粉料自动包装生产线抓套袋系统.doc

分类号 分类号 U U D D C C 密 密 级 级 编编 号 号 粉料自动包装生产线自动控制系统设计粉料自动包装生产线自动控制系统设计 抓套袋系统抓套袋系统 论论文作者姓名 文作者姓名 申申请请学位学位专业专业 自动化自动化 工业工业 申申请请学位学位类别类别 工学学士工学学士 指指导导教教师师姓姓名名 职职称称 论论文提交日期 文提交日期 2012 年年 06 月月 01 日日 分类号 分类号 密密 级 公级 公 开开 编编 号 号 学学 位位 论论 文文 粉料自动包装生产线自动控制系统设计粉料自动包装生产线自动控制系统设计 抓套袋系统抓套袋系统 论论文作者姓名 文作者姓名 申申请请学位学位专业专业 自动化自动化 工业工业 申申请请学位学位类别类别 工学学士工学学士 指指导导教教师师姓姓名名 职职称称 教授教授 论论文提交日期 文提交日期 2012 年年 06 月月 01 日日 粉料自动包装生产线抓套袋系统粉料自动包装生产线抓套袋系统 摘要摘要 本设计是以粉料自动包装生产线的自动控制为背景进行的 本文从工艺流 程介绍到系统总体方案规划设计 以及控制系统的硬件 软件开发 对该生产 线的抓套袋系统的自动控制给出全面 详细的设计思路 该控制系统是以可编程程序控制器 PLC 为基础的集成控制 通过传感器 件和执行机构的协同工作 实现自动供袋 抓袋和套袋功能 该系统具有结构 简单 操作方便 运行安全可靠等优点 根据用户要求 还可通过通讯接口和 上位机或触摸屏连接 对包装生产线实现实时监控 远程诊断和网络化管理 关键词 关键词 包装 抓套袋 PLC 自动控制系统 Powder Automatic Packaging Production Line Automatic Control System Design Grab Bagging System Abstract This design is based on the powder automatic packaging production line automatic control background From the process of the system overall program planning and design and control system hardware software development and grab bagging system of automatic control of the production line to give a comprehensive detailed design ideas The control system is programmable program controller PLC based on integrated control sensors and implementing agencies to work together to achieve automatic for bags grab bags and bagging functions The system has the advantages of simple structure convenient operation reliable and safety operation According to user requirements can also be connected via the communication interface and the host computer or touch screen the packaging production line real time monitoring remote diagnostics and network management Key Words packaging grab bagging PLC automatic control system 目目 录录 论文总页数 16 页 1 引言 1 1 1 粉料自动包装生产线国内外研究情况 1 1 2 粉料自动包装生产线存在的问题 1 1 3 粉料自动包装生产线的发展趋势 1 2 工艺简介及工位分割 2 2 1 工艺流程 2 2 2 工位分割 2 2 2 1 供袋部分 2 2 2 2 抓套袋部分 3 3 方案设计 3 3 1 总体方案设计 3 3 2 硬件配置选型 3 3 2 1 PLC 选型 4 3 2 2 传感检测元件 4 3 2 3 控制元件 4 3 3 控制系统原理图 5 4 软件设计与调试 7 4 1 PLC 输入与输出分配 7 4 2 程序控制逻辑 8 4 2 1 自动供袋控制逻辑 8 4 2 2 抓套袋控制逻辑 9 4 3 软件程序设计 10 4 4 程序调试 10 结 论 12 参考文献 13 致 谢 14 声 明 15 附 录 16 第 1 页共 16 页 1 1 引言引言 1 11 1 粉料自动包装生产线国内外研究情况粉料自动包装生产线国内外研究情况 粉料自动包装生产线是机电仪一体化的高技术产品 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 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的全部自动化 包装生 产线以PLC为控制核心 以传感装置为输入设备 PLC通过总线进行通信 以完 成对电机 中继器 电磁阀 接触器等设备的控制 粉料自动包装生产线属于工业机器人 工业机器人始于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 经过几十年的发展 国外的粉 料自动包装生产线技术已经非常成熟 尤其是北美 日本和西欧等国家掌握了 先进的包装技术 我国的正式的包装生产线研制起步较晚 始于七十年代初 到目前国内的包装设备专业化程度依旧还不够 与国外相比有一定差距 但总 的来说 我国包装行业经过近三十年的努力 在数量 质量 水平方面均取得 了较大的进展 为我国粉料自动包装生产线的发展奠定了坚实的基础 1 21 2 粉料自动包装生产线存在的问题粉料自动包装生产线存在的问题 纵观几十年的发展 不难发现国内外粉料自动包装生产线依然存在不少问 题 1 全自动化程度不够高 尽管科学技术日新月异的发展变化 但是在包装 厂还是不能够完全脱离人的参与 比如包装袋的放置 包装完成后产品的输送 以及在设备的故障处理等 2 可靠性问题普遍存在 粉料自动包装生产线是一个长时间 高频率 重 复执行的机械设备 设备所处环境情况恶劣 如何保证生产线在受到外界干扰 的情况能够稳定的运行是一个棘手的问题 3 适应包装产品类型的多样化程度不够 由于不同的产品所需的包装袋不 同 如塑料小包装 牛皮纸包装以及旧包装袋的重复利用等问题 同时国内目 前的包装效率和包装质量也较低 4 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 1 31 3 粉料自动包装生产线的发展趋势粉料自动包装生产线的发展趋势 为了满足各行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 包装生产线必须适应不断发展的包装行业的需要 同时针对上述包装生 第 2 页共 16 页 产线所面临的问题 未来的粉料包装生产线有以下发展趋势 1 大量采用微电子 远红外 传感器等高新技术 特别是微型计算机的应 用 使自动检测和自动控制两方面水平迅速提高 2 生产线机械系统不断升级 简化设备结构 优化设备功能 减少人工操 作 增加对各种类型包装袋的适应性 提高包装质量 3 发展专业机的同时 积极开展通用机型的研制 适应不同粉料物料的通 用型包装 大力开发辅助设备 促进连续化生产线的发展 2 2 工艺简介及工位分割工艺简介及工位分割 2 12 1 工艺流程工艺流程 抓套袋系统可自动完成包装袋的供袋 抓袋和套袋功能 其具体工艺流程 如下 供袋盘底部的光电开关检测到供袋盘上有包装袋时 吸袋气缸下降 吸盘 和包装袋完全接触后 吸盘吸住袋子上升 上升到达设定位置然后倾斜 将包 装袋送入供袋辊子 袋子到达横托盘后 横托盘下方检测到袋口位置时 打开包装袋袋口 抓 袋夹伸入袋内并张开 待放料口到达指定位置时 执行套袋操作 整个流程如 图所示 图 1 抓套袋系统工艺流程图 2 22 2 工位分割工位分割 工位分割按照相应工位的传感机构 执行机构 完成动作来进行分解 以 下是供袋部分和抓套袋部分的详细分解 2 2 12 2 1 供袋部分供袋部分 A B 盘工作 1 空盘检测光电开关打开 供袋盘电机 供袋盘左 右 移 2 A B 盘限位开关闭合 供袋盘电机 停止移动 3 空盘检测光电开关闭合 倾斜气缸返回限位开关闭合 垂直气缸 垂直气缸下降 4 垂直气缸压力开关闭合 吸袋真空装置 吸袋 垂直气缸压力开关闭合 垂直气缸 垂直气缸上升 供 袋 吸 袋 送 袋 抓 袋 套 袋 开 袋 口 第 3 页共 16 页 5 上限位开关闭合 倾斜气缸 垂直气缸倾斜 6 斜限位开关闭合 吸袋真空装置 断真空 2 2 22 2 2 抓套袋部分抓套袋部分 1 袋口检测光电开关闭合 吸袋真空装置 下吸盘吸袋 袋口检测光电开关闭合 开袋口气缸 开袋口气缸下降 2 开袋口气缸压力开关闭合 吸袋真空装置 上吸盘吸袋 开袋口气缸压力开关闭合 开袋口气缸 开袋口气缸上升 3 开袋口气缸上限位开关闭合 抓袋夹电机 抓袋 4 抓袋夹限位开关 1 闭合 抓袋夹张开气缸 抓袋夹张开 5 张开限位开关闭合 吸袋真空装置 断真空 张开限位开关闭合 放料口到位 抓袋夹电机 套袋 6 套袋限位开关闭合 抓袋夹张开气缸 抓袋夹张开复位 套袋限位开关闭合 抓袋夹电机 套袋返回 3 3 方案设计方案设计 3 13 1 总体方案设计总体方案设计 粉料自动包装生产线是一个典型的机电一体化系统 本文针对生产线的抓 套袋系统作自动控制设计 自动控制系统的硬件配置包含传感检测元件 光电 开关 霍尔开关等 中央处理单元 PLC 控制元件 电磁阀 交流接触器 中间继电器等 和执行元件 电机 气缸 四个部分 系统通过各种传感器自 动检测位置及是否回归起始原点的状况 由 PLC 根据所测的各种位置信号来控 制执行装置的启动 运行和停止 实现设定的运动轨迹 完成预期的功能 其 系统结构如下图所示 图 2 系统结构框图 该系统是对气缸 真空装置和电机的自动控制来实现生产线的工艺流程动 作 3 23 2 硬件配置选型硬件配置选型 输入输出I O单元 中央处理器 CPU 检测 元件 控制 面板 执行 元件 控制 元件 第 4 页共 16 页 3 2 13 2 1 PLCPLC 选型选型 在包装生产线电控部分的设计中 考虑到包装机运行复杂 传感器多 干 扰大 而 PLC 具有可靠性高 控制功能强 编程方便等优点 故采用可编程控 制器作为主控器 目前世界上普遍使用的主要是德国 SIEMENS 公司 日本的 富士公司 OMRON 公司和三菱公司 美国的 GE 公司和 MODICON 公司的 PLC 国内台达公司生产的 PLC 也逐渐受到用户青睐 该控制系统采用日本三菱公司生产的 FX2N 48MR 型 PLC 选用 AC 电源 DC24V 电源输入 继电器输出 FX2N 系列 PLC 是三菱公司近年来推出的高性 能小型整体式 PLC 由于其结构紧凑小巧 执行速度快 功能强大及性价比较 高等特点 符合本系统各方面要求 3 2 23 2 2 传感检测元件传感检测元件 粉料自动包装生产线的传感检测系统是对执行装置 包装袋的位置进行自 动检测 对真空装置吸袋则是压力量的自动检测 由于输入量是一个开关量 即数字量 那么本系统的传感器选用接近开关 光电开关和压力开关 因为 FX2N 系列 PLC 自带 DC24V 输入 所以选用的传感器供电电源均为 DC24V 接近开关又称行程开关 用来检测位移 距离 接近开关种类繁多 工业 生产中使用较多的有涡流式接近开关 电容式接近开关 光电开关 霍尔开关 和热释电式接近开关等 霍尔开关价格偏宜 抗干扰能力好 对于环境要求较 低 光电开关用于包装袋的有无和位置检测 有对射型 漫反射型和镜面反射 型等 光电开关具有响应速度快 精度高 抗干扰能力强等优点 故选用霍尔 开关和光电开关作为接近开关 本设计选用了上海光川工控设备有限公司 FQZ F PK20 型霍尔开关 EG F NK X 型光电开关及意大利伊莱科 MS PS 微型可调压力开关 均为 DC24V 供 电 NPN 常开型 3 2 33 2 3 控制元件控制元件 生产线抓套袋系统的执行机构为气缸 真空装置和电机 通过对真空电磁 阀 气缸电磁阀和交流接触器的控制分别实现气缸的伸缩 吸盘的吸放和电机 的正反转 本设计采用的电磁阀和交流接触器以及中间继电器均为 DC24V 供电 真空 电磁阀选用日本 SMC 公司的 VX21 系列直动式二通电磁阀 消耗功率 4 5W 电流约 190mA 气缸电磁阀选用日本 SMC 公司 SY3000 系列二位五通双电控电 磁阀 消耗功率 0 5W 电流约 20mA 交流接触器选用人民电器集团 CJ12 100 型接触器 额定电压 380V 额定电流 100A 吸持功率为 9W 中间继电器选 用 OMRON 公司 G4A 1A E DC24V 型 1 对常开触点 20A 30VDC 触电负载 第 5 页共 16 页 3 2 43 2 4 元器件清单元器件清单 系统所需元器如表 1 如示 表 1 元器件清单 名称型号数量 只 光电开关EG F NK X2 霍尔开关FQZ F PK2010 压力开关MS PS2 按钮开关1 PLCFX2N 48MR1 交流接触器CJ12 1005 真空电磁阀VX213 气缸电磁阀SY30004 中间继电器G4A 1A E DC24V12 3 33 3 控制系统原理图控制系统原理图 本系统的 PLC 采用 AC220V 电源 电机采用 AC380V 电源 PLC 输出口与执 行元件之间采用中间继电器隔离 以保证 PLC 输出触点的安全 电机控制电路 图如图 3 所示 系统硬件接线图如图 4 所示 A B C M 三三三三 K M1K M2 FR FU K M1 K M2 三三 K M1 三三 K M2 三三 K M2 K M1 FU FU D C24V 第 6 页共 16 页 图 3 电机控制原理图 图 4 硬件配置接线原理图 X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 X 6 X 7 X 10 X 11 X 12 X 13 X 14 X 15 X 16 X 17 X 0 X 20 X 21 X 22 X 23 X 24 X 25 X 26 X 27 L N C OM G ND C OM 1 Y 0 Y 1 Y 2 Y 3 C OM 2 Y 4 Y 5 Y 6 Y 7 C OM 3 Y 10 Y 11 Y 12 Y 13 Y 14 C OM 4 Y 15 Y 16 Y 17 C OM 5 Y 20 Y 21 Y 22 Y 23 Y 24 Y 25 Y 26 Y 27 FX 2N 48MR 24V L N A C 220V 1 2 3 三三三三 M S PS 1 2 3 三三三三 E G F N K X 1 2 3 三三三三 FQ Z F PK 20 三三三三三 G 4A 1A E DC 24V 三三三三三 SY 3000 D C24VD C24V 三三三三三 G 4A 1A E DC 24V 三三三三三 V X21 三三三三三 G 4A 1A E DC 24V C J12 100三三三三三 C J12三三 三三三三 三三三三FR A C380V A B C C J12 100 G 4A 1A E DC 24V 三三三三三Q F M 3 三三 三三 三三三三三 三三三FU K M K A G ND 三三三三 第 7 页共 16 页 4 4 软件设计与调试软件设计与调试 4 14 1 PLCPLC 输入与输出分配输入与输出分配 FX2N 48MR 基本单元的输入 输出点各 24 个 根据系统的要求 PLC 的 I O 分配如下表所示 表 2 PLC 输入输出分配表 输 入 I 输 出 O 名 称接 口名 称接 口 启动X001供袋盘左移Y000 A 盘限位开关X002供袋盘右移Y001 B 盘限位开关X003垂直气缸下降Y002 空袋检测光电开关X004垂直气缸上升Y003 压力开关 1X005吸袋Y004 压力开关 2X006垂直气缸倾斜Y005 袋口检测光电开关X007开袋口气缸下降Y006 垂直气缸上限位X010开袋口气缸上升Y007 倾斜气缸斜限位X011上吸盘吸袋Y010 开袋口气缸上限位X012下吸盘吸袋Y011 抓袋限位X013抓袋Y012 抓袋夹张开限位X014抓袋夹张开Y013 套袋限位X015套袋Y014 套袋返回限位X016套袋返回Y015 放料口限位X017供袋辊子运行Y016 倾斜气缸返回限位X020 第 8 页共 16 页 4 24 2 程序控制逻辑程序控制逻辑 4 2 14 2 1 自动供袋控制逻辑自动供袋控制逻辑 当供袋盘的 A 盘 或 B 盘 工作时 空袋检测光电开关检测 A 盘 或 B 盘 上是否有袋 若无袋 则供袋盘左移 或右移 直到满袋的 B 盘 或 A 盘 到 达相应位置 若有袋 吸袋垂直气缸电磁阀接通 垂直气缸下降 当吸盘位置 压力开关闭合时 吸袋真空电磁阀打开 吸盘吸袋 同时吸袋垂直气缸上升 到达上限位时 倾斜气缸电磁阀接通 使垂直气缸倾斜 把包装袋送入供袋辊 子 斜限位开关闭合后 倾斜气缸停止运动 吸袋真空吸盘断真空 袋子开始 进入供袋辊子 同时倾斜气缸返回 完成吸袋供袋操作 这个过程重复进行 控制逻辑如图 5 所示 开始 A盘 B盘 有袋 有袋 供袋盘左移供袋盘右移 左移到位 右移到位 停止移动停止移动 垂直气缸下降 压力开关闭 合 吸袋 垂直气缸上升 到上限位了 吗 垂直气缸倾斜 到斜限位了 吗 送入供袋辊子 吸盘断真空 各气缸复位 Y Y YY YY Y N N N N N N YY NN 图 5 自动供袋控制逻辑图 第 9 页共 16 页 4 2 24 2 2 抓套袋控制逻辑抓套袋控制逻辑 包装袋通过供袋辊子送入到托板上 当托板上的光电开关检测到袋口时 托板下方吸盘吸住袋口下侧 同时开袋口气缸下降 当气缸上吸盘位置压力开 关闭合时 吸盘真空阀打开 吸住袋口上侧 同时气缸上升 把袋口打开 当气缸上升至上限位 抓袋夹伸入打开的袋口内 限位开关闭合 抓袋夹 张开 同时上下吸盘断真空 抓袋夹张开到位 完成抓袋操作 当放料口倾斜 到位时 抓袋夹将撑开袋口的袋子送向放料口 到达套袋限位时 抓袋夹返回 到达返回限位停止运动 完成套袋操作 这个过程重复进行 控制逻辑如图 6 所示 开始 检测到袋 口 下吸盘吸袋 上吸盘吸袋 开袋口气缸 下降 开袋口气缸 上升 压力开关闭 合 到上限位 抓袋 伸入到位 抓袋夹张开 吸盘断真空 张开到位 套袋 套袋到位 各装置复位 Y Y Y Y Y Y N N N N N N 放料口 到位 Y N 图 6 抓套袋控制逻辑图 第 10 页共 16 页 4 34 3 软件程序设计软件程序设计 粉料自动包装生产线自动控制系统是基于 PLC 集成控制的系统 根据本节 所述的 PLC 输入与输出信号及系统程序控制逻辑图 来编制 PLC 程序梯形图 PLC 采用循环扫描方式 按梯形图从上而下 从左而右的顺序执行程序 本梯 形图使用三菱公司全系列编程软件 GX Developer Version 7 08J 编辑 梯形图见 附录 图 10 4 44 4 程序调试程序调试 本控制系统的调试采用三菱公司全系列仿真软件 GX Simulator 6 10L 下面 是几个调试画面的截