使包装系统更加经济合理。
3.在发展专用机的同时，积极开发通用机型。
由于多种小批量的商品市场需求以及中小型用户的发展，多功能通用包装机械发展十分迅速，其适应范围也越来越广。
这类包装机械的特点是单件小批生产，甚至同种设备因客户要求不同也可能有一些变化。
有些企业为追求效益只希望生产少数几个品种，最好是一次投一批料生产多台，企业要求各异，设备亦可设计成模块化的，功能可增可减，控制亦可简可繁，这样也便于把设备做精做好。
要提高标准化水平，要发展“积木式”包装机械和生产线。
为缩短包装机械制造周期，降低生产成本，便于自动化生产及方便用户使用和维修，整机和部机的标准化、系列化将逐步深化。
通过不同传动装置及执行机构等的组合，便于产生不同的效果。
第二章元件原理及选择
本次设计主要采用的元件有:
西门子PLCS7-200系列,步进电机,旋转编码器
第一节PLC概述
PLC（即可编程逻辑控制器，ProgrammableLogicController）是用来取代用于电机控制的顺序继电器电路的一种器件。
是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步起依次执行到最终步，然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些。
PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。
PLC在实际中用的很多。
只要有工业的地方，就有PLC存在的机会。
如果你就在机器制造、包装、物料输送、自动装配等行业中工作，那么你可能已经在使用它了。
如果没有的话，你就是正在浪费金钱和时间。
几乎所有需要电气控制的地方都需要PLC。
可编程控制器得以迅速发展核广泛使用的原因是由于它具有继电器接触器控制装置和通用计算机以及其他控制系统所不具有的特点：
（一）运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强
（二）设计使用和维护方便
（三）编程御苑直观易学
（四）与网络技术相结合
（五）体积小、质量轻、能耗低
本次设计选择西门子S7-200系列的CPU224型的PLC，可以满足使用需求。
它的主要特点是
·14输入/10输出共24个数字量I/O点。
·可连接7个扩展模版单元，最大可扩展至168个数字量I/O点或35路模拟量I/O。
·13KB的程序和数据存储空间。
·6个独立的30KHZ的高速计数器，2路独立的20KHZ的高速脉冲输出。
·具有PID控制器。
·1个RS485通信/编程口。
·具有多点接口MPI通信协议
·具有点对点接口PPI通信协议
·具有自由通信口
·I/O端子排可以很容易地整体拆卸
第二节步进电机
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为度或15度；
反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为度，但噪声和振动都很大。
反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：
两相步进角一般为度而五相步进角一般为度。
这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
步进电机作为电磁机械装置，其进给的分辨率取决于细分驱动技术。
采用软件细分驱动方式，由于编程的灵活性、通用性，使得步进细分驱动的成本低、效率高，要修改方案也易办到。
同时，还可解决步进电机在低速时易出现的低频振动和运行中的噪声等。
但单一的软件细分驱动在精度与速度兼顾上会有矛盾，细分的步数越多，精度越高，但步进电机的转动速度却降低；要提高转动速度，细分的步数就得减少。
为此，设计了多级细分驱动系统，通过不同的细分档位设定，实现不同步数的细分，同时保证了不同的转动速度。
步进电动机的规格选择Kinco2M860步进电动机驱动器（两相双极微步型）作为本次设计的步进步进电动机驱动器。
（一）Kinco2M860步进电动机驱动器的功能特点
1、供电电压最大可达直流80V，提供电机更好的驱动性能。
2、采用双极型恒流驱动方式，最大驱动电流可达每相6A，可以驱动电流小于6A的任何两相双极型混合式步进电动机。
3、对于电机的驱动输出电流可通过DIP开关调整，以配合不同规格的电机。
4、采用专用驱动控制芯片，具有最高可达256/160的细分功能。
细分可以通过DIP开关设定，保证提供最好的运行平稳性。
5、具有脱机功能，可以在必要时关闭给电机的输出电流。
6、控制信号的输入电路采用光电耦器件隔离，降低外部噪声的干扰。
7、具有过压、过流、错相、输出短路保护功能。
8、具有电机静态锁紧状态下的自动半流功能，可以大大降低电机的发热量。
（二）DIP开关功能说明
DIP开关共有8个，他们被命名为DIP1~DIP8，其基本功能见表1，控制器的细分设定见表2，输出电流设定见表3.
表1开关基本说明
开关序号
ON功能
OFF功能
DIP1~DIP4
细分设置用
细分设置用
DIP5
静态电流半流
静态电流全流
DIP6~DIP8
输出电流设置用
输出电流设置用
表2细分设定表
DIP1为ON
DIP2为ON
DIP2
DIP3
DIP4
细分
细分
ON
ON
ON
N/A
2
OFF
ON
ON
4
4
ON
OFF
ON
8
5
OFF
OFF
ON
16
10
ON
ON
OFF
32
25
OFF
ON
OFF
64
50
ON
OFF
OFF
128
100
OFF
OFF
OFF
256
200
表3输出电流设定表
DIP6
DIP7
DIP8
输出电流
ON
ON
ON
2.5A
ON
ON
OFF
3.0A
ON
OFF
ON
3.5A
ON
OFF
OFF
4.0A
OFF
ON
ON
4.5A
OFF
ON
OFF
5.0A
OFF
OFF
ON
5.5A
OFF
OFF
OFF
6.0A
第三节旋转编码器
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。
本次设计采用的增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。
它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。
其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
本次选用型号为E6C-CWZ5GH，外径50MM，电源电压为DC5~DC24，分辨率为1000脉冲/转，即最小分辨率为度，足以检测到每一周所产生的最小角度误差。
接线图
时序图
流程图
Plc程序：
MAIN:
按下I，执行子程序1
按下I，执行子程序2
按下I，系统复位，停止工作，
为急停开关
SBR_0:
子程序1：
校正步进电机初始位置
SBR_1:
子程序2：
实际工作过程，完成压紧，剪切等工作。
Q完成进刀过程
INT_0:
中断0：
复位.启动高速计数器1
INT_1:
中断1：
接通子程序二中顺序控制中的第二段
中断2：
步进电机转过一周后进行Z向校核，接通Q开始新的工作周期。
INT_2:
结束语
经PLC改造后的包装机电气控制系统，外观上；物理接线量大大减少，控制柜体积缩小，原器件排列有序。
运行效果上；经设备运行证明，自动化程度大大优于原系统控制效果。
控制可靠性大大提高，减轻了现场操作人员的劳动强度。
由于系统在整个包装流水线和包装机设备的危险位置安装了光电位置
参考文献
[1]徐灏主编《机械设计手册》第三卷北京：
机械工业出版社第二版2000
[2]徐灏主编《机械设计手册》第五卷北京：
机械工业出版社第二版2000
[3]吴宗泽罗圣国主编《机械设计课程设计手册》北京：
高等教育出版社第二版1999
[4]赵淮主编《包装机械选用手册》化学工业出版社第一版2000
[5]赵艳可编程控制器在包装上的应用沈阳黄金学院学报1997年12月第15卷（第四期）：
302－307
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