【正文】 PLC)作為控制系統(tǒng)的核心裝置，功能強大、性能穩(wěn)定可靠。 經(jīng)過我們的努力，顆粒料包裝機控制系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)完成。 1 可編程控制技術(shù)的發(fā)展趨勢 2 PLC 與其它工業(yè)控制系統(tǒng)的比較 8 顆粒料包裝機生產(chǎn)工藝概述 8 顆粒料包裝機速度影響的分析和提高 10 控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 25 PLC 基本工作原理 28 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的原則 31 PLC 程序的優(yōu)化設(shè)計 41 致謝 隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC 軟硬件水平與規(guī)模也發(fā)生了質(zhì)與量的變化， 其控制技術(shù)也朝著智能化方向不斷發(fā)展，同時推動了先進制造技術(shù)的相應(yīng)發(fā)展。小型 PLC開始步入諸如塑料注塑機、包裝機械、橡膠機械、紡織機械等輕工機械的控制領(lǐng)域，其成本的低廉和性能的優(yōu)良對直接使用微機作為控制單元的做法構(gòu)成了強有力的挑戰(zhàn)，更有全面取代傳統(tǒng)繼電器控制屏的趨勢。一種自動化產(chǎn)品的競爭力除表現(xiàn)在其技術(shù)上的個性外，更重要的還在于其滿足國際標(biāo)準(zhǔn)化的程度和水平。這樣 PLC 執(zhí)行指令的速度將達到納秒級。怎樣才能使一個系統(tǒng)既具有通用性又具備專業(yè)化呢？硬件系統(tǒng)的模塊化便是解決這一矛盾的鑰匙?？v觀各著名廠商，其 PLC 產(chǎn)品都有不同程度的冗余功能，而且發(fā)展越來越完善。 、高度專業(yè)化的融合是可編程控制系統(tǒng)的新特征。而 PLC 是利用其內(nèi)部的存儲器以數(shù)據(jù)形式將控制邏輯存儲起來的，所以只要改變 PLC 內(nèi)存儲器的內(nèi)容，也就可以實現(xiàn)更改控制邏輯的目的。對于限時控制，繼電器是利用時間繼電器的延時動作來實現(xiàn)的。而且體積小、功耗小、壽命長、可靠性高、還具有監(jiān)控功能和自檢功能，使程序的運行過程成為透明。因此，它具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。硬件上主要受 CPU、內(nèi)存容量及 I/O 接口的限制；軟件上主要受限于與 CPU 類型有關(guān)的編程語言。此外，微機系統(tǒng)的外設(shè)配備較多，有些對工業(yè)控制并非必須。為使包裝出的物品整齊、美觀并具有良好的包裝質(zhì)量，研制高速、高效、高質(zhì)、經(jīng)濟的新型包裝機是市場的迫切需求。事實上 PLC用于這種場合是最能顯現(xiàn)出其經(jīng)濟性。 設(shè)計的主要內(nèi)容 1）顆粒料包裝機各動作控制工藝的研究。 具體的工作過程如下：包裝紙以卷筒的形狀放在原料架上，當(dāng)開始動作時，送紙電磁閥控制送紙，短氣缸運動。 送紙架返回碰到傳感器時裁紙壓紙電磁閥通電，氣缸作用，切紙板往下運動，海綿墊板壓緊紙帶然后在刀片的作用下將紙帶裁成邊長為 50mm 28mm、夾角為65 度的菱型紙片。而我們國家湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 13 的顆粒料包裝還是半自動甚至有的小作坊還是手動操作，平均包裝速度僅僅能達200 個 /分。薄頁紙具有紙質(zhì)均勻、光滑細膩、強度好、純凈度高、可完全回收、可直接印制標(biāo)識及精美圖案等諸多特點。但體積比較大，調(diào)整環(huán)節(jié)比較長。每個被控制對象與可編程控制器指定 I/O 相連接，因此各被控對象之間的數(shù)據(jù)、狀態(tài)的變換不需要另外設(shè)置專門的信號線路。 系統(tǒng)的運行方式 運行方式分為手動、單步、周期及自動等四種操作方式。 包裝機控制功能要求：手動 運行可以用按鈕對包裝機的各個部分進行單獨控制，主要用于故障恢復(fù)與檢修全自動運行按下啟動按鈕，系統(tǒng)即可連續(xù)、協(xié)調(diào)、周期性地循環(huán)完成各包裝動作，直到系統(tǒng)接收到停止運行信號。據(jù)統(tǒng)計，初步確定該包裝機控制系統(tǒng)有， 20 個開關(guān)量輸入， 13 個開關(guān)量輸出。另外，也可以擴展輸入輸出和特殊模塊。導(dǎo)輥組２、張緊裝置 3，完成紙供送的導(dǎo)向。送紙架到達傳感器的位置送紙臺開始吸真空將紙保留在送紙臺上不動。為了使顆粒料容易落到孔中，設(shè)計箱體上的孔為 斜孔。此機構(gòu)的具體要求是先進行壓紙動作再進行裁紙，根據(jù)以上要求設(shè)計壓紙切紙機構(gòu)圖如下： 1壓紙板 2彈簧 3刀片 4下料管 5放刀板 6切紙壓紙桿 圖 壓制切 紙結(jié)構(gòu)圖 湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 20 工藝過程 氣缸推動切紙壓紙桿 6 往下運動，當(dāng)壓制板 1壓好紙后，氣缸繼續(xù)推動切紙壓紙桿往下運動，壓紙板運動到極限位置不動，放刀板 5 繼續(xù)往下運動將紙切成菱形。 下料裝置機構(gòu)設(shè)計 要求 下料裝置要求包裝紙沖出一定的形狀然后再把顆粒料物品準(zhǔn)確地送到包裝紙中，這就包含了沖紙機構(gòu)和導(dǎo)料機構(gòu)。根據(jù)以上要求設(shè)計的封口的結(jié)構(gòu)圖如下： 湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 22 1上板 2下板 圖 封口機構(gòu)設(shè)計圖 工藝過程 由于封口動作是在下料動作完成以后進行的考慮到下料后被包裝物還是呈球形，因此我們設(shè)計的封口裝置也是先呈圓形如圖： 當(dāng)要進行封口動作時，一個氣缸驅(qū)動上板 1 向左運動，另一個氣缸驅(qū)動下板2向右運動，兩 塊板相向運動 19mm 行程。真空發(fā)生器是利用壓縮空氣（正壓）的流動而形成一定真空的元件，也即利用拉瓦爾噴管原理產(chǎn)生負壓的元件。因而，泵的工作點應(yīng)該選在這個范圍之內(nèi)，而不能讓它在 85 10 mmHg? 下長期工作。如果要求不嚴格，可以選擇有油泵，加上一些防油污染措施，如加冷阱、障板、擋油阱等，也能達到清潔真空要求。 （ 9）真空泵的價格、運轉(zhuǎn)及維修費用。所以，它適用于作擴散泵的前級泵，而且更適用于精密儀器配套和實驗室使用。常用往復(fù)式容積型壓縮機，一般空壓機為中壓，額定排氣壓力 1MPa；低壓空壓機排氣壓力 ；高壓空壓機排氣壓力 10MPa。在每一采樣控制周期，控制器根據(jù)系統(tǒng)偏差大 小，計算出該采樣控制周期所需要的控制量大小，以完成活塞位移的實時控制。 電磁閥選型 通過控制電磁閥的通電，實現(xiàn)對活塞缸的活塞桿輸出推力的控制。 開關(guān)或傳感器繼電器觸電行程開關(guān)模擬量輸入地址總線 控制總線照明電磁裝置、電動機其他執(zhí)行裝置或接觸器編程單元輸入接口中央處理單元存儲器輸入輸出數(shù)據(jù)存儲輸出接口 圖 PLC的一般結(jié)構(gòu) 中央處理機 中央處理機是 PLC 的大腦，它由中央處理器 (CPU)組成。 (1)光耦合電路 :由于輸入和輸出端是靠光信號耦合的，在電氣上是完全隔離的，因此輸出的信號不會反饋到輸入端，也不會產(chǎn)生地線干擾或其它串?dāng)_。 功率放大電路 :是為了適應(yīng)工業(yè)控制的要求，將微電腦輸出的信號加以放大。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序進行運算處理，然后順序向輸出點發(fā)出相應(yīng)的 控制信號。 PLC 的中央處理器對各個輸入端進行掃描，將輸入的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器中，這是輸入采樣階段。 PLC 是以反復(fù)掃描的方式工作的，它是循環(huán)地連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任一時刻它只能執(zhí)行一條指令，這就是說 PLC。 PLC 檢查是否 有與編程器和計算機的通信請求，若有則進行相應(yīng)處理，如接收編程器送 來的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯信息等發(fā)送給編程器進行顯示。 PLC 則采用循環(huán)掃描工作方式，在 PLC 中，用戶程序按先后順序存放， CPU 從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回第一條。 微電腦輸出接口電路 :一般由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成而成。用戶程序是指使用者根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序，可以通過編程器或計算機修改或增刪。這就要求 I/O 系統(tǒng)電路專門設(shè)計。根據(jù)以上我們選擇光電開關(guān)來作為傳感器。一般可令~? 取 ? 32. 25 ( / m in)cbq kq m?? ： 11( 1 ) [ ( ) 1 ] ( ) 0 . 0 6ccp q pnN K Wp??? κ 1(n + 1 )κκ κ 1 [13] N —— 空壓機的功率 湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 27 n —— 中間冷卻器個數(shù)，取 1n? κ —— 等熵指數(shù)，取 κ= 1p —— 吸入空氣的絕對壓力， MPa 11( 1 ) [ ( ) 1 ]0 . 0 6ccp q pnNp??? κ 1(n + 1 )κκ κ 1 ( 1 1 ) 1 . 4 0 . 5 2 . 2 5 2 . 2 5[ ( ) 1 ] 3 1 . 4 60 . 0 6 0 . 5 KW?? ? ?1 .4 1(1 + 1 ) 1 .4 1 .4 1 根據(jù)以上的計算選取空壓機的功率為 40KW。同理可得其它氣缸為： 表 氣缸的選擇 氣缸 (位置 ) 行程（ mm） 型號 (SDA) 最大壓力（ MPa） 數(shù)量（個） 氣缸 1（搖箱處） 30 63 32 2 氣缸 1（壓紙?zhí)帲? 3 20 5 2 氣缸 2（送紙?zhí)帲? 30 157 32 32 158 1 氣缸 3(切紙?zhí)?) 28 100 30 1 氣缸 4（下料處） 9 78 63 10 80 1 氣缸 5（封口處） 19 100 25 4 （資料來源： 成大先：《機械設(shè)計手冊 單行本 氣壓傳動》，化學(xué)工業(yè)出版社， 2021.） 空氣壓縮 機選型 空氣壓縮機，將機械能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，供氣動機械使用。該型泵廣泛應(yīng)用于冶金、機械、電子、化工、石油、醫(yī)藥等行業(yè)的真空冶煉、真空鍍膜、真空熱處理，真空干燥等工藝過程中。 （ 8）真空泵工作時產(chǎn)生的振動 對工藝過程及環(huán)境有無影響。 （ 5）真空設(shè)備對油污染的要求。 （ 2）正確地選擇真空泵的工作點。真空泵是吸入口形成負壓，排氣口通大氣，兩端壓力比很大的抽除氣體的機械，其動力源是電動機或內(nèi)燃機等 [13] 。 封口機構(gòu)設(shè)計 要求 將 顆粒料包裝封口，使得在一般情況下顆粒料物品不散落出來。因此在壓紙切紙桿向下運動到兩板接觸的時候會產(chǎn)生撞擊聲。 壓紙切紙機構(gòu)設(shè)計 要求 當(dāng)包裝紙送至正確位置以后，接下來是對紙進行裁剪動作。具體要 求先將放物箱搖均勻，然后再抽動抽板，為了使顆粒料包裝物能夠掉到下料管內(nèi)，而不引起卡死管道的現(xiàn)象，需要計算下料管的管徑： 由于顆粒料物品一般的直徑為 3mm，因此設(shè)計管徑的直徑為 7mm。湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 18 為了使送紙二到達最優(yōu)化設(shè)計送二的位置離送紙一 157mm 的位置。同時還要求排除一些干擾因素，像其中最常見的是卷帶被牽引供送時發(fā)生拉伸變形和同輥面打滑。 而 FX1N 系列 PLC 控制規(guī)模為 24～ 128 點（基本單元： 24/40/60 點）特點有： 集成化 CPU、電源、輸入輸出合為一體。它們的選擇都是以在保證功能的前提下盡可能地選擇可靠性高和使用方便的產(chǎn)品為依據(jù)， PLC 的 選型具體情況如下： 在進行這項工作之前，需要對控制對象和控制任務(wù)進行統(tǒng)計和分析?？删幊炭刂破骱瞎I(yè)大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 15 的停運方式有正常停運，暫時停運和緊急停運三種。人機界面完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的存貯、處理與輸出，以圖形或表格形式對現(xiàn)場進行動態(tài)模擬顯示、分析限值或報警信息，驅(qū)動打印機實時打印各種圖表。 湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 14 可編程控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計 利用 PLC 可以構(gòu)成多種控制系統(tǒng) :單機控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)，分散型控制系統(tǒng)和遠程 I/O 控制系統(tǒng) [7] 。 其中偏置曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)是目前高速包裝機中應(yīng)用較多的一種不等速機構(gòu)。 包裝材料在運行中，由 于卷筒直徑大、包裝運行速度大，使之受到很大的拉力和慣性沖擊力，易造成包裝材料拉伸，影響包裝紙定位準(zhǔn)確性，所以材料的伸縮性要小，以保證包裝機工作的可靠性和包裝質(zhì)量。此時包扎好的成品在自重的作用下掉到收集箱內(nèi)，完成了整個包裝過程。這樣前吸后夾地將紙帶往前送，此時顆粒箱仍然順（逆）時鐘轉(zhuǎn)動，送紙架繼續(xù)往前運動，碰到傳感器時壓紙電磁閥和送紙架上抽真空電磁閥斷開，同時抽真空電磁閥得電，使紙帶吸緊在切紙板上，使之不會隨送紙架的返回而折疊。 各加工工位的動作是通過順序邏輯控制電磁閥，以壓縮空氣、氣體推 動氣缸，從而帶動機械結(jié)構(gòu)