【文章內(nèi)容簡介】 。 35 附錄 C： 元器件清單 36 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 1 第 1 章 緒論 本論文陳述了 全自動包裝機控制系統(tǒng) 對我 國生產(chǎn)機械化的 重要性，介紹了關(guān)于 PLC控制系統(tǒng)特點，并且與其他的控制系統(tǒng)做了簡單的比較，說明了 PLC 控制系統(tǒng)的優(yōu)越性以及不足。 選題的目的及意義 選題的目的 通過本次畢業(yè)設(shè)計，使得對 全自動包裝機控制系統(tǒng) 現(xiàn)狀及發(fā)展有進一步了解 。 掌握 STEP7 系統(tǒng)軟 件的狀況，了解它們的工程應(yīng)用。 熟悉 全自動包裝機控制系統(tǒng) 配置、工藝流程及控制方案。 掌握如何進 行現(xiàn)場調(diào)試及投運。 選題的意義 自動化是現(xiàn)代科技進步的一特征，現(xiàn)代生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對自動化技術(shù)提出越來越高的要求，同時也為自動化技術(shù)的革新提供了必要條件。 基于 PLC 的全自動包裝機系統(tǒng) 改變著 了 包裝過程的動作方式。實現(xiàn)自動控制的包裝系統(tǒng)能夠極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，顯著消除包裝工序及印刷貼標(biāo)等造成的誤差，有效減輕職工的勞動強度并降低能源和資源的消耗 。 要想在規(guī)定的時間內(nèi)，為自己創(chuàng)造出最大的利益，就要確保自己的食品包裝生產(chǎn)線運行良好，在生產(chǎn)過程中不會出現(xiàn)錯誤，這樣在盡量避免錯誤出現(xiàn)和故障的影 響，才會為企業(yè)獲得最大的利益。自動化水平在制造工業(yè)中不斷提高，應(yīng)用范圍正在拓展。包裝機械行業(yè)中自動化操作正在改變著包裝過程的動作方式和包裝容器及材料的加工方法。實現(xiàn)自動控制的包裝系統(tǒng)能夠極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，顯著消除包裝工序及印刷貼標(biāo)等造成的誤差，有效減輕職工的勞動強度并降低能源和資源的消耗。具有革命意義的自動化改變著包裝機械行業(yè)的制造方法及其產(chǎn)品的傳輸方式。設(shè)計、安裝的自動控制包裝系統(tǒng)，無論從提高包裝機械行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率方面，還是從消除加工誤差和減輕勞動強度方面，都表現(xiàn)出十分明顯的作用。尤 其是對食品、飲料、藥品、電子等行業(yè)而言，都是至關(guān)重要的。自動裝置和系統(tǒng)工程方面的技術(shù)正在進一步深化，并得到更廣泛的應(yīng)用 。 全自動 包裝機是以塑料或塑料鋁箔 薄膜 為包裝材料，對液體、固體、粉狀糊狀的食品、糧食、果品、醬菜、果脯、化學(xué)藥品、藥材、電子元件、精密儀器、 稀有金屬 等進基于 PLC 的全自動包裝的系統(tǒng)設(shè)計 2 行包裝。特別適用于茶葉、食品、醫(yī)藥、商店、研究機構(gòu)等行業(yè)，具有外型美觀、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、操作簡便等優(yōu)點。 隨著自動化程度的提高，包裝機的操作、維護和日常保養(yǎng)更加方便簡單，降低了對操作人員的專業(yè)技能要求。產(chǎn)品包裝質(zhì)量的好壞，直接與溫度系統(tǒng)、主機轉(zhuǎn)速精度、追蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性能等息息相關(guān)。 中國的 全自動 包裝技術(shù)是在上世紀(jì) 80 年代初期發(fā)展起來的， 全自動 包裝技術(shù)在上世紀(jì) 90 年代初期開始少量使用，隨著小包裝的推廣及超市的發(fā)展，其適用范圍越來越廣泛，有些將逐步替代硬包裝，前景非?？春?。 全 自動包裝機 系統(tǒng)國內(nèi)外形勢 國內(nèi) 全自動包裝機系統(tǒng) 雖還較落后，基本仍是手工操作，但有些城市 全自動包裝機系統(tǒng) 引進全部或局部計算機控制，取得了一定的經(jīng)驗。 全自動包裝機 工業(yè)從誕生到現(xiàn)在大體經(jīng)歷了兩個發(fā)展期：從 20 世紀(jì) 50 年代開始到80 年代中期是第一個發(fā)展期，這一時期是從制造簡單的抽氣機開始的。當(dāng)時全國生產(chǎn)真空設(shè)備的企業(yè)不足 20 家，產(chǎn)品以中低檔真空獲得設(shè)備為主，如制鏡鍍膜機、香煙包裝機等。從 20 世紀(jì) 80 年代后期到整個 90 年代是中國 全自動包裝機 工業(yè)發(fā)展的第二個時期。這期間，生產(chǎn)企業(yè)增加到近 3000 家，從業(yè)人員達到 萬人。整個 全自動包裝機 行業(yè)經(jīng)過 ―七五 ‖、 ―八五 ‖的技術(shù)改造后整體水平有了大幅提升，從加工條件上講，加工中心、數(shù)控機床、樹脂砂鑄件等先進生產(chǎn)設(shè)備開始裝備企業(yè)。到 1996 年，由于煉鎂行業(yè)的拉動，使 全自動包裝機 行業(yè)得到飛速發(fā)展。 我國包裝機械發(fā)展較晚，目前正處于起步應(yīng)用階段，雖然從九十年代后，我國的制袋充填機有了較快發(fā)展，通過參考國內(nèi)外產(chǎn)品進行消化吸收，自主開發(fā)研制，技術(shù)上有了很大的提高，但與國外相比，國內(nèi)大多數(shù)產(chǎn)品技術(shù)含量低，產(chǎn)品差異程度低，成熟產(chǎn)品技術(shù)易模仿和抄襲，造成低水平重復(fù)，阻礙了對包裝機的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā) 展。在產(chǎn)品技術(shù)方面，國內(nèi)包裝機的主要特點如下： 1． 速度低，品種少 國外大多數(shù)制袋充填包裝機根據(jù)包裝物料的不同和產(chǎn)量的大小，一般在 20100 袋 /分之間，大多為單列式包裝，封合形式一般是三邊封，四邊封和背封式。 2． 精度低 采用螺桿充填的計量充填系統(tǒng)，當(dāng)充填量為 100g～ 1000g 時，國外機器的計量精度一般 1%，而國內(nèi)一般在 62%～ 63%之間。 3． 可靠性低 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 3 國內(nèi)一些企業(yè)為了能在產(chǎn)品初期快速賺錢，低價格傾銷，采用無質(zhì)量保證的電子元件、控件或低級的原材料，再加上無規(guī)范的加工和裝配工藝，沒有針對具體情況進行改造，導(dǎo)致產(chǎn)品不穩(wěn)定或不適合用戶使用要求。 4． 自動化和智能化水平低 近年來，我國的包裝機械雖采取了一些 PLC 和具有智能控制功能的儀表，但總體來說，大多數(shù)還是低水平的機電控制，還沒有帶有數(shù)據(jù)儲存、采集、修正功能的機器 。 可編控制器的發(fā)展 可編程控制介紹 可編程控制器最初用于邏輯控制，稱作可編程邏輯控制器（ ProgrammableLogic Controller）簡稱 PLC。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及微處理器的應(yīng)用，可編程控制器的功能不斷擴展和完善，早已遠遠超出邏輯控制、順序控制的范圍，具備了模 擬量控制、過程控制以及遠程通信等強大功能。由于可編程控制器在不斷發(fā)展，對它下一個確切定義比較困難。目前公認的是 1980 年美國電氣制造商協(xié)會 NEMA 對它下的定義：可編程控制器是一種數(shù)字式的電子裝置。它使用可編程序的存儲器來存儲指令，并實現(xiàn)邏輯運算，順序運算、計數(shù)、計時和算術(shù)運算等功能，用來對各種機械或生產(chǎn)過程進行控制。將其正式命名為可編程控制器（ Programmable Controller），簡稱 PC。但為了與個人計算機 （ PersonalComputer）的專稱 PC 相區(qū)別，常常把可編程控制器仍簡稱為 PLC。 PLC 是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置。目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、計時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng) 。 在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是以繼電器占主導(dǎo)地位的。這種由繼電器構(gòu)成的控制系統(tǒng)有著明顯的缺點：體積大、耗電多、可靠性差、壽命短、運行速度不高，尤其是對生產(chǎn)工藝多變的系統(tǒng)適應(yīng)性更差，一旦生產(chǎn)任務(wù)和工藝發(fā)生變化，就必須重新設(shè)計，并改變硬件結(jié)構(gòu)，造成了時間和資金的嚴(yán)重浪費 。 可編 程控制器功能 1． 邏輯運算和定時計數(shù)功能 ——開關(guān)量控制功能 PLC 設(shè)置有與 、 或 、 非等邏輯運算指令，能夠描述繼電器觸點的串聯(lián)、并聯(lián)、復(fù)合串并聯(lián)等各種連接關(guān)系，還為用戶提供了若干個定時器和計數(shù)器，并設(shè)置了定時和計數(shù)指令。定時值和計數(shù)值可由用戶編程時設(shè)定，并可在運行中被讀出或修改。因此可以取代繼電器進行邏輯組合與順序控制。 2． 數(shù)據(jù)處理和數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換功能 ——模擬量控制功能 基于 PLC 的全自動包裝的系統(tǒng)設(shè)計 4 PLC 設(shè)置有數(shù)據(jù)傳送、比較、運算、移位、位操作、數(shù)制轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理指令和打印輸出指令，并可對存儲器間接尋址。 PLC 可配有模數(shù)轉(zhuǎn)換 A/D 和數(shù)模轉(zhuǎn)換 D/A 模塊，能實現(xiàn)對模擬量的測量和控制。 3． 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能 ——通信功能 PLC 設(shè)置有數(shù)據(jù)發(fā)送和接收指令，可與計算機、其它 PLC 和外設(shè)之間建立鏈接，具有通信聯(lián)網(wǎng)功能。 4． 中斷處理功能 PLC 設(shè)置有中斷指令，通過中斷響應(yīng)，及時得到所輸入狀態(tài)的變化信息，能夠進行故障檢測和提高運行速度。 5． 監(jiān)控和自診斷功能 PLC 設(shè)置有報警和運行信息的顯示，它在系統(tǒng)發(fā)生異常時自動停止運行并發(fā)出報警信號，能夠保護和恢復(fù)現(xiàn)場，還能通過軟件進行故障檢測和程序校驗。 6． 擴展功能 PLC 主機上設(shè)有輸入輸出擴展接口，通 過專用模塊配置可擴大信息處理范圍和實現(xiàn)功能擴展。例如，配置擴展 I/O 模塊，可增加輸入輸出點數(shù)，配置智能 I/O 模塊可使 PLC增加伺服電機控制、閉環(huán)過程控制、溫度控制、遠程通信等專項特殊功能 。 可編程控制器特點 1． 可靠性高 設(shè)備的高可靠性指的是平均無故障工作時間（ MTBF）長和故障平均修復(fù)時間（ MTTR）短?？删幊炭刂破髟趷毫庸ぷ鳝h(huán)境中應(yīng)用的高可靠性，由以下設(shè)計得到保證：硬件接線元件少，且采用精選、冗余、集成化、模塊化等措施，使元件壽命長、故障少、故障易于查找；采用多層次的抗干擾措施，如對 CPU 模 塊的電磁屏蔽，在電源電路和 I/O模塊中設(shè)置濾波電路和在輸入輸出電路中采用信號光電耦合，使 PLC 可與強電設(shè)備在同一環(huán)境下可靠工作；因編程簡單、操作方便而使失誤減少；設(shè)置了掉電保護、監(jiān)控、報警、故障檢測等電路和程序，能夠及時發(fā)現(xiàn)和排除故障。采取以上措施后，一般可編程控制器的抗干擾能力可達 1000V 1μs 的窄脈沖的沖擊，平均無故障工作時間可高達 5～ 10 萬小時?？梢?PLC 具有極高的可靠性，這也是 PLC 得到用戶認可的首要因素。 2． 柔性好 設(shè)備的柔性是指其在使用過程中的適應(yīng)性和靈活性。 可編程控制器的柔性 表現(xiàn)為：由于采用程序控制方式，所以在因產(chǎn)品改型而改變工藝流程或更換生產(chǎn)設(shè)備時，只需通過程序的編制和更改即可適應(yīng)生產(chǎn)要求，而不必改變控制裝置。這一柔性特點使 PLC 成為柔性制造系統(tǒng) FMS 中必不可少的控制裝備。模塊吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 5 式結(jié)構(gòu)具有擴展的靈活性，用戶可根據(jù)實際控制要求選用和組合模塊，方便地進行系統(tǒng)設(shè)計、修改和安裝。 3． 功能強大 可編程控制器不但具有開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)據(jù)通信、中斷控制等完善的功能，還能根據(jù)需要實現(xiàn)容量和功能的擴展，形成各種專門的智能控制功能。這是 PLC 得到各行各業(yè)廣泛應(yīng)用的重要原因。 4． 使用方便 可編程控制器的使用方便表現(xiàn)在以下兩方面：編程方便。 PLC 提供了多種面向用戶的編程語言：梯形圖、指令語句表、功能圖等，其中梯形圖語言的表達方式與繼電器控制系統(tǒng)的電氣線路圖類似，極易被工廠電氣技術(shù)人員接受和掌握。這樣，即使不懂計算機原理和語言的用戶，也能使用 PLC。操作方便。對 PLC 的操作是指程序的輸入和程序的更改，通常采用手持式編程器和個人計算機進行。編程器直接或由電纜插入 PLC 的相應(yīng)插座，程序由鍵盤輸入并有液晶顯示，可工作在編程、運行和監(jiān)控的不同狀態(tài)下，用于現(xiàn)場調(diào)試和在線修改是非常方便的。通過 PLC 廠 商提供的編程軟件及通信接口，用戶還可以使用個人計算機對 PLC 編程，并對系統(tǒng)進行仿真、測試、監(jiān)視和控制。 5． 體積小、功耗低 集成電路模塊使可編程控制器達到小型化或超小型化，使其易于裝入機械電子設(shè)備內(nèi)部，這是產(chǎn)品實現(xiàn)機電一體化的關(guān)鍵 。 可編程邏輯控制器發(fā)展史 上述的定義表明， PLC 是一種能直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的數(shù)字電子裝置，是以微處理器為基礎(chǔ)，結(jié)合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)，用面向控制過程、面向用戶的“ 自然語言 ” 編程的一種簡單易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制裝置。 1． 第一階段 ：初級階段（ 1969 至 70 年代中期） 主要是邏輯運算、定時和計數(shù)功能，沒有形成系列。與繼電器控制相比，可靠性有一定提高。 CPU 由中小規(guī)模集成電路組成，存儲器為磁芯存儲器。 2． 第二階段：擴展階段（ 70 年代中期至末期） PLC 產(chǎn)品的控制功能得到很大擴展，包括數(shù)據(jù)的傳送、數(shù)據(jù)的比較和運算、模擬量的運算等功能。增加了數(shù)字運算功能，能完成模擬量的控制。開始具備自診斷功能，存儲器采用 EPROM。 3． 第三階段：通信階段（ 70 年代中末期至 80 年代中期） 基于 PLC 的全自動包裝的系統(tǒng)設(shè)計 6 PLC 隨著計算機通信的發(fā)展，形成了分布式通信網(wǎng)絡(luò)。 PLC 就已經(jīng)從汽 車行業(yè)迅速擴展到其它行業(yè)，作為繼電器的替代品進入了食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個行業(yè) 。 4． 第四階段：開放階段（ 80 年代中期至今） 通信系統(tǒng)開放，使各制造廠商的產(chǎn)品可以通信，通信協(xié)議開始標(biāo)準(zhǔn)化，使用戶得益。PLC 開始采用標(biāo)準(zhǔn)化軟件系統(tǒng)，并完成了編程語言標(biāo)準(zhǔn)化工作 。 隨著 PLC 技術(shù)的推廣應(yīng)用， PLC 將向兩個方面發(fā)展：一方面向著大型化的方向發(fā)展，另一方面則向著小型化的方向發(fā)展。 PLC 向大型化方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在大中型 PLC 高功能、大容量、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，使之能與計算機組成集成控制系統(tǒng)，對大規(guī)模、復(fù)雜 系統(tǒng)進行綜合的自動控制 。 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 第 2 章 全自動包裝機控制系統(tǒng)總體設(shè)計 第一章介紹了可編程控制技術(shù)的一些概要情況，下面就具體結(jié)合包裝機控制系統(tǒng)的實際來看一下它的應(yīng)用。這里需要說明的是，正如前面所提到的那樣，可編程控制技術(shù)并非單純是指 PLC 本身，而是包括其在內(nèi)的一系列自動化控制產(chǎn)品和技術(shù)的應(yīng)用。在電氣控制部分設(shè)計時，充分考慮到用戶的功能需求和與本系統(tǒng)機械部分的配合需求，在具體實現(xiàn)的過程中，又以系統(tǒng)的可靠性與易用性為準(zhǔn)則，盡量把本系統(tǒng)設(shè)計成為一個功能齊全、可靠性高且易于使用的包裝設(shè)備。 本課題研究的主要內(nèi)容 現(xiàn)代社會對物品的包裝要求越來越高，為使包裝出的物品整齊、美觀并且具有良好的包裝質(zhì)量，要求包裝機具有精確的動作、定位精度及較高的生產(chǎn)率，因此對包裝機的控制要求是越來越高。傳統(tǒng)的繼電器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的要求了，所以研制高效、經(jīng)濟的新型包裝機械是市場的迫切需要。 包裝機工作控制如圖 21 所示。全自動小袋包裝機是具有日期打印、縱封運動、裝料、橫封運動、切斷袋膜等功能的包裝設(shè)備。其工作原理是將卷膜按照規(guī)定的供膜要求安裝好后，卷膜由走袋電動機通過同步帶輪帶動兩組同步帶將薄膜帶動行進。 當(dāng)薄膜通過打印器時，可自動打印上需要的日期。薄膜經(jīng)翻領(lǐng)成型器，通過縱封器的縱封將薄膜制成袋筒，袋筒經(jīng)過橫封器進行下橫封（此時上、下橫封同時進行，袋膜經(jīng)過刀片從上、下橫封中間切斷，刀片上的為上袋下橫封，刀片下的為下袋上橫封）。物料通過漏斗的料位檢測，電控系統(tǒng)自動控制上料機得啟停使漏斗內(nèi)的物料保持一定的高度，形成穩(wěn)定的料壓，以保證計量的精度的穩(wěn)定性。物料充填量杯后，超出杯口的物料由刮板刮平，當(dāng)物料視比重變化時，可通過旋轉(zhuǎn)計量調(diào)整機構(gòu)手輪改變量杯容積，達到計量精度要求。物料通過下料筒流入袋膜中進行上橫封，上、下橫 封工序完成后，裝有物料的袋膜通過自重落入溜板輸出機外。 供膜 日期 打印 縱封 運動 裝料 橫封 運動 切斷 袋膜 成品 圖 21 包裝機工作控制 基于 PLC 的全自動包裝的系統(tǒng)設(shè)計 8 自動包裝機工藝過程由袋成型、充填、封口，冷卻等幾部分組成，包裝機控制系統(tǒng)輸入信號有：膜檢測、橫封和縱封的最高溫和最低溫檢測、動盤到位檢測、色標(biāo)、料滿檢測，橫封、縱封日期打印情況、過載保護等。輸出信號有：走袋電動機、打印電磁閥、刮板電磁閥、切刀電磁閥、動盤電磁閥、供料電動機、冷卻電動機、橫封加熱管、縱封加熱管、空氣壓縮機和聲光報警等。 基于 PLC 的包裝機生產(chǎn)工藝概述 通過分析控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分為縱封運動、供料系統(tǒng)、橫封運動和封切運動等?？v封運動 和橫封運動中要牽涉溫度的控制。橫封結(jié)束后要運用切刀的動作將包裝好的成品和膜切斷。在高速運動中，傳統(tǒng)方式中各部分的動作精確度不夠，而采用 PLC 控制的電機完成此項工作是比較容易的。它既靈活方便，又精確可靠。所以我們選擇 PLC 控制的方案是：在控制系統(tǒng)確定后，利用傳感器收集的信號通過 PLC 去控制其他執(zhí)行機構(gòu)。根據(jù)膜上的色標(biāo)來確定橫封的位置。 PLC 除完成以上對執(zhí)行機構(gòu)的控制外，還要同時檢測其他過載信號，同時聲光報警，提醒工作人員檢修。以此減少控制系統(tǒng)因為故障而產(chǎn)生不必要的浪費。 此全自動包裝機控