基于PLC的自動(dòng)包裝機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容摘要自動(dòng)化包裝設(shè)備在包裝行業(yè)中占有舉足輕重的位置，是目前市場(chǎng)上較為暢銷的一種機(jī)械產(chǎn)品。自動(dòng)包裝機(jī)中新興技術(shù)的運(yùn)用使得自動(dòng)包裝機(jī)的功能更加強(qiáng)大，其結(jié)構(gòu)和原理也更加的復(fù)雜，研究以自動(dòng)包裝機(jī)的調(diào)試與維護(hù)為方向，能夠加深自身對(duì)自動(dòng)包裝機(jī)原理、機(jī)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，豐富自身的對(duì)于自動(dòng)包裝機(jī)調(diào)試與養(yǎng)護(hù)方面的專業(yè)知識(shí)，有益于專業(yè)知識(shí)與實(shí)際工作的結(jié)合，對(duì)于自身今后的工作開(kāi)展與職業(yè)發(fā)展有著重要的意義。本論文以PLC的包機(jī)控制系統(tǒng)為核心進(jìn)行研究，基于包裝機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)以PLC為核心的包機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，包括S7-200系列PLC、VideoJet2120型噴碼機(jī)、BannerQS18光電傳感器傳感器、R37FDT71D4三相異步電動(dòng)機(jī)的選擇以及I/O地址的配置。在此基礎(chǔ)上，完成了基于PLC的包裝機(jī)械控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括主程序的設(shè)計(jì)和封裝程序的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的調(diào)試，得出了PLC的包裝機(jī)控制系統(tǒng)具有較好的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞包裝機(jī)；PLC；控制系統(tǒng)目錄TOC\o"1-3"\h\u2066一、引言 I一、引言任何進(jìn)入流通環(huán)節(jié)的產(chǎn)品都要經(jīng)過(guò)包裝，而實(shí)現(xiàn)其目的的方法就是使用包裝機(jī)械。傳統(tǒng)的包裝設(shè)備主要是依靠機(jī)械控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，存在著能耗大、能耗高、效率低等問(wèn)題。食品包裝機(jī)械的典型設(shè)備是一種以其自身的知識(shí)產(chǎn)權(quán)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品，它對(duì)推動(dòng)我國(guó)包裝行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步、促進(jìn)行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，并為日用產(chǎn)品的發(fā)展提供了支撐。目前，由于小型包裝設(shè)備的普適性和種類單一，難以滿足包裝個(gè)性化、多樣化的要求，國(guó)內(nèi)的小型包裝機(jī)械廠商在面臨一系列低科技產(chǎn)品的沖擊時(shí)，選擇了以先進(jìn)的多伺服技術(shù)為主的包裝機(jī)械。近十年來(lái)，尤其是改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)包裝機(jī)械行業(yè)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，盡管在技術(shù)上有了很大的提高，但與國(guó)外相比還有很大的差距。本論文以PLC為核心，開(kāi)發(fā)了一種以PLC為核心的包裝機(jī)控制系統(tǒng)。對(duì)提高盒裝自動(dòng)化水平，提高包裝作業(yè)效率具有重要意義。二、包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）包裝機(jī)的工作原理包裝機(jī)有一個(gè)電動(dòng)機(jī)三個(gè)執(zhí)行構(gòu)件（一個(gè)送料、一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)控制運(yùn)輸爪的升降、一個(gè)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)控制往復(fù)運(yùn)動(dòng)）。根據(jù)推板定長(zhǎng)計(jì)數(shù)將香煙進(jìn)行疊裝，第1，3行擺7根，中間的一行擺6根，3列為一盒，在此過(guò)程中，推板的長(zhǎng)度應(yīng)滿足大于（n-1）b而小于nb，一般取L=（n-0.5）b（mm）。推板的高度H=（0.8到1.2）h，h為物料的高度。在此過(guò)程中，推板每第2次推時(shí)，必需要稍微傾斜一點(diǎn)這樣就可使包裝時(shí)第2層為6根，且在包裝盒中有間隙，則再重新退回到原先的位置。（二）包裝機(jī)控制系統(tǒng)總框圖圖2-2包機(jī)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成示意圖如PLC所示，PLC由CPU、輸入/輸出、探測(cè)部件（各種傳感器、接近開(kāi)關(guān)等）組成，控制元件（AC）、電磁閥、執(zhí)行元件（馬達(dá)）、觸摸屏等。操作員向設(shè)備發(fā)出指令，如：?jiǎn)?dòng)，功能切換等.探測(cè)元件探測(cè)物料的位置、投料結(jié)束訊號(hào)、指針訊號(hào)及各機(jī)械裝置的動(dòng)作?？删幊炭刂破靼凑粘绦蛩O(shè)定的控制關(guān)系，對(duì)各個(gè)輸入/輸出位置進(jìn)行循環(huán)掃描，并能自動(dòng)進(jìn)行狀態(tài)更新。在啟動(dòng)和關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，觸摸屏輸入控制信號(hào)，以實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備，如緊急信號(hào)發(fā)射和故障處理方法，以及啟動(dòng)和關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)接觸交流接觸器和電磁閥的主要用途，主要用于包裝材料到運(yùn)輸材料的運(yùn)輸，然后在整個(gè)過(guò)程結(jié)束前進(jìn)行打包工作。觸摸屏觸摸屏檢測(cè)元件控制元件執(zhí)行元件中央處理器單元CPU輸入輸出（I/O）單元圖2-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖三、包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)PLC軟件包裝機(jī)的整體硬件設(shè)計(jì)如圖3-1所示。圖3-1硬件總體結(jié)構(gòu)圖按下啟動(dòng)鍵，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，輸送帶開(kāi)始裝袋。檢測(cè)到盒子A后，高速計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。在數(shù)到1000脈沖的時(shí)候，箱體正好到達(dá)封箱機(jī)下面進(jìn)行封箱，此時(shí)傳送帶繼續(xù)工作。在封箱過(guò)程中，箱體繼續(xù)向前推進(jìn)，在封箱機(jī)停止之前，需要500次脈沖脈沖。箱體向前推進(jìn)，當(dāng)計(jì)數(shù)脈累計(jì)300次時(shí)，噴碼機(jī)開(kāi)始噴碼，噴碼時(shí)間為6秒，整個(gè)工作過(guò)程結(jié)束。按下停止按鈕，電機(jī)停止工作，傳送帶停止傳送包裝箱，高速計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。（一）PLC的選型可編程控制器是一種特殊的電子裝置，特別適用于工業(yè)領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用可編程序存儲(chǔ)器，具有邏輯，順序，時(shí)間，計(jì)算和算術(shù)運(yùn)算，并能通過(guò)數(shù)字輸入，輸出或模擬輸入來(lái)控制各種機(jī)械或制造工藝。目前的plc有很多不同的功能和指令，但是都是以微處理器為中心的專用工業(yè)控制電腦。他們的構(gòu)造和工作方式大體一樣。該裝置的結(jié)構(gòu)與微型電腦的結(jié)構(gòu)相似，它的核心是由CPU內(nèi)存，RAM,ROM，輸入輸出模式，電源等等組成。隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)下列控制功能：狀態(tài)調(diào)整功能；也叫“邏輯控制”或者“序列控制”，是通過(guò)不受指令的PLC來(lái)完成開(kāi)關(guān)控制，而不是由繼電器接觸的串聯(lián)、并聯(lián)和其他各種邏輯連接?？刂朴?jì)時(shí)/計(jì)數(shù)。狀態(tài)控制是一種用PLC提供的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器來(lái)替代計(jì)時(shí)器進(jìn)行特定操作的計(jì)時(shí)器。(3)資料的整理。數(shù)據(jù)處理功能是PLC具有數(shù)據(jù)傳輸、比較、移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、編碼解碼等功能。（4）步控功能。stepController函數(shù)指定有步驟指令來(lái)執(zhí)行多個(gè)處理器。僅當(dāng)前一步操作完成后，才能控制程序的下一步操作，以取代包含該設(shè)備的步進(jìn)控制器。（5）模數(shù)和數(shù)字模擬功能。數(shù)值模擬和數(shù)值模擬功能是通過(guò)數(shù)字仿真模塊將模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)值?？删幊炭刂破鞯挠布?gòu)成主要由中央處理器（CPU）、內(nèi)存（RAM）、I/O（I/O）、以及編程器等五大模塊組成。程序的架構(gòu)可以分為兩大類：監(jiān)視程序：由本系統(tǒng)提供的PLC運(yùn)行控制軟件。使用者程式：由用戶編寫(xiě)的程序，用于對(duì)被控制的系統(tǒng)進(jìn)行操作。PLC的詳細(xì)構(gòu)造見(jiàn)圖3-2：圖3-2PLC結(jié)構(gòu)圖在應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)中，合理地選用PLC是十分必要的。編程控制器有多種類型，其結(jié)構(gòu)類型、性能、容量、指令系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)的PLC生產(chǎn)廠家有：西門(mén)子，AB，歐姆龍，三菱，臺(tái)達(dá)等。本文根據(jù)下列因素，選定一種特定的PLC機(jī)型：結(jié)構(gòu)形式：可編程控制器分為兩大類：整體型和模塊型。數(shù)控機(jī)床的輸入輸出點(diǎn)多集中在PLC和CPU上，很難進(jìn)行擴(kuò)充，主要應(yīng)用于對(duì)加工過(guò)程比較簡(jiǎn)單的控制；功能模塊的模塊化劃分，易于擴(kuò)充，輸入輸出點(diǎn)的類型和數(shù)目多，可擴(kuò)展性好，適用于大型的控制系統(tǒng)。（2）安裝方式：PLC可以分為集中式、遠(yuǎn)端輸入/輸出、分布式和其他形式，這取決于安裝的方式、可編程控制器網(wǎng)絡(luò)。集中式方式無(wú)需安裝遠(yuǎn)距離裝置，系統(tǒng)反應(yīng)快，成本低；遠(yuǎn)距離輸入輸出系統(tǒng)設(shè)備分布廣泛，遠(yuǎn)距離輸入輸出裝置分散，使得連接更加方便；分布式應(yīng)用程序可在同一時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)PLC網(wǎng)絡(luò)，獨(dú)立管理多個(gè)設(shè)備。（3）功能需求：一般PLC具有邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)、定時(shí)、存儲(chǔ)器等功能，可達(dá)到一般的控制要求。(4)響應(yīng)速度：PLC在自動(dòng)化行業(yè)中是一個(gè)普遍的控制器，其控制級(jí)別在幾毫秒到數(shù)百毫秒之間有很大差別。通過(guò)分析控制要求，合理地選用控制器，實(shí)現(xiàn)了功能和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。(5)統(tǒng)一型號(hào)：同一設(shè)備的控制系統(tǒng)要盡可能的統(tǒng)一，使設(shè)備通用，便于采購(gòu)，通訊方便，資源共享。因此，本論文以西門(mén)子S7-200PLC為核心控制芯片。它具有下列特征：一是邏輯指令，具有豐富的功能和指令。它具有200多條指令，既可以進(jìn)行常規(guī)的邏輯控制，又可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制、位置控制和模擬控制，可以直接控制變頻電動(dòng)機(jī)的速度。二是快速的CPU運(yùn)算能力。每個(gè)基礎(chǔ)指令的執(zhí)行速率約為0.22微秒。三是用戶程序具有較大的存儲(chǔ)能力。適用于復(fù)雜的控制及數(shù)據(jù)的處理。四是具有V4.0step7-micro/WINSP3的功能。本系統(tǒng)是西門(mén)子公司基于S7-200PLC開(kāi)發(fā)的一款軟件，它的主要功能是為使用者提供控制程序，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)使用者的程序運(yùn)行。五是強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能。CPU226采用RS485接口，不需要插頭就能與PC或觸摸屏進(jìn)行通信。S7-200系列的輸入線路與3-3相連接。在實(shí)現(xiàn)輸入電路時(shí)，主要要求把輸入器件與對(duì)應(yīng)的輸入端連接起來(lái)，然后通過(guò)繼電器向PLC發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)。PLC在對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，可以通過(guò)改變輸入單元的狀態(tài)來(lái)獲取所需的數(shù)據(jù)。圖3-3輸入信號(hào)采集回路一般情況下，輸出界面可分為繼電輸出、提利斯輸出和提利斯輸出。所有的輸出電路都是采用了弧線技術(shù)，由外接電源，其輸出電流為0.5-2A，負(fù)載的特點(diǎn)對(duì)其輸出電壓有很大的影響。該系統(tǒng)的輸出部分采用PLC的負(fù)荷控制，其輸出端的接口見(jiàn)圖3-4。負(fù)載按輸入點(diǎn)與電源相連，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)，通過(guò)輸出端PLC的開(kāi)關(guān)來(lái)控制負(fù)載，從而使得輸出端對(duì)負(fù)載產(chǎn)生一定的影響。從技術(shù)指標(biāo)和輸出點(diǎn)負(fù)荷的需求出發(fā)，在選用負(fù)荷規(guī)范時(shí)應(yīng)將負(fù)荷因素考慮在內(nèi)。圖3-4輸出回路的連接（二）噴碼機(jī)的選型在噴碼設(shè)備的選型中，要從控制系統(tǒng)中獲取批號(hào)、生產(chǎn)日期等信息，通訊是噴碼裝置的重要作用，要保證噴碼裝置上的信息清楚、容易辨認(rèn)，就必須采用大型噴碼機(jī)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合噴碼速度、質(zhì)量等因素，選擇了偉迪捷公司的VideoJet2120噴碼設(shè)備，能夠清楚地印刷各種類型、字體和條形碼的各種包裝物料。該噴碼器可按要求進(jìn)行單行和雙行字符的噴碼，字符的高度可隨要求調(diào)節(jié)。（三）傳感器的選型（1）光電傳感器通過(guò)對(duì)各種位移接近開(kāi)關(guān)的工作原理、工作環(huán)境和工作特性進(jìn)行了對(duì)比，并針對(duì)包裝過(guò)程中的工作環(huán)境和要求，選用了光電接近開(kāi)關(guān)，以盡量減少工作環(huán)境對(duì)檢測(cè)精度的影響。最后，選擇了QS18VP6CV45Q5的BannerQS18系列聚焦光電傳感器。（2）旋轉(zhuǎn)編碼器在本課題中，用一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器（encoder）來(lái)控制設(shè)備的旋轉(zhuǎn)。如果需要提升包裝層，設(shè)備中的一對(duì)齒輪相互相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)90度。在裝置位置安裝位移傳感器，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)齒輪對(duì)角度的控制。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用，采用了RVI58L的倍加福增量型光電轉(zhuǎn)碼器。四、包裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（一）系統(tǒng)控制流程圖設(shè)計(jì)圖4-1所示為此包裝機(jī)械的控制系統(tǒng)的控制流程，在使用前，應(yīng)先確定安全門(mén)是否關(guān)閉，并檢查控制設(shè)備，若有異常，則程序不能正常工作，并將報(bào)警和顯示，便于操作人員進(jìn)行故障診斷。然后進(jìn)行操作模式的判定，在自動(dòng)操作的情況下，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)程序邏輯循環(huán)工作。開(kāi)始開(kāi)始安全門(mén)關(guān)好？運(yùn)行方式選擇自動(dòng)運(yùn)行？運(yùn)行是否正常周期運(yùn)行是否停止報(bào)警顯示手動(dòng)運(yùn)行報(bào)警顯示程序結(jié)束NNNNYYY圖4-1系統(tǒng)控制流程圖（二）梯形圖設(shè)計(jì)圖4-2顯示了系統(tǒng)控制繼電器的示意圖。X1是系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)一關(guān)閉，就會(huì)啟動(dòng)。X2表示系統(tǒng)停止。X16是系統(tǒng)安全門(mén)的終端開(kāi)關(guān)。關(guān)閉X16后，系統(tǒng)安全門(mén)將開(kāi)啟。M1為輔助繼電器，用于控制系統(tǒng)的起動(dòng)。當(dāng)關(guān)閉時(shí)，X0將會(huì)自動(dòng)開(kāi)始，打開(kāi)時(shí)需要手動(dòng)控制。如果自動(dòng)模式被選中，將會(huì)調(diào)用P1，當(dāng)手動(dòng)模式被選中時(shí)，P2將被調(diào)用。M100是一種初始化的設(shè)備。ADC模塊在系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，將模擬的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字，將豎向密封溫度變?yōu)镈0，將水平密封溫度變?yōu)镈1。圖4-2啟動(dòng)系統(tǒng)梯形圖（2）走袋、打印和縱封控制梯形圖本系統(tǒng)的繼電器控制回路由4-3表示。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)和選擇自動(dòng)模式時(shí)，Y10會(huì)接收到電力，并開(kāi)始供應(yīng)薄膜給系統(tǒng)。由于在縱向密封工藝中無(wú)需膜，所以該電磁閥與常規(guī)關(guān)閉的縱向密封連接是連續(xù)的。如果發(fā)現(xiàn)有顏色的標(biāo)簽，打開(kāi)磁帶，Y2將啟動(dòng)。不久，Y2被關(guān)閉，縱封也被停止。溫度器定義溫度為垂直壓縮（編程時(shí)采用比較指令）。當(dāng)溫度低于100，則包含M4的數(shù)值。當(dāng)數(shù)值超過(guò)100時(shí)，當(dāng)M5超過(guò)100時(shí)，值為ON。如果D0大于120時(shí)，M6值等于ON。M4包含將低于100℃的垂直溫度簡(jiǎn)化為100℃以下，并且Y14簡(jiǎn)化這一加熱盤(pán)管的垂直。在Y14的垂直質(zhì)量下，同時(shí)為溫度Y14接上電源保證溫度高于100℃，注意到M6包括簡(jiǎn)化的垂直溫度高于當(dāng)時(shí)的120℃。在Y14的同時(shí)關(guān)閉，為降低垂直密封溫度低于120℃。當(dāng)M5關(guān)閉時(shí)，表示縱封處的溫度為100~120℃，可以進(jìn)行縱封。當(dāng)X3關(guān)閉時(shí)，表示薄膜已到達(dá)縱封位置，Y0為開(kāi)啟電磁閥的縱封。這時(shí)，計(jì)時(shí)器T1開(kāi)始計(jì)時(shí)，5秒后，T1的正常關(guān)閉觸點(diǎn)被切斷，Y0的斷電自動(dòng)終止。圖4-3縱封系統(tǒng)梯形圖（3）供料系統(tǒng)梯形圖圖4-4所示為系統(tǒng)控制繼電器圖。X4是系統(tǒng)移動(dòng)盤(pán)的信號(hào)，X6是材料填充的信號(hào)。X4是在光電傳感器檢測(cè)到移動(dòng)的磁碟時(shí)關(guān)閉。由于Y11發(fā)動(dòng)機(jī)的電源是不完善的，因此，電源Y11發(fā)動(dòng)機(jī)是為系統(tǒng)供電。物料裝入后，X6關(guān)閉，正常的X6觸點(diǎn)關(guān)閉，Y11為停止電源，Y3閥關(guān)閉并啟動(dòng)，以吸收過(guò)多的物料。起動(dòng)時(shí)間3秒。之后，正常封閉連接T2關(guān)閉，Y3停止工作。將物料放入Y5型帶移動(dòng)磁盤(pán)的電磁閥上，動(dòng)力將提供能量，然后將物料裝入袋內(nèi)。圖4-4供料系統(tǒng)梯形圖結(jié)語(yǔ)本文詳細(xì)研究了基于PLC的包裝機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)PLC、噴碼機(jī)、傳感器、電機(jī)等的選型，實(shí)現(xiàn)了PLC的輸入輸出地址的分配，從而實(shí)現(xiàn)了以PLC為基礎(chǔ)的包裝機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。并通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的調(diào)試，得出了采用PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)包裝機(jī)械控制系統(tǒng)性能良好，具有實(shí)用意義。本文因本人能力不足及相關(guān)資料不足，本文的研究尚不完整，有待進(jìn)一步完善。參考文獻(xiàn)蘇紅衛(wèi),支強(qiáng).基于PLC和觸摸屏的果蔬自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].包裝工程,2018,039(005):163-167.張克平,田佳壯,李妙祺,等.基于PLC氣動(dòng)式水果套網(wǎng)包裝機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2019,24(03):122-130.馮碩.基于PLC的全自動(dòng)糧食包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2019,41(12):205-209.林福.基于PLC的牙簽自動(dòng)包裝機(jī)PID溫度控制系統(tǒng)[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2019(3):56-15.湯晨宇.基于PLC設(shè)計(jì)的機(jī)械零部件自動(dòng)包裝機(jī)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2020,56;288(11):108-110.黃遠(yuǎn)征,李繼波.基于PLC及HMI的包裝機(jī)集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)