【硕士论文】基于PLC的全自动包装码垛生产线控制系统设计.pdf

摘要 摘要 传统的机械设备与产品，多是以机械为主，是电气、液压或气动控制的机械设备。 随着工业水平的不断发展，机械设备己逐步地由手动操作改为自动控制，设备本身也发 展成为机电一体化的综合体。可编程序控制器( P L C ) 是以微处理器为核心，综合计算 机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过3 0 多年 的发展，目前，可编程序控制器己成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置， 已跃居工业生产自动化四大支柱( 可编程序控制器、数控机床、机器人、计算机辅助设 计与制造) 的首位。其应用的深度和广度已成为衡量一个国瘃工业先进与自动化程度高 低的标志。 本论文共分五章，从可编程序控制器( P L C ) 基础到整个系统的规划设计，以及P L C 控制系统的硬件、软件的开发，给出全面、详细的设计思路。本文主要研究了包装码垛 自动生产线机械系统设计；气动及真空系统的设计；系统控制部分的设计等。该系统的 核心部分是包装码垛自动生产线的控制系统，其控制系统主要是以可编程序控制器 ( P L C ) 为基础进行集成控制的。 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P P 、P E 粒 子、P V C 、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。根据用户要求，配上通讯接口和打印机、有打印日、月累计报表的功 能。还可与上位计算机或触摸屏连接，对包装码垛自动生产线实现实时监控、远程诊断 和网络化管理。 关键词： P L C ；控制系统；包装码垛自动生产线 A b s 仃a c t A b s t r a c t M o s tc o n v e n t i o n a lm e c h a m c a lf 犯i l i t i e sa r em a c ；h h l e s T h e ya r em e d 扭血c a l f a c i l i t i e si n t h ec o n 缸D lo fe l e c t r i c s ，h y d r a u l i cp r e s s u r ea I l da e r o d y m 曲i cp r e s s u r e A u t o m a t i cC 0 r l 仃o lo f m e c b a n i c a lf a C i l i t ) rh a Sr e p l a c e dm a l l u a lw o r ks t I 印b ys t e p P L Ci sa1 a t e - m o d e la u t o m a t i c e q u i p m e n t I t sd e v e l o p m e n ti sb a s e do nc o m p u t e rt e c h n o l o g ) r ，a u t o m a t i Z a t i o nt e c l l r l 0 1 0 9 y a 1 1 dC 0 m m u l l i c a t i o l l s A tt l l e p r e s e n t ，P L C h a Sb e c o m et l l em o s t i r l l p o n 2 m t a u t o m a t i c e q u i p m e n ta n db e e na p p l i e d 谢d e l y ，撕e rt l l ed e V e l o p m e n to f 3 0y e a r s P L Ch a Sh o l d 让l e p 曲L a c yi n 恤f i e I do fi n d u S 缸ya u t o m a t i 刎o n ( P L C ，R O B O T C A D & C A M ) 胁ed e 伊e e 觚d e x t e n to fP L Cd e V e l o p m e n ta r en l es y l n b o l so fa u t o m a t i cl e V e li no r l ec 0 1 H 1 乜y mt h i sp a p e r ，I 仃yt ob 血gt 1 1 ec o l p l e t e da n d ( 1 e t a i l e di d e 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0s t o r e ，t r a I l s p o r t 锄ds a l et h e i r p r o d u c t S A u t o m a t i cb a g g i l l g & p a l l e t i z i n gl i l l cc o n s i s t So fa u t 0 一、e i g l l i n gb a g 百n gm a c K n e ， 础b a gf e e dg r o u p ，s e a l i n gs y S t 锄，b a gt u md o w nm a c l l i n e ，m e 伽d e t e c t o r ，s o 而n gm a C l l i l l e ， j e tp r i n t e ra I l dp a l l e t i z i I 培I I l a c h i n ee t C u I l i t s T l l I 0 u g l lp r o 留m 姗血gc o n t r o l I e r ，t l l e 、h o l e s y s t e mp r o c e s sc a I lb ea u t o m a t i cc o n 缸D l l e d A n yp r o c e s so p e r a t i o n 们u b l e s ，n o te n o u 曲f e e d s ， b a gf e e d i I 增n o td u eo rp a l l e t i z i n gn o ti nt i l n ea l lc a nb ea l 锄e db ys o u n d o rl i g h t nk 峪l e a d V 锄g e so fs i r n p l eo p e r a t i o 玛r e l i a b l e a I l d e a S ym 诎e n a n c ee t c A c c o r d i n gt 0 廿l e c u s t o m e r I sr e q u 岫n e n t s ，t l l es y s t e ma l s oc a I lb ee q u i p p e dw i t hc o m m u l l i c a t i o np o r ti I l t e d k e f o rD C Sc o r l n 0 l ，e 删p p c d 谢mp r 证t e rf o rp r i l l t i n gd a i l y ，m o n m l yp r o d u c t i o nr e c o r d s ，a l s o c 觚b ec o I m e c t e d 谢t l lc o I n p u t e ro rt o u c hs c r e e nf o ra u t o w e i 曲i n gb a g g i n gm a c l l i n e m o n i t o r i n go r 砸髓n e tn e 咖r km a I l a g e m e n t K e y w o r d s ：P L C ；C 0 n t r o ls y s t e m ；a u t o m a t i cb a g g i n ga n dp a l l e t i z i n gl i n e I I 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名：阵日期：二。八年二月二十六日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名：导师签名： 纠哥 日 期：二oo 八年二月二十六日 第一章绪论 第一章绪论 1 1P L C 的产生、优点、应用现状和发展趋势 1 1 1P L e 的产生 1 9 6 8 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司( G M ) 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。1 9 6 9 年，美国数字设 备公司( D E C ) 根据十条要求研制出世界上第一台可编程控制器P D P 一1 4 ，并在G M 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瞳1 。经过3 0 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1 。 1 1 2P L C 的优点 按照I E C ( 国际电工协会) 国标标准定义，可编程序逻辑控制器( P r o g r 锄a b l e L o g i c a lC o n t r o l l e r ) ，又称P c 或P L c ，它是以微型计算机为基础的一种为用于工业环 境而设计的数字式电子系统，这种系统用可编程序存储面向用户指令的内部寄存器，完 成规定的功能，如：逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等，通过数字量的 输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。 P L c 产品在抗电磁、噪声干扰、有害废气的腐蚀、高温、粉尘等方面有很高的能力， 能直接和现场各种单元、部件连接，坚固耐用，可靠性方面P L C 的平均无故障时间可达 5 万小时以上，操作与维修十分方便，功能日益扩大。因此，P L C 广泛的应用于许多工 业领域，当然技术的日新月异、突飞猛进是P L C 迅速扩展市场的根本原因。具体表现在： ( 1 ) 实时性，由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速度 快。基于信号处理和程序运行的速度，P L C 经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护。 更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目。 ( 2 ) 高可靠性，所有的I o 输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控 制器内部电路之间电气上隔离。各输入端均采用R - C 滤波器，其滤波时间常数一般为 l O 2 0 I n s 。各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰。采用性能优良的开关电源。对采 用的元器件进行严格的筛选。良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情 况，C P U 立即采取有效措施，以防止故障扩大。大型控制器还可以采用由双C P U 构成冗 余系统或有三C P U 构成表决系统，使可靠性更进一步提高。 ( 3 ) 系统配置简单灵活，控制器产品种类繁多，规模可分大、中、小等。I O 卡件种 类丰富，可根据自控工程实现功能要求不同，而进行不同的配置。满足控制工程需要前 提下，I O 卡件可灵活组合。控制器针对不同的工业自控工程的现场信号，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 0 模 江南大学工程硕士学位论文 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，它还有多种人一机对话的接口模块；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。为了适应各种工业控制需要， 除了单元式的小型控制器以外，绝大多数控制器均采用模块化结构。控制器的各个部件， 包括C P U ，电源，I O 等均采用模块化设计，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。 ( 4 ) 价格优势，质优价廉，性价比高。 ( 5 ) 安装简单，维修方便，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各 种设备与P L C 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。 1 1 3P L C 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”1 ，由于其具有 很强的抗干扰能力，很高的可靠性瞄1 ，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。可编程控制器嘲即 的出现，除了取代传统的继电器控制外，正在逐步占领D C S 和P I D 市场份额。国际市场： 当今世界的P L C 生产厂家约2 0 0 多家，生产4 0 0 多种P L C 。全球最大的5 家P L C 制造商， 德国S I E M E N S 公司、美国A B 公司、S C 删E I D E R 公司、日本的M I T S U B I S H I 公司、o M R o N 公司、三菱公司约占全球市场销售额的6 7 。我国对可编程控制器的研制始于1 9 7 4 年， 目前全国有几十个生产厂家，但产品多为1 2 8 个开关量I O 点以下的小型机。 我国应用P L C 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9 0 的P L C 市场由国外占领，中、大型P L C 中，几乎1 0 0 是国外产品，以美国M o D I C o N 公司、G E 公司、西德S I E M E N S ，日本富士公司为主。我国的饮料包装设备在许多方面采用了P L c ， 并取得了非常好的效果嘲。 1 1 4P L C 的发展趋势 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P L C 理解为开关量控制的时代已经过去，P L C 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，P L C 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。总的趋 势如下9 卜1 羽： ( 1 ) 可编程控制技术的标准化 在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既互相竞争又相互合作。一种自动 化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于其满足国际标准化的程度 和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各个厂家产品的互相 兼容。出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。按照这些标准， 2 第一章绪 论 各种型号的P L c 产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。但是，这 些标准目前只能是统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。为了使各厂家的产品 有一个共同的参考平面，制定国际标准是必然趋势。 ( 2 ) C P U 处理速度进一步加快 目前P L C 的C P U 与微型计算机的C P U 相比，还处在比较落后的地步，最高的也仅仅 处在8 0 4 8 6 一级。将来会全部使用6 4 位R I S C 芯片，实现多C P U 并行处理或分时处理或 分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。这样P L c 执行 指令的速度将达到纳秒级。 ( 3 ) 可编程控制技术的智能化 提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系统的可靠 性。 ( 4 ) 系统的开放性和兼容性 开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。一方面是某一产品和第三家 同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者 有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项目越来越大，致使常 常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的产品族 中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题；另一方面，可编程控制器与工业控制机 等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点除此之外，同一厂家产品族中的各系列 产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。 ( 5 ) 通用性和专业化的结合 可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域都有其自己的特点。怎样才能使一 个系统既具有通用性又具备专业化呢? 硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这 样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。 常用的专用模块包括：定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。 ( 6 ) 可靠性迸一步提高 随着P L C 进入过程控制的领域，对P L C 可靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错 技术将进一步得到应用，不仅会有C P U 单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、I 0 单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。但从根本上来讲，系统的可靠性取决于系统各 单元的可靠程度。要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。 M T B F ( 平均无故障时间) 是衡量产品质量的重要指标。纵观各著名厂商，其P L C 产品都有 不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。 ( 7 ) 控制系统分散化 根据分散控制、集中管理的原则，P L C 控制系统的I O 模块将直接安装在控制现场， 通过通信电缆或光纤与主C P U 进行数据通信。这样使控制更有效，系统更可靠。 ( 8 ) 控制与管理功能一体化 为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，P L C 将广泛采用计算机信息处理技术、 网络通信技术和图形显示技术，使P L C 系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。 3 江南大学工程硕士学位论文 综上所述，我们不难得出下面几个结论： 工控机、计算机集散控制系统及P L C 正在走着一条相互融合的道路。 智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。 系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强。 基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据。 通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。 1 2 包装码垛自动生产线的发展、应用现状和存在问题 1 2 1 包装码垛自动生产线的发展 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。在冶金行业中，典型的例子就是烧结 矿的自动给料系统：在建材行业中，典型的例子是水泥生产厂用于原料、生料、熟料、 煤粉等物料的配料、喂料等工艺环节。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。 近几年，传统的机械系统和计算机控制相结合，能极大的提高工业生产效率和企业 的经济效益，因此，结合机电一体化技术，实现定量给料的计算机定量控制是必然的发 展方向。 。 随着科学技术的进一步发展，计算机在自动控制领域中已得到了广泛的应用。计算 机控制系统是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统，是一种把计算机硬件，软件 技术与自动控制技术相结合的一种应用技术，它属于离散控制系统。当前，用于工业控 制的计算机可分为几类：可编程控制器、基于P C 总线的工业控制计算机、基于单片机 的测控装置、用于模拟量闭环控制的可编程调节器、集散控制系统( D C S ) 和现场总线控 制系统( F C S ) 等。 可编程控制器( ( P L C ) 是应用广泛、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，它已 成为当代工业自动化控制的主要支柱之一。可编程控制器可以构成单机控制系统、集中 控制系统和分布式控制系统。单机控制系统就是控制器由单台P L C 构成，不需要与其它 P L C 或计算机通信。集中控制系统采用一台P L C 控制，每个被控对象与P L C 指定的I 0 相连，各被控对象之间的数据、状态不需要另外的通信线路；分布式控制系统的控制对 象通常比较多，分布在一个较大的区域内，相互之间比较远，而且，被控对象之间经常 的交换数据和信息。这种控制系统的控制器采用若干个相互之间具有通信功能的P L c 构 成。系统的上位机可以采用P L C ，也可以采用工控机。 包装码垛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4 0 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n 3 】。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 4 第一章绪论 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n 耵。 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n 钉、送 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。电子包装秤运用通讯速度快、实时性强的现 场总线( P r o f i b u s ) n 6 3 技术，将梅特勒托利多的称重技术与可编程控制技术结合， 使之适应连续化生产的要求。同时，通过人机界面n 刀，可对包装秤进行相应的参数设置 及数据统计及分析等工作。人机界面( 姗I ) 又称可编程终端。姗I 是P L C 的一种外部设 备，与P L C 联机通信后，通过轻触键盘或屏幕上的触摸键，可向P L C 输入数据，显示数 据或图形羽。 包装码垛生产线以P L C 为控制核心，以触摸屏为输入设备n 9 】啪】，P L C 与变频器通过 P r o f i b u s 总线犯1 矧进行通信，完成对各电机转速、转向及各个接触器、中继器等的控制 【2 3 】 o 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的。其流程图如图卜1 所 示： 蠡H 攀H 垂物料lI 斗l I 剿霎 机ll 磊 仓 库 图卜1 包装码垛生产线流程图 F i g 1 一lF 1 0 wF i g o fb a g g i n ga n dp a l l e t i z i n g1 i n e 在我国，包装机械的研制始于1 9 5 8 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、国防化的产业阱】。 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。8 0 年代初，包装机械汹1 作为新兴的工业部门 开始发展起来，经过近三十年的艰苦努力，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嘲。 1 2 2 包装码垛自动生产线的应用现状 从专业化程度看，目前国内包装设备厂专业化程度还不高，5 7 的企业是兼业生产， 仅上海、山东、江苏、辽宁、浙江、广东等省市专业厂较多。很久以来，包装生产线 只做到把物料包装好为止，至于后续的搬运工作，则完全由搬运工人来完成。造成这种 局面有多方面的原因，但主要是由于我国生产力水平较低，劳动力便宜，科研人才缺乏 造成的。随着知识经济时代的到来，这种局面必将会被打破。 江南大学工程硕士学位论文 总的来说，我国包装设备制造工业经近三十年的努力，在数量、质量、水平方面均 有较大的进展，为我国建立一个门类齐全、技术先进、水平相当、独立完善的包装设备 生产系统奠定了坚实的基础。但要想在未来的国际竞争中占有一席之地，还必须要找出 自身缺点和不足，特别是要找出与北美、日本、西欧等国家的差距。 1 2 3 包装码垛自动生产线的存在问题 纵观近三十年的发展，不难发现我国包装机械行业中存在的某些明显不足之处。概 言之，有以下几点： ( 1 ) 低水平产品重复生产多，如小型自动封口机、真空包装机、小型灌装机、小食品 生产设备等。这些设备技术难度小，成本低，起步快，因此，不少企业选中它做“入门 产品，以此积累资金再展鸿图。这样，就造成产品不可避免地重复，产品积压卖不出去， 自然又影响设备的更新，最终使得生产水平难以提高。 ( 2 ) 高技术含量的产品尚未有人生产，如多层共挤设备。欧美一些著名的公司，虽有 成套设备供应，但其共挤头也是从美国购来配套的。再如高压杀菌设备，甚至连实验室 阶段也未进入。 ( 3 ) 自主开发能力较弱，一方面是我们的企业起步较晚，还未摸清市场的脉搏，另一 方面是科技力量薄弱，高科技人力资源不足，不具备先进的设计工具。 ( 4 ) 可靠性问题普遍存在，我们的企业不太注意产品质量，表现在两个方面：一是自 身加工的零部件。有的精度不够，有的材质不好，有的该热处理的不热处理，该锻压的 不锻压，以致于出现出口产品断轴，运行不到一个月即严重磨损而不能使用。另一方面 是配套件，进货把关不严或有意购进低价劣质产品，以致于出口产品轴承开裂。有的产 品在用户开机时因电器故障一次就卡壳。当然，密封件、传动件向题也不少。 ( 5 ) 产品防护问题未能引起重视，为了操作人员的安全，设备安全所采取的措施较 少。这类产品绝对进不了欧美市场，只能进入第三世界没有防护立法的国家和地区。安 全性、可靠性是至关重要的，一定要引起企业的足够重视。 为了满足各行各业对日新月异的商品的包装要求，改善工作环境、降低劳动强度， 包装码垛机械就必须适应不断发展的包装工业的需要，未来的包装机械将有以下发展趋 势： 机电仪综合技术是包装码垛生产线的发展主流； 在促进单机高速化的同时，注意提高系统效率； 在发展专业机的同时，积极开展通用机： 大力开发辅助设备，促进连续化包装生产线的发展啪3 ； 码垛系统将发挥越来越重要的作用。 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题来源于哈尔滨七星机械设备制造公司，该公司是一家专业生产自动包装码垛 生产线的公司，本课题是该公司技改项目。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 6 第一章绪 论 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P L C 为基础组成的自动包装码垛生 产线啪1 ，控制系统简洁方便，自动化程度较高，可极大提高生产效率啪1 。 本课题主要研究P L C 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 P L C 为控制核心，以操作盘或触摸屏为输入设备，P L C 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P L C 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 )P L C 控制系统的软、硬件设计； ( 4 )包装码垛生产线的调试。 7 第二章包装码垛自动生产线机械系统设计 第二章包装码垛自动生产线机械系统设计 2 1 概述 本课题所设计的包装码垛自动生产线是一个典型的机电一体化系统。机电一体化技 术又称机械电子技术，是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。机电一体化 系统通常由五大要素构成，即动力源、传感器、机械结构、执行元件和电子计算机。 全自动包装码垛生产线是集机、电、仪于一体的高技术产品，它主要应用于化工、 粮食、食品及医药等行业中的粉、粒、块状物料( 如塑料、化肥、合成橡胶、粮食等) 的全自动包装，即对包装过程中的称重、供袋、装袋、折边、封口、倒袋整形、批号打 印、捡测、转位编组、码垛、托盘和垛盘的输送等作业全部实现自动化。 2 2 包装码垛自动生产线系统组成 包装码垛自动生产线主要由以下各部机组成如图2 一l 所示： l 电子自动称重机2 平台3 自动供袋机4 自动装袋机5 夹口整形机 6 自动折边机7 自动缝口机8 立袋输送机9 倒袋整形机1 0 金属检测机 儿重量复检机1 2 自动捡选机1 3 喷墨打印机1 4 过渡输送机1 5 斜坡输送机 1 6 压平整形机1 7 托盘仓1 8 转位输送机1 9 托盘输送机2 0 编组机2 1 推袋压袋机 2 2 升降机2 3 分层码垛机2 4 高架平台2 5 垛盘输送机2 6 码垛机控制柜 2 7 包装机控制柜2 8 电子秤控制柜2 9D c s 控制系统3 0 真空系统3 1 除尘系统 图2 1 包装码垛自动生产线 F 1 9 2 一tA u t 伽a t i cb a g g i “ga n dp a l l e t l g1 i n e 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8 0 0 1 0 0 0 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 壤 鼢嗑 厂llll?lllli0 ，IE艮硅蟹闻HI募 江南大学工程硕士学位论文 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8 0 9 6 8 5 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。秤体采 用双传感器的并联组秤方式，秤体结构采用钢丝悬拉等减振措施，可以提高称重精度。 排料系统采用气动控制的双斜式连杆结构，具有排料速度快，冲击小的优点。其结构如 图2 2 所示。 1 卸料门2 称重料斗3 称重传感器4 给料装置5 落料箱6 分料箱7 储料斗 图2 2 电子称重机 F ig 2 2A u t 0 - w e i 曲i n gm a c h i l l e 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，如图 2 3 所示。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。供袋器是两工位板式结构，每一工位大约存储3 0 0 个包装袋。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。 1 0 第二章包装码垛自动生产线机械系统设计 1 供袋器2 吸袋器3 袋子传送器4 接袋器5 取袋器 图2 3 供袋机结构示意图 F i g 2 3A u 加卜- b a gf e e dg r o u pd i a g r a m 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，如图 2 4 所示。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。 江南大学工程硕士学位论文 432 1 - 机身2 取袋开袋夹送装置3 取袋开袋吸盘4 缩口机械手 5 翻门缩口装置6 过渡料斗7 抱板8 大夹子转位输送机 图2 4 装袋机结构示意图 F i g 2 4A u t o m a t i cb a g g i n gm a c h i n ed i a g r 锄 转位输送机是由输送机和料袋转位机构组合而成。它是将缓停机送来的料袋按预定 的编组程序对料袋进行输送和转位。料袋的转位是通过光电信号控制转位装置，在料袋 输送过程中使料袋实现9 0 。的转位。 转位输送机结构如图2 5 所示，转位速度快、安装调试方便。在后序部机的工作出 现异常时，它可同缓停机一起停止运转。 机架是由两根侧梁通过定位横梁用螺栓连接构成平面框架。并通过支承横梁用螺栓 固定在高架平台的主机架和侧机架上。机架上安装着主、从动滚筒和输送带的张紧装置。 传动系统是由减速机传动链轮副和主、从动滚筒及输送带组成。输送带的张力是由 张紧装置来实现。 转位机构由机架、转位电机、转轴、转体、夹紧气缸、夹板等组成。当料袋按工作 程序要求实现转位时，夹紧气缸伸出，带动夹板将料袋夹住，转位电机带动转轴、转体 使料袋旋转9 0 0 ，当料袋不需转位时，气缸将夹板收回，夹板不挡料袋。 1 2 第二章包装码垛自动生产线机械系统设计 1 机架2 转位电机3 转轴4 转体5 夹紧气缸6 夹板7 大夹子 图2 5 转位输送机结构简图 F ig 2 5B a gt 哪d 0 、nm a c h i n ed i a g r 锄 编组机是码垛机组中的重要部机之一，对提高码垛质量和速度起到关键的作用。编 组机的结构如图2 6 所示，主要由输送机、缓停板、前挡板及左右挡板组成。输送机主 要由侧梁、定位横梁、皮带托板、主、从动滚筒、输送皮带、皮带张紧装置、减速电机、 传动链轮副和皮带自动调偏机构组成，并通过两根支承梁用螺栓固定在高架平台上。 编组机的工作原理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。 江南大学工程硕士学位论文 1 皮带输送机2 左、右挡板3 缓停板4 前挡板5 纠偏装置6 光电开关 图2 6 编组机结构简图 F i g 2 6B a go 唱a n 协m a c h i n cd i a g r 赫 推袋压袋机是提高码垛机速度的关键部机之一。其结构如图2 7 所示，主要由传动 机构l 、推袋小车2 、导轨4 、压袋机支架5 、压袋框6 等机构组成，其中3 为接近开关、 7 为压袋气缸。 传动机构l 由减速电机、链轮副、主传动轴、链条、张紧链轮等组成。位于大框架 上方的减速机通过链轮副带动主传动轴转动，主传动轴又通过链轮链条拖动推袋小车2 沿导轨4 前后运动。主传动轴和张紧链轮分别安装在大框两端。在大框架上装有一组接 近开关，用于控制推袋小车2 的停止位置和各段行成的运动速度。 推袋小车2 由小框架、车轮、推袋气缸及推袋板组成。推袋时推袋气缸使推袋板处于铅垂状 态，推袋小车在传动链条拖动下向前运动时，推袋板将料袋推至予定位置；动作完毕后 推袋板抬起，推袋小车退回原位，等待下一次推袋。 压袋机构由压袋机支架5 、压袋框6 及压袋气缸7 组成。当推袋小车将料袋( 一层 料袋) 推至分层码垛机位置时，压袋气缸动作，并把料袋压住，待料袋落到托盘上时， 压袋气缸退回原位，使压袋框升起。 推袋机完成一个推袋的全过程是分两次进行的，第一次是将编组机输送带上的半层 料袋( 二袋竖或三袋横) 推至缓停板上后，推料小车退回原位，第二次将另一半层料袋 连同缓停板上的半层料袋全部推到码垛区。整个推袋过程都是在位置信号控制下进行 的，即其各段行程的运行速度是不同的，从而保证了码垛质量和工作效率。 1 4 一 箜三童垒鏊塑堡皂垫生兰垡塑堡墨竺堡迁 二 - - - _ I _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ - - I - _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ - _ _ _ - - 一 一1 刊I 一I 广。一 橱蠢 ， 岛 崔 蒡! 一 I _ _ l 。回 _ _ 。 1 户 7 _ # 鹏 一L 穹 索 卜 _ 凶一II d 首上叫州岛 + J j 阿7 烊。等； 一 甩 划r 葺刭 L l 旺到霉卅， 步 瑚1 瞅 L 4 I _砌价忻Tl 后i - 7 弋 P f ： f f f f 即卜H 匡 l Z P _f f E f。d l产一 - - 、- f l 仃1 |I |i l0 | | 0 一 - 10 I l d ”L | | I I I l l I 刊一J l I l l l | I 7 动装置2 推袋小车3 接近开关4 导轨 袋机支架6 压袋框7 压袋气缸 7 推袋压袋机结构简图 P u h i n g b a ga np r