基于PLC的包装机控制系统设计

基于PLC的包装机控制系统设计摘 要包装机是一种随着电气控制设备，尤其是电子计算机的迅猛发展之后产物。由于其动作步骤复杂，在包装机控制系统中应用可编程序控制器能简化系统的设计并提高系统的工作效率和可靠性。本次设计用到的核心期间是可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司(DEC)为美国通用公司(GM)研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备。在这篇文章中以包装机的控制系统为例。首先介绍了SIMATIC S7-200的特性特点、程序设计方法和编程方法，程序设计方法和编程方法包括经验设计法、顺序控制设计法和STL(Step Ladder Instruction)步进梯形指令，然后详细具体地分析和介绍了包装机控制系统的组成、电气特征和程序。最后介绍了应用个人计算机来向可编程序控制器中输入程序。所使用的软件是西门子公司的STEP 7 Micro/WIN32IN SP6。关键字：包装机；可编程序控制器；步进梯形指令；个人计算机The Design Of Control System Of Packaging MachineBased On PLCAbstractThe packaging machine is a kind of with the electrical control equipment, especially the rapid development of electronic computer after product. Because of the complex action steps, design and application of the programmable controller can simplify the system in the packing machine control system and improve the system efficiency and reliability.The core during the use of the design of the programmable controller(Programmable Logical Controller) referred to as PLC, is an industrial control device invention at the end of the 60s, is American digital company (DEC) is America General Company (GM) developed application development and in car production line, the programmable controller was born. With the rapid development of computer technology, PLC hardware and software level and scale change of quality and quantity, the control technology and intelligent development, and promote the development of advanced manufacturing technology. PLC has become modern industrial control equipment real.In this article the packaging machine controls system as an example. At first it introduces the characteristics, SIMATIC S7-200 programming methods and programming method, program design and programming methods including empirical design method, sequential control design method and STL (Step Ladder Instruction) step ladder instruction, and then a detailed and specific analysis and introduces the composition, electrical characteristics and program control system of packaging machine. At last we introduce the application of personal computer to a programmable controller input program. The software used is Siemens Company STEP 7 Micro/WIN32 SP6.Keywords:packing machine; programmable controller; step ladder instruction; personal computer.目录第1章 绪论11.1 PLC在包装机中应用的概述11.2 PLC控制系统与其它工业控制系统的比较21.2.1 PLC控制系统与继电器控制系统的比较21.2.2 PLC控制系统与单片机控制系统比较31.2.3 PLC控制系统与集散型控制系统的比较31.2.4 PLC控制系统与工业计算机控制系统比较41.3 发达国家包装技术水平的发展趋势41.4 我国包装机的现状及与国际水平的差距61.4.1 我国包装机的现状61.4.2 包装技术方面的差距71.4.3 包装机品种的差距7第2章 包装机控制系统的总体设计92.1 PLC控制系统的总体在设计92.1.1 设计的基本原则92.1.2 设计的基本内容92.1.3 设计的基本步骤92.2 PLC控制系统硬件设计方法112.2.1 系统硬件设计的依据112.2.2 机型的选择依据11第3章 包装机控制系统的硬件设计133.1 PLC的选型133.1.1 S7系列PLC的概述133.1.2 包装机的基本动作和工艺要求143.1.3 CPU型号的选择153.2 包装机控制系统设计的硬件设计193.2.1 控制系统的I/O分配193.2.2 控制系统的硬件连接图20第4章 包装机控制系统的软件设计224.1 STEP7-Micro/WIN32编程软件介绍224.1.1 STEP7-Micro/WIN32编程软件介绍224.1.2 STEP7-Micro/WIN32软件的安装224.1.3 STEP7-Micro/WIN32的基本功能234.2 PLC与编程设备的连接244.3 程序的设计254.3.1 程序设计前的设置254.3.2 程序的设计流程图274.3.3 程序的设计29总结与展望41参考文献42致谢43附录A44附录B 外文文献及其译文46附录C 参考文献及摘要52插图清单图2-1 设计PLC控制系统的一般步骤10图3-1 包装机包装单元原理图14图3-2 包装机动作流程图15图3-3 S7-200西门子PLC实物图16图3-4 S2-200 PLC的硬件连接图19图3-5 工艺要求设计的流程图 20图4-1 STEP7-Micro/WIN32应用程序界面22图4-2 计算机与PLC连接23图4-3 通讯接口的参数设置 24图4-4 PLC类型的选择示意图25图4-5 STEP 7 程序设计的一般流程图25图4-6 程序梯形图的输入窗口26图4-7 程序流程图27图4-8 梯形图网络128图4-9 梯形图网络2至网络428图4-10 梯形图网络529图4-11 梯形图网络630图4-12 梯形图网络731图4-13 梯形图网络831图4-14 梯形图网络932图4-15 梯形图网络1032图4-16 梯形图网络1133图4-17 梯形图网络1234图4-18 梯形图网络1334图4-19 梯形图网络1435图4-20 梯形图网络1535图4-21 梯形图网络1636图4-22 梯形图网络1736图4-23 梯形图网络1837图4-24 梯形图网络1937图4-25 梯形图网络2038图4-26 梯形图网络2138图4-27 梯形图网络2238图4-28 梯形图网络2339图4-29 梯形图网络2439附录图-1 包装机包装单元原理图43附录图-2 S2-200 PLC的硬件连接图44插表清单表3-1 CPU226的技术参数17表3-2 包装机包装单元的I/O分配18第1章 绪论1.1 PLC在包装机中应用的概述 随着电气控制设备，尤其是电子计算机的迅猛发展，工业生产自动化控制技术也发生了深刻的变化，不断涌现出对落后的操作机械和复杂生产系统实现自动控制。以适应现代生产的需要，在我国包装机的种类很多，但大部分的包装机是由手工操作或是开关型液压控制系统完成，打包的劳动强度大，打包的落后状态直接影响产品质量。PLC在包装机控制系统中的应用具有十分重要的意义，与以往复杂的继电器控制系统相比，其功能强、性能价格比高、硬件配套齐全、用户使用方便，适应性强、无触点免配线、可靠性高、抗干扰能力强、维护工作量小、维修方便。大大提高了包装机的精度、可靠性、灵活性和工作效率，为各种智能型仪表提供了可靠的技术基础1。从而降低了包装机的生产成本。解决了包装机继电器控制系统以往采用众多的电器元件，逻辑布线复杂，接点多，故障率高，设备运行可靠性差的缺陷，所以可编程序控制器非常适合应用于各种机床设备的控制系统中。有着广泛的应用前景。 包装机的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是PLC的内部寄存器，在PLC编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的PLC都有上百点内部辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对PLC进行编程。 近些年来PLC(Programmable Logic Controller)技术的普及以及各种智能型仪表可靠的技术基础，使PLC在包装机控制系统方面得到了广泛的应用，同时也提高了系统的可靠性和灵活性。与工控机和单片机相比，可编程控制器应用广泛，使包装机控制系统的开发更加简单、周期更短、使用更可靠、维护更简便。大大的提高了经济效益。旧机床电气控制部分大多采用继电器控制，这种控制方法中采用众多的电器元件，逻辑布线复杂，接点多，故障率高，设备运行可靠性差。用PLC能有效地解决这些问题。在我国包装机的种类很多，但大部分的包装机是由手工操作或是开关型液压控制系统完成，打包的劳动强度大，打包的落后状态直接影响产品质量。所以自动包装机的研究需要很迫切。自动包装机是现代高速线材生产线特有的设备，它集机械、电气、液压控制为一体，动作准确，为现代化的线材生产线构筑了一道靓丽的风景线。 可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller）在包装机控制系统中的应用具有十分重要的意义，与以往复杂的继电器控制系统相比，其功能强、性能价格比高、硬件配套齐全、用户使用方便，适应性强、无触点免配线、可靠性高、抗干扰能力强、维护工作量小、维修方便。大大提高了包装机的精度、可靠性、灵活性和工作效率，为各种智能型仪表提供了可靠的技术基础。从而降低了包装机的生产成本。解决了包装机继电器控制系统以往采用众多的电器元件，逻辑布线复杂，接点多，故障率高，设备运行可靠性差的缺陷，所以可编程序控制器非常适合应用于各种机床设备的控制系统中。有着广泛的应用前景，对包装机控制系统的研究对提升我国包装设备的自主创新、提高国际竞争力、促进工业化发展、提升产品质量具有着重要的影响。 1.2 PLC控制系统与其它工业控制系统的比较在现代工业设备及自动化项目中，我们会遇到大量的开关量、脉冲量及模拟量等控制装置。如电机的启动与停止，电磁阀的开闭，工件的位置、速度、加速度的测定，产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等等。传统的工业自动控制主要是由继电器或分离的电子线路来实现的。这种控制方式虽然造价便宜，但却存在许多致命的弱点:只适用于简单的逻辑控制，仅适用某种控制项目，缺乏通用性，一旦要实现改动或者优化，只能通过硬件的重新组合来实现。目前，工业界比较有代表性的控制方式主要有以下几个类别:继电器控制系统，单片机控制系统，微型计算机系统，集散型控制系统。 1.2.1 PLC控制系统与继电器控制系统的比较继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。如果要在现场做一些更改和扩展更是难以实行。而PLC是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变PLC内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。对于PLC来讲，只要用PLC配备的编程器在现场就可以完成更改。至于PLC对外部的联系，只有1/0点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现的。工作频率很低。一次动作一般为数十毫秒。对于复杂的控制，使用的继电器越多，反应就越慢。而PLC是以微型计算机为基础的控制装置，其运行速度为每个指令步数十微秒(对于高速PLC则是5微秒以下)。并且内部有严格的同步，所以不会出现抖动的问题。对于限时控制，继电器是利用时间继电器的延时动作来实现的。由于时间继电器是利用空气阻力，半导体延时电路来实现延时的，所以其定时精度低，调整不方便。且环境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。而PLC则是由晶体振荡器所产生的脉冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时的，定时范围一般为0.1秒，也有0.01秒的，精度一般高于10毫秒，只要根据需要由编程器送入时间常数即可实现定时时间的设定或更改。由于PLC的定时是对时基脉冲进行计数来实现的，所以如果是对外脉冲进行计数，就成为计数器。现代的PLC一般都具有定时器和计数器功能。从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点，连接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使接线松动，所以可靠性和可维护性都较差。而PLC则采用了无触点的电子电路来替代继电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在上述缺点。而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程成为透明。PLC一般还具有步进控制指令，可以进行步进控制，而继电器逻辑就比较困难。继电器逻辑只能对开关量进行控制。而PLC除了具有开关量控制功能外，有些功能较全的 PLC还具有A/D, D/A转换装置，可以用来对模拟量进行控制。但是目前在成本方面PLC还比继电器贵，一般进口产品每个110点为人民币80元左右;国产一般点1/O为60元左右。1.2.2 PLC控制系统与单片机控制系统比较虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业控制而设计的。同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍较差，成本高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制都为开关量控制，所以其长处仍得不到发挥。单片机与PLC的比较:在很大程度上，单片机是专为工业控制而设计的。因此，它具有较好的环境适应性。事实上，现代PLC的核心就是单片微处理器。用单片机作控制部件在成本方面具有优势。但是不可否认，从单片机到工业控制装置之间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然PLC也有必不可少的软件开发过程，但两者所用的语言差别很大，单片机主要使用汇编语言开发软件。而PLC用专用的指令系统来编程的。前者复杂而易出错，开发周期长。后者简便易学，现场就可以开发调试。单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。硬件上主要受CPU、内存容量及1/O接口的限制;软件上主要受限于与CPU类型有关的编程语言。一般说来单片机或单片机系统的应用只是为某个特定的产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性都相当差。 1.2.3 PLC控制系统与集散型控制系统的比较PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的。而集散控制系统DCS (Distribution Control System)是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模拟量处理，回路调节等方面有一定的优势。PLC随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。并开始与小型计算机联成网络，构成了以PLC为重要部件的分布式控制系统。随着网络通信功能的不断增强，PLC与PLC及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在数据高速公路上(Data Highway)挂接在线通用计算机，实现在线组态、编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就己经具备了集散控制系统的形态，加上PLC价格和可靠性优势，使之可与传统的集散控制系统相互竞争。由于以上的原因，可以预见随着PLC成本的下降和机器要求的提高，将很快在大部分场合取代继电器控制屏。无论是与传统的继电器、接触器控制逻辑相比，还是与现代的微型计算机系统乃至专用于控制的单片机相比，在工业控制方面PLC都具有明显的优越性。尤其是对生产流水线、动作复杂的单机，比起前述几种控制手段来具有寿命长、可靠性高、对环境无特殊要求、开发费用低、周期短、无需专门的计算机软、硬件知识就可在短期内掌握，功能扩展方便，成本可为一般用户所接受等优点，是现代机电一体化产品控制装置的理想选择。1.2.4 PLC控制系统与工业计算机控制系统比较PLC是专为工业控制所设计的。而微型计算机是为科学计算、数据处理等而设计的，尽管两者在技术上都采用了计算机技术，但由于使用对象和环境的不同，PLC较之微机系统具有面向工业控制、抗干扰能力强、适应工程现场的温度、湿度环境、输入、输出一一般采用“光一电”隔离技术，并配备有可承受较大负载的继电器或可控硅(也有用晶体管)输出部件，一般可以直接驱动小型电机等负载。此外，使用面向工业控制的专用语言而使编程及修改方便。并有较完善的监控功能。而微机系统则不具备上述特点，一般对运行环境要求苛刻，使用高级语言编程，要求使用者有相当水平的计算机硬件和软件知识。此外，微机系统的外设配备较多，有些对工业控制并非必须。因此PLC显然较微机系统更适合于工业控制2。1.3 发达国家包装技术水平的发展趋势上世纪50至70年代，电子技术和合成化工的迅速发展，对包装机产生了巨大的影响，出现了一系列以采用合成材料为包装材料的新包装工艺及设备。各发达国家为了维护本国包装机市场，扩大出口能力，积极采用其他领域的新技术（如微电子、激光、热管、新材料等），成为开创包装机新局面的关键性年代。欧、美等国家的包装机生产，以大、中型企业为主，以联合经营的方式扩大在国际市场上的竞争实力。欧美制造厂在经营上，重视展览会上的成交和销售；在发展方针上，不太注重本公司产品的品种，而是注重增加在原有品种的基础上继续研究改进性能。日本的包装机制造厂则以中小企业为主，最拿手的是微电子技术，用它来控制包装机，能做到安全性高、无人操作、高生产率，大大提高了国际市场竞争能力。美国、德国、日本是世界上包装机技术最成熟的国家。美国美国是世界上包装机发展历史较长的国家，早已形成了独立完整的包装机体系，其品种和产量均居世界之首。其产品以高、大、精、尖产品居多。现有包装机制造企业700多家，1996年全美包装机产值为439亿美元，90年代以来，美国包装机市场以6左右的年均速度增长，据预测，2000年美国包装机市场规模将达到50亿美元，2005年将达到68亿美元。新型机械产品中以成型、填充、封口三种机械的增长最快，裹包机和薄膜包装机占整个市场份额的15，厚纸盒封盒包装机在市场占有率中居第二位。美国的包装机制造厂大部分附属于大包装材料厂，销售也完全依赖母公司。这是因为包装材料的产值一般是包装机的20倍左右，机械产业与材料产业结合，自然获得了强大的资本后盾。而包装机常常与包装材料一起进行系统化的销售，从而保证了其产品技术领先的地位。过去美国包装机业是由小规模、家族式生产所构成，技术也甚为散乱，各自竞争。到今天，包装机业务越来越多是由专业经理人员经营，建造的机械不单供应庞大的美国市场，也出口到全世界。美国的包装机与计算机紧密结合，实现了机电一体化控制。据世界包装机协会总会（COPAMA）表示，1997年全球的包装机销售额为180亿美元，其中美国制造商占了50亿美元，约为总数的28。据最近统计信息表明，美国包装机占美国产业机械总值的1强，1995后美国包装机产值402亿美元，产业机械产值为3536亿美元，比例为11；1996年此项比例为12。美国国内包装机市场规模在世界上也是名称前茅。1992年为438亿美元，1998年为483亿美元。美国包装机出口额也较大，1998年美国对中国的包装出口额为3578万美元，与1992年的641万美元相比，增长了401倍。中国已成为继加拿大、墨西哥、日本、英国、德国之后，美国包装机的第6大出口市场。日本日本与美国、德国相比，起步虽较晚，且包装设备经历了引进一消化一发展的研究过程，吸收国外的长处，并加以改进，目前已成为世界上仅次于美国的包装机生产国。60年代以前，生产厂家不足60家，只能包装糖果、香烟等。6070年代，是日本包装机工业起步阶段，产值增长非常高。包机由1960的38亿日元剧增到1970年的560亿日元。7080年代，增长速度虽不如60年代那么高，但年均增长率仍达13。8090年代，是日本包装机稳定增长的阶段，将微电子技术成功地应用于包装机的控制，以后又将光导纤维技术、工业机械人技术、模块技术应用于包装机，达到安全性高、无人操作、高生产率的水平，大大提高了其国际市场竞争力。日本的包装机制造厂以中小企业为主，包装机的品种齐全，产品品种近500种，规格有700多个。其中，包装机以中小型单机为主，具有体积小、精密度高、易安装、操作方便、自动化程度高等优点。90年代以来，已将变频调整、光电追踪、无触点电子开关、动态数据显示等技术运用在包装机中。1992年产值达4670亿日本，近几年有所下降，1995年为4280亿日元，1996年回升到4400亿日元。亚洲是日本包装机的主要出口市场。1996年日本对亚洲的包机出口额为221亿日元，比上一年增加22。占出口总额的比例，也由1994年底的59、1995年的60提高到1996年的65。从90年代以来，日本对中国的包机出口额连年大幅增长，由1991年的128亿日元分别增加到1993年的404亿日元和1995年的594亿日元，1996年又增加了14亿日元。自1995年起，中国取代美国而成为日本包装机的最大出口国。1996年，日本对中国的包装机出口额为734亿日元，占出口总额的216。也就是说，日本出口的5台包装机中就有一台是销往中国的。德国德国的包装设备在计量、制造、技术性能等方面居领先地位，特别是啤酒、饮料灌装设备具有高速、成套、自动化程度高、可靠性好等特点，享誉全球。如Harassing、Bache、Rove-ma等大公司生产的集机、电、液及微机控制于一体，采用光电感应，靠光标控制袋长，并配有防静电装置3。其中袋包装机速度达160袋分钟，大型自动包机UPM600的最大包装容积达80L，制袋尺寸达800mm1200mm。并能集制袋、称重、充填、抽真空、封口等工序在一台单机上完成。Teach Co.（茶叶包装公司）生产出世界上最高速的茶叶包装机，其速度达350袋分钟。可见为了使我国的包装设备在当今激烈的国际竞争当中占有一席位置，我国必须在这方面加大科技投入，积极培养具有良好创新能力的人才设计队伍，摆脱我国在某些大型号、高精密包装设备长期依赖国外进口的现状，研发出具有我国自主知识产权的先进包装设备。1.4 我国包装机的现状及与国际水平的差距1.4.1 我国包装机的现状我国的包装机产品较发达国家的差距主要表现在：控制技术和产品可靠性方面较差，且技术更新的速度太慢，新技术、新材料、新工艺推广的范围太.。整体水平比发达国家要落后20年，现在我国包装机产品中仅有5左右能够达到发达国家90年代初期的水平，还有20 的产品仅能和国外80年代的产品相比，其余60左右仅能达到国外70年代的水平。我国早在50年代中期就有少数工厂生产包装机，5060年代，我国包装机如烟草加工、制糖、制盐、酿酒等行业水平很低。改革开放初期，引进了一批食品机械和包装机，具有一定的促进作用。80年代后期，随着国民经济的突飞猛进，市场对包装机的需求日趋扩大。在此间期，我国的一大批机床、通用机械、农机行业的企业开始转产从事包装机的生产。据1986年不完全统计，当时仅有县以上包装机企业1062年，工业总产值278亿元。进入90年代，全行业实现了高速发展，年平均增长率达30。据中国食品和包装机工业协会1994年统计，当时我国包装机生产厂家有1540家，包装机行业总产值为2556亿元，包装机的产量总数258420台，其中，包装容器制造机械17112台，直接包装机213303台，包装装潢印刷机械10508台，辅助包装机7493台。据中国包装总公司计划部第三次全国工业普查资料表明，1995年包装机总产量为489569台，其中，包装容器制造机械29514台，直接包装机455284台，专用包装机4771台。1997年底，全国增加至1600余家从事包装机的生产厂家；同时，从事包装机研究及开发的科研院所达75个，另有21所高等院校从事包机械专业的教学和科研工作。我国进口额较大并增长幅度较大的有纸浆、纸或纸板的制造和整理机械，其次是包装或包装机器，各种容器的装封、贴标签机器，其他干燥器等。1.4.2 包装技术方面的差距我国的包装工业过去长期处于一种生产力水平低下、主体技术不高、规模过小、游离分散生产、企业管理水平不高、国家投入不足的状况，大部分企业仍然处于需要技术改造、技术创新、提高产品质量、加强现代化管理以及体制转轨的关键时期。包装行业的结构调整、技术升级、产品换代、规模效益以及布局合理、经营体制的转换等，仍是新世纪的大大重要课题。 我国包装机产品与发达国家相比，其差距主要表现在：控制技术和产品可靠性方面较差，且技术更新的速度太慢，新技术、新材料、新工艺推广的范围太窄。从整体水平上看，比发达国家要落后20年，现在我国包装机产品中仅有5左右能够达到发达国家90年代初期的水平，还有20的产品仅能和国外80年代的产品相比，其余60左右仅能达到国外70年代的水平。我国的包机在产品的开发、性能、质量、可靠性、价格、服务等方面与进口产品在竞争中处于劣势，抵挡不了进口产品在竞争中处于劣势，抵挡不了进口产品的大量涌入。进口设备中，一般是技术含量高或大型设备，大都是国内不能制造或达不到使用技术要求的。包装机进出口比例相差太大，以1998年为例：包装机进出口总额148亿美元，进口总额144亿美元，比1997年增长213，出口仅为045亿美元，比1997年还下降89，进口约为出口的近33倍。我国出口的大多是低档次、低附加值或劳动密集型产品，而进口产品都是大型成套设备和高技术含量的产品4。 1.4.3 包装机品种的差距目前国外包装机产品的品种大约有2300多种，成套数量多，并且不断有新技术、新产品出现。国外的包装机产品一方面向高精度、大型化发展，另一方面向多功能方向发展。如意大利ILAPAK公司的小剂量颗粒包装机采用机械转鼓式计量，连续式封合并裁切，一机多工位，包装速度可达120袋分钟，其控制系统采用微机和可编程控制器。与发达国家相比，我国包装机产品品种及配套数量少，只有1300多种5。缺少高精度和大型化包装机产品，在钢制两片罐成型设备、高精度电子计量装置、高速电阻焊机、大型中空容器成型机械等方面仍属空白。 第2章 包装机控制系统的总体设计2.1 PLC控制系统的总体在设计2.1.1 设计的基本原则在应用PLC组成应用系统时，首先应明确应用系统设计的基本原则，以及设计的一般步骤。任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量6。因此在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：(1) 最大限度地满足被控对象的要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与相关部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。(2) 在保证控制系统安全、可靠的前提下，力求控制系统简单、经济，使用及维护方便，满足控制要求。(3) 考虑到生产的发展，工艺的改进以及系统的扩充，在选择可编程控制器的CPU模版及I/O模块时，应适当的留有余量。2.1.2 设计的基本内容 PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。因此，PLC控制系统的设计应包括以下基本内容：(1) 确定系统运行方式与控制方式。PLC可构成各式各样的控制系统，如单机控制系统、集中控制系统等。在进行应用系统的设计时，要确定系统的结构形式。(2) 选择输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。(3) PLC的选择。PLC是控制系统的核心部分，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济指标起着重要的作用。选择PLC应包括机型选择、容量选择、I/O模块选择、电源模块选择等。(4) 分配I/O点，绘制I/O连接图，必要时还需设计控制柜。(5) 设计控制程序。控制程序是整个系统的工作软件，是保证系统正常、安全、可靠的关键。因此控制系统的程序应经过反复的调试、修改，直到满足控制要求为止7。2.1.3 设计的基本步骤设计PLC控制一般步骤如图2-1所示。图2-1 设计PLC控制系统的一般步骤 (1) 根据生产的工艺过程要求分析控制要求。如需要完成的动作（动作顺序、动作条件、必须的保护和联锁等）、操作方案（手动、自动、连续、单周期、单步等）。(2) 根据控制要求确定系统控制方案。(3) 根据系统构成方案和工艺要求确定系统运行方式。(4) 根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，并确定PLC的I/O点数。(5) 选择PLC。分配I/O点，设计I/O连接图。(6) 进行PLC的程序设计，同时可进行控制柜的设计和现场施工。(7) 联机调试。如果不满足要求，再返回修改程序或检查接线，直到满足要求为止。(8) 编辑技术文件，投入使用。 总之，一项PLC应用系统设计包括硬件设计和应用控制软件设计两大部分8。其中硬件设计主要是选型设计和外围电路的常规设计，应用软件的设计则是依据控制要求和PLC指令系统进行。2.2 PLC控制系统硬件设计方法2.2.1 系统硬件设计的依据目前用于工业控制的可编程序控制种类繁多，性能各异。在实际工程应用中如何进行系统硬件设计，机型选择时应考虑哪些性能指标和怎样选择各种控制/信号模板，都是比较重要的问题。系统硬件设计必须根据控制对象而定，应包括控制对象的工艺要求、设备状况、控制功能、I/O点数，并据此构成比较先进的控制系统。1. 工艺要求 工艺要求是系统设计的主要依据，也是控制系统所要实现的最终目的，所以在进行系统设计之前，必须了解清楚控制对象的工艺要求。不同的控制对象，其工艺要求也不相同。如果要实现的是单体设备控制，其工艺要求相对简单；如果实现的是整个车间或全厂的控制，其工艺要求就会比较复杂。2. 设备状况 了解了工艺要求之后还要掌握控制对象的设备状况，设备状况应满足整个工艺要求。对控制系统来讲，设备又是具体的控制对象，只有掌握了设备状况，对控制系统的设计才有了基本的依据。在实际应用中，既有新产品或新的生产线控制系统的设计，又有老系统的改造设计。3. 控制功能 根据工艺要求和设备状况就可以提出控制系统应实现的控制功能。控制功能也是控制系统设计的重要依据。只有掌握了要实现的控制功能，才能据此设计系统的类型、规模、机型、模块、软件等内容。4. I/O点数和种类 根据工艺要求、设备状况和控制功能，可以对系统硬件设计形成一个初步的方案。但要进行详细设计，则要对系统的I/O点数和种类有一个精确的统计，以便确定系统的规模、机型、和配置9。2.2.2 机型的选择依据1. CPU的功能 CPU的功能是可编程控制器最重要的性能指标，也是机型选择时首要考虑的问题。实际上CPU存储器的性能、中间标志、计数器和计时器的能力，影响速度和软件都属于CPU的功能。2. I/O点数 I/O点数是可编程控制器的一个简单明了的性能参数，也是应用设计的最直接的参数。3. 影响速度 对于以数字量控制为主的工程项目，可编程控制器的影响速度都可以满足实际需要，不必给予特殊的考虑，对于模拟量控制的系统，特别是具有较多闭环控制的系统，要求根据实际需要来选择可编程控制器。控制对象信号变化猪肚快则响应速度快。4. 指令系统 由于可编程控制器应用的广泛性，各种机型所具备的指令系统也不完全相同。从工程应用角度看，有些场合仅需要逻辑运算，有些场合需要复杂的算术运算，而有一些特殊场合还需要专用指令功能。从可编程控制器本省来看，各个厂家的指令差异较大，但从整体上来说，指令系统都是面向工程人员的语言，其差异主要表现在指令的表达方式和指令的完整性上。5. 机型选择的其他考虑 毫无疑问，高性能的机型必然需要较高的价格。在考虑满足需要的性能后，还要根据工程的投资状况开确定选型10。无论什么样的设备，投入生产后都要具有一定数量的备件。在系统硬件设计时，对于一个工厂来说应尽量与原有设备统一机型，这样就可以减少备件的种类和资金。选择机型时还要考虑有可靠的技术支持。第3章 包装机控制系统的硬件设计3.1 PLC的选型3.1.1 S7系列PLC的概述可编程序控制器（PLC）是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。德国西门子S7系列的PLC可以分为小型PLC S7-200，中型PLC S7-300，大型PLC S7-400。可编程控制器的主要特点有：(1) 可靠性高，抗干扰能力强。这往往是用户选择控制装置的首要条件。PLC生产厂家在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使它直接安装于工业现场而稳定可靠的工作。而且为了适应特殊场合的需要，有的PLC生产商还采用了冗余设计和差异设计，进一步提高了可靠性。(2) 适应性强，应用灵活。由于PLC产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求。(3) 编程方便，易于使用。PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺序流程图语言（Sequential Function Chart），也称功能图，使编程更简单方便。(4) 控制系统设计、安装、调试方便。PLC中含有大量的相当于中间继电器、时间继电器、计数器等的“软元件”。又用程序（软接线）代替硬接线，安装接线工作量少。设计人员只要有PLC就可以进行控制系统的设计并可在实验室进行模拟调试。(5) 维修方便，维修工作量小。PLC有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。PLC对其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理。(6) 功能完善。除了基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。其中S7-200系列PLC是德国西门子公司生产的一种超小型PLC,超小型是指其功能具有大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的价格一样。可以单机运行，也可以输入/输出扩展。它结构小巧，可靠性高，运行速度快，继承和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势，又极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，配有功能丰富的扩展模块，性能价格比非常高。因此，它一经推出，即受到了广泛的关注11。特别是S7-200CPU22*系列PLC(它是21*系列的替代产品），由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，可以很容易的组成PLC网络。同时具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得S7-22*系列PLC来完成控制系统的设计时更加简单，系统的集成非常方便，几乎可以完成任何功能的控制任务。S7-200硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数量的I/O输入输出，同时还可以扩展各种功能模块。1.基本单元 基本单元有时又称作CPU模块，也有的称之为主机或本机。包括CPU、存储器、基本输入输出点和电源等，使PLC的主要部分。它实际上就是一个完整的控制系统，可以单独的完成一定的控制任务。2.扩展单元 主机I/O数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数是多种因素共同决定的。3.特殊功能模块 当需要完成某些特殊功能的控制任务时，可与SIMATIC S7-200主机相连，已完成某种特殊的控制任务而特制的一种装置。4.相关设备 相关设备是为了充分和方便的利用SIMATIC S7-200系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人际操作界面和网络设备等。5.工业软件 工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主要有标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。3.1.2 包装机的基本动作和工艺要求 自动生产线上的包装单元原理图如3-1所示：在包装单元上有5个执行元件，分别是气缸A、气缸B、吸盘C、气缸D、无杆气缸E。 图3-1 包装机包装单元原理图 包装机的运行控制方式要求：单循环、连续循环、停止、紧急停止、复位。根据工艺要求它们动作的顺序为：启动开关后，A、B气缸同时伸出且吸盘C吸料，气缸到位后，A、B气缸同时退回，到位后，吸盘C放料，B气缸伸出到位后，E无杆气缸下移，到位后，D气缸伸出，到位后，D气缸回到初始位置，E无杆气缸上移后，B气缸返回，完成一个循环。可通过控制开关来选择单动或连动，起动停止开关，系统应完成当前的循环并停止在初始位置。起动急停开关后，所有电磁铁均不带电。消除急停后，起动复位开关，复位的顺序为气缸A退回去,无杆气缸E回到初始位置，气缸B返回。包装机设计的动作流程图如图3-2所示：图3-2 包装机动作流程图3.1.3 CPU型号的选择SIMATIC S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。输入部分则输出控制信号，控制工业过程中的设备。下图3-3为S7-200西门子PLC的实物图：图3-3 S7-200西门子PLC实物图从CPU的模块来看，S7-200系列小型可编程控制器发展至今，经历了两代：第一代产品的CPU模块为CPU 21*,主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元，既CPU 212,CPU 214,CPU 215和CPU 216，这里对第一代PLC产品不再具体介绍。第二代产品的CPU模块为CPU 22*，是在本世纪初投放市场的。其速度快，具有极强的通讯能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元。（1）CPU 221 CPU 221具有6输入/4输出，共计10个点的I/O，无扩展能力，有6KB程序和数据存储空间。还具有4个独立的30kHz高数计数器，2路独立的20kHz高数脉冲输出端，一个RS-485通讯/编程端口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由通讯方式。非常适合小点数的控制系统。（2）CPU 222 CPU 222除了具有CPU 221的功能外，其不同在于：它有8输入/6输出，共计14点I/O，可以扩展8路模拟量和最多64个I/O,因此使更广泛的全功能控制器。（3）CPU 224 它在CPU 222的基础上使主机的输入输出点数增为24点，最大可扩展为168点数字量或者35点模拟量的输入和输出；存储量也进一步增加，还增加了一些数学指令和高数计数器的数量，具有较强的控制能力。（4）CPU 226 这种模块在CPU 224的基础上功能又进