【电气工程及其自动化】基于plc的具有人机界面的颗粒包装机控制系统的设计

本科生毕业论文（设计）基于PLC的具有人机界面的颗粒包装机控制系统的设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年5月25日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111课题设计的背景及意义112自动包装系统的国内外形势213人机界面的现状及发展趋势314设计研究内容和实现功能4141系统概述4142设计任务和控制要求4143人机界面的设计内容62控制系统方案的设计621颗粒包装机控制系统方案分析6211PLC与继电器控制系统的比较6212PLC与单片机控制系统比较7213方案比较与选择822控制系统的总体设计8221控制系统构成图8222各模块功能的简单介绍93控制系统的硬件设计931PLC选型932触摸屏选型1133主要电气元器件的选型12331传感器的选型12332阀用电磁铁的选型13333热继电器的选型14334指示灯的选型144控制系统的软件设计1441编程和仿真软件1442控制系统程序框图1543系统实现功能及PLC程序1744触摸屏界面的设计195程序调试226系统仿真237结论24参考文献25附录25附录A指令表25附录B梯形图28致谢34基于PLC的具有人机界面的颗粒包装机控制系统的设计摘要本文设计了自动包装机控制系统，以PLC作为控制系统的核心，以触摸屏作为人机界面，实现了自动包装、手动包装等功能，并介绍了控制系统方案及软硬件结构的设计思路。关键词自动包装机；人机界面；PLCTHEDESIGNOFTHEGRANULEPACKINGMACHINESCONTROLSYSTEMBASEDONPLC,MANMACHINEINTERFACEABSTRACTTHEAUTOMATICPACKINGMACHINESCONTROLSYSTEMISSTUDIEDINTHISTHESISPLCISUSEDASTHECOREOFTHECONTROLSYSTEMTOUCHSCREENISUSEDASTHEMANMACHINEINTERFACEANDFUNCTIONSOFAUTOMATICPACKINGANDMANUALPACKINGAREACHIEVEDFINALLY,THETHESISINTRODUCESTHESCHEMEOFCONTROLSYSTEMANDTHEDESIGNOFSOFTWAREANDHARDWARESTRUCTUREKEYWORDSAUTOMATICPACKAGINGMACHINEMANMACHINEINTERFACEPLC1绪论11课题设计的背景及意义我国早在50年代中期就有少数工厂生产包装机械，5060年代，我国包装机械如烟草加工、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械，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，市场对包装机械的需求日趋扩大。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械的生产。据1986年不完全统计，当时仅有县以上包装机械企业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械工业协会1994年统计，当时我国包装机械生产厂家有1540家，包装机械行业总产值为2556亿元，包装机械的产量总数258420台，其中，包装容器制造机械17112台，直接包装机械213303台，包装装潢印刷机械10508台，辅助包装机械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年包装机械总产量为489569台，其中，包装容器制造机械29514台，直接包装机械455284台，专用包装机械4771台。1997年底，全国增加至1600余家从事包装机械的生产厂家；同时，从事包装机械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。随着人们生活水平的提高对颗粒料物品需求也越来越大，而颗粒料物品的包装在某些行业上还仅仅停留在手工上。为使包装出的物品整齐、美观并具有良好的包装质量，研制高速、高效、高质、经济的新型包装机是市场的迫切需求。颗粒料包装机是一种用途十分广泛的机械设备，它的研制成功可以提高劳动生产率，促进国内化工、粮食等产业生产线的自动化，因此，颗粒料包装机具有很强的实用价值。我国包装机械工业是改革开放以后发展起来的，由于起步较晚，大部分设备都是通过引进设备消化吸收研制出来的。为了提高颗粒料物品包装的效率，研究和设计颗粒料包装机已迫在眉睫1。12自动包装系统的国内外形势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。我国包装机械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，现在我国包装机械产品中仅有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。如无菌包装机，大型、高速饮料灌装机、贴标机、组合电子秤等。有的设备国内虽然也能制造，但可靠性不好，生产出的食品质量、保质期等都不如进口设备，如冰淇淋包装机。包装机械进出口比例相差太大，以1998年为例包装机械进出口总额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。目前国外包装机械产品的品种大约有2300多种，成套数量多，并且不断有新技术、新产品出现。国外的包装机械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，我国包装机械产品品种及配套数量少，只有1300多种。缺少高精度和大型化包装机械产品，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。上世纪50至70年代，电子技术和合成化工的迅速发展，对包装机械产生了委大的影响，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。如机电密切结合的高速自动化包装机、调整操作方便的多功能包装机和劳动生产率极高的自动包装线的大量出现，使包装机械在产业机械中成为瞩目的一个领域。日本在那个时期的包装机械生产每年平均增长率达20，进入稳定发展的80年代，增长率仍然高于10。80年代，各发达国家为了维护本国包装机械市场，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），成为开创包装机械新局面的关键性年代。欧家的包装机械生产，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。日本的包装机械制造厂则中小企业为主，最拿手的是微电子技术，用它来控制包装机，达以安全性高、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、意大利是世界上包装机械四强2。13人机界面的现状及发展趋势近年来，随着计算机硬件的发展，新一代的计算机用户，在应用软件的可操作性以及软件操作的舒适性等方面对应用软件提出了更高的要求，除期望所用的软件拥有强大的功能外，更期望应用软件尽可能的为他们提供一个轻松、愉快、感觉良好的操作环境，因而人机界面已变得相当重要，而人机界面设计也逐渐盛行和受人们欢迎。人机界面是在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化的多功能显示屏幕。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面由熟练的操作人员才能操作，而且操作困难，无法提高工作效率。但是使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数，降低生产的成本。同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值和提高工作效率。人机界面（HUMANMACHINEINTERFACE，简称HMI）一般指用于操作人员与控制系统之间进行对话和相互作用的专用设备。各主要的控制设备生产厂商，例如西门子、AB、施耐德、三菱和欧姆龙等公司，均有它们的人机界面系列产品，此外还有一些专门生产人机界面的厂家。人机界面其主要应用之一就是触摸屏，触摸屏是一种直观的操作设备，可以由用户在触摸屏的画面上设置具有明确意义和提示信息的触摸式按键和用于输入数字的输入域。只要用手指触摸屏幕上的图形对象，计算机便会执行相应的操作，人的行为和机器的行为变得简单、直接、自然，达到了完美的统一。使用触摸屏后，能明确告知操作员机器设备目前的状况，给出操作的提示，使操作变得简单生动，降低培训成本，减少操作失误，及时反映系统状态和故障，提高生产效率和减少故障停机时间。触摸屏还可以用画面上的按钮和指示灯等来代替相应的硬件元件，减少PLC需要的I/O点数。与大量使用薄膜按键的操作员面板相比，触摸屏具有直观和节省空间等优点。触摸屏是人机界面发展的主流方向，几乎成了较高级的人机界面的代名词3。14设计研究内容和实现功能141系统概述各加工工位的动作是通过顺序逻辑控制电磁阀，以压缩空气、气体推动气缸，从而带动机械结构移动来实现的。该自动包装系统完成包装的每个纸袋有30个包装物。工作流程可简单概括为送纸压纸切纸插纸下料填充封口。首先开始摇箱动作，送纸和摇箱动作需要同时进行。送纸到位后，将进行压纸和切纸。当摇箱和切纸都到位后，接着到插纸、下料填充，填充完成可以封口卸袋。该系统的动作较为复杂，包括了给料装置机构、纸供送机构、压纸装置机构、下料装置机构以及封口机构。142设计任务和控制要求（1）其工作流程图如图1所示启动送纸电磁阀失电，送纸动作结束。裁纸压纸电磁阀通电，裁纸板往下运动，将纸带裁成纸片。裁纸板继续往下运动。裁纸板反向运动分料电磁阀得电控制颗粒箱转动进行分料动作，同时送纸电磁阀得电控制送纸架送纸。压纸电磁阀和送纸架上抽空电磁阀得电，将纸带前端紧贴送纸架上，继续往前送。压纸电磁阀和送纸架上抽真空电磁阀断开，同时裁纸板上抽真空电磁阀得电，使纸带吸紧在裁纸板上。纸裁纸电磁阀断电运动结束，插纸电磁阀得电缸动作使插纸杆向下动作，进行插纸动作。料斗阀门电磁阀得电，料斗阀门打开，分料板完成错位动作开始下料。插纸杆到目标位置时才开始往上返回原位，颗粒药品填充完成以后，料斗阀门开始闭合且插纸杆继续向上运动。插纸电磁阀断电插纸动作结束，封口电磁阀得电开始封口动作，封紧程度由电接点压力表控制，达到预设压力则封口纸板返回。封口完成，包装结束图1自动包装机工作流程图（2）根据颗粒料包装机的实际运行情况，本系统采应该用自动运行和手动运行两种方式。（3）颗粒包装机的停运方式应包括正常停运，暂时停运和紧急停运三种，其中紧急停运按钮必不可少。（4）由于包装机采用自动循环的工作方式，所以包装机控制功能要求为手动运行可以用按钮对包装机的各个部分进行单独控制，主要用于故障恢复与检修。全自动运行按下启动按钮，系统即可连续、协调、周期性地循环完成各包装动作，直到系统接收到停止运行信号。143人机界面的设计内容（1）进入主菜单需要密码，确保操作的安全。（2）有工作状态显示和系统提示，方便直观。（3）有系统初始化、参数设置、自动操作和手动操作四个页面，并有返回主菜单设计。（4）用触摸屏的虚拟按钮代替手动操作开关，减少PLC需要的I/O点数。2控制系统方案的设计21颗粒包装机控制系统方案分析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PLC控制系统，继电器控制系统，单片机控制系统4。211PLC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I/O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01秒，也有001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I/O为60元左右。212PLC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I/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。213方案比较与选择综上所述，PLC与其他工业控制系统比较具有许多优点（1）更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动；（2）程序可以复制，批量生产很容易；（3）电气硬件设计大大简化；（4）由于PLC除有继电器功能外，尚有多种其它功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化；（5）成本相对于继电控制而言稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，成本急骤上升，而PLC控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性；（6）具有扩展单元或扩展模块，当需要较多I/O时可以方便地扩展。整个包装系统利用PLC实现了送纸压纸裁纸下料填充封口等功能。并且有自动控制和手动控制两种方式。PLC在自动包装系统的控制系统中，使包装技术更加全面化、自动化、智能化。因此，本文选择PLC为控制系统核心5。22控制系统的总体设计221控制系统构成图自动颗粒包装机控制系统图，如图2所示。光电传感器电磁阀PLC按钮触摸屏图2自动颗粒包装机PLC控制系统图222各模块功能的简单介绍（1）真空发生装置主要是用于送纸过程中的将纸吸附在送纸台上，避免其在送纸架往返时发生折叠。（2）光电传感器将位移转换为电脉冲，用于在线测量活塞位移，以便送到控制器中进行处理。（3）电磁阀通过控制电磁阀的通断，实现对活塞缸的活塞杆输出推力的控制。（4）空气压缩机将机械能转化为气体的压力能，供气动机械使用。（5）手动操作方便系统的调试和维修。3控制系统的硬件设计31PLC选型在PLC选型时，基本原则是满足系统的功能需要，同时要兼顾维修和设备的通用性，根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，具体选型如下（1）I/O点数的估算系统输入信号启动按钮，需要1个输入端；暂停按钮，需要1个输入端；急停按钮，需要1个输入端；停止按钮，需要一个输入端，整个系统需要10个光电传感器，需要10个输入端。1个电接点压力传感器，需要1个输入端。以上共需要15个输入端。系统输出信号摇箱、送纸、送纸返回、压纸、送纸架抽真空、裁纸架上抽真空、裁纸下、裁纸上、料斗阀门、插纸下、插纸上、封口、封口返回需要13个输出端；手动操作、自动操作和报警指示灯；需要2个输出端；蜂鸣器，需要1个输入端和以上共需17个输出信号点。在选择机型时还要考虑以后系统的调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，预留1020的数量，因此可以确定要选择输入输出总量点数是48点的指示灯电接点压力传感器PLC。（2）用户应用程序占用内存大小的估算用户应用程序占用多少内存与I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等因素有关，因此在程序设计之前只能粗略地估算。根据经验，此应用程序占用内存的大小可作如下估算开关量输入1510150字节；开关量输出176102字节。共计252字节，在加上程序存储空间和备用存储空间，初步估计共1K字节。（3）PCL型号的选择综合以上要求，最终选择三菱PLC型号为FX2N48MR001,48个I/O点（24点输入，24点继电器输出），工作电压为AC220V。输入类型为NPN漏型输入，即输入电压为24V,COM为0V。输出类型为继电器输出，可以带交直流负载。（4）系统I/O点的分配如表1所示。表1系统I/O点分配表输入端子输入设备输出端子输出设备X000启动按钮SB0Y000分料电磁阀YV0X001暂停按钮SB1Y001送纸一电磁阀YV1X002急停按钮SB2Y002送纸二电磁阀YV2X003分料平光电传感器YJ0Y003压纸电磁阀YV3X004封口到位光电传感器YJ1Y004送纸架抽真空电磁阀YV4X005分料高光电传感器YJ2Y005裁纸板抽真空电磁阀YV5X006送纸一光电传感器YJ3Y006裁板下电磁阀YV6X007送纸二光电传感器YJ4Y007裁板上电磁阀YV7X010送纸三光电传感器YJ5Y010插纸下电磁阀YV8X011裁纸下光电传感器YJ6Y011插纸上电磁阀YV9X012裁纸上光电传感器YJ7Y012料斗阀门电磁阀YV10X013插纸下光电传感器YJ8Y013封口电磁阀YV11X014插纸上光电传感器YJ9Y014封口返回电磁阀YV12X015电接点压力传感器SP1Y015自动指示灯HL1X016停止按钮SB3Y016手动指示灯HL2Y017报警指示灯HL3Y020蜂鸣器HA1系统输入/输出接线图，如图3所示。图3系统输入/输出接线图32触摸屏选型按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，把触摸屏分为4种，它们分别为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。每一类触摸屏都有各自的优缺点，看在哪种环境下使用，在工业环境中我们选择电阻式触摸屏。电阻式触摸屏利用压力感应进行控制。电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（透明的导电电阻）导电层，上面盖有一层外表面经硬化处理、光滑防擦的塑料层，它的内表面也有一层涂层，在它们之间有许多细小的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，然后将这两个信号送至触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出（X和Y）的位置，在根据模拟鼠标的方式运作，这就是电阻触摸屏的最基本的原理。这种触摸屏是对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽，它可以用任何物体来触摸，也可以用来写字画画，比较适合工业控制领域的使用。因此本系统选用触摸屏的型号三菱GT1150QLBDC触摸式面板,GT1150的显示尺寸是57寸，分辨率是320240，显示色彩是TFT液晶显示，触摸板精密电阻网络，连接端口I/FRS232、RS4226。33主要电气元器件的选型331传感器的选型传感器是气缸位置检测元件，将位移转换为电脉冲，用于在线测量活塞位移，以便送到控制器中进行处理。在每一采样控制周期，控制器根据系统偏差大小，计算出该采样控制周期所需要的控制量大小，以完成活塞位移的实时控制。光电开关可分为两类透射型和反射型两种。透射型光电开关是由分离的发射器和接收器组成并相对放置。发射器发射的红外线直接照射到接收器上，当有物品通过时，将红外线光源切断遮挡住了，接收器收不到红外光，于是就发出一个信号。可用于产品计数。反射型光电开关的接收部分和发射部分合做在一起，利用物体对发射部分发射出的红外线反射回去，由接收部分接收，从而判断是否有物体存在。当有物体通过，接收器接收不到红外光，于是就发出一个信号。可用于空箱是否到位检测。当采用接近开关、光电开关等两线式传感器时，由于传感器的漏电流较大，可能出现错误的输入信号而导致PLC的误动作，此时可在PLC输入端并联旁路电阻，如图4所示。当漏电流不足LMA时可以不考虑其影响。INPLCR光电开关COM图4PLC与光电开关的连接反射式光电传感器的工作原理如图5所示。图5反射式光电传感器原理图该系统选择的反射式光电传感器型号为PM2LF10,其性能参数如表2所示。表2PM2LF10反射式光电传感器的性能参数性能参数检测距离258MM中心5MM白色无光泽纸1515MM最小检测物体005MM铜线设定距离5MM应差使用白色无光泽纸1515MM工作距离的20以下重复精度垂直于检测轴008MM以下电源电压524VDC10脉动PP5以下消耗电流平均25MA以下峰值80MA以下输出NPN开路集电极晶体管最大流入电流100MA外加电压30VDC以下输出和0V之间剩余电压1V以下流入电流为100MA时04V以下流入电流为16MA时短路保护装备反应时间08MS以下根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。我们此次的选择的主要是物理传感器中的开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号，用于判断位置信号的有无。根据以上,我们选择光电开关来作为传感器。型号为PM2LF10，数量为10个。此次我们选择的PLC型号为FX2N48MR001，该型号的传感器电源无扩展模块DC24V460MA以下；输入类型为AC电源DC输入。10个光电的总反射物发光反射式光电传感器接受消耗约为250MA。所以利用PLC的本体电源即可带动10个光电传感器7。332阀用电磁铁的选型电磁阀是电磁线圈通电后产生磁力吸引克服弹簧的压力带动阀芯动作，就一电磁线圈，结构简单，价格便宜，只能实现开关；用于液体和气体管路的开关控制，是两位DO控制。一般用于小型管道的控制。所以对阀用电磁铁YA的选择很重要。本设计使用阀用电磁铁的型号MFB690YC。额定电压为交流220V，额定电流为90MA，其具体的技术参数表3所示。表3MFB690YC阀用电磁铁的技术参数公称通径15MM公称压力16MPA工作压力010MPA流通介质水液、空气、油允许温升85工作寿命60万天/次电源电压AC220VDC24V消耗功率20W左右线圈电阻54KW333热继电器的选型本设计采用热继电器FR，防止真空泵过热。热继电器的额定电流应大于真空泵的额定电流。然后根据该额定电流来选择热继电器的型号。当真空泵启动电流为其额定电流的6倍及启动时间不超过5S时，热元件的整定电流调节到等于真空泵的额定电流，当真空泵的启动时间较长、热元件的整定电流调节到真空泵额定电流的11115倍。综合以上要求，一台真空泵的额定电流为3A，则选择热继电器的型号为JR2012，热元件号为1S，其热元件整定电流范围为21A39A，额定电流为12A。334指示灯的选型本设计采用指示灯HL,用于工作指示及报警提示。为了节省电源，本设计拟用额定电压为220V，电流为30MA的指示灯，选择型号分别为红色报警指示灯AD1122/215RZ41，发光颜色与灯罩颜色一致，降压方式及形状为电阻降压，圆平形。电流为30MA。自动工作指示灯为绿色，型号为AD1122/215GZ41。手动指示灯为黄色，型号为AD1122/215YZ41。4控制系统的软件设计41编程和仿真软件（1）编程软件编程软件采用三菱公司为其生产的PLC而设计的编程软件MELSOFT系列GXDEVELOPER8版本，适用于三菱FX2N工业控制PLC系统的程序编制，可用于Q、QNU、QS、QNA、ANS、ANA、FX等全系列可编程控制器，支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、LABEL语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。（2）仿真软件仿真软件采用GXSIMULATOR6C仿真软件，适用于FX2N等三菱PLC对设计程序的仿真。运行简介1、仿真软件的功能就是将编写好的程序在电脑中虚拟运行，如果没有编好的程序，是无法进行仿真的。所以，在安装仿真软件GXSIMULATOR6C之前，必须先安装编程软件GXDEVELOPER，并且版本要互相兼容。2、安装好编程软件和仿真软件后，在桌面或者开始菜单中并没有仿真软件的图标。因为仿真软件被集成到编程软件GXDEVELOPER中了，其实这个仿真软件相当于编程软件的一个插件8。3、启动方法是点击菜单栏“工具，梯形图逻辑测试”，“在线，调试，软元件测试”。GXSIMULATOR6C仿真软件的仿真操作如图6所示。图6GXSIMULATOR6C仿真操作图42控制系统程序框图（1）系统控制流程图,如图7所示启动自动手动封口到位手动程序压纸切纸动作送纸动作摇箱动作摇箱到位送纸到位切纸到位下料开始下料结束NY结束封口卸料结束图7系统控制流程图（2）控制系统逻辑分析1、送纸按下启动按钮X0后，M0接通，Y0和Y1接通，分料电磁阀YV0得电控制颗粒箱转动进行分料动作，同时送纸一电磁阀YV1得电控制送纸架送纸。2、压纸和送纸架返回当送纸到达送纸架某个位置时，触到送纸一光电传感器YJ3，Y3和Y4接通，压纸电磁阀YV3和送纸架上抽真空电磁阀YV4得电，继续送纸，送纸架碰到送纸二光电传感器YJ4后返回，同时裁纸板上的抽真空电磁阀YV5得电，吸附纸带。3、裁纸向下触到送纸三光电传感器YJ5，裁纸板抽真空电磁阀YV5和送纸返回电磁阀YV2失电，送纸动作结束。Y6接通，裁纸下电磁阀YV6通电，裁纸板往下运动，将纸带裁成纸片。裁纸板继续往下运动。4、裁纸向上触到裁纸下光电传感器YJ6，Y7接通，裁纸上电磁阀YV7裁纸板向上运动。此时摇箱分料继续动作，触到分料高光电传感器YJ2，摇箱分料停止动作，箱体在自重的情况压下分料平光电传感器，摇箱分料到位。5、插纸、下料填充当裁纸板上位传感器采集到信号时，插纸电磁阀得电使插纸杆向下运动，进行插纸下料动作。插纸向下运动，把纸带冲压成U型的纸盆，触到插纸下光电传感器YJ8，,这时要求有短暂的停留时间，在这个短暂的停留时间里分料板要完成错位动作实现下料，此时料斗阀门电磁阀YV10得电料斗阀门打开，颗粒完成填充。当颗粒填充完毕以后，料斗阀门闭合且插纸杆向上运动，当插纸杆碰到插纸上光电传感器YJ9时，插纸杆动作结束。6、封口此时，Y13接通，封口电磁阀YV11得电开始封口动作，封紧程度由电接点压力表控制，达到预设压力则封口纸板返回。封口纸板返回原位，触到光电传感器YJ1等待下一个循环。43系统实现功能及PLC程序（1）系统初始化程序初始化要完成的动作有分料初始化摇箱回到分料平X3位置。封口初始化封口动作后退到封口到位X4位置。送纸初始化送纸返回到送纸三X10位置。裁板初始化裁板后退到裁板上X12位置。插纸初始化插纸后退到插纸板上X14位置。如图8所示。图8系统初始化程序（2）自动工作程序和手动工作程序的选择在触摸屏中，按下自动按键M10通一次，M1被置位，同时M2被复位，在SFC块中，M1置位是进入自动控制模式的条件，M2置位是进入手动控制模式的条件。如图9所示。图9控制方式的选择程序（3）向下裁纸过程在自动控制模式下，送纸架返回触到光电传感器X10，进入步S23，裁纸板向下运动，向下运动到位，触到X11，将步S24置位。如图10所示图10向下裁纸程序（4）封口过程封口紧密程度有电接点压力传感器X15决定，当封口到达预设压力时，压力传感器动作，使程序进入下一个状态。如图11所示。图11封口程序（5）控制系统的紧急停止当生产过程发生突发事件时，可以通过急停按钮停止整个控制系统，急停按钮按下时，对所有工作步、中间断电器和存储器进行强制复位。如图12所示。图12急停程序44触摸屏界面的设计触摸屏的基本原理是用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，所触摸的位置由触摸屏控制器检测，并通过接口（本设计通过RS422串行口）送到PLC。根据系统的控制与操作要求，设计了人机交互界面，该界面直观、方便，有关部件的工作状态都可在触摸屏上动态显示9。（1）安全密码设计考虑到操作的安全性和机密性，所以在进入操作界面时设置了操作权限，在安全等级上设置为1级，“1等级”密码给普通操作人员，可以进行基本操作。“2等级”密码授权给有一定权限的技术人员进行高级操作，例如操作影响系统性能的“参数设置”、“时间设置”等。登录窗口如图13所示。图13密码登录界面（2）主菜单设计主菜单说明了操作系统的名字，同时写明了设计者的名字和联系方式，方便仪器出现故障能及时联系维修，有进入各个工作界面按钮，点击便可以进入操作，如图14所示。图14主菜单界面（3）系统初始化界面设计单击触摸屏自动初始化按钮，进入自动初始状态，为包装机自动工作做准备。如图15所示。图15系统初始化界面（4）自动操作界面设计该界面设计了3个模块，开关模块、运行状态模块、到位提示模块。三个模块能很让使用者清楚的了解自动包装的整个过程。如图16所示。图16自动操作界面（5）手动操作界面设计手动操作主要是方便于系统的调试和维修，在该界面中有机械手的手动操作和传送带的手动操作，如图17所示。图17手动操作界面5程序调试PLC程序和触摸屏程序写完后，进入程序调试阶段，在这过程中遇到下列的一些问题（1）在自动运行状态下，停止按钮不能马上停止，要完成所有未完成的步才能停止。原因用顺序功能图编写程序时，只有条件满足才能跳到下一步去。解决办法通过和老师讨论和结合课本内容，在每一步的开始加入M0的常开触点。（2）在使用急停按钮后，按下启动按钮后，系统没有正常运行。原因使用急停后，没有返回初始步S0。解决办法在急停的常开触点串上返回S0的程序。（3）仿真的时候有时按下触摸屏上的键时，没有反应，检查PLC程序和触摸的程序都没错。原因经上网查询及阅读一些有关资料，确定是电脑硬件的问题，有时因为电脑的反应速度与仿真软件的读取速度不同步，导致有时按下按钮的时候PLC读取不了该动作。解决办法暂时还没找到有效的解决办法，只有在仿真的时候，对着PLC时序图来按键，如果发现有问题，就多按一次。6系统仿真在GXDEVELOPER打开PLC程序，点击“梯形图逻辑测试起动”按钮，进行GXSIMULATOR的仿真，然后再进入PLC程序仿真，再打开GTSIMULATOR，打开触摸屏程序，进行系统调试仿真，结合两者的仿真状态，观察并记录现象，在仿真的过程中，所有功能都能正常实现。图19是送纸架返回时，GXSIMULATOR和GTSIMULATOR的状态的截图。图19送纸返回时GXSIMULATOR和GTSIMULATOR的状态7结论通过本次自动包装控制系统的设计，并在申老师的精心指导和自我三个月以来的艰辛努力下，使我对自动包装控制系统的分析与设计有了切身的认识与体会，特别是对PLC应用系统的设计与触摸屏有了比较全面的认识，并在学习和实践过程中增长了知识，丰富了设计经验，增强了从事实际应用设计的信心。系统的分析和设计的过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。在本次毕业设计中，我明白到对电气元件的选型是非常重要的，申老师也多次强调这一点。经过三个月的努力，最后在仿真调试中各项功能都基本达到了预先设定目标，保证全部逻辑正确完成，系统可正常工作。设计出来的PLC程序能够读取触摸屏运行方式、时间设置、开关通断等控制参数。而且触摸屏界面的设计比较科学，分别有系统初始化、参数设置、自动操作、手动操作四个界面。PLC工作时，触摸屏能显示出工作状态、系统提示和简单的报警信息提示等，较为直观。然而，本设计的不足之处是报警提示和保护功能不够完善。超时报警的设置应该每一个动作都有，本设计只是在整个系统工作一周的时间内设置超时报警。报警提示应该在触摸屏设置一个界面，在本设计中，这个功能也没有实现。在进行毕业设计的过程中，我虽然收集的了大量资料，但在实际的应用中却遇到了很多瓶颈，出现了很多意料之外的问题。最后经过不断的修改，才设计出达到控制要求的系统。尽管在设计中我做出了很多方面的努力，但是由于我的水平有限，设计中难免会存在一些疏漏和不妥之处，恳请各位老师在阅读本设计时多提一些宝贵的意见和建议。参考文献1杨后川三菱PLC应用100例M北京电子工业出版社，20102612922王阿根PLC控制程序精编108例M北京电子工业出版社，200915353薛迎成何坚强，姚志垒PLC基础与实战M北京电子工业出版社，20102012084高钦和可编程控制器应用技术与设计J北京人民邮电出版社，20101821885张迎辉，邓松电器控制与可编程控制器应用技术M北京机械工业出版社，201121436宋德玉可编程控制器原理及应用系统设计技术M北京冶金工业出版社,200641587宋建成可编程控制器原理与应用M北京科学出版社，200417398郁汉琪可编程控制器原理及应用M北京中国电力出版社，201023509廖常初FX系列PLC编程及应用M北京机械工业出版社，20126390附录附录A指令表0LDM401MPS2ANIX0033OUTY0004MRD5ANIX0046OUTY0147MRD8ANIX0109OUTY00210MRD11ANIX01212OUTY00713MRD14ANIX01415OUTY01116MPP17OUTY00418OUTY00519LDX00320OUTM4121LDX00722OUTM5023LDX01024OUTM5125LDX01126OUTM5227LDX01228OUTM5329LDX01330OUTM5431LDX01432OUTM5533LDX01534OUTM5635LDX00436OUTM5737LDX00338ANDX01039ANDX01240ANDX01441ANDX00442OUTM4243LDM6044INCPD147LDM6148DECPD151LDM6252INCPD255LDM6356DECPD259LDM6460INCPD363LDM6564DECPD367LDX00068ORM069OUTM070LDX00071ANIM6872ORM6973MOVK50D178MOVK30D283MOVK150D388LDM6789MOVK1D594LDX00195ZRSTM0M2100LDX016101ZRSTM1M2106LDM10107ANDM0108SETM1109RSTM2110LDM11111ANDM0112SETM2113RSTM1114LDM1115OUTY015116OUTT2D3119LDX015120ORM3121RSTT2123LDT2124OUTY017125OU