控制技术项目之封口包装机装置

1、项目五 封口包装机装置 5.1 项目背景及要求 5.2 知识讲座（温度检测、变频与人机） 5.3 技能训练（封口机元器件测试） 5.4 项目设计方案 5.5 技术答疑 封口包装机装置的控制系统包 括传动控制、温度控制、人机界面控 制，只有在这两方面进行技术改造和 升级，才能确保高可靠的自动化程度。 项目五 封口包装机装置 5.1项目背景项目背景 封口包装机是指在 包装容器盛装产品后对 容器进行封口的机械。 图1 封口包装机外观 项目五 封口包装机装置 封口机构造 封口机包括压 力调节按钮、导向 带、主动导向轮、 冷却块、加热块、 封口带、被动轮和 导向槽组成（右图 所示）。 A B C D E

2、 G F H A，压力调节旋钮 B C，导向带，主动导向轮 D E F G H ，冷却块，加热块，封口带 ，被动轮，导向槽 图2 封口包装机机械结构 项目五 封口包装机装置 5.2 知识讲座：温度检测、变频传动与知识讲座：温度检测、变频传动与 人机界面人机界面 项目五 封口包装机装置 5.2.1 温度传感器与温度传感器与PLC温度模块温度模块 1、温度传感器、温度传感器 ： 温度是封口包装机控 制过程中最常见的一种模 拟量，使用最多的是热电 偶和热电阻。 图3 热电偶原理 图4 热电阻原理 项目五 封口包装机装置 2、小型、小型PLC的温度传感器模块的温度传感器模块 小型PLC在接温 度传感器

3、时不能使 用普通的模拟量输 入模块，而必须采 用专用的温度模拟 量模块，而且传感 器不同，模块类型 也不同。 图5 温度传感器模块的安装 项目五 封口包装机装置 图6 温度传感器模块的使用步骤 项目五 封口包装机装置 3、西门子、西门子S7-200的的EM231热电偶模块热电偶模块 EM 231热电 偶模块提供一个 方便的，隔离的 接口，用于七种 热电偶类型：J， K，E，N，S， T，和R型。 图7 EM231热电偶模块端子示意 项目五 封口包装机装置 (1)选择热电偶类型 项目五 封口包装机装置 （2）选择断线检测方向及使能 项目五 封口包装机装置 （3）选择温度测量单位 （4）选择冷端补

4、偿 项目五 封口包装机装置 4、西门子、西门子S7-200的的EM231热电阻模块热电阻模块 所有连接到模 块上的热电阻必须 是相同类型，如图 5.6所示。EM 231 热电阻模块提供了 S7-200与多种热 电阻的连接接口。 图8 EM231热电阻模块端子示意 项目五 封口包装机装置 （1）选择热电阻类型 项目五 封口包装机装置 （2）选择接线方式 项目五 封口包装机装置 5.2.2变频传动变频传动 1、主传动的特点 主传动及输送系统 由一个主动导向轮做 为动力来源，其他则 通过齿轮、同步带或 其他机械方式进行同 步。 图9 封口包装机的主传动 图10 封口包装机主传动变频器接线 项目五 封

5、口包装机装置 2、封口包装机变频器的频率给定方式、封口包装机变频器的频率给定方式 （1）操作器键盘给定 操作器键盘给定是变频器最简单的频率 给定方式 图11 操作器键盘给定方式 项目五 封口包装机装置 （2）多段速度设定 (3)模拟量给定 模拟量给定方式即 通过变频器的模拟量 端子从外部输入模拟 量信号（电流或电压） 进行给定，并通过调 节模拟量的大小来改 变变频器的输出频率。 图12 模拟量给定方式 项目五 封口包装机装置 图13 西门子MM440系列变频器模拟量端子 项目五 封口包装机装置 （4）通讯给定方式 通讯给定方式就是指上位机通过通讯口 按照特定的通讯协议、特定的通讯介质进 行数据

6、传输到变频器以改变变频器设定频 率的方式。 项目五 封口包装机装置 3、封口包装机变频器的运转指令方式、封口包装机变频器的运转指令方式 （1）操作器键盘控制 操作器键盘控制是 变频器最简单的运转指 令方式，用户可以通过 变频器的操作器键盘上 的运行键、停止键、点 动键和复位键来直接控 制变频器的运转。 图14 MM440变频器AOP操作器键盘控制 项目五 封口包装机装置 （2）端子控制 端子控制是变频器的运 转指令通过其外接输入端子 从外部输入开关信号（或电 平信号）来进行控制的方式。 （ 3）通讯控制 通讯控制的方式只需对 上位机给变频器的传输数据 改一下即可对变频器进行正 反转、点动、故障

7、复位等控 制。 图15 端子控制原理 项目五 封口包装机装置 5.2.3人机界面人机界面TD400C 1、TD 设备概述 TD 设备是 一种低成本的 人机界面 （HMI），使 操作员或用户 能够与应用程 序进行交互。 图16 TD400C外观 项目五 封口包装机装置 2、TD 400C的功能 图17 TD400C的连接 项目五 封口包装机装置 5.3 技能训练：封口机元器件测试技能训练：封口机元器件测试 项目五 封口包装机装置 5.3.1 任务一：热电偶与PLC的硬件接线及其数据测试 1、选择合适的K型热电偶 图18 K型热电偶 图19 K型热点偶的温度测量范围和允许误差 项目五 封口包装机装

8、置 2、按照图20进行接线（注意：热电偶电线的方向不能接反） 图20 K型热电偶与PLC连接示意 项目五 封口包装机装置 3、上电进行温度测试 温度模拟量 输入模块 （EM231TC、 EM231RTD） 所读取的数 据是温度测 量值的10倍 （摄氏或华 氏温度。 编程采用MOV_W语句进行测试 图21 温度测试语句 项目五 封口包装机装置 4、对于不同类型的热电偶与PLC的内部值对应关系如图22 所示。 图22 不同类型的热电偶与PLC的内部值对应关系 项目五 封口包装机装置 5.3.2 任务二：固态继电器SSR的选择与安装 1、封口包装机的温度控制要求 在封口包装机的温度控制中，采用具有

9、结构简单、测温范围大、响应快的热电偶 作为测量温度传感器。 2、固态继电器SSR的工作原理 固态继电器按负载电源类型可分为交流 （ACSSR）和直流（DCSSR）两类。 项目五 封口包装机装置 （1）直流固态继电器（DCSSR） 直流型SSR多为四端型SSR，四端型 是指有两个输入端，两个输出端。 图23 DCSSR原理框图 项目五 封口包装机装置 （2）交流固态继电路（ACSSR） 交流型SSR是用双向可控硅作为开关器 件，可分为过零型和随机导通型两种。 图25 ACSSR原理电路 图26ACSSR的工作波形 项目五 封口包装机装置 5.3.3 任务三： MM440变频器在封口包装机主传动

10、中的应用 1、选择1.5KW三相MM440变频器安装到导 轨上（如图27） 图27 变频器安装 项目五 封口包装机装置 2、根据MM440说 明书进行输入电缆、 输出电缆和控制电缆 的接线（如图28所 示）；变频器的控制 回路接线可以参考图 29 图28 MM440接线 图29 变频器控制回路接线图 项目五 封口包装机装置 3、变频器参数设置 图30 变频器参数设定 项目五 封口包装机装置 5.4 项目设计方案项目设计方案 一、封口包装机控制系统的设计原则 1、深入了解和分析被控对象-封口包装机的工艺条件和控制 要求 2、确定 I/O 设备 3、选择合适的 PLC 类型 4、分配 I/O 点

11、5、设计应用系统梯形图程序 6、将程序输入 PLC 7、进行软件测试 9、编制技术文件 8、应用系统整体调试 项目五 封口包装机装置 二、封口包装机的硬件部分 1、封口包装机的硬件框架（如图31所示） 图31 封口包装机的硬件框架 项目五 封口包装机装置 2、I/O配置（如表1所示） 表1 封口包装机的输入/输出资源配置 项目五 封口包装机装置 3、外部接线示意 外部接 线主要包括 PLC部分 （如图32） 和变频器部 分（如图 33）。 图32 PLC接线原理 项目五 封口包装机装置 图33 变频器接线图 项目五 封口包装机装置 三、封口包装机的软件部分 1、概述 封口包装机的软件部分主要是

12、实现温度 PID控制和变频调速。 图34 封口包装机程序结构 项目五 封口包装机装置 2、主程序 主程序主要完 成上电初始化调用 子程序，并以两秒 为周期（定时器 T32）控制固态继 电器Q0.0的输出。 主程序中的变量 M20.0为两秒脉冲； VW200为PID的输 出实际值。 项目五 封口包装机装置 项目五 封口包装机装置 图35 封口包装机的主程序 项目五 封口包装机装置 图35 封口包装机的主程序 项目五 封口包装机装置 3、温度控制 用的子程序 和中断程序 图36 封口包装机的子程序 项目五 封口包装机装置 3、温度控制 用的子程序 和中断程序 图36 封口包装机的子程序 项目五 封

13、口包装机装置 项目五 封口包装机装置 项目五 封口包装机装置 图37 封口包装机的中断程序 项目五 封口包装机装置 3、TD400C设置 （1）TD基本配置 图38和图39所示为打开文本显示向导。 图38 打开文本显示向导的不同方式 图39 打开文本显示向导 项目五 封口包装机装置 单击下一步，选择TD设备型号，如图40所示。 图40 选择设备TD400C 项目五 封口包装机装置 单击下一步，选择及定义TD的功能和数据更新速率，如图 41所示。 图41 选择及定义TD功能及其更新速率 项目五 封口包装机装置 单击下一步，如图42所示，可以设定语言及字符集。 图42 设定语言及字符集 项目五 封

14、口包装机装置 单击下一步，配置键盘按键，如图43所示。 图43 配置键盘按键 项目五 封口包装机装置 TD400C不需要专门为功能键F1F8等分配地址，向导将自 动为其分配V区的地址，具体如图44所示。 图44 符号表中的TD400C功能键地址 项目五 封口包装机装置 单击图44中的下一步，分配存储区，如图45所示。 图45 分配存储区 项目五 封口包装机装置 单击下一步，完成TD基本配置，如图46所示。 图46 完成TD基本配置 项目五 封口包装机装置 （2）定义用户菜单和屏幕 组态 TD400C 之后， 可以自定义屏幕和用户 菜单。定义用户菜单可 以从图47所示的“向导- 文本显示-TD4

15、00C配 置”，双击“用户菜 单”，即可打开用户菜 单首页（图48）。 图47 向导 项目五 封口包装机装置 图48 定义用户菜单首页 项目五 封口包装机装置 单击下一步，进入用户菜单定义画面，如图49所示。 图49 定义用户菜单 项目五 封口包装机装置 要组态用户菜单，请为每个屏幕组输入名称（图50所示）， 点击添加屏幕按键来创建屏幕文本， 用 Yes 进行确认。 图50 菜单项菜单一 项目五 封口包装机装置 在绿色区域输入文本， 并点击“插入 PLC 数据” 按钮将变量嵌入文本消 息。如图51所示为本项 目温度控制的显示菜单， 其中插入PLC数据 VW200（如图52所示）。 图51 项目

16、菜单一 项目五 封口包装机装置 图52 项目菜单一插入PLC数据 项目五 封口包装机装置 单击下一步，即可进入菜单二选项，如图53图55 所示。 图53 菜单二选项 项目五 封口包装机装置 图54 菜单二完整屏幕 项目五 封口包装机装置 图55 菜单二插入PLC数据 项目五 封口包装机装置 （3）定义报警 使用“文本显示向导”，可确定报警操作 员所需的交互类型。 每个报警均为四种可 能的报警确认和编辑类型之一（如表2所 示）。表2 TD400C四种报警类型 项目五 封口包装机装置 5.5 技术答疑技术答疑 项目五 封口包装机装置 【问题1】有些封口包装机的温度检测是采用热电阻， 那么如何在EM

17、231RTD热电阻模块中连接未实用 的输入端子？ （1）并联通道A和B EM231RTD模块当只有一个通道在使用时，可以 将另外一个通道的输入1对1地连接到该通道中。 如图56所示，通道A在实用热电阻，通道B则相应 并联即可。 图56 热电阻模块的并联通道 项目五 封口包装机装置 （2）用普通电阻短路未用通道端子 图57所示为通道A使用了热电阻，而通道B将普通 电阻R以二线制传感器的连接方式进行端子连接。 图57 普通电阻短接未用通道 项目五 封口包装机装置 【问题2】PID输出总是输出很大的值，并在这一区 间内波动如何办？ 增益（Gain）值太高或PID扫描时间 （sample time）太

18、长（对于快速响应PID的回路） 解决方法：降低增益（Gain）值并且/或选择短一 些的扫描时间 。 项目五 封口包装机装置 【问题2】PID输出总是输出很大的值，并在这一区 间内波动如何办？ 增益（Gain）值太高或PID扫描时间 （sample time）太长（对于快速响应PID的回路） 解决方法：降低增益（Gain）值并且/或选择短一 些的扫描时间 。 项目五 封口包装机装置 【问题2】PID输出总是输出很大的值，并在这一区 间内波动如何办？ 增益（Gain）值太高或PID扫描时间 （sample time）太长（对于快速响应PID的回路） 解决方法：降低增益（Gain）值并且/或选择短一

19、 些的扫描时间 。 项目五 封口包装机装置 【问题2】PID输出总是输出很大的值，并在这一区 间内波动如何办？ 增益（Gain）值太高或PID扫描时间 （sample time）太长（对于快速响应PID的回路） 解决方法：降低增益（Gain）值并且/或选择短一 些的扫描时间 。 项目五 封口包装机装置 【问题问题3】PID输出非常不稳定是什么原因？输出非常不稳定是什么原因？ 产生原因： 1）如果用了微分，可能是微分参数有问题； 2）没有微分，可能是增益（Gain）值太高 解决方法： 1）调整微分参数到01的范围内； 2）根据回路调节特性将增益值降低，最低可从0.x 开始逐渐增大往上调，直到获得

20、稳定的PID。 项目五 封口包装机装置 【问题4】对于某个具体的PID控制项目，是否可能事先得知 比较合适的参数？有没有相关的经验数据？ 虽然有理论上计算PID参数的方法，但由于闭 环调节的影响因素很多而不能全部在数学上精确 地描述，计算出的数值往往没有什么实际意义。 因此，除了实际调试获得参数外，没有什么可用 的经验参数值存在。甚至对于两套看似一样的系 统，都可能通过实际调试得到完全不同的参数值。 项目五 封口包装机装置 【问题5】在封口包装机的变频器与PLC的接线中，经常会 碰到一些干扰问题，如何解决？ 当输入开关信号进入变频器时，有时会发生 外部电源和变频器控制电源（DC24V）之间的串

21、 扰。正确的连接是利用PLC电源，将外部晶体管 的集电极经过二极管接到PLC。如图58所示。 图58 输入信号防干扰的接法 项目五 封口包装机装置 【问题6】在实际应用中，经常会碰到S7-200CN的模块，它 与S7-200的订货号有何区别？ 项目五 封口包装机装置 【问题8】TD400C的菜单层级是怎么定义的？ 在默认显示 模式下，操作 员可以使用 ESC 访问菜单 层级。 然后， 操作员可以按 ENTER来选择 菜单项，以访 问其它菜单或 功能。 图59 TD400C访问菜单层级 项目五 封口包装机装置 思考与练习思考与练习 习题习题5. 1根据本项目的知识讲座和技能训练，并结合网 络搜索

22、来回答以下问题： （1）温度传感器类型有哪些？其工作原理分别是什么？ （2）S7-200 PLC的温度模块有两种类型，如何与传感器类 型进行匹配？ （3）如何从PLC程序中读取温度模块的数值？ （4）温度PID控制的核心是什么？应该如何进行编程？ （5）采用固态继电器的优点是什么？它对PLC型号有何要 求？ （6）如果采用ON/OFF类型的温度控制，如何编程？ （7）如果温度传感器数量少于温度模块可以接线的数量， 多余的端子该如何处理？ （8）如果温度波动比较大，该如何进行处理？ 项目五 封口包装机装置 习题习题5. 2封口包装机的温度控制如果采用温 控表PID控制，该如何选择产品？如果该温 控表还能输出4-20mA信号给PLC进行显示， 该如何进行编程以正确显示温度？ 习题习题5. 3如果封口包装的温度传感器选用 Pt100，则S7-200的温度模块该如何选择？ 控制如果采取ON-OFF控制，则如何编程？ 项目五 封口包装机装置 习题习题5. 4对封口包装机的主传动变频采用四 段速控制，且按照温度设定值进行自动调 整，比如温度设定值在80100之间为速 度一、101120之间为速度二、121 140之间为速度三，超过140的为速度 四，请设计硬件电路，并进行软件编程。 项目五