基于PLC的包装生产线计数分配环节.docx
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基于PLC的包装生产线计数分配环节
基于PLC的包装生产线的计数分配环节
控制系统设计
摘要：
本文详细介绍了PLC在成品包装计数分配环节控制的应用，符合现阶段研究发展现状。
本设计主要针对若干等量成品包装成箱的计数分配环节进行了研究，主要设计了该环节的电气控制部分，其主要基于PLC控制。
系统的主要设计思路采用以PLC为基础的自动控制实现包装生产线计数分配环节对产品进行等量成品包装成箱的功能。
本设计构想了成品包装技术分配环节的机械系统，绘制了PLC控制系统的梯形图、软件流程图、手动控制的继电器接触器电路图等，对硬件系统的各个元器件进行了选型，并对软件系统的调试进行了预期展望。
关键词：
控制系统；计数分配；PLC；
DesignofcontrolcountanddistributionpartofPLC-basedpackingproductionlinesystem
Abstract:
ThispaperdescribesthePLCintheseparationofpackingproductionlinesystemattheapplicationoftheelection,andatthisstageseparationsystem,thestudyfoundstatus.Itdesignedmainlyforsomeamountoffinishedproductpackingintoboxcountingthedistributionlink,themaindesignthelinkintheelectricalcontrolpart,itsmainbasedonPLCcontrol.ThemaindesignthoughtthesystembasedonPLCautomaticcontrolimplementpackagingproductionlinetechniqueforproductsdistributionlinkreleasesfinishedproductpackingthoseboxesoffunction.Thisdesignconceivethefinishedproductpackingtechnologydistributionlinkofmechanicalsystem.ItdrawthePLCcontrolsystemandthesoftwareflowchartoftheladderdiagramandmanualcontrolofrelaycontactdevicesuchasacircuitdiagramandthehardwaresystemofeachcomponentontheselection.Thisdesignhaveprospectthedebuggingofthesoftwaresystem.
Keywords:
Controlsystem;Countanddistribution;PLC;
摘要……………………………………………………………………………………1
关键词…………………………………………………………………………………1
1前言………………………………………………………………………………2
1.1研究意义………………………………………………………………………2
1.2国内外研究现状………………………………………………………………3
1.3国外相关PLC技术的应用开发………………………………………………3
2系统机械部分简介………………………………………………………………4
3控制系统方案选择……………………………………………………………4
3.1传统继电器—接触器电气控制系统…………………………………………4
3.2PLC可编程序控制器控制系统………………………………………………5
3.3控制系统的确定………………………………………………………………5
4硬件电路设计……………………………………………………………………6
4.1包装生产线工作流程图………………………………………………………6
4.2PLC硬件电路设计……………………………………………………………7
4.2.1PLC控制系统方框图………………………………………………………7
4.2.2PLC选型……………………………………………………………………7
4.3继电器接触器控制系统设计………………………………………………10
4.4元器件的选型…………………………………………………………………10
4.4.1交流接触器的选择…………………………………………………………10
4.4.2热继电器的选择……………………………………………………………11
4.4.3熔断器的选择………………………………………………………………11
4.4.4断路器的选择………………………………………………………………12
4.4.5电动机的选择………………………………………………………………13
4.4.6控制按钮的选择……………………………………………………………14
4.4.7导线的选择…………………………………………………………………15
4.4.8传感器的选择………………………………………………………………15
5PLC控制系统软件设计…………………………………………………………16
5.1控制系统逻辑分析……………………………………………………………16
5.2控制系统程序设计……………………………………………………………16
5.2.1程序梯形图…………………………………………………………………16
5.2.2程序流程图…………………………………………………………………16
6系统程序预期调试及结果………………………………………………………16
7结论………………………………………………………………………………18
参考文献………………………………………………………………………………18
致谢……………………………………………………………………………………19
1前言
在现代包装行业中，基于PLC的技术已经广泛运用到生产线的各个环节，这种技术不仅大大降低了人工劳动强度，减少了人从事机械反复的工作量，而且还大大地提高了劳动生产率，降低了劳动力成本。
在时代的大背景下，我们可以看到，PLC技术加快了包装生产线的现代化步伐，提高了包装加工的自动化程度，而且使得包装生产线具备了较高的可靠性和安全性，大大提高了成品包装的效率和精度。
本设计以PLC技术为基础，针对包装生产线的技术分配环节进行了研究，下面本文就PLC技术在包装生产线的技术分配环节的研究意义、国内关于该技术在包装生产线上的研究现状和国外开发的几种PLC技术做简单介绍。
1.1研究意义：
按照IEC（国际电工协会）国际标准定义，可控程序逻辑控制器（ProgrammablelogicalController），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节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、技术、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。
因为基于PLC技术的工业机械控制系统的应用越来越广泛，具有重大的社会实践生产的意义，具体表现在以下五个方面：
1、提高了工业生产系统的计数分配环节的实时性。
由于控制器产品的计数分配环节是基于控制为前提，信号处理时间短，速度快，计数准确。
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，尤其是其中的计数分配环节，更能满足各个领域大、中、小型工业控制技术分配的环节。
2、保障了工业生产系统的计数分配环节的可靠性。
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10-20ms。
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、简化系统配置，提高了系统的灵活性。
基于PLC技术的系统的控制系统，可以根据自控工程实现功能要求不同，而进行不同的配置。
在满足控制工程需要的前提下，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；弱点或弱电等。
有相应的I/O模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，它还有多种人机对话的借口模块。
4、降低了生产线产品计数分配环节控制系统的成本，性价比高。
5、降低了控制系统的安装难易程度，使得维修更加方便。
基于PLC技术的生产线技术分配环节的控制系统使得该系统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。
因采用模块结构，因此模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
1.2国内外研究现状
我国包装生产线研制于1958年，主要是自用设备，属革新产，未进入市场。
正式包装生产线起始于七十年代，“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、国防化得产业。
而我国在包装生产线产品计数分配环节的基于PLC技术的系统的研制起步比较晚，解放后轻工业开发了一批专用包装设配，因此，也开展了对产品计数环节的PLC控制技术的研究，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，包装生产线的产品技术环节的PLC控制技术作为新兴的工业部门重点研究的技术而发展起来，经过三十年的艰苦努力，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经形成，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，作为包装生产线机械工业在我国国民经济的崛起中正在不断发展和完善。
1.3国外相关PLC技术的应用开发
在欧美等国家，软PLC已开始投入工业使用，而且市场份额每年都在增加，根据ARC的调查和估计，1997年全球的软PLC市场有3千6百万美元，到2000年软PLC的市场达到了1亿4千5百万美元，2001年差不多又增长了一倍。
目前，欧美等西方国家都把软PLC作为一个重点投资对象进行研究开发。
工业领域已经开始使用软PLC产品，而且软PLC的市场需求量也在不断的增长。
典型的软PLC应用产品有：
1、SOFTPLC公司的SoftPLC。
SoftPLC是基于PC的开放式控制软件，具有开放的控制平台，支持用户用梯形图和C、C++、Java等高级语言来编写自己的程序。
此外，SoftPLC内嵌Web和FTP服务器，用户可进行远程维护和监控。
2、SIEMENS公司的SIMATICWinAC。
SIMATICWinAC是基于Windows平台的控制软件，具有可视化人机界面，它将控制、数据处理、通信等技术集于一体，采用了VentruCom司提供的实时操作系统作为WindowsNT的扩展，具有“硬实时”的特性。
3、CJInternational公司的ISaGRAF。
ISaGRAF能够在多种操作系统下运行，具有良好的网络通讯能力，包括数据传输、远程监控和维护、在线调试、应用程序下载以及支持运行于多个目标机上的控制程序间的通讯。
除了上述典型产品外，还有许多自动化公司也推出了自己的产品，如WellspringSolutions公司的OA2Control；德国KW公司的MULTIPROG；GE-FANUC公司的CIMPLICITY；Intellution公司的Paradym-31；Rockwellautomation公司的SoftlogixTM5Controller；BECKHOFF公司的TWinCAT等等，它们都有各自的特点。
2系统机械部分简介
本次设计主要是针对包装生产线的技术分配环节的控制系统的设计，因此其机械系统部分只画了一个简单的示意图（见机械系统图）。
因此本节只对机械系统的工作原理和过程进行简单的介绍。
如图所示，产品由产品传送皮带传动，通过推杆机构，推盘将产品推送至开闭合平台之上，此时压敏传感器感受到重力后，控制开闭合平台开启，产品随机掉落到下面的包装箱内，与此同时，闭合平台闭合。
在掉落的过程中，产品通过透光传感器，实现计数，但计数到三次的时候，传送包装线的皮带开始动作，将下一个空包装箱传送至闭合平台正下方的位置，开始下一轮包装。
整个过程的控制由基于PLC自动控制系统控制，从而实现包装生产线的计数分配功能。
由于本设计主要针对的是包装生产线计数分配环节的PLC电器控制，故而省略机械系统中推杆机构和开闭合平台机构的机械部分的设计。
由于这两个机构可以单独运作，故而没有纳入到PLC控制系统中。
3控制系统的确定
3.1传统继电器—接触器电气控制系统
由于继电器—接触器电气控制线路简单，价格低廉，多年来在各种生产机械的电气控制领域中，应用十分广泛，而且技术上也十分成熟，因此受到大力推广。
但是在一些较为复杂的控制系统中，特别是涉及到时序控制的自动控制系统，必须使用大量的中间继电器、时间继电器、接触器等，而且控制线路复杂、器件多、接点多，因而在这类控制系统中可靠性低、可维护性差。
3.2PLC可编程序控制器控制系统
PLC可编程序控制器其实就是工业控制计算机，用以取代传统的中间继电器、时间继电器、计数器等，并具有一切计算机控制系统的功能。
目前PLC已成为工业控制的标准设备，其应用面广泛应用于化工、石油等企业的现代过程控制中。
PLC采用的是典型的计算机结构，主要包括CPU,RAM,ROM和输入、输出接口电路等。
其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。
如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量→PLC→输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测信号等均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，作为PLC的输出变量，对外围设备进行控制。
PLC的一般内部逻辑结构框图如下图所示：
图1PLC的逻辑硬件结构框图
Fig1PLClogicalhardwarestructurediagram
3.3控制系统的对比选择
以上两种方案究竟孰优孰劣呢？
下面我们给出说明。
采用传统据电—接触器电气控制系统，虽然价格低廉，但大量的中间继电器、时间继电器，使得线路复杂、器件多、接点多、可靠性低，而且一旦出现故障，检修困难。
用于自动控制系统中，其反应时间、跟踪能力差，有可能使得系统不能正常运行。
而采用PLC可编程序控制器，其优点如下：
1、具有高可靠性。
PLC除采用优质器件等外，在硬件方面采用了较先进的电源，用以防止由电源回路串入干扰。
其内部采用了电磁屏蔽，以防辐射干扰。
而外部输入/输出电路则一律采用光电隔离，加上常规滤波和数字滤波；软件方面设置了警戒时钟WDT、自诊断等措施。
因而使得PLC的平均无故障时间达到30万小时，被称为“永远不坏的控制器”，因而可靠性优于传统继电—接触器电气控制系统。
2、灵活性高、扩展性好、通用性强。
它采用程序使得硬件软件化，对于不同的控制系统，只需改变程序即可，因而通用性强。
而且现场接口容易，设计周期短。
3、功能强。
PLC具有自诊断、监控和各种报警功能既可完成过程控制，又可进行闭环回路的调节控制，而且在将来的工控领域，可以说是无所不能。
由于生产线上的恶劣环境和电磁干扰，一般的电子仪器都会受到干扰。
而PLC是从取代工厂内继电器线路、进行顺序控制发展开来的工业控制产品。
PLC由于具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，以及编程简单，维护方便，通讯灵活等优点。
在电器控制系统中得到广泛应用。
PLC不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成定时、计算、计数和各种闭环控制功能。
整个控制系统利用PLC控制传送带实现了空箱传送、产品运输、产品计数等功能。
并且有手动控制和自动控制两种控制方式。
在生产线自动装箱控制的传送带控制系统应用，可使生产线的控制更加灵活、可靠。
进而提高生产效率，突现节约用工，改善工人工作环境，减轻工人劳动强度，节约材料消耗和用工。
因此，本此计数包装生产分配环节的控制系统选择主要是基于PLC控制技术的系统，而继电器接触器控制系统则用于检修时候的手动控制系统的设计
4硬件电路设计
4.1包装生产线工作流程图
根据本次设计中的机械系统运动的先后顺序和要求，应当有以下几个工作流程环节：
（1）当按下控制装置的自动控制按钮后，包装箱传送先启动运行，拖动空箱前移至指定位置，达到指定位置后，由SQ2发出信号，使包装箱传送带制动停止。
（2）包装传送带停车后，产品传送带启动运行，产品逐一落入箱内，由传感器检测产品数量达3个时，产品传送带制动停止，包装箱传送带启动运行。
（3）上述过程循环地进行，直到按下停止按钮，两传送带同时停止。
（4）当按下手动运行按钮的时候，两传送带可以分别手动停止或者启动，以便于检修和维护。
整个工作流程图如下：
图3包装生产线工作流程图
Fig3Theworkflowchartofpackagingproductionline
4.2PLC硬件电路设计
4.4.1包装生产线的PLC控制系统图下图所示。
图2PLC控制系统方框图
Fig2PLCcontrolsystemcharts
4.4.2PLC选型
1、I/O点数的估算
系统输入信号：
a自动控制按钮，需要1个输入端；
b手动控制按钮，需要1个输入端；
c停止按钮，需要1个输入端；
d手动控制时，传送带A和传送带B独立点动控制按钮需要2个输入端；
e产品数量检测信号SQ1和空箱位置检测信号SQ2，需要2个输入端；
f故障报警消音按钮，需要1个输入端。
系统输出共需8个输出信号点。
系统输出信号：
a传送带A和传送带B，需用2个控制输出端；
b系统上电指示和手动指示、装箱指示需要3个输出端；
c一个报警器，需要1个输出端。
系统输出共需6个输出信号点。
2、PLC型号的确定
因为本系统是对开关量进行控制的应用系统，而且对控制速度要求不高，所以可选用西门子系列的S7-300型可编程控制器PLC作为控制核心，该单元为20点I/O，12点输入，8点输出，所以满足系统输入、输出点需要。
西门子S7-300型系列PLC的特点：
（1）高速计数器能方便的测量高速运动的加工件。
（2）扩展能力增强，最大到12ch的模拟量。
（3）带高速扫描和高速中断的高速处理。
（4）可方便与西门子的可编程序终端（PT）相连接，为机器操作提供一个可视化界面。
（5）A/D、D/A精度大幅度提高，分辨率为1/6000。
（6）可进行分散控制和模拟量控制。
（7）通讯功能增强，提供内置RS232C端口及RS485的适配器。
S7-300虽然体积小，但是提供了许多功能。
具有强大的模拟量扩展功能，能够带3块模拟量输入输出模块；能够连接触摸屏；提供新的适配器，把外设口转成RS485口。
为小型的紧凑型设备提供人机界面（HMI）和高精度的测量方法。
采用S7-300将在很小的空间内获得许多先进的功能。
小机壳内会聚了先进的功能和优异的表现。
为轻工行业、医疗制冷行业，传送设备和紧凑型的制造商提供更优越的性能和更高的附加值。
西门子小型系列PLC具有优异的性能价格比，所组成的控制系统具有如下技术特点：
（1）稳定的性能西门子系列PLC外型小巧结构紧凑，西门子公司长期积累的生产控制经验和严格的技术标准保证了其可靠稳定的性能，即使在恶劣的工业环境下仍然能正常运行。
更经过高低温的考验，使得该PLC可以适用在特殊的场合。
（2）通讯功能增强提供内置的RS232C端口和RS422端口。
西门子完全开放的通讯协议可方便的实现上位机远程监控功能，用户可随心所欲自己定制开发通讯监控系统。
（3）高速的程序执行速度更快的程序指令执行速度，使得控制过程精确无误。
（4）很强的扩充能力模拟量可以增加到12路；系统支持DeviceNet协议，具有强大的扩充能力，通过远程端子，可以扩充到256点，方便组成集散控制系统。
3、系统I/O点的分配
（1）系统I/O点的分配如下表所示：
表1S7-300I/O分配表
Table1DistributiontableofS7-300I/O
输入
输出
00000
自动控制按钮
01000
系统指示灯
00001
包装箱传送带手动控制输入
01001
包装箱传送带输出
00002
产品传送带手动控制输入
01002
产品传送带输出
00003
SQ2输入
01003
装箱指示
00004
SQ1输入
01004
手动指示灯
00005
停止安钮
01005
报警器
00006
手动控制按钮
00007
消音按钮
4、系统输入/输出接线图如下图所示。
PLC自动控制按钮系统指示灯
包装箱传送带输入包装箱传送带输出
产品传送带输入产品传送带输出
SQ2输入装箱指示灯
SQ1输入手动指示灯
停止安钮报警器
手动控制按钮220VAC
消音按钮
图4系统输入/输出接线图
Fig4Thewiringdiagramofthesysteminput/output
4.3继电器接触器控制系统设计
本设计的主要任务是进行基于PLC的控制系统的设计，但是考虑到安全因素和方便调试检修因素，有必要设计一套手动控制系统，这样就可以在PLC控制出现问题的时候，进行手动控制，完成检修任务。
我们采用的是继电器接触器控制。
该继电器接触器控制系统应该实现以下几个功能。
（1）包装箱传送带、产品传送带、推杆机构和开闭合平台机构这四部分可以独立手动控制，互不干扰。
（2）包装箱传送带和产品传送带这两部分还应该具有正反转的特性，通过手动按钮操作实现正转、反转和制动这三个动作。
（3）具有自我保护功能。
当电路中出现短路或者过热等情况时，能够实现自动断开电路的功能。
根据以上功能，结合包装生产线计数分配环节的系统运行要求，绘制的控制电路图（见继电器接触器控制电路图）。
4.4元器件的选择
元器件的选择本来应该由所选定的电动机型号来选定元器件的型号，但由于机械部分的转矩与负载没有具体的数据，无法具体确定电动机的型号，因为，在此对于元器件的选定我给它一个假定的负载。
假定根据这个给定负载所选出电动机的型号为Y820-4。
根据孙克军主编的《常用农村电器手册》可以得到与此型号相匹配的其他控制电器的型号。
4.4.1交流接触器的选择
接
升级会员 