基于PLC的包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u7201基于PLC的包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例 1322341.1PLC的選型 1220941.2噴碼機(jī)的選型 5241471.3傳感器的選型 6131551.4電機(jī)的選型 6191431.5I/O地址分配 7基于PLC的包裝機(jī)硬件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3-1。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，完整的工作流程已經(jīng)完成。按下停止按鈕使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，輸送機(jī)不再傳送包裝箱和速度計(jì)不再計(jì)數(shù)。1.1PLC的選型可編程控制器是一種專(zhuān)門(mén)用于工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的電子設(shè)備。該系統(tǒng)使用可編程存儲(chǔ)器來(lái)儲(chǔ)存邏輯指令、順序指令、時(shí)間指令、運(yùn)算指令與算術(shù)，可以用數(shù)字輸入、輸出或者模擬輸入，以達(dá)到在不同機(jī)器或者生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)行的目的。當(dāng)前的plc擁有許多不同的功能和指導(dǎo)，但它們都是以微處理器為核心的專(zhuān)門(mén)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。它們的結(jié)構(gòu)和運(yùn)作的方法大致相同。這種設(shè)備的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于小型計(jì)算機(jī)，它的中央部件是CPU、RAM、只讀存儲(chǔ)器、輸入/輸出方式、電源、輸入/輸出擴(kuò)充介面等。隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已能完成以下控制功能：（1）狀態(tài)調(diào)節(jié)作用；又稱(chēng)“邏輯控制”或“順序控制”，指用PLC非命令替代繼電器觸點(diǎn)串聯(lián)方式、并聯(lián)和其他邏輯連接，達(dá)到開(kāi)關(guān)控制的目的。（2）計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)的控制。所謂狀態(tài)控制功能就是用PLC所提供的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器完成一些操作，不需要定時(shí)器計(jì)數(shù)器就可以。（3）數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理功能指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。（4）步控功能。stepController函數(shù)表示具有步驟指令以操作多個(gè)處理器。目前的步驟才會(huì)結(jié)束，以便對(duì)程序進(jìn)行后續(xù)控制，將步進(jìn)控制器更換為裝置。（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。（6）動(dòng)作控制功能。通過(guò)高速計(jì)數(shù)器和位置控制模塊，運(yùn)動(dòng)控制功能是指單輪或多軸運(yùn)動(dòng)控制。（7）技術(shù)過(guò)程管理職能。工藝控制功能是指用PIDPLC指令或控制模塊實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、速度、成本等物理參數(shù)的封閉循環(huán)。（8）增強(qiáng)功能。擴(kuò)充功能是指將輸入輸出模塊（t.e.擴(kuò)展模塊）連接起來(lái)，增加不同的智能模塊和特殊功能模塊，以增強(qiáng)plc的控制。（9）遠(yuǎn)距離輸入輸出功能。遠(yuǎn)距離的輸入輸出功能是連接遠(yuǎn)端輸入輸出設(shè)備，通過(guò)遠(yuǎn)距離輸入輸出裝置與主機(jī)plc相連。（10）通信網(wǎng)功能。通訊網(wǎng)絡(luò)功能包括：plc網(wǎng)絡(luò)、plc與上位機(jī)通訊、遠(yuǎn)程輸入控制、數(shù)據(jù)交換等功能。（11）監(jiān)測(cè)功能意味著，plc能夠追蹤系統(tǒng)的工作狀態(tài)和進(jìn)程，追蹤信號(hào)和記錄系統(tǒng)中的異常情況，甚至是自動(dòng)關(guān)機(jī)；也可在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序中調(diào)節(jié)并改變定時(shí)器設(shè)置及計(jì)數(shù)器值或者強(qiáng)制輸入輸出狀態(tài)?？删幊炭刂破饔布?個(gè)模塊：中央處理器（CPU）模塊、內(nèi)存模塊（RAM）模塊、I/O模塊以及編程器模塊。方案結(jié)構(gòu)可以劃分為兩大部分：（1）監(jiān)視程序：本系統(tǒng)自帶的程序，用于控制PLC的操作（2）使用者程式：使用者所寫(xiě)的程式，用以控制所受控制的系統(tǒng)之操作。PLC具體結(jié)構(gòu)圖如圖3-2：圖3-2PLC結(jié)構(gòu)圖在應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)中，PLC選擇得當(dāng)非常關(guān)鍵。不同的機(jī)型分別與其結(jié)構(gòu)類(lèi)型、性能、能力，指令系統(tǒng)、編程方式和價(jià)格相對(duì)應(yīng)。國(guó)產(chǎn)PLC以西門(mén)子、AB、歐姆龍、三菱、臺(tái)達(dá)為主。本論文針對(duì)下列因素，選取了特定PLC模型：（1）結(jié)構(gòu)型式：PLC的結(jié)構(gòu)類(lèi)型以整體式和模塊化。機(jī)床的I/O點(diǎn)集中于PLC,CPU，很難進(jìn)行擴(kuò)充，主要應(yīng)用在工藝流程比較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)中；功能模塊以模塊化的方式分布，易于擴(kuò)充。I/O點(diǎn)的種類(lèi)繁多，數(shù)量眾多，拓展靈活，使用方便。主要應(yīng)用在大型操作系統(tǒng)中。（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）功能要求：普通PLC的邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)、定時(shí)和記憶功能能達(dá)到一般控制的要求。（4）響應(yīng)速度：在自動(dòng)化領(lǐng)域中，PLC作為通用控制器，各級(jí)控制器響應(yīng)速度相差較大，少則數(shù)毫秒，多則數(shù)百毫秒。通過(guò)分析控制需求，選用適當(dāng)?shù)目刂破?，可取得功能和?jīng)濟(jì)相統(tǒng)一的好效果。（5）型號(hào)統(tǒng)一：某一裝置控制系統(tǒng)型號(hào)要盡量均勻，做到裝置通用性好、易采購(gòu)、易交流、資源共享?？傊?，本文選用西門(mén)子s7-200plc為核心控制芯片對(duì)包裝機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。它具有以下特點(diǎn)：一是邏輯指令中包含著大量函數(shù)指令。其命令超過(guò)了200條，不但能實(shí)現(xiàn)普通邏輯控制，也能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制、位置控制與模擬，能夠?qū)ψ冾l器電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)直接的控制。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)通訊能力.CPU226具有兩個(gè)RS485接口，可以直接與PC機(jī)或觸摸屏進(jìn)行連接，而無(wú)需插頭。S7-200系列輸入電路的連接顯示為3-3。當(dāng)執(zhí)行輸入電路時(shí)，主要需要連接輸入元件和相應(yīng)的輸入點(diǎn)，再根據(jù)輸入繼電器將信息傳送給PLC。PLC在輸入信號(hào)采樣階段能夠得到需要的信息，只需要改變輸入組件狀態(tài)即可改變輸入繼電器狀態(tài)。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。各輸出電路均采用弧形技術(shù)，外部供電，輸出電流0.5~2A，負(fù)載特性對(duì)輸出電流的影響較大。輸出電路為PLC負(fù)載控制電路，輸出電路連接如圖3-4所示。負(fù)載根據(jù)輸入點(diǎn)與供電端相連，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)，通過(guò)輸入點(diǎn)PLC的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對(duì)負(fù)載的作用。根據(jù)輸入點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)及對(duì)其性能的需求，確定了負(fù)荷的選取標(biāo)準(zhǔn)。圖3-4輸出回路的連接1.2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)。按照上述要求，以及噴碼的速度、品質(zhì)、設(shè)備成本及其他因素，最后選用偉迪捷公司的VideoJet2120噴碼機(jī)，這種噴碼機(jī)能夠清楚地打印出不同種類(lèi)的包裝材料、字體與條形碼。噴碼機(jī)可根據(jù)需要打印單線和雙線字符。字符的高度可以按需調(diào)節(jié)，裝有大型存儲(chǔ)器。1.3傳感器的選型（1）光電傳感器在分析了各種位移近開(kāi)關(guān)的工作機(jī)理、工作條件及工作特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)包裝過(guò)程中所處的工作條件和要求，選用了一種新型的光電接近開(kāi)關(guān)，以最大限度地降低工作條件對(duì)其測(cè)量準(zhǔn)確率的影響。最后，選擇BannerQS18系列聚焦式光電傳感器，具體型號(hào)為QS18VP6CV45Q5。（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。角動(dòng)量傳感器根據(jù)實(shí)際情況選用了倍加福增量型光電旋轉(zhuǎn)編碼器RVI58L。1.4電機(jī)的選型對(duì)包裝機(jī)而言，所謂傳輸方式，就是機(jī)械設(shè)備中能量傳遞方式。動(dòng)力傳動(dòng)通常采用鏈條傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)、摩擦傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)等。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)可分為三大類(lèi)，即液壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)與電動(dòng)傳動(dòng)。實(shí)際上，機(jī)械部分主要是用電驅(qū)動(dòng)作為動(dòng)力，執(zhí)行機(jī)械結(jié)構(gòu)以完成特定的傳輸過(guò)程。內(nèi)燃機(jī)是一種常用的能量傳遞裝置，主要由異步引擎、步進(jìn)引擎、伺服引擎等組成。感應(yīng)驅(qū)動(dòng)器是一種把電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的電磁裝置。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，主要用于驅(qū)動(dòng)力矩，以及作為電力設(shè)備或各種機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力。三相異步發(fā)動(dòng)機(jī)性能好，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作可靠，重量輕，使用范圍廣，使用方便。步進(jìn)電機(jī)是當(dāng)今數(shù)字程控系統(tǒng)中的重要執(zhí)行器，也是開(kāi)環(huán)控制中的一種。其原理就是把電脈沖變成角位移，以及由脈沖頻率及個(gè)數(shù)控制電機(jī)移動(dòng)距離，使得電機(jī)收到脈沖后，能夠按一定角度移動(dòng)，即步距角。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要求具有將直流電轉(zhuǎn)變成分時(shí)電源的脈沖信號(hào)，并利用多相定時(shí)控制電流，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作。是一種用于對(duì)伺服系統(tǒng)各機(jī)械部件進(jìn)行操作的引擎，是輔助馬達(dá)的非直接換檔機(jī)構(gòu)。伺服系統(tǒng)利用電壓訊號(hào)轉(zhuǎn)換成力矩或速度來(lái)驅(qū)動(dòng)受控對(duì)象，以達(dá)到準(zhǔn)確的位置及速度等參數(shù)。采用伺服電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，將運(yùn)動(dòng)部分反饋的運(yùn)動(dòng)結(jié)果與預(yù)置指令進(jìn)行比較，進(jìn)一步校正運(yùn)動(dòng)結(jié)果，提高系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度。這種伺服電機(jī)的特點(diǎn)是：（1）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高；（二）運(yùn)行范圍廣泛；（3）無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。針對(duì)該工程中包裝機(jī)動(dòng)作過(guò)程中的需要，對(duì)于運(yùn)動(dòng)精度的要求并不太高，因此選擇三相異步電機(jī)，電機(jī)的具體型號(hào)為R37FDT71D4/BMG/HF/ASB1/0.37KW。1.5I/O地址分配控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)啟動(dòng)、復(fù)位、停止按鈕1個(gè)，50、70、90按鈕各1個(gè)，光電傳感器3個(gè)，電感傳感器3個(gè)，現(xiàn)場(chǎng)傳感器1個(gè)，總計(jì)13個(gè)；輸出信號(hào)有夾緊電磁閥三個(gè)，指示燈三個(gè)，封膜機(jī)、貼標(biāo)機(jī)、裝箱機(jī)各一個(gè)，總計(jì)15個(gè)。針對(duì)藥品包裝機(jī)系統(tǒng)控制需求，已知期望輸入信號(hào)及輸出信號(hào)?？傊盘?hào)分布表見(jiàn)表3-1：表3-1I/O分配表輸入系統(tǒng)輸出系統(tǒng)符號(hào)地址名稱(chēng)符號(hào)地址名稱(chēng)SB1I0.0復(fù)位按鈕YV1Q0.0夾緊1電磁閥SB2I0.1啟動(dòng)按鈕YV2Q0.1夾緊2電磁閥SB3I0.2停止按鈕YV3Q0.2夾緊3電磁閥SB4I0.350顆按鈕KA1Q0.3傳送帶電機(jī)變頻器SB5I0.470顆按鈕KA2Q0.