（机械电子工程专业论文）袋成型自动包装机控制系统的设计与研究.pdf

摘要 袋成型自动包装机是实现薄膜材料包裹各种流体、固体产品的包装设备，广 泛应用于食品、化工、日用品、医药等领域。随着人们对包装的需求多样化、个 性化，袋成型自动包装机的应用也愈加普遍。对包装机的要求，尤其在包装精度、 颤动化程度等方面的要求越来越离。l b 的包装机控制系统已经不能适应新的需 求，需要研制一种自动化程度高、计量精度高、价格低的新型控制系统。据此， 本文提撼了一套以小袋包装橇为原型的袋成型自动雹装机控制系统设计方案。 本文在分析包装机包装工艺和使用要求的基础上，提出一种实用、简单、通 用的传动系统，并对系统的工作流程进行了分析，给出了主控系统的设计方案， 包括硬件设计方案和软件设计方案。在控制系统中采用了西门子公司的s 7 2 0 0 系列p l c ，并用其编程软件s t e p 7 设计程序，实现自动控制等功能。研究了p i d 控制算法，详细探讨了经典p i d 控制系统的原理，p i d 控制系统串各参数对系统 动态和稳态系统的影响，以及p l c 模块中p i d 的实现方法。 其次还研究了包装机的计量系统和袋封温度控制系统，提出了改进包装精度 和温度控制的方案，从而改善了包装效果。 本文设计了一套以p l c 为核心，以变频电机为执行元件，以触摸屏为人机界 面的袋成型自动包装机控制系统。用触摸屏做为人机界面实现生产设备的操作、 状态显示、监控、参数输入等功能。通过r s - 4 8 5 通信实现驱动单元的远程控制， 提高了系统的集成度与可靠性。 最后，对全文进行了总结，提出了今后工作的要求。 关键词：袋成型自动包装机，p l c ，p i d ，r s - 4 8 5 通信，人机界面 a b s t r a c t 叠地p a c k a g i n gm a c h i n e c a r lp a c kl i q u i d & s o l i dp r o d u c t sw i 撒f i l m ，e s p e c i a l l y u s e di nt h ea r e as u c ha sf o o d stc h e m i c a lp r o d u c t s ，c o m m o d i t y ，m e d i c i n ee t c w i t h t h er e q u i r e m e n t so ft h e p r o d u c tp a c k a g i n g i sm o r ea n dm o r ev a r i e t i e sa n d i n d i v i d u a t i o n ，t h eb a g - f o r m i n gp a c k a g i n gm a c h i n ei su s e dm o r ea n dm o r ep r v a i l i n g a sp r e s e n t ，t h e s er e q u i r e su st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fp a c k a g i n gm a c h i n e ， e s p e c i a l l yi na l la s p e c t so fp a c k a g ep r e c i s i o na u t o m a t i o nd e g r e ea n ds oo n 。t h eo l d c o n t r o ls y s t e mo fp a c k a g i n gm a c h i n eh a sb e e nf a ru a n a b l et om e e tn e wd e m a n d ，t h a t n e e dt od e v e l o pn e we o n g t r o ls y s t e m ，w h i c ha u t o n m a t i o nd e g r e ei sh i g h ； m e a s u r e m e n ta c c u r a c yi sh i g h ；p r i c ei sl o w i nt h i sp a p e r ，an e wc o n t r o ls y s t e m s c h e m ei sp r o p o s e d t h r o u g ha n a l y z e st h ep a c k i n gt e c h n i q u e s ，u s i n gr e q u i r e m e n t s ，t h i sp a p e r o f f e r e da p p l i e d ，s i m p l e ， s t a b l ea n du n i v e r s a ld r i v i n gs y s t e m t h i sp a p e ra n a l y s e s t h ew o r k i n gp r o c e s so f t h ec e m e n tp a c k i n gm a c h i n es y s t e m ，t h em a i nc o n t r o ls y s t e m s c h e m ei sp r o p s e d ，a n dt h es c h e m ei n c l u d e sh a r d w a r ed e s i g np l a na n ds o f t w a r e d e s i g np l a n s i e m e n s ss 7 2 0 0s e r i e sp l ci su s e di nt h em a i nc o n t r o ls y s t e m ，t h e s t e p 7p r o g r a m m i n gs o f t w a r ei su s e dt od e s i g nt h ep r o g r a ma n da u t o m a t i cc o n t r lf o r p a c k a g i n gm a c h i n eh a sb e e nr e a l i z e d t l l i sp a p e ra l s os t u d i e st h ep i dc o n t r o l a l g o r i t h m ，d i s c u s s e st h ec l a s s i cp i dc o n t r o ls y s t e m sp r i n c i p l e , i nt h ep i dc o n t r o l s y s t e mt h ep r o p o r t i o np a r a m e t e r ，t h ei n t e g r a lp a r a m e t e r , t h ed i f f e r r e n t i a lp a r a m e t e r t os y s t e m st e n d e n c ya n dt h es t a b l es t a t ep e r f o r m a n c ei n f l u e n c e ，a sw e l la st h e m e t h o do f r e a l i z a t i o no f p i dc o n t r o li np l cm o d u l e s e c o n d l y ，t h em e a s u r i n gs y s t e m & t h ef i l m s e e mt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo f p a c k a g i n gm a c h i n ei ss t u d i e d p u tf o r w a r dap r o g r a mt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f p a c k a g i n ga n dt h et e m p e r a t u r ec o n t r o lp r o g r a mt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e p a c k a g i n gm a c h i n e 。 i nt h i sp a p e r ，as e to f b a g f o r m i n gp a c k a g i n gc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d ，i n w h i c hp l ca st h ec o n t r o lc o r e ， f r e q u e n c yc o n v e r s i o nm e t e rf o rt h ei m p l e m e n t a t i o n o fc o m p o n e n t s ，t o u c hp a n e la sh m i t oa c h i e v et h e s ef u n c t i o n n sw i t hp r o d u c t i o n e q u i p m e n to p e r a t i o n ，s t a t u sd i s p l a y ，m o n i t o r ，p a r a m e t e ri n p u ta n d s oo n r s - 4 8 5 c o m m u n i c a t i o nw a su s e dt oa c h i e v er e m o t ec o n t r o lt od r i v eu n i t ，w h i c hi m p r o v e d t h es y s t e mi n t e g r a t i o na n dr e l i a b i l i t y f i n a l l y ，t h es u m m a r yo f t h ep a p e rw a sm a d et op o i n to u tt h ew o r kr e q u i r e m e n t s i nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：b a g - f o r m i n gp a c k a g i n gm a c h i n e ，p l c ，p i d ，r s - 4 8 5c o m m u n i c a t i o n ， 肼i i l 独创性声明 本人声明，所呈交的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。 爆我新熊，除了文中特别翔以标注和致谢的地方井，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一阿工棒的同恚对本研究所徽的任何贡献均已在论文牵作了唠确的说嚼并 表示了谢意。 签名：区匿日期：绁 学位论文使用授权书 本入完全了解武汉理工大学有关保留、使焉学位论文的规定，鄄：学校有权傈鍪并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理童大学认可的国家有关 机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 研究生( 签名) ： ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 磋导师c 签名，：她日期掣。 武汉理正大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 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瞄用品、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 王包装不能满足卫生要求。因此，需采用自动包装枧来完成这些王作。 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，入民生活水平的提高，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；有利予 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、封西严密，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， 方便产晶的流通。 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 已被各图视为前景较好的包装机械。 由于现有国产袋成型自动包装机存在的软硬件问题，并且缺少相应的设计指 导理论，所以对其进行研究改进是非常有意义的。包装容器的制袋充填辔1 口， 是包装工艺中必须的工序。充填的精确影响到厂家经济效益；封口的好坏则影响 包装产晶的强观质量和保质期。嚣此，包装质量在很大程度上取决于袋长的精确 控制以及封口质量，所以封口机构及其控制的研究改进对提高制袋质量有着重要 的意义，本研究对整机结构了解的基础上，针对纵封、横封的封西形式完成了对 薄膜输送系统等关键部分软硬件设计，其在实际生产中也具有十分重要的指导意 义。 武汉理工大学硕士学位论文 - 1 2 国内外研究现状 为满足现代商品包装多样化的要求，目前国内外开始不断发展适应多品种、 小批量的通用包装机械和设备，从而使得包装机械的形式日趋增多。袋成型自动 包装机是将具有热塑特性的塑料复合膜经加热软化制成包装容器，在一台设备上 自动完成制袋成型、计量充填、封合剪切等全过程的自动包装设备。按包装物料 的不同， 可分为如下的几类： ( 1 ) 粉粒料包装设备。如小袋奶粉、咖啡等物料的包装。 ( 2 ) 流体、半流体粘稠类包装设备。如调味品、酱类、油脂类等物料的包装。 ( 3 ) 定型类包装设备。由于固体定型类物料的大小及形状差异颇大，所以需 根据不同的物料，采用不同的充填形式，或采用电子称量机计量。 1 2 。1 国外袋成型包装机发展现状 国外袋成型包装机发展全面，优势明显，主要特点有： 王、结构设计标准化、模组化。用一台包装机完成对不同物料的包装时，利 用原有机型的模组化设计可在短时间内迅速进行规格更换或转换为其它包装形 式的机型，并为不同的计量系统提供了足够的空间。如利用枕型包装机稍加调整 就可实现三焦袋的包装。 2 、包装速度高速化。目前，国外的小袋包装机单列包装速度一般为3 0 - 8 0 袋 分，近些年来很多公司推出的多列式包装机( 从2 列到1 0 列) 可使包装速度大大提 离。如意大利i l a p a k 公司的3 0 0 和4 0 0 系列枕型包装机，计量范围1 5 0 - - - 4 5 0 9 ，包 装速度1 2 0 袋分；日本横滨电机制作所的y d e - 7 0 型四边封合包装机，计量范围： 0 5 一- 3 0 m l ，可以2 - - - 1 0 列，最高速度为8 0 0 袋分；蜀本三光机械的f c - 1 0 0 0 型小 袋枕型包装机，最高可达1 2 列，速度可达1 0 0 0 袋分。 3 、结构运动高精度化。出予采用各种新技术，如通过伺服电视、编码器及 数字控制( n c ) 、动力负载控s j j p l c 等高精密执行机构控制各种动作，使整机的充 填计量精度和铡袋精度都有所提高。如离本东京自动机械的s i g m a 3 型粉末计量 机，配有可调速驱动马达，采用螺杆下料充填，最大充填为每次1 2 k g ，充填精 度6 0 2 5 ；日本， 砂社的台式液体充填机，根据不同机型充填量可做n o 1 6 撰l ，充填精度为0 。骚。 4 、控制智能化、弹性化。国外大多机器都通过智能型控制仪表和触摸屏上 的菜单式应用软件对机器的各种参数进行跟踪调整。电子显示羼显示切袋长度、 包装速度、充填物的净含量以及包装产量等，一目了然。标准的色标跟踪光电系 统能绝对保证包装产品的印刷图案正确。另外，机器可对工作过程进行在线状态 2 武汉理正大学硕士学位论文 监测和故障诊断分析，一旦发生问题，自动停机，并显示故障原因及解决方法。 5 、包装形式多样化。国外的袋包装目前既有三边封合袋、四边封合袋、枕 形袋，还有风琴式、自立袋等。用户可以根据市场的需要，具有更大的选择空 闻。 国外的袋包装机执行机构和传动系统趋于简单，横封、纵封等动作的执行机 构采用气动元件，包装动作篱捷快速，整机噪声小；采用变频调速装置，实现无 级变速，不仅调速范围大、平滑性好、低速特性，而且可实现恒转矩调速，节电 效果也十分明显。 1 。2 2 国内袋成型包装机发展现状 我圜包装撬械发展较晚，霉前芷处予起步应用阶段。丽且由于用户的技术水 平和各种环境因素的限制，我国包装机械的需要就像一座“金字塔 。对高、精、 尖设备的需求就是塔尖，越尖端的设备需求越小；对中、低档设备的需求就像样金 字塔底部，量大面广，商机无限。随着市场需求的不断增加，九十年代后，我 国袋成型自动包装机有了较快的发展。通过参考国外产品，进行消化、吸收及自 主开发、研制，技术上有了很大的提高，计量范围从l g 到1 0 0 0 9 不等，特别 是产品功能和自动化方面也有了长足的进步。 我圜通过参考国外同类型产品，进行消化、吸收及自行开发研制，技术上有 了很大的发展和提高。我国现有的袋成型自动包装机应用广泛，机型分为立式和 卧式两种，可包装液体、糊状物料、粉状物料、颗粒和固体物料，包装形式有枕 形袋、三封袋、四封袋、砖形袋、屋形袋、角形自立袋等多种类型【l 】。通过p l c 和p c 控制技术的不断推广和应用，使袋成型自动包装机的自动化程度得到了很 大的提高。 我国生产的袋成型自动包装机以普通型、通用型为主，即在同一台设备上， 同一竖直方囊上自动完成包装袋成型、计量、打印日期、充填、封口、切断、输 出等工序。包装物料一般为：液体、粘稠体、颗粒物料、粉料、膏体、片剂、 膨化食品等。充填计量方式一般为：容积式、称重式。容积式又可分为量杯式、 旋转阀式、柱塞式：称重式又可分为电予秤、枉杆秤两种。有些包装机还采用组 合式，如粗供料采用容积式，精供料采用称重式等。所用包装材料主要是具有可 热封的塑料单膜和各种复合膜( 如：纸一塑复合、塑塑复合、铝一鳖复合等) 。 包装成形袋以扁平袋为多( 如：枕形袋、三边封口袋、四边封1 2 1 袋) 。热封方式 主要有：往复式、l 型闭合式、旋转式【2 】。鞠产中型袋包装机多采用的横封装 置是连续对辊式，其缺点是开机和关机时，在辊轮中间都要夹持部分包装材料， 既难于清洗，又浪费材料。小型袋包装机，横封装置采用的是扇形开合的封口方 3 武汉理王大学硕士学位论文 式，当包装袋的尺寸扩大后，其封口质量难以保证。 客观地说，我国生产的袋成型自动包装机综合性能指标与国外先进国家的产 品相比还存在着很大差距。比较突出的问题是；机械加工工艺技术水平低；机构 动作的网步、协调性差；关键零部件、易损件、电气元件寿命短、可靠性差：生 产速度般都比较慢，自动化水平不高，自动化调节、自动化控制水平低：设 备的可操控性差，维护保养较麻烦；充填精度低、速度慢；外观造型和表面质量 差。 1 2 3 自动包装机存在的问题 据调查，现有自动包装机存在以下问题臼卜溺： 王包装橇长期存在着包装材料( 薄膜) 输送速度难以控制的阎题，薄膜输送 速度不稳，对袋长精度和袋形质量的影响很大；t 作初期和末期，带膜卷的直径 变化很大，转动惯量变化，造成包装材料输送时拉力不均匀，使得封袋长度变化， 袋长控制精度不高。 2 包装精度( 充填精度) 低且工作时不稳定。 3 包装速度低：嚣前国产包装机的包装速度，小袋包装在6 0 - 1 2 0 袋分之 间，包装速度超过8 0 袋分时包装质量将下降；中袋包装为3 5 - - 6 0 袋分。国 外设备的包装速度已达到小袋包装为1 2 0 0 袋分，中袋包装为1 6 0 袋分。 3 封口质量难以保证。 ( 1 ) 外观质量。国家规定，包装袋的封口处应平整、网纹清晰，不得有灼化 和压穿现象。两现有的包装枕不能很好的达到国家的标准； ( 2 ) 包装成品的封口强度低； ( 3 ) 由于塑料包装材料与被包装物之间的静电作用，在塑料袋内壁上会吸附 细小的被包装物粉粒，若不除去会造成横封霉处封口不牢，严重影响包装袋封髓 质量。 ( 4 ) 自动包装机的横封机构运动形式的不合理，将导致封口质量问题。传统 的包装机的封口机构，其左右封块是扇形开合，封口部位热封时间不同，导致封 口处不平滑，部分灼化或者部分强度不够。两横封块机构采用左横封块运动时， 两横封块对包装袋的作用力不同，会造成其封口不匀。而且封口周期长，包装速 度慢。 4 武汉理工大学硕士学位论文 。3 本文设计任务与工作 _ 1 3 1 设计任务 包材供送系统的控制器采用p l c ，p l c 控制系统的设计包括硬件系统的设 计和软件系统设计两个方面。 硬件控制系统设计包括以下主要内容： i 整体闭环控制系统方案的设计； i i 主要电气元件的选择，其中包括p l c 控制器、电机、变频器、光电编码 器等； i i i 根据被控对象的控制要求，确定整个系统的输入、输出设备的数量，从 而确定p l c 的i o 点数，包括开关量的i o 点数，模拟量的通道数，以及特殊功 能模块等； i v 建立i o 分配表，对各个点位特性进行说明。 软件控制系统设计主要包括： i 在对袋成型自动包装机的控制系统总体设计的基础上，着重对系统的位 置控制策略进行设计，从理论上分析如何利用智能模糊p i d 控制结合快速逼近 算法来实现封口过程的精确定位的基本原理。着重研究使用的模糊p i d 控制策 略的可行性和理论推导。接合p l c 硬件选型，选择合适算法，编写控制予程序； i i + 根据控制要求绘制程序流程图，编写p l c 程序； i i i 使用人机界面编程软件开发监控程序和界面； i v 。将p l c ：程序载入p k 程序存储器，进行程序调试。 1 。3 。2 拟解决的关键问题 ( 1 ) 根据封袋形式，选择合适的拉膜机构、纵封横封机构、袋成型机构； ( 2 ) 包装机工作时，由于包装膜卷的宜径逐渐变化，变化范围较大时，控制对 象的参数变化范围郢大，薄膜输送时张力变化的闯题，以及影响袋膜的进给，使 得袋长定位控制精度变化的问题； ( 3 ) 镪装枧灌装物输送控制及检测精度的阀题； ( 4 ) 封袋时封口机构温度控制的问题； 5 武汉理工大学硕士学位论文 第二章袋成型自动包装机 2 1 袋成型自动包装机的结构特点 袋成型自动包装机是将具有热塑特性的包材经加热软化制成包装容器，在一 台设备上自动完成制袋成型、计量充填、封合剪切等全过程的自动包装设备瑟1 。 该类型包装机具有以下特点】： ( 1 ) 结构设计标准化、模组化。用一台包装机完成对不同物料的包装时，利 用原有机型的模组化设计可在短时间内迅速进行规格更换或转换为其它包装形 式的机型，并为不同的计量系统提供了足够的空间。 ( 2 ) 包装速度高速化。匿外同类型包装梳依据袋形尺寸最高速度可达每分钟 1 6 0 袋。 ( 3 ) 结构运动高精度化。由于采用各种新技术，如通过伺服电机、编码器及 数字控制( n c ) 、可编程控制p l c 等控制各种离精密执行机构动作，使整机的充 填计量精度和制袋精度都有所提高。 ( 4 ) 控制智能化、弹性化。国外大多机器都通过智能型控制仪表和触摸屏上 的菜单式应用软件对机器的各种参数进行跟踪调整。电子显示屏显示切袋长度、 包装速度、充填物的净含量以及包装产量等，一目了然。标准的色标跟踪光电 系统能绝对保证包装产品的印刷图案正确。另外，机器可对工作过程进行在线 状态监测和故障诊断分析，一旦发生问题，自动停机，并显示故障原因及解决 方法。 袋成型自动包装机的结构原理如图2 - 1 所示，该机主要由计量装置、拉膜机 构、纵封机构、横封机构、纠偏机构等缀成。 袋成型自动包装机的工作原理如图2 - 2 所示，当整机运行时，拉膜电机启动， 通过传动机构带动拉膜带恒速连续运行，拉膜带的速度可以按照包装速度设定 值自动调整。拉膜带的内侧为齿形带外测为高弹力的橡胶带。高弹性橡胶带可 以增强其与薄膜的摩擦力，在该摩擦力的作用下，包装材料随拉膜带向下运动嘲 l 妇 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 计量机构2 色标传感器3 包装材料4 拉膜机构5 纵封机构6 横封机构 图2 - 1 袋成型自动包装机结构原理图 2 2 总体方案设计 2 。2 1 功能与应用范围 袋成型自动包装机自上世纪五十年代开发到现在已有数十年了，当时开发出 的机种功能单一，应用范围窄，但是容易实现、可靠。电动机的动力和运动通 过三角带( 或称为y 形带) 或平皮带输送给分配轴，再由分配轴分给供送内装物、 纵封器、横封器、切断器、输出包装物等，只能对单内装物进行包装。 考虑到人们对产品追求多元化、个性纯。故产品的包装范重要广、功糍要齐 全、速度要快。加上我国包装市场的发展，推动袋成型自动包装机的发展，也 提出了相适性的功能与适用范围的需求问题。 适用的范围如下： ( 1 ) 包装材料：防潮玻璃纸、涂塑玻璃纸、聚乙烯、聚丙烯、袋包纸、铝箔 以及其健复合材料。 ( 2 ) 包装物品：奶粉、农药、洗发水、调料品、糖果及其他等颗粒状、粉末状 物品或粘稠液体。 ( 3 ) 包装规格：长2 0 - 5 2 0 m m ；宽l o - 1 5 0 m m ( 4 ) 生产能力：2 0 - - - 8 0 0 鹈分钟 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 附属装置：光电跟踪补偿装置、计数装置、温度控制装置、王控装置等 ( 6 ) 电能消耗：3 6 k w 2 2 2 工艺分析 袋成型自动包装机是针对粉末状或流体物件进行外包装的一种手段。在工艺 分析中，首先对内装物物件的特性、包装材料和包装过程作详细的分析和研究， 并对单功能机的分析，进行扩展其功能，如扩展它的包装尺寸范围、扩展它的 包装物件、扩展它的包装材料、扩展它的包装生产力等。这些扩展涉及到的主 要部件的分析比较，以便得出可靠的机构卜嘲1 。 2 2 2 内装物体的特性工艺分析 前面提到，内装物件可以是一些颗粒状、粉末状或液体物体，也可以是很硬 的五金零件和很柔软的纸巾。一般来说在设计时，为了简化结构，针对类型范 围相近的物佟进行设计，因此就会选择一些楣近的物件在同一台机上包装。另 方面，如果固体内装物的形状变化，只需简单更改零件就可以了。如尺寸大 小变更可以调整成型器或更换成型器，其它的可以只是简单调整。易碎的物件 可以在巾封牵引、端封切断器上粘贴一些缓冲的物料，丽无需更换零件就可以 使机械适应范围广。若包装物由粉末状的物体更改为液体状物体，则需更换物 料输送模块，以及物料填充计量装置。总丽言之，袋成型逸动包装机的适用范 围极广，只要是一般特性的物体都可以包装。 2 2 2 2 包装材料的要求 包装材料的选择在包装机设计中也是重要的。塑料包装的闯世，引起了包装 机的革命。使包装工艺、包装技术发生了巨大变化。如塑料包装，可以采用高 频加热热封包装、或电热丝脉冲热封包装。如袋装的快食面、饼干、糖果等， 目前食品、医药行业采用聚乙烯薄膜包装是很广泛的；纸张经涂塑料后的复合 材料包装也被广泛使用，如冰淇淋、面包等。 袋成型自动包装机多采用热封玻璃纸、聚乙烯和玻璃纸复合材料、铝箔复合 材料等。考虑到在薄膜牵引时，薄膜要受较大的张力，一般说来，包装的速度 越高，包装材料越容易被拉断n 砖。如果包装材料的拉力强度不够，势必影响包 装速度的提高。因此，选择包装材料的质量是十分重要的。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 。2 2 。3 包装王艺方案的拟定 包装工艺路线是：薄膜经包材经过纠偏机构到达成型器，经过成型器后，带 状的包材被卷成筒状：筒状包材的前封口被压在纵封带下加热、加压，使包材 纵向被热封。 横封机构在准备运行阶段回到原始位置，包材色标到达色标检测传感器时， 传感器发出信号，启动横封电机，使横封机构动作。见图2 ，2 。 图2 - 2 袋成型自动包装机原理网 图2 - 3 横封机构 如圈2 3 所示，横封机构为双曲柄机构，单个横封器可以实现乎动，运动轨 迹为圆周。由于每个横封器都由前后两部分组成，且两部分之间都用弹簧相连 接，所以每个横封器的前后两个部分都可以有一个相对位移，即两个横封器在 9 武汉理工大学硕士学位论文 相互挤援时，彼此之闻可以有某个行程的压缩量。利用这一原则进行设计，使 两个横封头的回转中心的中心距小于两者的回转半径之和，则横封头在整周回 转过程中，在两个回转中心的孛垂线上互相挤蘧在一起，并且经过一段竖直的 运动轨迹，此时，横封运动的速度与拉膜速度相适应。在这个竖直方向的运动 过程中，横封机构完成包装袋的横向热封和切断。横向切断包装袋的同时，启 动计量螺杆动作。横封机构完成个周期动作之后回到原始位置，等待下一个 色标o 。 2 2 3 总体布局 包装工艺确定以詹，要考虑如何实现这种包装动作。因此，要求选择合适的 传动、操作和执行机构。这些机构组成若干个部件，这些部件相互位置怎样安 排它们又是怎样联系和形成一个完整的总体这就是包装机总体设计的任务。 包装机的传动与控制机构，可以采用机械式，液压式，或气动式。应根据产 品的特点、生产能力、使用者的情况等具体条件以及机器动作的复杂程度而定。 囟动包装概一般包装速度在( 2 0 8 0 0 袋分钟) ，最高可以达到( 3 0 0 0 袋分钟) 。 要实现这样高的包装速度，而且要保证动作的相互协调和工作可靠稳定，用液 艇式或气动式控制机构尚有困难，因为液体和气体有可压缩性，而且油液的粘 度大，高速换向运动时惯性冲击大、发热高，液压还会因温度升高两使粘度变 化，影响动作的准确性，所以一般只用于活塞往复动作在4 0 袋分钟左右的机 械。墨前匿内外在接缝式裹包枫中大多采用概械传动方式。因为连轩、凸轮机 构一经调整后就能严格保证动作的可靠性，并且能实现比较复杂的动作，并配 合当今的电子技术和微机控制技术，更进一步提高生产率。 根据以上分析，本文设计的袋成型自动包装机的操纵系统采用机械式控制系 统，涉及有：链条传动，带( 齿形带) 传动，齿轮传动，曲柄连杆传动等机构。 一台包装机出哪些几部分组成，决定于包装工艺的要求。袋成型自动包装机由 以下部分组成： ( 1 ) 传动系统； ( 2 ) 包材输送系统： ( 3 ) 成形器构件； ( 4 ) 内装物输送系统； ( 5 ) 纵封及牵引构件系统； l o 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 横封及切断构件系统； ( 7 ) 电气控制系统。 布局形式的选定，最主要根据包装工艺的特点即决定于包装的工艺链。布局 形式要便于包装，使机构简化，工人操作和维修方便。如包裹块状物体，自动 包装机布局形式宣采用卧式布局；如包裹液体、粉末状物体包装机布局宜采用 立式布局，这样便予进料、送纸、包装、封切等。因块状物件不易自动落料， 应当用辅助输送带供料。 在设计孛总体布局要求： ( 1 ) 传动系统力求简洁，在能满足多功能基础上保证结构简单； ( 2 ) 机械操作，调整简单，易主手，装拆方便，联锁防护可靠： ( 3 ) 操纵手柄位置方便操作，也考虑到润滑系统等： ( 4 ) 排料位置考虑方便安全： ( 2 - 2 ) 工li = 0 式中，t 为采样周期( 或控制周期) ，1 1 为采样穿号，n = l ，2 ，e ( n 1 ) 和e ( n ) 分 别为第舡l 和第n 次采样所得的偏差信号，u ( 为第n 时刻的控制量。 2 3 3 包装机薄膜输送控制中的p i d 模块的分析 在本系统中对包装机的包材输送速度控制是采用p l c 、变频器、异步电动机 组成的闭环调速控制。因此袋成型包装棍回转速度控制中p i d 模块是采用p l c 中的p i d 控制器来实现的，p i d 控制器调节输出目的是保证偏差( e ) 为零，使系 统达到稳定状态，偏差( e ) 是给定值( s p ) j f l l 过程变量( p v ) 的差。p i d 控制的原理基 1 4 武汉理正大学硕士学俄论文 予下面的算式，输出m ( t ) 是比例项、积分项和微分顼的函数。 m ( 爹) = 辜e d t + m i n i t i a l + k c 臻d e d r ( 2 _ 3 ) 式中，m ( t ) 为p i d 网路输出，k c 为回路增益，e 为p i d 的回路偏差值，m i i i t i a l 为回路输出的初始值。 为了能让数字计算机处理这个控制算式，连续算式必须离散化为周期采样偏 差算式，才熊用来计算输出值。数字计算机处理的算式如下： m n 然k c 枣翰+ 慰零& + 编删+ 硒枣( e n - - e n 1 )o q 式中，m n 为在采样时刻n 时p i d 回路输出的计算值，磁为p i d 回路增益 为采样时刻n 的回路偏差值，1 为回路偏差的前一个值( 在采样时刻小1 ) ，c i 为采样时刻i 的回路偏差值，k i 为积分项的比例常数，m i n i d 鲥为回路输出的初始 值，硒为微分项的比例常数。 从这个公式可以看出，积分项是从第1 个采样周期到当前采样周期所有误差 项的函数，微分项是当前采样和前一次采样的涵数，比例顼仅是当前采样的函 数。在数字计算机中，不保存所有的误差项，实际上也不必要。由于计算机从 第一次采样开始，每有一个偏差采样值必须计算一次输出值，只需要保存偏差 前值和积分项前值。作为数字计算机解决的重复性的结果，可以得到在任何采 样时刻必须计算的方程的一个简化算式。简化算式是： 磊= 您，l ce n + 厨枣e n + m x + 蠡麓宰( 翻一& 一1 ) ( 2 5 ) 式中，m n 为在第n 采样时刻p i d 回路输出的计算值，为p i d 回路增益， 为在第n 采样时刻的偏差值，e n 1 为在第n 1 采样时刻的偏差值( 偏差前项) ， k i 为积分项的比例常数，m x 为积分项前值，k o 为微分项的比例常数。 c p u 实际使用以上篙化算式的改进形式计算p i d 输出。这个改进型算式是： 坛= 姚+ 施。+ 尬 ( 2 一回 式中，m n 为第n 采样时刻的计算值，m p n 为第n 采样时刻的比例项值，m i n 为第n 采样时刻的积分项值，m o i l 为第n 采样时刻的微分项值。 1 5 武汉理正大学硕士学位论文 比例顼m p 是增益僻c ) 和偏差嘞的乘积。其中k c ) 决定输出对偏差的灵敏度， 偏差( e ) 是给定值( s p ) 与过程变量值( p 之差。s 7 2 0 0 解决的求比例项的算式是： m p 嚏= k c 秣t s p n p y 小 、7 ( 2 7 ) 式中，m p i 为第1 1 采样时刻比例项的值，磁为增益，s a n 为第n 采样时刻的 给定值，p 为第n 采样时刻的过程变量值。积分项值m i 与偏差和成正比。s 7 2 0 0 解决的求积分项的算式是： 龙编= k c 誊r s r , 零f 圈一p 玩) + 抛 、7 ( 2 8 ) 式中，m 弧为第n 采样时刻的积分项值，k c 为增益，骶为采样时闻闻隔， t i 为积分时间，s p n 为第n 采样时刻的给定值，p v n 为第n 采样时刻的过程变 量值，m x 为第n - l 采样时刻的积分项。 积分和( m 是所有积分项前值之和。在每次计算出m 嫩之后，都要用m i n 去更新m x 。其中m m 可以被调整或限定。m x 的初值通常在第一次计算输出以 前被设置为鹾涮豳。积分顼还包括其他凡个常数：增益k c ，采样时间闻隔l 和 积分时间t i 。其中采样时间是重新计算输出的时间间隔，而积分时间控制积分 顼在整个输出结果中影响的大小。 微分项值m d 与偏差的变化成正比。$ 7 - 2 0 0 使用下列算式来求解微分项： 坳封= ，i c 驯乃水 ( 艘撑一尸既) 一( 肛撑一l p 圪一1 ) ( 2 9 ) 为了避免给定值变化的微分作用而引起跳变，假定给定值不变( s p n - - s p n - 1 ) 。 这样，可以用过程交量的变化替代偏差的变化，计算算式可改进为： m d 撵= k c 枣z 衫a 瘩( p v , , - i p 玩) ( 2 1 由于控制对象的给定值和过程变量都是现实世界的值，他们的大小、范围和 工程单位都可能不一样。所以在p l c 中利用p i d 指令对这些值进行计算之前， 必须把健们转换成标准的浮点型实数，这样才能进行p i d 运算。同样，经过了 p i d 运算以后的回路输出值一般为控制变量，而且输出的也是经过标准化了的实 数，所以在回路输出驱动模拟输出之前，必须把回路输出转换为相应的1 6 位整 数，即通过标准化过程的逆过程，将回路输出值转换为相应的能驱动模拟输出 值。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 。4 主控系统软硬件设计 2 。4 1 总体设计 王、p l c 的硬件结构及工作骧理【1 4 h 1 q p l c 一般由四大部分组成：c p u 、存储器、i ，o 系统以及其它可选部件。前 三大部分是p l c 完成各种控制任务所必需的，般称为p l c 的基本组成部分。 其它可选部件包括编程器、外存储器、仿真i o 、通讯接口、扩展接口以及测试 设备等，主要用于系统的编程组态、程序存储、通讯联网、系统扩展和系统测 试等。c p u 是p l c 的核心部件，用于字节指令的处理，并实现各种控制作用； 数字i o 接口用作c p u 模板与外部开关量讯号之间的接口，它完成诸如电平转 换电气隔离、串并型数据转换以及对外提供一定的驱动能力等工作；模拟i o 接口输入部分主要完成阻抗匹配、讯号放大、讯号滤波、i v 变换、变换或 者a d 交换等工作，| 以便将来自受控对象的仿真量转换成p l c 麓够处理的数字 量其输如部分主要实现阻抗匹配、功率放大、波形校正等功能。 目前p l c 的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。通常 根据其的点的数量将p l c 分为三大类： 小型机g2 5 6 点以下( 无模拟量) ； 中型枕：2 5 6 - - 2 0 4 8 点( 6 4 1 2 8 路模拟量) ； 大型机：2 0 4 8 点以上( 1 2 8 5 1 2 路模拟量) 。 具体实现时，通常采用模板式结构，以便用户根据实际应用需求进行配置但 一些小型机常制作成一体机，其配置固定，主要供定型成套设备使用；而一些 大型机一般在电源、或者c p u ，甚至两者都作了热备份。 小型可编程控制器的结构框赞如下蹋2 6 所示 图2 - 6 可编程序控制器结构框图 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 p l c 是采用“顺序扫描，不断循环 的方式进行王作的。即在p l c 运行时， c p u 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号( 或 地址号) 作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令嚣始逐条顺序执 行用户程序，直至程序结束。然盾重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。 在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工 作。p l c 的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。 p l c 在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的 输入端予的逶断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中， 即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。 p l c 在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令， 经相应的运算和处理后，其结果褥写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中 所有的内容随着程序的执行而改变。 输如刷薪阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷 新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式( 继电器、晶体管或晶闸管) 输 匙，驱动相应输出设备工作。 2 、p l c 的选型及其模块配置嘲1 通常在p l c 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是p l c 工程 设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。p l c 及有关设 备应是集成的、标准的，按照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，选型所选用p l c 应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系 统，p l c 的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉 可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有剩予缩短编程时闻，因此，工 程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，然后根据控制 要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定p l c 的功能、外部设备特性 等，最羼选择有较高性能价格比的p l c 和设计相应的控制系统。i o 点数估算时 应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加1 0 - 2 0 的可扩展 余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订赞时，还需根据制造厂商p l c 的 产品特点，对输入输出点数进行调整。存储器容量是可编程序控制器本身能提 供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项圈使用的存储单元的 大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制， 因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选 1 8 武汉理王大学硕士学位论文 型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内 存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是 按数字量f o 点数的1 0 - 1 5 倍，加上模拟i o 点数的1 0 0 倍，以此数为内存的 总字数，另外再按此数的2 5 考虑余量。 根据袋成型包装工艺