基于PLC的糖果包装机的控制系统设计.docx
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摘要
本文采用的是可编程控制器（PLC）技术来对糖果包装机进行总体的系统设计。
本文主要介绍了一个基于PLC的糖果包装机的系统设计，详细的描述了利用可编程控制器（PLC）设计开发糖果包装机的过程。
重点对糖果包装机的PLC控制要求的选择，对PLC控制系统主要元器件的选择，以及糖果包装机的各功能模块的设计和糖果包装机的主要控制系统的总体设计，确定了糖果包装机的总体结构，由PLC来实现对糖果包装机的总体控制，变频器来实现变频调速，步进电机来实现对糖果的运输问题，传感器来实现对糖果运输位置的检测从而进行开关控制。
在PLC控制系统，变频器，步进电机，传感器这些设备的类型选择时，通过对PLC控制系统，变频器，步进电机，传感器性能指标的对比来选择相应的设备。
软件设计方面，采用了模块化的编程思想，包括供电模块设计，执行主电机模块设计，包装纸同步控制模块设计。
本文所设计的包装机稳定可靠性好，效率高，可实现生产率及糖果尺寸在一定范围内根据需要随选，技术实用，制造工艺先进化，产品节能化，生产过程高度机械化、自动化，外形美观，能在质量优良。
而且该机结构简单，抗干扰能力强，适合于各种环境下进行工作，有广泛的应用前景。
关键词：
PLC；包装；系统设计
PLC-basedsystemdesignedcandypackagingmachine
Author:
PengLi
II
Abstract
Inthispaper,aprogrammablelogiccontroller（PLC）technologytocandypackagingmachineofanoveralldesign.
ThispaperdescribesacandypackagingmachinebasedonPLCsystemdesign,detaileddescriptionoftheofprogrammablelogiccontroller（PLC）candypackagingmachinedesignanddevelopmentprocessFocusonthecandypackagingmachinePLCcontrolrequirementsoption,themaincomponentsofthePLCcontrolthemajorcandybpackagingmachinecontrolsystemdesigntodeterminethethecandypackagingmachingoverallstructureofthethecandyfromthePLCtoachieveoverallcontrolofthepackagingmachine,thedrivetoachievefrequencycontrol,steppermotortoachievethetransportofcandy,candysensorstoachievethetransportpositiontotheswitchcontroltesting.theplccontrolsystem,inverter,stepperpositionto the switch control testing. The PLC control system, inverter steppermotors,sensors,comparisonofperformanceindicatorstoselecttheappropropriateequipment.Softwaredesign,modularprogrammingideas,includingtheprowersupplymoduledesin,moduledesignimplementationofthemainmotorsynchronouscontrolmodulepackagingdesign.
Thisarticleisdesignedpackaingmachinestabilityandreliability,efficiency,productivity,andcandycanbeachievedwithinacertainrangeinsizeaccordingtoneedon-demand,technology,practical,advancedmanufacturingtechnology,productenergyconservation,theproductionprocessishighlymechanized,automated,beautifulappearance,ingoodquality.Simplestructure,anti-interferenceability,suitableforavarietyofworkenvironments,awiderangeofapplications.
Keywords:
PLC;Packaging;Systemdesign
目录
1绪论 1
2糖果包装机系统分析及控制系统总体设计 5
2.1糖果包装机生产工艺概述 5
2.2糖果包装机控制要求 6
2.2.1包装机控制对象分析 6
2.2.2PLC控制系统方式选择 7
2.2.3系统运行方式 7
2.3糖果包装机控制系统主要器件的选择 8
2.3.1PLC控制器的选择 8
2.3.2变频器选择 9
2.3.3步进电机及其驱动器选择 10
2.3.4传感器选择 12
3糖果包装机各功能模块设计 13
3.1供电模块设计 13
3.2执行主电机模块设计 14
3.3包装纸同步控制模块设计 16
4糖果包装机主要控制系统的PLC程序设计 18
4.1糖果包装机的控制系统设计简述 17
4.2糖果包装机的功能流程 18
4.3主电机的PLC控制指令语句 21
4.4系统仿真 21
结论 24
致谢 25
参考文献 26
附录 27
III
1绪论
近年来，随着科学技术发展，现代化的生产日益趋向商品化、社会化和国际化。
其产品已不单纯是本国的消费，而是要发展出口创汇，逐步形成外向型的经济。
所以产品包装以不可能依靠手工操作，因手工包装不仅在速度、指令、卫生条件和花色品种等方面都无法和机械化包装相比拟，现代化的包装机械已超越简单地模仿人的动作，有许多功能是手工操作根本不能实现的。
机械包装的生产能力往往比手工包装提高几倍，十几倍甚至几十倍，无疑这将会更好地适应市场的实际需要，合理安排劳动力，为社会多创造财富。
国内糖果技术专家在引进合作，自主独创方面取得了可喜可贺的成绩，在糖果设备方面先后推出充气奶糖生产线，胶体软糖自动线，超薄膜真空瞬时熬煮机组，棉花糖生产线等：
包装机械有单扭结包装机，折叠式包装机，高速枕式包装机等。
巧克力设备方面有多功能花色巧克力浇注线，巧克力复合制品自动线，巧克力挤出成型线，巧克力快速精磨机等。
多功能是新设备开发的一个重要趋势，因为糖果品种花样多，更新快，生产厂家对设备的要求是多功能，适应性强。
此外，现在新推出的设备大都采用伺服电机，光电跟踪等新技术，使其自动控制能力大大提高。
比如一种巧克力复合制品自动线，全线由近20台机组构成，由于不同品种工艺要求的差异，不但有个机组本身调整的问题，更有运转过程中各机组之间的速度协调问题，该机组采用一台总变频器来控制各机组的调速变频器。
PLC控制系统已经扩展到了很多工业领域，基于PLC总线的工艺控制计算机。
基于PLC糖果包装机的控制系统，要求制造业对市场需求做出迅速的反应能生产小批量，多品种，多规格的各种糖果包装，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，此类PLC控制系统专为在工业环境下应用而设计的，PLC的应用面广，功能强大，使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。
巧克力糖果包装机是一款高速糖果包装机械，可用于包装各类块状糖果。
PLC控制，袋长即设即切，无需调节空走，一步到位，省时省膜。
参数设定方便快捷，故障自诊断功能，故障显示一目了然，能将检测出来的信息通域记忆构件或记忆
31
演算，指令远距离执行机构所规定的动作，如自动剔除不合格品，无料不送袋，断瓶不充填，缺盒不上标等等。
高感度光电眼色标跟踪，数字化输入封切位置，使封切位置更加准确。
温度独立PID控制，更好适合各种包装材质。
定位停机功能不粘刀，不浪费包膜。
设备消耗的功率小，糖果包装机的包装对象（糖块）的质量小（一般不超过20g），机器的功率主要用于克服摩擦力，所以消耗的功率就小。
卫生要求高，糖果包装机必须保证糖果的卫生质量。
直接和糖块接触的构件应符合食品卫生要求，且能迅速地分解和组合，形状简单，便于洗涤。
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。
其总体外观图如图1-1所示。
图1-1糖果包装机外观图
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托盘上，再通过送糖盘将巧克力糖送到钳糖机械手上，包装完成后由传送带将成品输出。
糖送
包装纸进入卷纸机构
热辊筒
包装纸切断
包装纸送入送纸机构
到托盘上以后，接糖杆向下运动，顶糖杆向上运动是糖块和包装自夹在两者之间，然后同步上升，进入机械手，使包装纸成形，经过折边器折一边，由转盘带着机械手旋转，经过托板，是包装纸全部覆盖带糖块的端面上，完成全部包装。
所有控制由软件实现，方便功能调整和技术升级，永不落后。
该部分仅可通过一颗糖果，糖果经过此通道过后形成队列,依次从包装入口进入如图1-2所示。
糖果包装纸
1-2糖果包装机卷纸图
糖果包装机的自动化程度高，一般都是自动包装机，其结构复杂，自动化程度高，它可以是送纸，切纸，抄纸，理糖，包裹及打糖过程自动完善。
易于调节糖块的形状，大小，及包装纸的性能，为使糖果包装机能可靠地工作，糖果包装机都有调节系统和一定范围内的无级变速装置。
可以根据需求，对糖果包装的速度进行无极变速，本机还可以自由更换糖果种类（但必须为颗粒状的，其尺寸必须在长95-420mm，宽10-360mm，高5-70mm范围内）。
包装纸送纸部分由齿轮机构驱动，拖动包装纸向前运动。
包装纸安装于包装
纸托盘上，正常送纸时，绷紧的包装纸压迫包装纸刹车，使其在摩擦力的作用下向前运动；缺纸或断纸时，绷力消失，包装纸刹车回到原位置，系统报警。
包装
纸的位置由色标传感器进行定位，当位置出现偏差时，由控制系统发出指令驱动步进电机进行拖拉包装纸运动，从而实现包装纸的准确定位。
如图1-3所示。
1-3包装纸卷纸机构图
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→传送粘合→成品。
巧克力糖果包装机工作时很多动作是间歇性的，采用通过三相异步电机带动齿轮机构提供动力，利用凸轮机构与连杆机构等机械结构配合进行包装、进排糖、送包装纸等动作，有效的保证了控制的速度与精度，使系统紧凑、可靠。
而且糖果包装后外形美观，包装纸无明显损伤，撕裂，皱褶，机械结构简单，操作方便，安全，维修容易，造价低。
在包装机开始工作前，通过安装在下料筒后侧的一个传感器控制左、右压紧气缸动作，使左、右同步带压在下料筒两侧的平面上。
推动裸糖进入包装主箱体，同时另一端的送纸机构开始工作，将准备好的包装纸通过传送带送入包装主箱体，主箱体在得到传感器和PLC的信号后开始工作，将裸糖包裹，并喷胶进行粘合，最后通过成品传送带将已经包装好的糖果送入成品糖库。
2糖果系统分析及控制系统总体设计
2.1巧克力糖果包装机生产工艺概述
巧克力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。
喷胶
糖果托盘
包糖机构
成品糖
裸糖
推糖机构
糖果包装纸
送糖机构
成品糖库
图2-1糖果包装机工艺过程图
裸糖经流水线到达糖果包装机，当位于糖果包装机入口处的光电传感器检测到有裸糖到来时，控制推糖机构的电磁阀得电，吸合、下拉推糖机构，与此同时推糖机构动作将糖果送入旋转的糖果托盘中。
当糖果进入托盘三个周期后，控制包装纸转动的电磁阀闭合，开始送包装纸。
利用色标传感器控制、调整包装纸的位置，当纸位置合适时，包装纸被截断，在包糖机构的作用下，按预先设定的步骤，包裹糖果。
若纸位置不合适，PLC将发出脉冲信号驱动步进电机对包装纸进行前后拖动，对包装纸位置进行调整。
包裹完毕，进行喷胶，粘合之后，糖果经传送带送糖机构送至成品糖库。
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。
2.2糖果包装机控制要求
2.2.1包装机控制对象分析
包装机的主要传感器以开关量提供给PLC，作为决策的依据。
开关输入量有：
（1）启动/停止信号
（2）色标信号
（3）糖果生产线上行程开关
（4）包装后的糖果输送线上的行程开关
（5）自动/手动开关
（6）变频器复位开关
（7）喷胶开关
（8）急停按钮
（9）色标开关
（10）光电码盘
（11）速度调节
（12）压缩空气开关输出量有：
（1）急停指示灯
（2）无纸断纸指示灯
（3）色标补差信号灯
（4）产品过大信号灯
（5）强行送纸指示灯
（6）色标状态指示楼上
（7）喷胶开启状态指示灯
（8）步进电机控制器
（9）急停控制信号
（10）电磁阀1、2
输出信号大多是一些开关输出信号，如主电机驱动、步进电机驱动等，这些信号经功率放大驱动对应的包装执行机构。
人机界面使用RS-232口进行通讯，变频器使用RS-485口进行通讯。
2.2.2控制系统方式选择
当前控制系统领域较为成熟的控制技术主要有两种，分别是DCS控制系统和
PLC控制系统。
PLC控制系统和DCS控制系统相比，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。
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（最多可达
8000多个I/O）。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。
因此在糖果包装机的控制系统方式的选择上，采用PLC控制系统。
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、包装纸位置调整、步进电机驱动控制等，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。
为提高系统抗干扰能力，在硬件方面，交流电源增加滤波装置，输入信号进行光电隔离，并远离强电布线。
信号采用屏蔽线传输，采用放射性一点接地等措施，消除、减弱共模和瞬变干扰。
控制对象A
控制器
控制对象B
控制对象C
图2-2集中控制系统模型图
2.2.3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。
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。
包装机控制要求：
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。
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。
2.3糖果包装机控制系统主要器件的选择
系统采用PLC进行集中控制，主要控制对象为一台2.2KW的Y2-IP54系列三相异步电机。
该Y2系列异步电动机具有效率高、起动转矩大等特点。
电动机比
Y系列提高了外壳防护等级为IP54；提高了绝缘等级为F级绝缘，温升作B级考核，降低了电动机的噪声，用负载噪声考核（原Y系列（IP44）电动机用空载噪声考核）。
电动机的结构设计合理，外形美观。
Y2系列三相异步电动机的冷却方式为IC411，安装尺寸及功率等级完全符合IEC标准和德国的DIN42673标准，与Y系列（IP44）电动机相同。
使用条件：
环境空气温度不超过40℃；海拔不超过1000m；工作方式为连续运行A1工作制；额定电压为380V；额定频率为50Hz；3kW以下为Υ联结，4kW及以上为△联结。
电机的参数如表2-1所示。
额定
功率
满载时
堵转电
流
堵转转矩
最大转矩
型号
KW
Y2IP54
2.2
表2-1 Y2IP54三相异步电机主要技术参数
转速
电流
效率
功率因
额定电
额定转矩
额定转矩
（r/min）
（A）
（%）
数（cos）
流Ist/IN
Tst/TN
TM/TN
1430
5.16
80
0.81
7.0
2.3
2.3
主要的控制器件包括：
PLC、变压器、变频器、步进电机及其控制器、光电编码盘等。
2.3.1PLC控制器的选择
合理选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用有着重要作用。
根据分析，以及I/O点数确定并按20%-30%备用量原则，选择了台达DVP-64EH系统。
DVP-64EH是一款可扩充的高性能型主机，具有高速度，高性能的小型PLC，应用领域相当广泛。
主机具有16KStep程序存储器，最大512点数位扩充，200KH高速计数
器，200KHz高速计数器、200KHz脉冲输出（提供伺服定位指令）。
其内建RS-232与RS-485两个通讯口，可自行扩充第三个通讯卡。
可连接八台类比、温度、定位、计数器等扩充模组。
支持PID、PLCEASYLINK（32站）、10,000档案暂存器、
187应用指令。
支持数位、类比、通讯、存储卡与资料设定器等功能。
在本系统中，PLC的主要任务是接受外部开关信号（如按钮、行程开关、继电器等）的输入，判断当前的系统及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的任务。
2.3.2变频器选择
考虑到糖果控制系统对速度控制精度要求较高，负载为2.2KW的三相异步电机，属于轻载。
有两款变频器适用与糖果包装机的要求，分别为台达VFD-A型和台达VFD-V型，我选择了容量为2.2KW台达VFD-V型变频器。
因为台达VFD－V系列是高性能矢量控制交流马达驱动器。
该变频器采用矢量控制技术，从而提高了系统的控制精度和动态响应精度；输出频率在0.1~400Hz且可设定V/F曲线；自动转矩补偿及误差补偿；8段预设速度，7段可编程运转；超低噪音，载波可自1~15KHz调整；内建PID回授控制，简易定位功能；睡眠/唤醒功能和零速
Holding功能；省能源，有自动稳压功能[18]。
如图2-3所示。
图2-3台达VFD-V型变频器（左）和台达VFD-A型变频器（右）
系统中的VFD-V型变频器的使用V/f开环控制，但通过光电编码器采集电机的实际转速值。
变频器通过RS-485口接收PLC的“控制字”命令和转速设定值，或向PLC发送“状态字”和转速实际值。
2.3.3步进电机及其驱动器选择
步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机，步进电机的最大特点是其“数字性”，对于控制器发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度，具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单，成本低（相对于伺服）、电机和驱动器不易损坏等特点，非常适合于微电脑和
PLC控制。
步进电机有步距角、静转矩、及电流三大要素组成。
一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
（1）步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。
电机的步距角应等于或小于此角度。
目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、
0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。
（2）静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。
静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。
单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。
直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。
一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。
（3）电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）
步进电机在糖果包装机系统中用于糖果包装纸的精确定位，当糖果包装纸位置不合适时，色标传感器发出信号，PLC根据信号发出脉冲给步进电机驱动器对包装纸进行色标补偿，驱动步进电机前后拖动，不断调整包装纸的位置，保证糖果包装的质量。
糖果包装机步进电机保持转矩为12Nm，系统中选用深圳步进电机公司两
相步进电机110系列中的2S110Q-03999型步进电机，使用2H1080型步进电机驱
动器对其进行驱动。
该型电动机的基本技术数据如表2-2所示。
整步步
距角
静态相
电流
相电阻
（ ）
相电感 保持转矩
（mH） （Nm）
阻尼扭矩
（Nm）
最大轴
向负载
最大径
向负载
表2-22S110Q-03999型步进电机基本技术参数
（度）
（A）
（N）
（N）
1.8
5.5
0.7
9.8
11.7
9.7
60
220
2H1080型步进电机驱动器是两相双极整半步型步进电机驱动器。
它的特点是高性价比，高速力矩大，相应快，光隔离拆分信号输入，静止时自动低功耗运行，锁机电流可调等特点。
其供电电压最大可达交流100V，提供电机更好的高速驱动性能；采用双极性恒流驱动方式，最大驱动电流可达每相8.5A，可驱动相电流小于8.5A的任何两相双极型混合式步进电机；对于电机的驱动输出相电流可通过DIP开关调整，以配合不同规格的电机；具有DIP开关可设定电机静态锁紧状态
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