基于PLC的小型包装机控制系统设计.docx
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基于PLC的小型包装机控制系统设计
摘要：
本文介绍了一种块状糖果包装机的控制方案，从软、硬件两方面阐述了系统的组成和功能。
根据糖果包装工艺特点，本系统流程主要为推搪-包糖-喷胶-截断。
以三菱FX2N系列PLC为控制核心，利用PLC的强大功能，以松下VF0变频器控制一台三相异步电机完成上述流程，同时电气装置也能够按照设计要求稳定运行。
本系统外部电路简单，具有微型化和低能耗的特点。
此外，本系统加强了人机互动，利用力控组态软件开发了糖果包装机控制系统界面，实现包装过程的自动跟踪与监控。
组态软件是新型的工业自控控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
关键词：
三菱，PLC，糖果包装机，力控组态软件
DesignofControlSystemofSmallPackagingMachineBasedonPLC
Abstract:
Thedissertationhasintroducedacontrolschemeofcandywrappingmachineandthesystem’scompositionandfunctionarecomputerizedfrombothsoftwareandhardware.Accordingtothecharacteristicsofcandywrappingtechnology.Thesystem’sprocessis:
candypush--candywrap--gluespray—cuttingoff.TheMitsubishi’sFX2NseriesPLChasbeenusedasthecontrolcore,withthehigherpowerofPLC,usingPanasonic’sVFOfrequencychangertocontrolathree-phaseasynchronousmotortorealizetheprocessabove.Accordingtothedesignrequirements,theelectricinstallationcanoperatestably.Thesystem’sexternalcircuitissimple,miniaturizedandlow-consumptive.Moreover,thesystemstrengthensthehuman-computerinteraction,usingtheforcecontrolconfigurationsoftwaretodeveloptheinterfaceofcandywrappingmachineandrealizethewrappingprocess’sautomatictrackingandmonitoring.
Keyword：
Mitsubishi，PLC，candywrappingmachine，Forcecontrolconfigurationsoftware
1绪论
1.1研究的背景及意义
食品行业是满足人民“衣食住行”需求的基础性行业，在国民经济中处于重要地位，具有不可替代性，尤其是目前我国居民收入日益提高、生活质量不断改善，对食品的需求也日趋多样化，全国食品工业面临良好发展契机，食品工业规模快速增长，经济效益也大幅提升，产业结构和增长方式进一步优化。
去年食品工业增加值占全国工业经济比重达到十分之一强，并且呈逐年上升趋势。
食品行业的快速发展必定会带动食品包装业的发展，所以对食品包装机的改造创新是非常必要的。
自2003年以来,中国糖果市场一直保持着8%~12%的增长速度,比全球糖果市场年均增长速度高出近6个百分点,成为食品工业中快速发展的行业之一[1]。
2008年,虽然受到三聚氰胺事件冲击,部分奶糖销售量下滑,但市场总体仍保持了增长趋势。
预计今后数年内,糖果行业将保持10%左右的增长速度。
此外,我国目前人均年糖果消费量为1.16kg,与北美、西欧、澳大利亚等国家人均年消费量9.36kg[2]相比,存在巨大差距,表明我国糖果产业具有很大的发展潜力和良好的发展空间。
糖果包装是糖果生产过程中的一个重要环节，封装的速度和精度直接影响企业生产的效率和效益。
1.2研究的现状及发展趋势
1.2.1国外包装机现状
包装机械系集机、电、气、光、生、磁为一体的机械电子设备。
近年，世界四大包装机械强国美、日、德、意加大技术开发力度，使智能化、高效化、资源高利用化的高新产品不断涌现[3]。
提高自动化程度是包装机械发展最重要的趋势。
品种和产量均居世界之首的美国十分重视包装机械与计算机紧密结合，实现机电一体化控制，将自动化操作程序、数据收集系统、自动检验系统更多应用于包装机械之中。
日本则善长于微电子技术，用以控制包装机械，有效地促进了无人操作和自动化程序的提高。
在计量、制造和技术性能等方面居于世界领先地位的德国也高度重视提高自动化程度。
几年前，德国包装机械系统设计时，自动化技术在整个系统操作及运行中还只占30％，现在已占到50％以上。
1.2.2国外糖果包装机现状及发展趋势
随着国外糖果制造业的迅速发展，糖果制品的品种和样式层出不穷，日益新颖。
为了适合市场变化的需要，大规模地提高劳动生产率，糖果包装机械制造商不得不经常设计和改进各种形式的糖果包装机。
在充满竞争色彩资本主义国家，包装机制造商各有千秋，互不逊色。
就糖果包装机而言，要数美国、西德、意大利和英国名列前茅。
这些国家的包装机制造商一般都有四五十年历史，可称得上经验丰富，名不虚传。
纵观门类繁多的包装机，各有不同的特点，概括为三点：
一在保持中速稳定的基础上，向高速包装前进。
二同一部机器包装花样多种。
即使单一品种的包装机器，可包尺寸范围也比较大。
三采用多层包装，一般为三层。
一般来说，世界各国糖果制造商采用的糖果包装机以中速的多。
日本国内糖果包装机虽然形式多样，但特别高速的却少见，一般都在400-600转/分，机器运转正常，稳定性好。
1.2.3我国糖果包装机现状
我国糖果和巧克力行业的生产历史不过半个世纪。
其产品包装经历了从手工包装、半机械化包装、连续化机械包装阶段,到目前已有部分大企业引进国外先进的自动化包装机,实现了包装自动化。
在发展的过程中也仍有部分小企业还在沿用手工包装,但随着包装技术的发展,手工包装会越来越少[4]。
糖果、巧克力制造商在对标准化的产品包装时,一般需要高速、自动化的包装机,以追求规模经济的包装成本优化。
在包装机上,通常采用全伺服电机、光电跟踪、高速摄像等当今最新的技术,以提高包装机效能,目前已有每分钟1500~2000粒的高速枕式硬糖包装机[5]。
我国目前块状糖果包装机的整个设备可以分为三大部分：
生产线送糖部分，糖果包装部分，包装纸部分。
生产送糖部分直接与糖果生产线相连，通过传送带将糖果送至糖果包装部分入口处。
糖果包装部分是周期性的重复动作。
整个包糖过程包括如下几个步骤：
推糖→送纸→包装→喷胶截断→成品。
1.2.4PLC与组态软件相结合
可编程序控制器PLC是以微处理机为基础并综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是计算机技术应用于控制领域的新产品[6]。
它与CAD／CAM、机器人技术一起被称为当代工业自动化的三大支柱，以高可靠性、易操作性、灵活性等优点在现代工业控制领域得到广泛的应用。
根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准，PLC的编程语言包括以下五种：
梯形图语言、指令表语言、功能模块图语言、顺序功能流程图语言及结构化文本语言[7]。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
（1）功能完善：
PLC的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应各种形式和性质的开关量和模拟量信号的输入和输出。
在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计数器、主控机电器以及移位寄存器、中间继电器等。
由于采用了微处理机，它能够很方便的实现延时、锁存、比较、跳转、强制I/O等诸多功能，它不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成等功能。
此外，它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布或分散控制系统，还能够实现数据传送、矩阵运算、闭环控制、顺序与查表、函数运算及中断等功能。
因此PLC具备极强的适应性，能够很好地满足各种类型控制的需要。
（2）模块化结构，硬、软件开发周期短：
PLC的硬件结构全部采用模块化结构，可以适应大小规模不同、功能复杂程度及现场环境各异的各种控制要求。
硬件系统安装方便，接线简单，连接可靠，为控制系统的硬件设计提供了方便、快捷的途径，可以大大缩短硬件系统的开发周期。
软件编程支持梯形图逻辑语言，直观、方便，只要有了通常的继电器梯形图、逻辑图或逻辑方程，就等于有了PLC系统用户程序，大大减少了系统软件开发的工作量。
另外，这一特点对于PLC系统取代原有继电器控制系统，进行老设备改造也是十分有利的。
总之，使用PLC可大大缩短整个系统设计、生产、调试周期，节约系统投资。
（3）维护操作方便，扩展容易：
PLC的输入/输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态，PLC能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常状态、电源状态等，均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员监视系统的工作状态。
PLC采用梯形图逻辑编程，有利于电气操作人员对PLC的编程，可以方便地调整系统的程序和组态。
（4）性能稳定，可靠性高：
PLC产品都有严格的技术标准，这些标准保证了PLC能在恶劣的工业环境下正常运行。
它在电子线路、机械结构以及软件结构上都都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路，在机械结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精心考虑，所有这些使得PLC具有较好的性能和较高的可靠性，一般平均无故障时间可达几万小时以上。
另外，PLC还具有较完善的自诊断、自测试功能。
（5）具有较高的性能价格比：
随着PLC产品的的不断更新和规模化的生产，其性能价格比日益提高。
（6）PLC的软件容易掌握：
PLC的最主要特点就是容易学习和掌握，PLC采用了梯形图语言，梯形图是非常容易学习和理解的。
它是在常规继电器展开图的基础上，采用计算机软件技术形成了一套风格独特的形象编程语言，并保持梯形图语言中的符号和定义与常规继电器展开图完全一致。
这样就使电气工作人员在使用时变得非常容易，基本不会存在计算机技术与传统继电器技术之间的专业“断层”问题。
在对PLC基本的工作原理和编程技术有所掌握之后，就可以结合实际工程的需要进行应用方面的设计，从而将PLC应用到实际的控制系统中去[9]。
PLC控制系统的开发周期一般要经过系统功能分析、确定I/O点数，PLC选型，地址分配，编写控制程序，现场调试，编制技术文件等过程，其中编写控制程序和现场调试将占用开发周期的大部分时间[8]。
程序编写完成后，要对程序的可行性及控制功能正确与否进行调试和必要的测试。
在现场调试阶段，PLC将与实际被控对象联调，控制实际被控对象产生动作，以检验程序及整个系统运行是否满足预定的控制要求。
由于编制的PLC软件可能不是十分完善，所以调试的一个主要内容，就是要排除编程中的一些错误及考虑不周的程序缺陷。
现场调试过程中还需要组织大量人力物力，为系统的调试提供各种保障，现场调试不成功时则需要反复修改测试，所以采用这种传统方法对PLC控制系统的调试，存在既繁琐又费时费力且具有一定风险的缺点[9]。
目前的软PLC系统只做到了控制系统的最底层的控制层和策略层，但对位于控制系统上层的监控层和管理层的功能还有待开发[10]。
市场上出现了一些遵循IEC61131－3标准编程环境的软PLC，但这些系统只提供了对控制程序的编程以及对I/O口的逻辑控制，没有提供完善的实时监控、数据趋势、生成报表和报警等解决方案[10]。
近年来组态软件发展迅速，品种繁多，国外的产品有FIX、Intouch等[12]。
这些软件虽然功能强大但价格昂贵，以力控等为代表的国产组态软件吸引了国外软件的优点，在功能上等同于国外组态软件，而且具有全中文菜单，符合国人思维习惯，便于使用开发，性价比高，近年来得到了广泛的应用。
力控组态软件是对现场生产数据进行采集与工程控制的专用软件，同其他软件一样，其最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式进行系统集成[13]。
它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，缩短了自动化工程师的系统集成的时间，大大提高了集成效率[13]。
糖果机的发展方兴未艾，“多功能一体化”是糖果包装机的发展趋势。
在糖果机的控制系统设计中，如果采用组态软件和PLC控制系统相结合，通过计算机全真模拟被控对象，在计算机上对整个PLC控制系统进行模拟调试，在仿真状态中直观地对PLC控制系统程序的错误和缺陷进行检测和修正，待程序完全正确时，再进行现场实际联机调试，将大大提高现场调试的效率，降低系统调试的费用和风险[14]。
1.3主要研究目的及任务
本设计结合某块状糖果包装机的动作流程特点，以PLC技术为基础，构建设计完成糖果包装机的控制系统设计方案，控制系统中的主要电路的设计，实现系统的自动化、智能化。
其中应该完成的具体任务包括以下几点：
（1）查阅相关文献资料，了解糖果包装机的工艺特点；
（2）熟悉工艺流程后，根据其确定控制系统设计方案；
（3）对控制系统所用的设备进行选型；
（4）根据所选设备绘制相关的外部接线图；
（5）利用GX-developer软件进行编程；
（6）利用组态软件对程序进行调试，监控。
2糖果包装机系统分析及控制系统总体设计
2.1糖果包装机生产工艺概述
糖果包装机主要通过一台2.2KW的三相异步电机带动各机械部分完成包糖的各种动作。
糖果包装工艺流程如图2.1所示。
图2.1工艺流程图
裸糖经过流水线到达糖果包装机，当位于糖果包装机入口出的光电传感器检测到有裸糖到来时，控制推搪的电磁阀得电，推搪机构动作，当糖果运行到限位开关1处，控制糖纸转盘电磁阀得电，糖纸转盘转动，按照预先设定的步骤进行包糖动作。
包糖结束后，糖果运行到限位开关2处，控制截断粘合的电磁阀得电，该机构下降动作，把包装纸截断，粘合之后，糖果经传送带传送至成品糖库。
在传送过程中，由于传送带的楔形挤压作用，糖纸粘合完成，同时也对其进行了更好的整形。
另外，在运行过程中出现变频器故障、断纸缺纸故障时，系统都会指示出来并停止动作。
在传送带上如果有糖果，继续执行此过程；如果没有糖果，则等待；如果等待时间超过10s，传送带停止运行。
2.2糖果包装机控制要求
2.2.1PLC控制系统选择
控制系统和远程I/O控制系统。
由于糖果包装机的控制对象相对集中，主要有变频器控利用PLC可以构成多种控制系统：
单机控制系统，集中控制系统，分散型控制等，
因此选择集中控制系统。
集中控制系统模型如图所示。
各被控对象直接与PLC的I/O口相连接，进行通信、控制[18]。
图2.2集中控制系统模型
2.2.2系统运行方式
糖果包装机的运行，采用自动运行和手动运行方式：
（1）手动运行：
可以用按钮对包装机的各个部分进行单独控制，便于调机，主要用于故障的检修与恢复。
（2）自动运行:
按下启动按钮，系统即开始连续、协调、周期性地完成各包装动作，直到系统接收到停止运行信号。
与运行方式对应的是停止运行方式。
糖果包装机的停止运行方式包括正常停运、暂时停运、紧急停运三种：
（1）正常停运是按下该开关后，各机械动作停止，传送带停止传送。
（2）暂时停运指按下该开关后，特殊继电器M8034得电，全部输出继电器失电，动作停止；将开关断开后，M8034失电，输出继电器恢复到原来状态，小车继续运行。
（3）紧急停运是指用开关将PLC的输出电路的电源切断，直接断开接触器，这种方式比较可靠。
2.2.3设计系统流程图
按照所查阅的糖果包装机工艺，可设计控制控制系统流程图，如图2.3。
图2.3系统流程图
3糖果包装机控制系统硬件设计与选型
3.1PLC的选型
PLC基于计算机，但不等同于计算机。
普通计算机进行入出信息变换，多只考虑信息本身，信息的入出，只要人机界面好就行了。
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。
特别是要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。
PLC与通用计算机控制系统之间的区别是：
PLC是专门为工业控制而设计的，而通用计算机是专门为科学计算和数据处理设计的[19]。
尽管二者都采用了计算机系统，但是二者设计的出发点不同，因而他们在结构上也有很大差别，使用对象和使用环境也有所不同。
PLC抗干扰能力强，能适应工业现场的温度、湿度及相当程度的振动。
其输入/输出采用光电隔离技术或其它隔离技术，并配有输出继电器或输出晶体管等输出部件，由于这些输出部件能够直接承受较大的负载，因此它们可以直接驱动小型电机等负载[20]。
PLC使用专门的面向工业对象的编程语言，使程序的编制和修改都非常方便。
而通用计算机，它的输出信号通常都需要数模转换并放大后才能驱动工业负载。
FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列[21]。
由于FX2N系列具备如下特点：
最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入输出的多种应用的选择方案[22]。
产品特点[23]:
（1）节省空间：
其体积仅相当于以前ans系列PLC的60%；
（2）节省配线：
优越的模块插口设置可节省配线时间和空间；
（3）安装灵活：
有多种主基板和扩展基板供选择；
（4）强大的网络功能：
相比前产品更为支持cc-link，在软件Gx-developer的设置下，可以方便地使用cc-link模块，减小编程时间。
并且支持modbus，profibus，devicenet，asi，太网等等；
（5）高性能模块：
提供有多种特殊功能模块，功能更为强大。
并且有相关设置软件，编程及调试更加方便。
根据分析，以及I/O点数确定并按20%-30%备用量原则，选择三菱FX2N-48MR。
它含有24个输入点，24个输出点，且为继电器输出。
3.2I/O点数确定
通过对工艺流程分析，确定了该系统的I/O点数，其中系统启动控制按钮和系统停止控制按钮为点动按钮，按下后不保持，软件中通过置位复位控制系统的顺序启动和停止。
由于所选三菱系列PLC地址顺序以8进制编号。
表3.1中列出了输入继电器、输出继电器的分配情况。
表3.1PLCI/O分配表
输入项目名称
对应输入地址
光电开关
X0
推搪开关
X1
糖纸转盘开关
X2
限位开关SQ1
X3
喷胶截断
X4
限位开关SQ2
X5
启动
X6
停止
X7
连续/单周
X10
暂停
X11
手动
X12
变频器故障
X13
缺纸断纸
X14
截断上限位
X15
截断下限位
X16
（续表3.1）
输出项目名称
对应输出地址
电动机启动
Y0
推搪电磁阀
Y1
糖纸转盘电磁阀
Y2
喷胶截断电磁阀
Y3
变频器故障指示灯
Y4
缺纸断纸指示灯
Y5
上限位指示灯
Y6
下限位指示灯
Y7
3.3系统主要器件的选择
3.3.1三相异步电机
系统采用PLC进行集中控制，主要控制对象为一台2.2KW的三相异步电机，主电机的参数如表2.1所示。
主要的控制器件包括：
PLC、变频器等。
表3.2Y2-100L1-4三相异步电机主要技术参数
型号
额定功率
满载时
堵转电流
堵转转矩
最大转矩
KW
转速（r/min）
电流（A）
效率（%）
功率因数（cos）
额定电流Ist/IN
额定转矩Tst/TN
额定转矩TM/TN
Y2-100L1-4
2.2
1430
5.16
80
0.81
7.0
2.3
2.3
3.3.2变频器的选择
在该糖果包装机的控制系统中，变频器主要用于实现传送带的起动、停止。
系统选择松下变频器VF0。
松下变频器的全称是“松下交流变频调速器”，主要用于控制和调节三相交流异步电机的速度。
主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，松下变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等[24]。
超小型变频器VF0，体积小巧，体积仅是松下变频器过去产品的40％～56％，但其功能却没有因此而减少，而且在设计中更是增加了一些人性化设计，操作简单，功能强大，可由PLC发出的PWM信号直接调节频率。
主要涉及的变频器参数是P66、P01、P02、P08、P09。
（1）P66是用来初始化变频器参数的，当其被设置成“1”后，变频器之前的所有参数设置都被恢复到出厂时的设置。
（2）P01和P02分别用于设定变频器的启动和停止时间，及变频器从起动到输出最大频率的时间。
变频器默认基频是50HZ。
（3）P08是变频器的“选择运行指令”，它决定了变频器的控制方式，即使采用面板控制方式还是采用外部按钮控制方式。
（4）P09是频率设定信号，它决定了变频器输出频率的控制方式。
以下是松下变频器VF0系列操作面板[24]：
图3.1松下变频器VF0系列操作面板
操作面板功能如下表
表3.2操作面板的功能
显示部位
显示输出的频率、电流、线速度、异常内容、设定功能时的数据及其参数No
RUN（运行）
是变频器运行的键
STOP（停止）
使变频器运行停止的键
MODE（模式）
切换“输出频率·电流显示”，“频率设定·监控”等各种模式以及将数据显示切换为模式显示所用的键
SET（设定）
切换模式和数据显示以及存储数据所用的键。
在“输出频率·电流显示模式”下，进行频率显示和电流显示的切换
UP（上升）
改变数据或输出频率以及利用操作板使其正转运行时，用于设定正转方向
DOWN（下降）
改变数据或输出频率以及利用操作板使其反转运行时，用于设定反转方向
频率设定钮
用操作板设定运行频率而使用的旋钮
3.3.3传感器的选择
系统中用到了光电开关和行程开关。
光电开关传感器位于糖果包装机的入口处，当有糖果到来时，发出信号，并传送给PLC，PLC控制位于传感器附近的推糖电磁阀吸合。
而所用到的行程开关又称接近开关，它可以代替触头行程控制盒限位保护，还可用于高频计数、测速、液位控制、零件尺寸检测以及本系统中所用到的加工程序的自动衔接等的非接触式开关。
3.4硬件连接图
通过上述系统的工艺流程分析及硬件选择，可设计外部接线如下图：
图3.3外部接线图
4糖果包装机控制系统软件设计
本次设计所使用的编程软件为GX-Developer[25]，适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等
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