基于plc包装码垛生产线控制系统硬件设计_毕业设计论文.doc

摘要摘 要在工业生产中，有很多地方需要对粉末状或小颗粒状散状固体的流量进行准确的测量和控制，再配以给料设备组成定量给料控制系统。它是集喂料、流量测量和控制于一身的设备。目前，作为许多生产设备的定量给料控制系统己广泛应用于水泥、冶金、建材、电力、化工、食品、矿山、粮食等各行各业。定量给料在工业生产中发挥着越来越重要的作用，正因为其应用的广泛性，如果能提高给料系统的精度、自动化程度，就有着重要的现实意义。包装码垛自动生产线适用于石油化工、化肥、粮食、港口等行业，可对pp、pe粒子、pvc、化肥、粮食等粉状、颗粒状物料进行全自动包装码垛作业，便于用户储存、运输和销售，全自动包装码垛生产线主要由自动定量包装机、自动上袋机组、封口系统、倒袋机、金属检测机、重量检验机、检选机、喷墨打印机、码垛机等单元组成。通过可编程序控制器对整个生产线的工作过程进行自动控制，对运行过程中出现的故障或供料不足，供袋不及时、出垛不及时等，进行声光报警。该设备具有操作简单，运行可靠，维修方便等优点。关键词：控制系统,包装码垛生产线,可编程序控制器1 abstractabstract industrial production, there are many places need for powdered or granular solids flow for accurate measurement and control, with feeding device consisting of quantitative feeding control system. it is a feeder, flow measurement and control in a device. at present, production equipment as many quantitative feeding control system has been widely used in cement, metallurgy, building materials, electric power, chemical, food, mining, food and other industries. quantitative feeding in industrial production is playing an increasingly important role, because of its wide application, if can improve the feeding system precision, the degree of automation, it has important practical significance.automatic bagging palletizing line is used in the industries of petrochemical, fertilizer, food processing, and transportation port etc. it can perform bagging and palletizing automatically for powder and granular materials such as chemical fertilizer, plastic granules (pp/pe/pvc) and grains etc. it is easy for customers to store, transport and sale their products. automatic bagging & palletizing line consists of auto-weighing bagging machine, auto-bag feed group, sealing system ,bag turn down machine, metal detector, sorting machine, jet printer and palletizing machine etc. units. through programming controller, the whole system process can be automatic controlled. any process operation troubles, not enough feeds, bag feeding not due or palletizing not in time all can be alarmed by sound or light. it has the advantages of simple operation, reliable and easy maintenance etc. key words: control systembagging , palletizing line,programmable controller2 目录目 录 摘 要1abstract2目 录31 绪论41.1 引言41.2 plc概述41.3 包装码垛自动生产线设计的内容61.3.1 包装码垛自动生产线的应用现状61.3.2 包装码垛自动生产线设计的要求72 包装码垛自动生产线系统组成82.1 概述82.2 包装码垛自动生产线系统组成83 包装码垛生产线控制系统硬件设计183.1 plc控制的介绍183.2 plc控制系统硬件设计193.3 控制系统电气原理图234 包装码垛生产线控制系统软件设计244.1 包装码垛自动生产线工艺流程244.2 程序控制逻辑254.2.1包装部分254.2.2 码垛部分314.3 plc控制系统软件程序设计355系统抗干扰措施375.1抗电源干扰375.2 控制系统接地375.3 防i/o信号干扰30结论31参考文献32致谢33附录42图a包装部分的梯形图42图b码垛部分的梯形图44图c电气控制主电路图493 绪论1 绪论1.1 引言随着社会的发展、生活水平的提高,人民对商品包装提出了更高的要求。与人民生活和工农业生产密切相关的生活日用品、营养食品、药品、种子、化肥、农药、化工原料等工农业生产用品,都需要精确的定量包装。这些物料如果用手工进行包装,其劳动强度大,速度慢,效益和质量差;而食品、药品类若采用手工包装不能满足卫生要求。因此,需采用自动包装机来完成这些工作。包装机械是现代包装工业的基本设备,是商品生产中必不可少的关键性技术设备。随着人类社会的进步,国民经济的发展,人民生活水平的提高,人们越来越重视包装的质量、品种类型,包装机械在包装领域中起着重要的作用。包装机械是使产品包装实现机械化、自动化的根本保证。它能够大幅度地提高生产效率;降低劳动强度,改善劳动条件;保护环境,节约原材料,降低产品成本;有利于被包装产品的卫生,提高产品包装质量,增强市场销售的竞争力;由于包装机械的计量精度高,产品包装的外形美观、整齐、统一、封口严密,提高了产品包装的质量,增强了产品销售的竞争力,可获得较高的经济效益;延长产品的保质期,方便产品的流通。包装机械保证包装产品质量高、生产效率高、品种多、生产环境好、生产成本低、环境污染小,因而获得较强的市场竞争能力,带来巨大的社会效益和经济效益。自动包装机被堪称为拥有漫长发展历史和富有强大生命力的主导机型。现已被各国视为前景较好的包装机械。1.2 plc概述1.2.1 plc的产生 上世纪六十年代末，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(gm)为满足市场需求，适应汽车生产工艺不断更新的需要，提出了著名的十条技术指标公开向社会招标，要寻求一种比继电器更可靠，响应速度更快、功能更强大的通用工业控制器。1969年，美国数字设备公司(dec)根据十条要求研制出世界上第一台可编程控制器pdp-14，并在gm公司的汽车生产线上首次应用成功。可编程控制器是以微处理器为核心，把电气传动和逻辑控制、自动测量和调节、数据计算和处理有机地结合起来，具有丰富的软件资源的现代化工业自动化控制器。经过30多年的发展，现在可编程控制器己经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。在可编程控制器中，充分应用了大规模集成电路技术、微电子技术及通信技术，迅速地从早期的逻辑控制发展到进入位置控制、过程控制等领域。用可编程控制器已经可以构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集、图形工作站等的综合控制系统。12.2 plc的优点可编程序逻辑控制器(programmable logical controller)，又称pc或plc，它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。plc所以应用广泛，是由它的突出的特点和优越的性能分不开的。归纳起来，plc主要具有以下特点：1 可靠性高：plc采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成。2 环境适应性强：在电源瞬间断电的情况下仍可正常工作，具有很强的抗空间电磁干扰的能力，具有良好的抗振能力和抗冲击能力。一般对环境温度要求不高。3 灵活通用4 使用方便，维护简单1.2.3 plc的应用现状可编程控制器是“专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机”，由于其具有很强的抗干扰能力，很高的可靠性，能在恶劣环境下工作的大量的i/o接口，因此，伴随着新产品、新技术的不断涌现，始终保持着旺盛的市场生命力。可编程控制器的出现，除了取代传统的继电器控制外，正在逐步占领dcs和pid市场份额。国际市场,当今世界的plc生产厂家约200多家，生产400多种plc。全球最大的5家plc制造商，德国siemens公司、美国a-b公司、schneider公司、日本的mitsubishi公司、omron公司、三菱公司约占全球市场销售额的67。我国对可编程控制器的研制始于1974年，目前全国有几十个生产厂家，但产品多为128个开关量i/o点以下的小型机。我国应用plc还处于初级阶段，而且局限于钢铁、化工、汽车、机床、煤炭、电站等领域，其他行业的应用尚未普及，中国尚有广阔的应用领域等待开拓。我国90的plc市场由国外占领，中、大型plc中，几乎100是国外产品，以美国modicon公司、ge公司、德国siemens，日本富士公司为主。我国的包装设备在许多方面采用了plc，并取得了非常好的效果。随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将plc理解为开关量控制的时代已经过去，plc不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，plc将主要朝着以下两个方向发展：一个是向超小型专用化和低价格方向发展；另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。趋势如下：（1）系统构成规模向大、小两个方向发展。大是指大容量、高速度、多功能、高性能。小是指小型化、专用化、模块化、低成本。（2）功能不断增强，各种应用模块不断推出。（3）产品更加规范化、标准化。1.3 包装码垛自动生产线设计的内容1.3.1 包装码垛自动生产线的应用现状在工业生产中，有很多地方需要对粉末状或小颗粒状散状固体的流量进行准确的测量和控制，再配以给料设备组成定量给料控制系统。它是集喂料、流量测量和控制于一身的设备。目前，作为许多生产设备的定量给料控制系统己广泛应用于水泥、冶金、建材、电力、化工、食品、矿山、粮食等各行各业。定量给料在工业生产中发挥着越来越重要的作用，正因为其应用的广泛性，如果能提高给料系统的精度、自动化程度，就有着重要的现实意义。包装码垛自动生产线属于工业机器人。工业机器人是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手。工业机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多关节的操作机。它可以是固定式或移动式的，用于工业自动化作业中。工业机器人与其他专用自动机的主要区别在于，专用自动机是适应于大量生产的专用自动化设备，而工业机器人是一种能适应产品种类变更,具有多自由度动作功能的柔性自动化设备。包装码垛生产线是机电仪一体化高技术产品，适用于化工、粮食、食品及医药等行业。它可实现对粉、粒、块状物料（如塑料、化肥、合成橡胶、粮食等）的称重、供袋、装袋、折边、封袋、倒袋整形、金属检测、重量复检、批号打印、转位编组、码垛、托盘和垛盘的输送等作业全部实现自动化。通过可编程序控制器，对整个生产线的工作过程进行自动控制，对运行过程中出现的故障或供料不足，供袋不及时、出垛不及时等，进行声光报警。该设备具有操作简单，运行可靠，维修方便等优点。包装码垛生产线简单地讲，它是由包装机械和码垛机械组成的，其中的主要部分还是包装机械，码垛机械是从包装生产线上分离出来而发展起来。其流程图如图1.1所示。 来自主厂房的料物传感器称重料斗电子称重机组封口机码垛系统仓库输送机输送机图1.1 包装码垛生产线流程图在我国，包装机械的研制始于1958年，主要是自用设备，属革新产品，未进入市场，正式包装生产线起始于七十年代初，“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、国防化的产业。我国包装机械起步较晚，解放后轻工业开发了一批专用包装设备，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，包装机械作为新兴的工业部门开始发展起来，经过近二十年的艰苦努力，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，作为包装机械工业在我国国民经济的崛起中正在不断发展完善。1.3.2 包装码垛自动生产线设计的要求随着科学技术的迅猛发展,生产力水平的不断提高,人们对降低劳动强度、改善工作环境日益重视起来在新的世纪,随着我国各项事业的蓬勃发展以及知识经济所面临的机遇和挑战,包装码垛机械必将发挥越来越重要的作用,为国民生产产生不可估量的经济效益。以plc为基础组成的自动包装码垛生产线,控制系统简洁方便,自动化程度较高,可极大提高生产效率。本课题主要研究plc在包装码垛生产线自动控制系统中的应用。包装码垛生产线以plc为控制核心,以操作盘或触摸屏为输入设备,plc与变频器通过总线进行通信,完成对各电机转速、转向及各个接触器、中继器等的控制。该课题主要完成以下四个方面的工作:（1）掌握plc控制原理及编程（2）设计包装码垛生产线的工艺过程及动作流程。（3）plc控制系统的软、硬件设计。（4）包装码垛生产线的调试。7 包装码垛自动生产线系统组成2 包装码垛自动生产线系统组成2.1 概述包装码垛自动生产线是一个典型的机电一体化系统。所谓的机电一体化系统是指在系统的主功能、信息处理功能和控制功能等方面引进了电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机等电子设备以及软件等有机结合而构成的系统，即机械、执行、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行组合而形成的一种新型机械系统。该系统由机械系统(机构)、电子信息处理系统(计算机)、动力系统(动力源)、传感检测系统(传感器)、执行元件系统(如电机)等五大子系统组成。其五种内部功能即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。机电一体化系统的一大特点是由于机电一体化系统的微电子装置取代了人对机械的绝大部分的控制功能，并加以延伸和扩大，克服了人体能力的不足和弱点。另一大特点是节省能源和材料消耗。其主要特征是自动化操作。包装码垛自动生产线主要应用于化工、粮食、食品及医药等行业中的粉、粒、块状物料的全自动包装码垛。包装码垛自动生产线可分为包装部分和码垛部分。包装部分实现定量称重、自动供袋、装袋、夹口整形、折边缝口、金属检测、重量复检等功能。码垛部分实现转位编组、推袋压袋、码垛及托盘的提供和垛盘的输送等功能。2.2 包装码垛自动生产线机械系统组成电子称重机是包装机起始部机，其作用是完成物料的定值称重、投料等作业。本生产线采用净重式电子称重方式，这样称量结果不受容器皮重变化的影响，称量精度高，同时采用双秤交替的运行模式，可以保证生产线的包装速度达到8001000包小时。整个称重系统的动力源采用气动元件。给料系统采用气动控制的二级投料方式，即称重过程开始时，首先粗流料门完全打开，当进料量达到预先设定的粗进料值时(一般为总量的80%85左右)，粗进料气缸复位，粗流料门关闭，快速投料过程停止；这时粗流料门前端有一方形孔即细流口还没关闭，物料从该方形孔中继续投料，即开始细投料过程，当充填物料达到预置重量时，细投料气缸复位，细流料门关闭，给料结束。自动供袋机是由供袋器、吸袋器、袋子传送器、接袋器、取袋器等部件组成。全自动包装供袋工作是由供袋机械自动完成，操作人员只要将空袋子按要求码放到上袋机的备用仓中就可以了。当袋仓中没有袋子时备用袋仓中的袋子会被送袋机构整摞地自动送到供袋器的袋仓中去。带有真空吸盘的吸袋器从供袋器上把包装袋吸住，然后向上提升到位后，传送给传送器。传送器将袋子输送到供袋机的斜板上。在导向板、接袋器、吸盘和光电开关的作用下，确保包装袋在斜板上保持正确的位置和形状。取袋器捡起斜板上的包装袋，在取袋器四连杆的作用下，包装袋定位在包装机的中心线上，等待装袋机将包装袋取走。自动供袋机供袋速度快，供袋质量稳定可靠，易于实现包装工作的自动化。但机械结构较复杂，且对袋子的材料、尺寸和质量以及往备用袋仓中码放袋子时袋口的方位等都有一定的要求。自动装袋机是由过渡料斗、取袋开袋夹送装置、翻门缩口装置、机架等构成。过渡料斗是装袋机联接电子称重机的过渡装置，它可以存储一袋物料，提高电子称重机的称重速度，减小物料落差，降低粉尘产生量，利于除尘，同时保证物料顺利地导入装袋机并防止装袋机产生的振动传递到电子称重机上。取袋开袋夹送装置将自动供袋机的取袋器取好的袋子夹住，开袋吸盘吸住袋子的两面，在主气缸推动下送到翻门缩口装置的下面并将袋口拉开(此动作是和翻门缩口动作同时进行)为填装物料做准备，同时将已装好物料的料袋送到夹口整形机内。在主气缸行程两端安装有缓冲器，使主气缸在行程端点得以缓冲并使装袋机振动减轻。翻门缩口装置将送过来的料袋通过夹袋手爪夹住袋子的两上边，通过缩口动作收缩袋口(此动作与开袋动作同时进行)使翻门插入袋口，并在检测系统检测到料袋位置正确后向电子称重机和过渡料斗发出卸料请求指令，投下物料，完成装袋。每次装填完物料后翻门关闭，夹袋手爪将袋口绷紧，松开，放到输送机上，再由取袋夹送装置在取袋的同时夹送到夹口整形机内。图2-4 装袋机结构示意图转位输送机: 将送来的料袋进行变换方位的设备。该机实现料袋水平面内回转+90度, -90度，180度三种角度,料袋所需回转的角度是以保证料袋口向内为准, 保证垛形整齐、美观。当料袋到达转位转板下方时,光电开关给出信号,输送机电机制动, 继电器输出, 气缸动作,推动夹板夹住,转位电机根据编组工序需要, 通过同步带传动将料袋旋转至所需角度。此时夹板打开, 输送电机启动,送到下一工位。图2-5 转位输送机结构简图编组机是将转位输送机送来的料袋按码垛要求实现2-3编组和3-2编组，即垛型每层为二袋竖、三袋横或三袋横、二袋竖并交替进行。当位于输送带入口处的光电开关检测到一个料袋到来时，立即启动减速电机将料袋向前拖动到预定距离，而后停止运转。在下一个料袋到来时，光电开关又重新启动电机重复上述动作。当完成二袋竖放或三袋横放时，推袋装置便把这组料袋推到缓停板上暂存。如果计数达到一层(二袋竖加三袋横或三袋横加二袋竖)时，推袋装置就将二部分料袋一起推到码垛区。由于缓停板的设置减少一次来回推袋的时间，从而提高了码垛效率。图2-6 编组机结构简图 推袋压袋、分层、升降机,推袋机将编号的料袋推至缓冲区,并在分层码垛时整形压平,推到分层机,分层机将料袋投放到升降机上的托盘,完成一层料袋的码垛。当编组机完成一组时,接近开关给出信号, 推袋压袋机的减速电机动作,带动推袋小车将料袋组用挡板推至缓冲区,然后推动小车的挡板在气缸的作用下抬起, 同时电机反向返回,这一系列动作由一组接近开关状态决定。当缓冲区一层满信号到位,分层机左右挡板打开,压袋气缸动作,将料袋组放至升降机托盘上, 分层机关,推板复位, 推袋小车归位,减速电机制动,完成一个循环。升降机在码垛达到8层后, 将托盘送至托盘输送机,托盘仓的启用托盘电机启动,将托盘送到升降机,到位后升降机带着托盘升到位,等待料袋组码垛。整个过程也是通过判断接近开关和光电开关的状态完成的。图2-7 推袋压袋机结构简图托盘仓: 是存储一定量的托盘, 并自动完成托盘输送过程的部分。通过托盘仓内的光电开关判断托盘的数量, 当升降机将托盘送到下一工位, 托盘仓下方的气缸动作将托盘仓内的最下端的托盘顶起, 同时驱动电机, 将下端的托盘送出, 气缸恢复, 托盘在通过光栅光电开关后, 电机制动, 作为下一循环的启用托盘。图2-8 托盘仓结构简图2.3 包装码垛自动生产线气动部分包装码垛生产线各部分功能的执行机构为气缸、电磁阀、气电转换器、气源处理装置、真空系统等组成的气体系统。气动系统是生产线的基本组成部分之一，它的性能、寿命及稳定性直接决定着生产线的工作性能和质量。图2-3-1 气源处理装置简图气源处理装置：该装置由排水过滤器、减压阀、油雾器组成。排水过滤器将压缩空气中的脏物和水分滤出，由减压阀把空气压力降到预定压力，然后攻击电磁阀和气缸。油雾器中的润滑油由压缩空气顺空气流动方向带到需润滑的电磁阀和气缸。减压阀带有压力表，调整空气压力可由 压力表直接读出。气路的基本回路：气路系统由基本回路构成，基本回路有电磁阀、气缸、管路、调速器、消音器组成。电磁阀控制气体通断及执行机构换向。气缸是执行机构的基本元件，承担负载、输出力及转矩。调速器用来调节气缸的运动速度，以满足负载的不同速度要求。消音器用来排除排气噪声，保护环境。横进装置（开袋、压紧固定）：横进装置是包装机的重要组成部分，它的主要作用是在取袋装置取来袋子后，从两侧夹住袋口，在用真空把持住袋子的同时，向投料口移动，该装置在往返行程上装有一个气垫装置。该气缸在返回（或向前）运动时，以高速移动，在接近行程终点附近某一点关闭阀门，使压缩空气只能进过另一个狭窄的通道而限速，气缸移动速度便慢下来，然后停住，其运动速度均由调速器调节，只要不产生振动即可。然后两阀门的开关控制配置在横进装置上的霍尔开关控制。装袋、夹袋、开袋口的气路系统及检测:该气路系统为基本气动回路。横进装置上设置的开袋口吸盘，夹住袋子送到料斗下面，夹袋机构夹住袋口两侧后，向内侧缩口的同时，开袋口机构张开，打开袋口。开口吸袋器在行进时，启动真空装置，并通过真空检测器检测真空度。若真空度未达到设定值，则弃袋；若达到设定值，则发出投料信号。这时，伸缩料门伸入袋口中卸料。弃袋有两种情况：一是真空未达到设定值；而是伸缩料门击偏或击倒了袋子。夹袋机构夹住袋口的同时，夹紧探测器便发出一个对袋子的探测信号，夹紧之后检测到袋子正常时，便发出投料信号。只有真空检测及夹紧检测全部正常才能投料，缺一不可。弃袋或夹紧检测未探测到袋子，要把各个功能部件返回到原来位置。装袋时，开口吸袋器不再吸着袋子，返回初始位置。码垛机的气路系统:码垛机气路系统中重要部分为托盘仓的气缸升降系统。气缸下降、中停由换向阀通断实现，该系统为进气节流调速系统，其它装置的气路系统:除了以上装置的气路系统，其它装置均为基本回路。如电子称重机、吸袋、取袋等。真空系统:真空系统由真空泵、真空电子阀、真空检测器、真空管路等组成。它是包装机的主要部分之一，其主要功能是吸袋及开袋等。真空泵是真空系统的心脏，提供真空能源，真空电磁阀承担真空线路的通断，真空检测器承担检测真空的压力，并发出卸料信号。传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数而定。 传感器量程的选择可依据秤的最大量程值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。根据经验，一般应使传感器工作在其30%70%量程内，但有较大冲击力的衡器，在选用传感器时，一般要使传感器工作在其量程的20%30%之内，才能保证传感器的使用安全和寿命。称重传感器：一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的位置它的性能在很大程度上决定了电子衡器的精度的稳定性，因此被喻为衡器的心脏。传感器的稳定性有定量的指标，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，更能经受长时间的考验。光电式传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。它可用于检测直接引起光亮变化的非电量，如光强、光照度等。也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得了广泛的应用。18 包装码垛自动生产线控制系统硬件设计3 包装码垛生产线控制系统硬件设计在包装过程中，自动完成称重、供袋、取袋、装袋、缝口、输送、金属检测、重量检测及码垛等多个动作，动作多，运动复杂，而所处工作环境恶劣(高温、振动、粉尘)，这就要求控制系统具有很高的可靠性、良好的节能措施、很强的故障诊断能力，确保生产的稳定运行。由于包装生产线的各种控制为开关量，而目前流行的plc具有结构小巧、运行速度高、通用性好、可靠性高等特点，非常适合于工业现场的高温、振动、粉尘等恶劣环境下的开关控制。所以选用plc作为控制系统的核心部件。本包装码垛自动生产线动作关系复杂，i/o点数较多，以开关量控制为主，所以选择日本三菱公司的fx2n系列plc为控制核心部件。3.11 plc概述plc的类型繁多,但其结构和工作原理则大同小异,一般是由中央处理单元(cpu)、存储器、输入/输出单元、编程器、电源等主要部分构成的,如图3-1所示。如果把plc看作一个系统,外部的开关信号均为输入变量,它们经输入接口存到plc内部的数据存储器中,而后经过逻辑运算或数据处理以输出变量的形式送到输出接口,从而控制输出设备。图3-1 plc基本结构(1)中央处理单元(cpu)cpu是plc的核心部件,它类似人的大脑,能指挥plc按照预先编好的系统程序完成各种任务。其作用有以下几点:1.接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据,并可通过显示器显示出程序的内容和存储地址;2.检查、校验用户程序对正在输入的用户程序进行检查,发现语法错误立即报警,并停止输入;在程序运行过程中若发现错误,则立即报警或停止程序的执行;3.接收、调用现场信息将接收到的现场输入的数据保存起来,在需要改数据的时候将其调出!并送到需要该数据的地方;4.执行用户程序当plc进入运行状态后,cpu根据用户程序存放的先后顺序,逐条读取、解释和执行程序,完成用户程序中规定的各种操作,并将程序执行的结果送至输出端口,以驱动plc外部的负载;5.故障诊断诊断电源、plc内部电路的故障,根据故障或错误的类型,通过显示器显示出相应的信息,以提示用户及时排除故障或纠正错误。(2)存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路,是可编程控制器存放系统程序、用户程序及运算数据的单元存储器可以分为以下3种:1.系统程序存储器系统程序是厂家根据其选用的cpu的指令系统编写的,它决定了plc的功能系统程序存储器是只读存储器,用户不能更改其内容;2.用户程序存储器根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。不同机型的plc,其用户程序存储器的容量可能差异较大。根据生产过程或工艺的要求,用户程序经常需要改动,所以用户程序存储器必须可读写。一般要用后备电池(铿电池)进行掉电保护,以防掉电时丢失程序;3.工作数据存储器用来存储工作数据的区域叫工作数据区。工作数据是经常变化、经常存取的,所以这种存储器必须可读写。(3)输入/输出单元输入/输出(1/0)单元是plc与外部设备相互联系的窗口。输入单元接收现场设备向plc提供的信号,例如由按钮、操作开关、限位开关、继电器触点、接近开关、拨码器等提供的开关量信号。这些信号经过输入电路的滤波、光电隔离、电平转换等处理,变成cpu能够接收和处理的信号。输出单元将经过cpu处理的微弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理转换成外部设备所需要的强电信号,以驱动各执行元件,如指示灯的亮灭,电动机启停和正反转,设备的转动、平移、升降,阀门的关闭等。(4)电源部分电源部件能将外部供电电源转换成供plc的cpu、存储器、i/o接口等电子电路工作所需要的直流电源,使plc能正常工作。plc中一般配有开关式稳压电源为内部电路供电。开关电源的输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。有的plc能向外部提供24v的直流电源,可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。(5)编程器编程器是生产厂家提供的与本公司plc配套的编程工具。编程器分为简易编程器和图形编程器两种简易编程器不能直接输入梯形图程序,只能输入语句表程序。用简易编程器编程时,编程器必须与plc相连接。简易编程器的优点是价格低、体积小、重量轻、方便携带。图形编程器可直接输入梯形图程序。图形编程器分手持式和台式。台式编程器具有用户程序存储器,它可以把用户输入的程序存放在自己的存储器中,也可以把用户程序下载到plc中。图形编程器的优点是操作方便、屏幕大,显示功能强,且可脱机编程,但是其价格显贵。3.1.2 plc控制的优点 高可靠性；（1）所有的i/o接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与plc内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用r-c滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms.（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）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立即采用有效措施，以防止故障扩大。（7）大型plc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。 丰富的i/o接口模块；plc针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。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-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。 采用模块化结构；为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型plc以外，绝大多数plc均采用模块化结构。plc的各个部件，包括cpu，电源，i/o等均采用模块化plc，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。编程简单易学；plc的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。安装简单，维修方便；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。各种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。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。3.1.3 plc的分类目前,plc应用广泛,国内外生产厂家众多,所生产的plc产品更是品种繁多,其型号、规格和性能也各不相同。通常,可以按照结构形式的不同及功能的差异进行大致的分类:(1)按照结构形式的不同,plc可分为整体式和模块式两种。整体式具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点,易于装在工业设备的内部,通常适于单机工作。一般小型和超小型plc多采用这种结构,如日本三菱fx系列的plc,整体式结构的缺点是输入输出接口数是固定的,不一定适合每一个具体的现场控制需要。模块式结构又称积木式,这种结构的特点是把plc的每个工作单元都制成独立的模块,如cpu模块、输入模块、输出模块、电源模块、通讯模块等。这种结构配置灵活,装载和维修方便,功能易于扩展,其缺点是结构较复杂,造价也较高。一般大、中型plc都采用这种结构,如日本三菱公司的an系列。(2)按功能、输入输出点数和存储器容量不同,plc可分为小型、中型和大型三类。小型plc又称为低档的plc。这类plc的规模较小,它的输入输出点数一般从20点到128点。中型plc的i/o点数通常在120点至512点之间,用户程序存储器的容量为2kb一8kb。大型plc又称为高档的plc,i/o点数在512点以上,其中i/o点数大于8192点的又称为超大型plc,用户程序存储器容量在8kb以上。3.1.4 plc程序的表达方式与计算机的工作原理一样,plc的操作是按其程序要求进行的,而程序是用程序语言表达的。表达方式有多种多样,不同的plc生产厂家,不同的机种,采用的表达方式也不相同。但基本上可归纳为字符表达方式(即用文字符号表达程序,如语句表程序表达方式)和图形符号表达方式(即用图形符号表达程序,如梯形图程序表达方式)这两大类。也有将这两种方式结合起来表示plc程序具体如下所述:(l)梯形图,plc的梯形图编程语言与传统的“继电、接触”控制原理图十分相似,它形象、直观、实用,为广大电气技术人员所熟知。这种编程语言继承了传统的继电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式,使得程序直观易读。当今世界上各国的plc制造厂家所生产的plc大都采用梯形图语言编程。(2)语句表,用语句表所描述的编程方式是一种与计算机汇编语言类似的助记符编程方式。由于不同型号的plc的标识符和参数表示方法不一,所以无千篇一律的格式。(3)逻辑符号图,采用逻辑符号图表示控制逻辑时,首先定义某些逻辑符号的功能和变量函数,它类似于“与”、“或”、“非”逻辑电路结构的编程方式。一般说来,用这三种逻辑能够表达所有的控制逻辑。这是国际电工委员会(iec)颁布的plc编程语言之一。(4)高级编程语言,随着软件技术的发展,近年来推出的plc,尤其是大型plc,已开始用高级语言进行编程。许多plc采用类似pascal语言的专用语言,系统软件具有这种专用语言编程的自动编译程序。采用高级语言编程后,用户可以像使用普通微形计算机一样操作plc。除了完成逻辑控制功能外,还可以进行p工d调节、数据采集和处理以及计算机通信等。3.1.5 plc工作原理plc的工作过程是周期循环扫描的工作过程。用户程序通过编程器或其它输入设备输入存放在plc的用户存储器中。当plc开始运行时,cpu根据系统监控程序的规定顺序,通过扫描,完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输出点状态的更新、编程器键入响应和显示更新及cpu自检等功能。plc的扫描可按固定顺序进行,也可按用户程序规定的可变顺序进行。这不仅仅因为有的程序不需要每扫描一次,执行一次,也因为在一个大控制系统中,需要处理的i/o点数较多。通过不同的组织模块的安排,采用分时分批扫描执行的方法,可缩短扫描周期和提高控制的实时相应性。plc采用集中采样、集中输出的工作方式,减少了外界干扰的影响。plc的工作过程分三个阶段进行,即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。如图图3-2 plc的扫描工作过程(l)输入采样阶段plc在输入采样阶段,首先扫描所有的输入端子,将各输入存入内存中各对应的输入映像寄存器。此时,输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段或输出阶段,输入映像寄存器与外界隔离,无论信号如何变化其内容保持不变直到下一扫描周期的输入采样阶段,才重新写入输入端的新内容。(2)程序执行阶段根据plc梯形图程序的扫描原则,plc按先左后右,先上后下的步序语句逐句扫描。但遇到程序跳转指令,则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及到输入、输出状态时,plc从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态,从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。然后,进行相应的运算,运算结果再存入元件映像寄存器中。对于元件映像寄存器来说,每一个元件(输出软继电器的状态)会随着程序执行过程而变化。(3)输出刷新阶段在所有指令执行完毕后,输出映像寄存器中所有输出继电器的状态(接通/断开)在输出刷新阶段存到输出锁存寄存器中,通过一定方式输出,驱动外部负载。3.2 plc控制系统硬件设计plc控制系统示全包装生产线的核心部分，而在包装过程中，动作多，运动复杂，这就要求控制系统具有很高的可靠性、良好的节能措施、很强的故障诊断能力，确保生产的稳定运行。由于包装生产线的各种控制为开关量，动作关系复杂，i/0点数较多，选择日本三菱公司的fx2n系列plc。该系列plc为模块式结构，可以根据控制系统的需要灵活地组合成最佳的配置。 硬件配置硬件配置包括fx2n基本单元、fx2n扩展单元、检测元件(光电开关、接近开关、真空开关等)、人机操作界面(按钮、指示灯等)、控制元件(交流接触器、变频器、电磁阀等)以及执行元件(电机和气缸等)。 fx2n系列plc输入输出扩展方法，fx2n系列plc是由电源、cpu、输入输出和程序存储器组成的单元型可编程控制器。其主机称为基本单元，为主机备有可扩充输入输出点数的“扩展单元(电源i/0)和扩展模块(i/0)”，此外，还可以连接特殊扩展设备，用于特殊控制。在组织fx2n系列时，须考虑下述各点:输入输出总点数控制在256点以内，其中输入点数和输出点数均不能超过184点；dc24v电源和dc5v电源的容量，基本单元和扩展单元内部装有电源，可以对扩展模块供给dc24v电源，对特殊模块供给dc5v电源，因此扩展模块和特殊模块的耗电量应该控制在基本单元及扩展单元的电源范围以内；对于fx2n基本单元，外接特殊单元和特殊模块的数量，最多不超过8台。关于输入输出序号的编号问题，fx2n系列plc使用如下的编号方法:（1）输入继电器(x)、输出继电器(y)的序号是由基本单元开始，按连接顺序分配八进制数码。（2）特殊扩展设备和plc使用plc的from和t0指令进行数据信息交换，但是输入输出继电器不占序号。（3）功能扩展板，fx2n-cnv-if型转换电缆，和输出输入点数无关。具体的输入输出扩展根据对于本生产线的分析，系统需要约130个输入点、160个输出点，总的点数约在290个左右，加上一定的点数裕量，系统总的输入输出点数应该配置在320点左右，而fx2n系统最大的点数是256点，所以决定采取分段控制，将整个系统分成2段，前一段从电子称重机到喷墨打印机，使用一个plc系统控制，具体的扩展方法是fx2n-128mr+fx2n-48er各一台，共有点数176个，输入点88个，编号范围是x000x127，输出点88个，编号范围是y000y127;剩下的后面作为一个控制系统，使用fx2n-128mr+fx2n-16eyr，总点数144个，输入点数64个，编号范围是x000x077，输出点80个，编号范围是y000y117。这样系统的总点数为320点，其中输入点152个，输出点168个，可以满足系统的要求。图3.1是i/0扩展连接示意图。fx2n-48erfx2n-128mr 前段fx2n-16eyrfx2n-128mr