基于PLC的全自动包装码垛生产线控制系统设计

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。可编程控制器(PLC)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 30 多年的发展，目前，可编程控制器已成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，己跃居工业生产自动化四大支柱(可编程控器、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家工业先进与自动化程度高低的标志。本论文共分四章，从可编程控器(PLC)基础到整个系统的规划设计，以及 PLC控制系统的硬件、软件的开发，给出全面、详细的设计思路。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控制器(PLC)为基础进行集成控制的。全自动包装码垛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（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、封袋、倒袋整形、批号打印、检测、转位编组、码垛、托盘和垛盘的输送等作业全部实现自动化。以 PLC 为基础的全自动包装码垛生产线，控制系统简单、便于维护、适应性强，自动化程度高，节约人力，可极大提高生产效率。关键词：PLC；控制系统；包装码垛自动生产线AbstractThe traditional mechanical device and the product, many are by the machinery primarily, is electrical, the hydraulic pressure or the pneumatic control mechanical device. Along with the industry levels unceasing development, mechanical device oneself changes the automatic control gradually by the manual operation, the equipment itself also develops into the integration of machinery complex compound. Programmable controller (PLC) is take the microprocessor as a core, the comprehensive computer technology, the automated technology and the communication develop one new industry automatic control device. After more than 30 years development, at present, the programmable controller has become in the industrial automation domain to be most important, to apply most control devices, oneself leaps to the industrial production automation four big props (programmable controller, numerically-controlled machine tool, robot, computer-aided design and manufacture) the first place. Its applications depth and the breadth have become weigh a national industry to be advanced and automaticity height symbol.This thesis consists of four chapters, from the programmable logic controller (PLC) based planning and design of the entire system, and PLC control system hardware, software development, give full and detailed design ideas. The core of the system is Palletizing automatic production line control system, the control system is mainly based on programmable logic controller (PLC) as the basis for integrated control.Automatic Palletizing production line is mainly used in chemical, food, food and pharmaceutical industries in the flour, grain, bulk materials (such as plastics, fertilizers, synthetic rubber, food, etc.) of the automatic packaging, ie packaging process weight for bags, bagging, folding, envelope, plastic bags down, batch printing, testing, transfer grouping, stacking, pallets, and stack operations such as disk full automated transmission. With PLC based fully automatic palletizing packaging production line, control system is simple, easy maintenance, strong adaptability, high automation, saving manpower, can greatly increase productivity.Key word:PLC;Control System;Palletizing automatic production line 目 录第 1 章 绪论 .11.1 PLC 的产生和发展、优点、应用现状和发展趋势 .11.2 包装码垛自动生产线的发展 .41.3 课题主要研究内容 .5第 2 章 包装码垛自动生产线机械系统的工作原理 .62.1 概述 .62.2 包装码珠自动生产线系统组成 .6第 3 章 包装码垛自动生产线 PLC 控制系统设计 .103.1 PLC 的基本结构 .103.2 PLC 的主要组成部分 .113.3 PLC 的工作原理 .123.4 PLC 控制系统设计 .13第 4 章 程序调试 .364.1 程序输入和编辑 .364.2 梯形图逻辑测试 .374.3 监控程序 .384.4 监控元件 .394.5 退出 PLC 仿真运行 .41结 论 .42参考文献 .43致 谢 .44第 1 章 绪论可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的基础上发展起来的，最初叫做可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller） ，即PLC，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。1.1 PLC 的产生和发展、优点、应用现状和发展趋势1.1.1 PLC 的产生和发展1968 年 美 国 通 用 汽 车 公 司 提 出 取 代 继 电 器 控 制 装 置 的 要 求 。 1969 年 ，美 国 数 字 设 备 公 司 研 制 出 了 第 一 台 可 编 程 控 制 器 PDP-14， 在 美 国 通 用 汽 车公 司 的 生 产 在 线 试 用 成 功 ， 首 次 采 用 程 序 化 的 手 段 应 用 于 电 气 控 制 ， 这 是 第一 代 可 编 程 控 器 ， 称 Programmable， 是 世 界 上 公 认 的 第 一 台 PLC。20 世 纪 70 年 代 初 出 现 了 微 处 理 器 。 人 们 很 快 将 其 引 入 可 编 程 控 制 器 ，使 PLC 增 加 了 运 算 、 数 据 传 送 及 处 理 等 功 能 ， 完 成 了 真 正 具 有 计 算 机 特 征 的工 业 控 制 装 置 。 此 时 的 PLC 为 微 机 技 术 和 继 电 器 常 规 控 制 概 念 相 结 合 的 产 物 。个 人 计 算 机 发 展 起 来 后 ， 为 了 方 便 和 反 映 可 编 程 控 制 器 的 功 能 特 点 ， 可 编 程控 器 定 名 为 Programmable Logic Controller（ PLC） 。 20 世 纪 70 年 代 中 末期 ， 可 编 程 控 制 器 进 入 实 用 化 发 展 阶 段 ， 计 算 机 技 术 已 全 面 引 入 可 编 程 控 制器 中 ， 使 其 功 能 发 生 了 飞 跃 。 更 高 的 运 算 速 度 、 超 小 型 体 积 、 更 可 靠 的 工 业抗 干 扰 设 计 、 仿 真 量 运 算 、 PID 功 能 及 极 高 的 性 价 比 奠 定 了 它 在 现 代 工 业 中的 地 位 。20 世 纪 80 年 代 初 ， 可 编 程 控 制 器 在 先 进 工 业 国 家 中 已 获 得 广 泛 应 用 。世 界 上 生 产 可 编 程 控 制 器 的 国 家 日 益 增 多 ， 产 量 日 益 上 升 。 这 标 志 着 可 编 程控 制 器 已 步 入 成 熟 阶 段 。 20 世 纪 80 年 代 至 90 年 代 中 期 ， 是 PLC 发 展 最 快 的时 期 ， 年 增 长 率 一 直 保 持 为 30 40%。 在 这 时 期 ， PLC 在 处 理 模 拟 量 能 力 、数 字 运 算 能 力 、 人 机 接 口 能 力 和 网 络 能 力 得 到 大 幅 度 提 高 ， PLC 逐 渐 进 入 过程 控 制 领 域 ， 在 某 些 应 用 上 取 代 了 在 过 程 控 制 领 域 处 于 统 治 地 位 的 DCS 系 统 。20 世 纪 末 期 ， 可 编 程 控 制 器 的 发 展 特 点 是 更 加 适 应 于 现 代 工 业 的 需 要 。这 个 时 期 发 展 了 大 型 机 和 超 小 型 机 、 诞 生 了 各 种 各 样 的 特 殊 功 能 单 元 、 生 产了 各 种 人 机 界 面 单 元 、 通 信 单 元 ， 使 应 用 可 编 程 控 制 器 的 工 业 控 制 设 备 的 配套 更 加 容 易 。 1 21.1.2 PLC 的优点PLC 是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物，所以在工业控制方面，它具有继电器控制或通用计算机所无法比拟的特点。（1）高可靠性PLC 的高可靠性主要表现在硬件和软件两个方面：在硬件方面，由于采用性能优良的开关电源，并且对采用的器件进行严格的筛选，加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此 PLC 具有很强的抗振动冲击性能；无触点的半导体电路来完成大量的开关动作，就不会出现继电器控制系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题；所有的输入/输出（I/O）接口都采用了光电隔离措施，使外部电路和 PLC 内部电路能有效的进行隔离；PLC 模块式的结构，可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能尽量缩短系统的维修时间。在软件方面，PLC 的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运算处理器的延迟，保证在程序出错和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；当CPU、电池、I/O 口、通信等出现异常时，PLC 的自诊断功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防止故障扩大；停电时，后备电池和正常工作时一样，进行对用户程序及动态数据的保护，确保信息不丢失。（2）应用灵活、使用方便模块化的 PLC 设计，使用户能根据自己控制系统的大小、工艺流程和控制要求等来选择自己所需的 PLC 的模块并进行资源配置和 PLC 编程。这样，控制系统就不再需要大量硬件装置，用户只需根据控制需要设计 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接线即可。而在 PLC 控制系统中，当控制要求改变时，不改动 PLC 外部接线，只需修改程序即可。（3）面向控制过程的编程语言，容易掌握PLC 的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言，清晰直观。虽然 PLC 是以微处理器为核心的控制装置，但是它不需要用户具有很强的程序设计能力，只要用户具备一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可。这种面向控制过程的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在 PLC 内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，这种时耗是微不足道的。（4）易于安装、调试、维修在安装时，由于 PLC 的输入/输出接口已经做好，因此可以直接和外部设备相连，而不再需要专用的接口电路。而且 PLC 的软件功能取代了原来继电器控制中的中间继电器、定时器、计数器等一些器件，所以硬件安装上的工作量相应减少。PLC 的调试可先在实验室模拟完成，模拟调试完成后再现场安装、调试。这样就可以避免可能在现场会出现的一些问题，从而缩短调试周期。在维修方面，PLC 完善的诊断和显示功能，可以通过模块上的显示或编程器等很容易地找出故障的模块，而且由于模块化设计，因此只需要对出错的模块进行更换即可。（5）网络功能强大PLC 具有强大的网络功能。PLC 不仅能做到远程控制、进行 PLC 内部通信与上位机进行通信，还具备专线上网、无线上网等功能。这样，PLC 就可以组成范围很大的控制网络，整个工厂，甚至整个系统都可以实现自动化，从而提高生产的效率。（6）体积小、重量轻由于 PLC 内部电路主要采用微电子技术设计，因此它具有体积小、重量轻等特点。 31.1.3 PLC 的应用可编程控制器是“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/0 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，其它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、西德 SIEMENS，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 PLC，并取得了非常好的效果。 4 51.1.4 PLC 控制系统发展趋势PLC 具有可靠性高、使用方便、编程简单、体积小、重量轻等特点。目前，全世界 PLC 生产厂家约为 200 家，生产 300 多个品种。作为控制装置，它在许多工业领域都得到广泛的应用。随着微处理器技术和现代通信技术的发展，PLC 也得到了迅速发展，其技术和产品日趋完善。PLC 的主要发展趋势主要表现在以下几个方面。（1）高速度、高 I/O 容量、功能强大随着 CPU 处理速度的提高，PLC 程序执行的速度也越来越快；大规模和超大规模集成电路的发展，相应地使 I/O 的容量也得到增加；智能模块的增加，使PLC 能够实现的功能越来越多。（2）强大的 PLC 联网能力随着人们对工业自动化的要求越来越高，人们已经不再满足对几个设备、几条生产线的 PLC 控制，而是要求实现对全工厂的自动化，所以提高 PLC 控制系统的网络功能成为 PLC 的发展趋势。以后人们不仅能通过通信模块进行 PLC 与PLC、PLC 与上位机之间的连接，还能通过拨号或者无线的方式使 PLC 联网。（3）编程软件多样化PLC 的梯形图语言、助记符语言和功能模块语言虽然使用方便，而且也能很好地实现控制要求，但是在处理一些高级功能（复杂运算、报表生成和打印等功能）时存在明显的不足，所以就要求高级语言（BASIC、C、FORTRAN 等） 、图形语言、汇编语言兼容。这样不仅可以通过梯形图语言、助记符语言和功能模块语言来编写程序，也可以通过高级语言来编程。1.2 包装码垛自动生产线的发展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。工业机器人与其它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。包装码垛自动生产线以 PLC 为控制核心，以键盘、按钮或触摸屏为输入设备，PLC 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。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在线分离出来而发展起来的。其流程图如图 1-1 所示。 6来自主厂房的物料传感器称重料斗仓库封口机电子称重机组码垛系统图 1-1 包装码垛生产线流程图1.3 课题主要研究内容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。石油化工、煤化工、化肥、粮食、港口等行业对包装质量和劳动效率的要求也日益提高,从而促进了这些企业的现代化改造。而传统的人工包装由于其生产效率低下而成为这些行业产量和包装质量提高的巨大障碍,已不能满足现代化大生产的需要。因此对包装码垛自动生产线的应用研究具有重大的经济意义和现实意义。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。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)熟识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)包装码垛生产线的程序调试。第 2 章 包装码垛自动生产线机械系统的工作原理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、执行组件和电子计算机。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、检测、转位编组、码垛、托盘和垛盘的输送等作业全部实现自动化。 72.2 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-l 所示:1.全自动电子定量秤 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 10.金属检测机 11.重量复检机 12.自动捡选机 13.喷墨打印机 14.过渡输送机 15.斜坡输送机 16.压平整形机 17.托盘仓 18.转位输送机 19.托盘输送机 20.编组机 21.推袋压袋机 22.升降机 23.分层码垛机 24.高架平台 25.垛盘输送机 26.码垛机控制柜 27.包装机控制柜 28.电子秤控制柜 29.DCS 控制系统 30.真空系统 31.除尘系统图 2-1 包装码垛自动生产线2.2.1 全自动电子定量秤的组成和工作原理全自动电子定量秤是包装机起始部机，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。给料系统采用气动控制的二级投料方式，即全自动电子定量秤进入自动运行状态后,称重控制系统打开给料门开始加料，该给料装置分为粗给料状态、细给料状态两级给料方式；首先粗给料门完全打开，当到达给定粗给料重量时，关闭给料门，留一条狭缝,进入细给料状态。当到达给定细给料重量时,完全关闭给料门，经过一定的空中落料,称量斗稳定,并且卡袋机构卡紧时,卸料门打开,物料进入放料斗,再落入袋内,给料结束。2.2.2 自动供袋机的组成和工作原理自动上袋机组包括：自动供袋、自动取袋、自动夹袋与上袋、自动开袋、自动送袋等机构,以及气动系统、真空系统、光电检测装置和电气控制系统。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。供袋机为装袋机提供空包装袋，操作人员将空包装袋放置在给袋器上后，其余的动作均由设备自动完成。该部机采用双盘自动切换工作方式，每盘可存储 200 个以上空袋(编织袋或纸袋)，取袋时配有真空检测系统。空袋的放置情况由检测装置进行检测。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在线，等待装袋机将包装袋取走。 82.2.3 自动装袋机的组成和工作原理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全自动电子定量秤的过渡装置，它可以存储一袋物料，提高全自动电子定量秤的称重速度，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全自动电子定量秤上。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，同时将己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全自动电子定量秤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。2.2.4 转位输送机的组成和工作原理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 90的转位。料袋所需回转的角度是以保证料袋口向内为准，从而能够保证垛形整齐、美观。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 90，当料袋不需转位时，气缸将夹板收回，夹板不挡料袋。2.2.5 编组机的组成和工作原理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。编组机主要由输送机、缓停板、前挡板及左右挡板组成。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。2.2.6 推袋压袋机的组成和工作原理推袋压袋机主要由传动机构、推袋小车、导轨、压袋机支架、压袋框等机构组成。推袋压袋机是将已编组的料袋组推至缓冲区或码垛区，并在分层码垛时对一层料袋进行五面整形，使垛形保持良好。当料袋进入压平输送机和压平装置时,上下皮带将料袋向前输送的同时,压整装置本身重量的一部分作用在料袋上,使袋内物料分布均匀。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。2.2.7 分层码垛机的组成和工作原理分层码垛机是由滑板机构、整形装置和端挡板组成。料袋在编组机上排列好后,通过推袋机将料袋推到分层机上,分层机先通过整形板对已编组的料袋组进行整形，然后，分层机再将整形后的一层料袋投放到升降机上的托盘上，完成一层料袋的码垛。2.2.8 升降机的组成和工作原理升降机主要由升降平台、传动机构和配重体组成。升降机是在码垛过程中完成对空托盘的提升和对垛盘逐层下降以进行码垛的设备。剪叉式升降机是靠剪刀式支承架的展开与折迭来完成货物平台的升降，其动力是通过油缸的伸缩来推动剪刀的展开与折迭。2.2.9 托盘仓的组成和工作原理托盘仓主要由机架、叉板、主气缸、光电开关组成。托盘仓用来储存一定数量的托盘,根据需要及时准确地将托盘分配给托盘输送机确保生产线能连续工作。托盘输送机将托盘仓中存储的托盘输送到码垛工位。垛盘输送机是将空托盘输送至升降机的升降托叉上进行码垛，而后将满垛后的垛盘输送至下一垛盘输送机(无动力)的设备。托盘仓的主气缸用以顶起托盘。侧面还装有两个小气缸，小气缸控制叉板开合，保证托盘的提取。光电开关采用对射式光电开关，检测托盘仓内托盘的存储量，以保证托盘的及时供给。第 3 章 包装码垛自动生产线 PLC 控制系统设计在包装过程中，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/0 点数较多，以开关量控制为主，选择日本三菱公司的 FX2N 系列 PLC 为控制核心部件。 9 103.1 PLC 的基本结构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)、内存、输入/输出单元、编程器、电源等主要部分构成的。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。PLC 的基本结构如图 3-1 所示。 11图 3-1 PLC 的基本结构3.2 PLC 的主要组成部分（ 1） 中 央 处 理 单 元 (CPU) 中 央 处 理 单 元 (CPU)是 PLC 的 控 制 中 枢 。 它 按 照 PLC 系 统 程 序 赋 予 的 功能 接 收 并 存 储 从 编 程 器 键 入 的 用 户 程 序 和 数 据 ； 检 查 电 源 、 内 存 、 I/O 以 及警 戒 定 时 器 的 状 态 ， 并 能 诊 断 用 户 程 序 中 的 语 法 错 误 。 当 PLC 投 入 运 行 时 ，首 先 它 以 扫 描 的 方 式 接 收 现 场 各 输 入 装 置 的 状 态 和 数 据 ， 并 分 别 存 入 I/O 映象 区 ， 然 后 从 用 户 程 序 内 存 中 逐 条 读 取 用 户 程 序 ， 经 过 命 令 解 释 后 按 指 令 的规 定 执 行 逻 辑 或 算 数 运 算 的 结 果 送 入 I/O 映 象 区 或 数 据 寄 存 器 内 。 等 所 有 的用 户 程 序 执 行 完 毕 之 后 ， 最 后 将 I/O 映 象 区 的 各 输 出 状 态 或 输 出 寄 存 器 内 的数 据 传 送 到 相 应 的 输 出 装 置 ， 如 此 循 环 运 行 ， 直 到 停 止 运 行 。（2）内存根据内存存储内容的不同，我们把内存分为：系统程序内存：用来存放系统程序的内存。系统程序相当于计算机操作系统，主要包括检查程序、编译程序和监控程序，是 PLC 厂家根据选用的 CPU 的指令系统编写的，并固化到 ROM 里，用户不能修改其内容。用户程序内存：用来存放用户根据控制要求编制的程序。不同类型的 PLC，其存储容量也不一样。数据存储器：用以存放 PLC 运行中的各种数据的内存。因为运行中数据不断变化，所以这种内存必须可擦写。（3）输入/输出单元输入/输出(I/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，以驱动各执行组件，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、内存、I/0 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。 123.3 PLC 的工作原理PLC 与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而 PLC 则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是说 PLC 以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而 PLC 控制则需要输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段才能完成控制过程。3.3.1 输 入 采 样 阶 段在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。3.3.2 用 户 程 序 执 行 阶 段在 用 户 程 序 执 行 阶 段 ， PLC 总 是 按 由 上 而 下 的 顺 序 依 次 地 扫 描 用 户 程 序(梯 形 图 )。 在 扫 描 每 一 条 梯 形 图 时 ， 又 总 是 先 扫 描 梯 形 图 左 边 的 由 各 触 点 构成 的 控 制 线 路 ， 并 按 先 左 后 右 、 先 上 后 下 的 顺 序 对 由 触 点 构 成 的 控 制 线 路 进行 逻 辑 运 算 ， 然 后 根 据 逻 辑 运 算 的 结 果 ， 刷 新 该 逻 辑 线 圈 在 系 统 RAM 存 储 区中 对 应 位 的 状 态 ； 或 者 刷 新 该 输 出 线 圈 在 I/O 映 象 区 中 对 应 位 的 状 态 ； 或 者确 定 是 否 要 执 行 该 梯 形 图 所 规 定 的 特 殊 功 能 指 令 。 即 ， 在 用 户 程 序 执 行 过 程中 ， 只 有 输 入 点 在 I/O 映 象 区 内 的 状 态 和 数 据 不 会 发 生 变 化 ， 而 其 它 输 出 点和 软 设 备 在 I/O 映 象 区 或 系 统 RAM 存 储 区 内 的 状 态 和 数 据 都 有 可 能 发 生 变 化 ，而 且 排 在 上 面 的 梯 形 图 ， 其 程 序 执 行 结 果 会 对 排 在 下 面 的 凡 是 用 到 这 些 线 圈或 资 料 的 梯 形 图 起 作 用 ； 相 反 ， 排 在 下 面 的 梯 形 图 ， 其 被 刷 新 的 逻 辑 线 圈 的状 态 或 数 据 只 能 到 下 一 个 扫 描 周 期 才 能 对 排 在 其 上 面 的 程 序 起 作 用 。 在 程 序 执 行 的 过 程 中 如 果 使 用 立 即 I/O 指 令 则 可 以 直 接 存 取 I/O 点 。 即使 用 I/O 指 令 的 话 ， 输 入 过 程 影 像 寄 存 器 的 值 不 会 被 更 新 ， 程 序 直 接 从 I/O模 块 取 值 ， 输 出 过 程 影 像 寄 存 器 会 被 立 即 更 新 ， 这 跟 立 即 输 入 有 些 区 别 。3.3.3 输 出 刷 新 阶 段当 扫 描 用 户 程 序 结 束 后 ， PLC 就 进 入 输 出 刷 新 阶 段 。 在 此 期 间 ， CPU 按照 I/O 映 象 区 内 对 应 的 状 态 和 数 据 刷 新 所 有 的 输 出 锁 存 电 路 ， 再 经 输 出 电 路驱 动 相 应 的 外 设 。 这 时 ， 才 是 PLC 的 真 正 输 出 。3.4 PLC 控制系统设计3.4.1 包装码垛自动生产线工艺流程包装码垛自动生产线可自动完成称重、供袋、取袋、装袋、缝口、输送、金属检测、重量检测及码垛等功能。全自动包装码垛生产线的机械系统主要包括全自动称重单元、包装单元、输送检测单元、码垛单元。其主要工艺流程如下:物料自储料斗进入包装秤的给料装置，通过粗、细给料，实现粗、细两级加料。当秤斗中的物料重量达到最终设定值时，称重终端发出停止加料信号，待空中的飞料全部落入秤斗后此次称重循环结束，此时电子包装秤等待装袋机的投料信号。当自动装袋机完成上袋后，发出讯号，使称重箱打开卸料翻门，向包装袋内投料，卸料后称重箱关闭翻门，装袋机张开夹袋器，包装袋通过夹口整形机和立袋输送机进入自动折边机，包装袋经折边后，进入缝口机，当设在缝口机旁边的光电开关检测到包装袋后，缝纫机开始工作，缝合包装袋，当包装袋离开缝纫机后，缝纫机停止，并自动切断缝合线。包装袋经过倒袋整形机进入金属检测机及重量复检机，如果检测不合格，在包装袋通过自动捡选机时将被剔除，而合格的包装袋则顺利通过自动捡选机，再经喷墨打印机、过渡输送机、缓停机等设备，将包装袋输送到码垛单元，由转位机根据码垛工艺要求将料袋依次按“2 袋竖-3 袋横”和“3 袋横-2 袋竖”循环做转位处理。这样包装袋便以 2 袋直或 3 袋横的形式进入编组机，最后由码垛机将包装袋堆码到托盘上，一般以码 8 层为一垛。码垛完成后，垛盘输送机将其输送出码垛区，停放在叉车区域垛盘输送机上。码垛机所使用的托盘由托盘仓和托盘输送机根据程序自动提供。包装码垛自动生产线工艺流程如图 3-2 所示。 13开始供袋取袋送袋斜板抓袋横进取袋横进送袋缝纫机夹口折边充填托起放料门开袋报夹夹袋口缩袋口立袋输送推倒压平金属检测复检称剔除爬坡过渡爬坡缓停层计数分层整形推袋编组转位转位输送缓停压平结束吗?停止开始YN升降机叉装架托盘气缸排垛托盘输送垛盘输送开合托叉图 3-2 全自动包装码垛生产线工艺流程图3.4.2 PLC 控制系统硬件设计PLC 控制系统是全自动包装生产线的核心部位，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/O 点数较多，选择日本三菱公司的 FX2N 系列 PLC。(1)硬件配置硬件配置包括 FX2N 基本单元、FX2N 扩展单元、检测组件(光电开关、接近开关、真空开关等)、人机操作接口(按钮、指示灯等)、控制组件(交流接触器、变频器、电磁阀等)以及执行组件(电机和气缸等)。 14(2)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 S0 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 3-3 是 I/O 扩展连接示意图。 15FX2N-128MRFX2N-16EYRFX2N-48ERFX2N-128MR前段后段图 3-3 I/O 扩展连接示意图(3)分配输入/输出点一般输入点与输入信号、输出点与输出控制是一一对应的。分配好后，按系统配置的信道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。输入输出继电器可自由选择，与输入点对应的即为输入继电器，与输出点对应的即为输出继电器。全自动包装码垛生产线控制系统包装部分及码垛部分输入输出接口如表 3-1、3-2 所示。表 3-1 包装部分 I、O 接口分配输入 输出名称 名称吸袋垂直气缸 X001 垂直气缸下降 Y001吸袋真空装置 X002 垂直气缸上升 Y002吸袋真空阀 X003 吸盘 Y003上限位开关 X004 垂直气缸倾斜 Y004倾斜气缸电磁阀 X005 斜托板下降 Y010斜限位开关 X006 防滑吸盘吸袋 Y011表 3-1 包装部分 I、O 接口分配 续表 3-1斜托板光电开关 X010 磕头装置倾斜 Y013光电开关 X011 真空吸袋 Y014真空电磁阀接通 X012 磕头装置立起 Y015横进装置装袋点限位 X013 斜托板上升 Y020倾斜限位 X014 抱板闭合 Y021磕头装置到位信号 X015 大夹子闭合 Y022横进装置取袋点限位 X020 料斗下缩口夹子张开 Y024夹抱限位 X021 取袋真空装置打开 Y025横进装置移动限位开关 X022 缩口夹子向里收 Y026开袋真空检测 X023 夹辊气缸动作 Y027夹袋压力检测 X024 开袋 Y030打开袋口 X040 抱袋 Y031横进装置