基于PLC的自动封箱控制系统的设计论文.docx
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○A基础理论
●B应用研究
○C调查报告
○D其他
岭南师范学院
本科生毕业论文（设计）
基于PLC的自动封箱控制系统的设计
二级学院 ：
信息工程学院
专 业 ：
电气工程及其自动化
年 级 ：
2014级
学 号 ：
2014904133
作者姓名 ：
梁志华
指导教师 ：
申立副教授
完成日期 ：
2018年5月20日
基于PLC的自动封箱控制系统的设计论文
专业名称：
电气工程及其自动化作者姓名：
梁志华
指导教师：
申立副教授
论文答辩小组
组长：
孟祥丽
成员：
申 立
黄瑜珈
论文成绩：
目录
1绪论 3
1.1课题背景 3
1.2国内外自动封箱系统的发展概况 4
1.2.1国内发展概况 4
1.2.2国外发展概况 4
1.3设计目标 5
2自动封箱控制系统介绍 7
2.1封箱系统控制器的选择 7
2.2控制系统的组成 7
2.3技术方案 8
2.3.1控制系统开箱工作流程 8
2.3.2控制系统装箱工作流程 9
2.3.3控制系统封箱工作流程 10
3控制系统硬件设计 11
3.1I/O地址的分配 11
3.2PLC的选型 12
3.3其他硬件设备的选型 13
3.3.1传送带电机的选型 13
3.3.2气泵的选型 13
3.3.3交流接触器的选型 14
3.3.4电磁阀的选型 14
3.3.5行程开关选型 14
3.3.6光电开关选型 15
3.3.7熔断器选型 15
3.3.8热继电器选型 15
3.3.9急停开关选型 15
3.3.10开关电源选型 15
3.3.11触摸屏选型 16
3.4控制系统硬件接线 16
3.4.1主电路接线 16
3.4.2PLC外部接线 17
4控制系统软件设计 19
4.1编程软件介绍 19
4.1.1STEP7-MicrowinV4.0编程软件主界面 19
4.1.2编程语言的选择 19
4.2程序设计与调试 20
4.2.1系统程序框架图 20
4.2.2系统程序流程图 22
4.2.3控制系统的顺序功能图 23
4.3人机交互界面设计 24
4.3.1触摸屏界面设计 24
5结论与展望 31
参考文献 32
致谢 33
基于PLC的自动封箱控制系统的设计
作者梁志华 指导教师申立副教授
（岭南师范学院信息工程学院，湛江 524048）
摘要：
本文介绍了基于西门子S7-200CPU226PLC的自动封箱控制系统的设计，包含了硬件和软件设计。
该设计主要采用了西门子S7-200CPU226PLC、三相异步电动机、电磁阀、行程开关和光电开关等电气设备。
该自动封箱控制系统能够实现以下功能：
（1）纸板开箱成型；
（2）纸箱封底；（3）产品装箱；（4）纸箱封顶。
关键词：
PLC，异步电动机，电磁阀，行程开关，触摸屏
ADesignofAutomaticSealingBoxControlSystemBasedonPLC
LiangZhihua
SchoolofInformationEngineering,LingnanNormalUniversity,ZhanJiang,524048China
Abstract:
ThisarticledescribesthedesignofanautomaticclosedcontrolsystembasedonSiemensS7-200CPU226PLC,includinghardwareandsoftwaredesign.ThisdesignmainlyusesSiemensS7-200CPU226PLC,three-phaseasynchronousmotor,solenoidvalve,limitsensor,photoelectricsensorandotherelectricalequipment.Theautomaticsealingandcontrolsystemcanrealizethefollowingfunctions:
（1）Cardboardunpacking;
（2）Cardboardbackcover;（3）Productpacking;（4）Cartonsealing.
Keywords：
PLC,Asynchronousmotor,Solenoidvalve,Limitsensor,Touchscree
1绪论
1.1课题背景
改革开放40年来，人民精神世界得到充实的同时，对物质生活的要求也越来越高，这就促进了商品市场的蓬勃发展。
而商品在生产到销售这一过程中包装商品是其中必不可少的步骤，所以为了应对这个时间就是金钱，效率至上的
商品化社会，这就对商品的包装技术提出了越来越高的要求。
而商品包装领域中纸箱包装封箱占了绝大部分，所以自动封箱机便应运而生。
与此同时，得益于工业生产技术不断提高和自动化器件的飞速发展，特别是随着自动化控制技术大规模的应用于工业生产中，商品的生产效率和产品质量得到很大的提高。
如上所说，现代化工业生产中商品的包装封箱是其中不可缺少的一个步骤，但是这个步骤如果由人工来完成的话，不仅会让工人觉得枯燥，而且包装的效率和质量得不到保证，特别是在人口红利逐渐消失的中国，这会极大的降低劳动生产率，增加生产成本，与现代化的工业生产不相匹配。
但是，如果把自动化控制系统应用于商品的包装封箱这一过程中，那样很多由人工生产带来的不利结果都能得到很好的解决。
自动化封箱机就是为了解决这一难题诞生的，它主要是采用胶带对纸箱进行封口，可完成上、下封箱动作，既可单机操作，也可以和工业生产流水线配套使用，主要应用于小件商品包装领域。
目前包装封箱机械竞争日趋激烈，使得封箱机械得以迅速发展。
同时封箱机械能够使用范围也越来越广泛，这样促进着封箱机械向多功能、高效率、动作高精度化、控制智能化发展[1]。
而且，未来的封箱机械如果能够使用人工智能作为控制系统，那么生产效率将得到质的提升。
1.2国内外自动封箱系统的发展概况
1.2.1国内发展概况
在20世纪80年代以前我国的包装封箱机械的发展非常缓慢，在这一领域基本上是一片空白，所以没有出现自动封箱系统。
在80年代后才开始引进国外封箱机，因此我国封箱机高中低档产品自动化水平差距大。
低档封箱机中，自动化产品平均约占销售额的3%～5%，大部分还是应用继电器控制，不应用变频器，应用国产低压电器产品，基本不应用人机界面。
中高档封箱机中自动化
产品平均约占销售额的8%～12%，普遍应用PLC、变频器、合资低压电器产品，部分应用人机界面[2]。
我国封箱机械大部分自动化程度不高，并且多数将开箱、装箱和封箱三部分分裂开来，没有组合成型。
未来我国封箱机械将朝着机电一体化、机械功能多元化、结构设计标准化和智能控制化这几个方向发展[3]。
1.2.2国外发展概况
国外的封箱机工业技术的发展大体经历了一下几个阶段：
简单机化、初级自动化、自动封箱机、计算机控制的高度自动化封箱机。
国外的自动封箱机技术起步较早，在产品的高效率、多样化和自动化等诸多方面都优于我国。
上世纪40年代中期，产品包装封箱机最早被应用于食品、卷烟和火柴等行业，英国和美国在食品行业上应用包装封箱机，这可以说是包装封箱领域的开拓者。
50年代，封箱机设计者把光电开关和电气开关应用于封箱机上，使其实现了初级自动化。
60年代，在封箱机上广泛采用了各种新型电子元件组成的控制系统，并采用机电一体化和气压传动技术，出现了真正意义上的自动封箱机。
70年代，得益于电子计算机的发展，把微型计算机应用于封箱机中，进一步提升封箱机的自动化水平。
进入80年代，各种新技术不断涌现使得封箱机的性能也不断提高，向着更高层次的自动化方向发展，使封箱的效率、可靠性和灵敏性得到提高。
国外的自动封箱机行业经过了70年的发展，早已形成了一个独立完善的发展体系，而且科学技术创新中心一直是欧美，这使得国外的封箱机能最快用上新技术，在世界包装封箱行业保持领先地位。
1.3设计目标
本次课题设计的是以PLC为核心控制器件的自动封箱控制系统，包含开箱、装箱和封箱三部分[4]，自动封箱机的结构图如图1所示。
图1自动封箱机机构图
自动封箱机的动作步骤如下：
（1）通电后，通过气缸和真空吸盘将纸板从料槽中吸出，在吸取拉出的同时将纸板开箱成型；
（2）将纸箱底盖按顺序折好，通过贴带器把箱底密封好；通过贴带器将箱底密封好；（3）通过机械手将产品放进封好箱底的纸箱中；（4）将纸箱顶盖折好，通过贴带器将箱顶密封。
实现箱体底部和顶部的贴胶带动作的动力来源是传送带电机，该工作过程如下：
当传送带驱动着纸箱到达贴带器滚轮1位置时，纸箱压迫滚轮1，使滚轮前面的胶带和纸箱贴合并封箱，同时因为纸箱压迫到滚轮1，会使滚轮1、滚轮2和切刀退位，随着传送带带动纸箱不断向前，胶带也不断的封在纸箱上。
当纸箱后部离开滚轮1和切刀时，切刀架受小弹簧弹力作用，复位弹起，切断胶带。
当纸箱离开滚轮2时，滚轮2受弹簧力作用复位，使切断的胶带也贴在纸箱上，完成完整的纸箱封箱。
封箱胶带贴带器具体结构如图2所示。
图2贴带器结构图
该封箱控制系统的整个流程动作为自动完成，采用PLC+触摸显示屏控制，大大方便操作、减少生产成本，可以连续进行封箱操作，提高生产效率和封箱质量。
本次设计封箱控制系统的工艺流程如图3所示。
图3封箱工艺流程
2自动封箱控制系统介绍
2.1封箱系统控制器的选择
本设计中选用了西门子S7-200系列的PLC作为自动封箱控制系统的逻辑控制器件，之所以选择PLC作为封箱控制系统的控制器，是因为PLC控制和继电器控制、单片机控制相比，在工业控制领域有着独特优异性能特点。
毕竟PLC就是因为工业控制的需要而产生的，是面向工业控制领域的专用设备，具有以下几个特点。
（1）可靠性高，抗干扰能力强[5]。
PLC能在大部分恶劣的工业环境中按既定编好的程序运行下去，受环境影响不大。
（2）编程简单，使用方便。
PLC的梯形图编程语言因为很直观形象，所以容易上手，便于学习。
（3）控制速度快。
PLC控制要先编写程序指令，再通过程序指令控制半导体电路来实现控制，与继电器控制的机械触点的吸合断开相比，动作速度快了很多。
（4）可拓展性好，性价比高。
PLC因为是模块化集成的，所以想要增加输
入输出容量时很容易，直接外接输入输出模块就行了，省了很多继电器、计数器等功能元件，方便经济[6]。
2.2控制系统的组成
该自动封箱控制系统的主要任务是执行设定好的PLC程序，将一个纸板经过控制动作变成密封纸箱。
控制系统的控制动作主要包括:
纸箱吸箱、开箱成型、纸箱折底盖、纸箱封底、产品装箱、纸箱折顶盖、纸箱封顶。
为了满足控制系统要求，需要用到触摸屏、急停按钮、行程开关、接近开关和PLC等电气设备。
控制系统的控制原理如图4所示。
图4控制原理图
2.3技术方案
本次设计的自动封箱控制系统是由开箱、装箱和封箱三部分组成，为了更好的了解这三部分的工作机理、机械结构和电气器件构成，我在网络上和书本上查阅了大量资料，使我对开箱机、装箱机械手、封箱机有了一个更深的了解。
在这里把开箱机、装箱机械手和封箱机组成的自动封箱控制系统作为研究对象，分析控制系统的每一部分的工作流程。
2.3.1控制系统开箱工作流程
开箱工作流程是自动封箱控制系统的初始工作流程，其目的是把纸板开箱成型，并把纸箱底面密封，其工艺流程如图5所示，具体控制要求如下：
（1）按下触摸屏上的启动按钮，气泵电机得电，同时，取箱伸出电磁阀得电控制取箱气缸C1动作；
（2）行程开关SQ1检测到取箱气缸C1到达预定位置后，取箱伸出电磁阀断电，同时吸箱电磁阀得电，使得真空发生器P动作产生负压，四个真空吸盘把纸板吸住。
为了确保真空吸盘能把纸箱牢牢吸附住，加上一个接通延时定时器T37，在定时1秒后，取箱缩回电磁阀得电，取箱气缸C1返回原点；
（3）行程开关SQ2检测到取箱气缸C1返回到原点，取箱缩回电磁阀断电，同时打前后盖电磁阀得电，控制折前盖气缸C2和折后盖气缸C3动作。
行程开关SQ3检测到折后盖气缸C3活塞到位，打侧盖电磁阀得电，折侧盖气缸C4动作。
行程开关SQ4检测到折侧盖气缸C4活塞到位，吸箱电磁阀断电，真空吸
盘把纸箱释放，同时传送带电机启动。
然后，接通延时定时器T38定时0.5秒后，推箱电磁阀得电，推箱气缸C5动作，把纸箱推到传送带上完成纸箱封底。
图5开箱工艺流程图
2.3.2控制系统装箱工作流程
在本次自动封箱控制系统的装箱部分，采用PLC+机械手的方式，用机械手夹紧产品放进已经封好底面的纸箱中[7]。
该机械手工作流程如图6所示，具体控制要求如下：
（1）光电开关SQ5检测到纸箱到了指定位置，传送带电动机、打底前后盖、打底侧盖、推箱电磁阀断电，同时机械手下降电磁阀得电，机械手开始下降；
（2）抓货下限位行程开关SQ6检测到机械手下降动作到位，下降电磁阀断电，同时夹紧电磁阀和接通延时定时器T39得电，机械手将产品夹紧；
（3）接通延时定时器T39定时1秒后，上升电磁阀得电，机械手上升；
（4）抓货上限位行程开关SQ7检测到机械手上升动作到位，上升电磁阀断电停止上升，同时右行电磁阀得电，机械手向右移动；
（5）右限位行程开关SQ8检测到机械手右行到位，右行电磁阀断电，同时下降电磁阀得电，机械手向下动作；
（6）放货下限位行程开关SQ9检测到机械手下降到位，下降电磁阀和夹紧电磁阀断电，将产品放进纸箱，同时接通延时定时器T40得电；
（7）接通延时定时器T40定时1秒后，上升电磁阀得电，机械手上升；
（8）放货上限位行程开关SQ10检测到机械手上升动作到位，上升电磁阀断电停止上升，同时左行电磁阀，机械手向左移动；
（9）左限位开关SQ9检测到机械手左行到位，左行电磁阀断电，机械手回到原点，完成一个周期动作。
同时传送带电机得电，将箱子进入封顶箱部分。
图6机械手工作流程图
2.3.3控制系统封箱工作流程
封顶箱是本次自动封箱控制系统最后一个部分，该部分的目标是把装好了产品的纸箱的顶部密封好，然后输出。
封箱工艺流程如图7所示，其控制要求如下：
（1）光电开关SQ10检测到纸箱到位后，传送带电机停止，同时打顶前后盖电磁阀得电，其控制的气缸C6和气缸C7动作；
（2）行程开关SQ11检测到打后盖气缸C7动作到位后，打顶侧盖电磁阀得电，其控制的气缸C8将侧盖折好压紧；
（3）行程开关SQ12检测到打侧盖气缸C8动作到位后，传送带电机启动，将折好顶盖的纸箱送到贴带器里，完成顶部密封后输出；
（4）出口检测光电开关SQ13检测到纸箱输出后，将打顶前后盖、打顶侧盖电磁阀、传送带电机断电，完成一次完整的封箱操作。
同时，接通延时定时器T41定时0.5秒后，进入下一个封箱循环。
图7封箱工艺流程图
3控制系统硬件设计
3.1I/O地址的分配
根据自动封箱控制系统的18个输入量和15个输出量，建立PLC I/O地址分配表，其输入输出分配表如表1所示。
表1I/O地址分配表
信号 地址
元件
作用
I0.0
触摸屏
设备启动
I0.1
触摸屏
设备停止
I0.2
急停按钮SB1
设备急停
I0.3
行程开关SQ1
气缸C1是否到位
I0.4
行程开关SQ2
气缸C1是否返回原点
I0.5
行程开关SQ3
气缸C3是否到位
I0.6
行程开关SQ4
气缸C4是否到位
I0.7
光电开关SQ5
纸箱是否到位
I1.0
行程开关SQ6
机械手抓货是否下降到位
输
I1.1
行程开关SQ7
机械手抓货是否上升到位
入
I1.2
行程开关SQ8
机械手是否右行到位
信
I1.3
行程开关SQ9
机械手放货是否下行到位
号
I1.4
行程开关SQ10
机械手放货是否上升到位
I1.5
行程开关SQ11
机械手是否左行到位
I1.6
光电开关SQ12
纸箱是否到位
I1.7I2.0I2.1
Q0.0
行程开关SQ13行程开关SQ14光电开关SQ15
KM1
气缸C7是否到位气缸C8是否到位是否检测到纸箱
控制传送带电机
Q0.1
KM2
控制气泵电机
Q0.2
YV1
取箱伸出电磁阀
Q0.3
YV2
吸箱电磁阀
Q0.4
YV3
取箱缩回电磁阀
Q0.5
YV4
打底前后盖电磁阀
输
Q0.6
YV5
打底侧盖电磁阀
出
Q0.7
YV6
推箱电磁阀
信
Q1.0
YV7
下降电磁阀
号
Q1.1
YV8
紧松电磁阀
Q1.2
YV9
上升电磁阀
Q1.3
YV10
右行电磁
Q1.4
YV11
左行电磁
Q1.5
YV12
打顶前后盖电磁阀
Q1.6
YV13
打顶侧盖电磁阀
3.2PLC的选型
本次的自动封箱控制系统只是涉及到开关量，对机器设备的速度控制要求不高，而且由上面的I/O分配表可知本自动封箱控制系统的数字量输入有18个，输出量有15个，所以可以选择比较熟悉的西门子S7-200系列的S7-200CPU226CNAC/DC/RLY型号的PLC，该型号的PLC具有24个输入点和16个输出点，完全满足控制要求的输入输出点数，而且多出的I/O接口还能为以后
做进一步的改良提供条件，其具体参数如表2所示。
表2西门子S7-200CPU226型号PLC的主要参数表[8]名称 参数
外形尺寸（mm） 190x80x62
程序存储器：
运行模式下编辑
（1）非运行模式下编辑
（2）
16384字节
（1）
24567字节
（2）
数据存储区 10240字节
掉电保护时间 100小时
本机数字量I/O 24入/16出
数字I/O映像区 256（128入/128出）
模拟I/O映像区 64（32入/32出）脉冲捕捉输入 24
扩展模块数量 7个模块
高速计数器单相
两相
总共6个
6路30kHz
4路20kHz
脉冲输出（DC） 2路20kHz
模拟电位器 2个（8位分辨率）实时时钟 内置
RS-485通信口 2
布尔指令执行速度 0.2μs/指令
浮点数运算 有
3.3其他硬件设备的选型
3.3.1传送带电机的选型
本设计中因为要用到能够快速停止，准确定位，可频繁启动的电机，所以选用豫通YEJ系列三相异步刹车电机，其具体参数如表3所示。
表3传送带电机参数表
型号
转速
电流
功率
效率
功率因数
制动时间
YEJ801-2
2825r/min
1.8A
0.75KW
75%
0.84
0.2S
3.3.2气泵的选型
本设计中要用到气泵来为气缸供气，所以要选择适合的气泵，现选择东成直联便携式气泵机，其具体参数如表4所示。
表4气泵参数表
型号 转速 电流 功率 电压 排气量
Q1E-FF-3035F
2800r/min 6.5A 1.5KW 220V ≥0.1m³/min
3.3.3交流接触器的选型
西门子S7-200CPU226继电器输出型的输出电压为可以为直流也可以为交流，本设计要用到两个交流接触器，其中传送带电机交流接触器选用正泰NC1-
0910Z型号交流接触器，气泵电机交流接触器选用正泰CJX1-12型号继电器，其
具体参数如表5所示。
表5交流接触器参数表
型号
线圈电压
线圈功率
触点电流
触点数
NC1-0910Z
DC24V
9W
9A
3常开1常闭
CJX1-12
DC24~220V
3.3W
12A
2常开2常闭
3.3.4电磁阀的选型
电磁阀是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，电磁阀是由电磁线圈和磁芯组成，是包含一个或几个孔的阀体。
当线圈通电或断电时，磁芯的运转将导致流体通过阀体或被切断，以达到改变流体方向的目的[9]。
在机械手的升降和左右移动，以及取箱使用了双线圈电磁阀，其他电磁阀都为单线圈电磁阀。
单线圈电磁阀选用亚德客公司的3V308型号的电磁阀，双线圈电磁阀选用亚德客公司的4V430E-15型号的电磁阀，它们的具体参数如表
6所示。
表6电磁阀参数表
型号
位置数
额定电压
线圈功率
保险耐压力
3V308
二位三通
DC12~24V
6.5W
0~0.8MPa
4V430E-15
二位五通
DC12~24V
3W
1.5MPa
3.3.5行程开关选型
行程开关，是一种常用的小电流主令电器。
通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等[10]。
本设计采用矶法电气公司JF-0530B型号的行程开关，其额定电压为
12/24V，触点电流为300mA。
3.3.6光电开关选型
光电开关是传感器的一种，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。
由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的
（即电绝缘），所以它可以在许多场合得到应用[11]。
本次设计中用到了三个光电开关，选用迈得豪（上海）实业有限公司E3F-DS30C4型号的光电开关，其具体参数如表7所示。
表7光电开关参数表
工作电压 工作电流 可检测物体 反映频率 检测距离 产品类型
DC6~36V 300mA≤ 不透明物体 200Hz 0~30cm 红外漫反射
3.3.7熔断器选型
熔断器是将金属导体作为熔体串联在电路中，当超过规定值的电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路的一种电器。
本设计的PLC和触摸屏的工作电流较小，熔断器主要是为了保护传送带电机和气泵电机，而电机是感
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