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奶茶
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奶茶包装机控制系统设计,奶茶,装机,控制系统,设计
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摘 要本文采用的是可编程控制器（PLC）技术来对奶茶包装机进行总体的系统设计。本文主要介绍了一个基于PLC的奶茶包装机的系统设计，详细的描述了利用可编程控制器（PLC）设计开发奶茶包装机的过程。重点对奶茶包装机的PLC控制要求的选择，对PLC控制系统主要元器件的选择，以及奶茶包装机的各功能模块的设计和奶茶包装机的主要控制系统的总体设计，确定了奶茶包装机的总体结构，由PLC来实现对奶茶包装机的总体控制，变频器来实现变频调速，步进电机来实现对奶茶的运输问题，传感器来实现对奶茶运输位置的检测从而进行开关控制。在PLC控制系统，变频器，步进电机，传感器这些设备的类型选择时，通过对PLC控制系统，变频器，步进电机，传感器性能指标的对比来选择相应的设备。软件设计方面，采用了模块化的编程思想，包括供电模块设计，执行主电机模块设计，包装纸同步控制模块设计。本文所设计的包装机稳定可靠性好，效率高，可实现生产率及奶茶尺寸在一定范围内根据需要随选，技术实用，制造工艺先进化，产品节能化，生产过程高度机械化、自动化，外形美观，能在质量优良。而且该机结构简单，抗干扰能力强，适合于各种环境下进行工作，有广泛的应用前景。关键词：PLC；包装；系统设计AbstractIn this paper,a programmable logic controller (PLC) technology to candy packaging machine of an overall design.This paper describes a candy packaging machine based on PLC system design,detailed description of the of programmable logic controller (PLC) candy packaging machine design and development process Focus on the candy packaging machine PLC control requirements option,the main components of the PLC control the major candybpackaging machine control systemdesign to determine the the candy packaging maching overall structure of the the candy from the PLC to achieve overall control of the packaging machine, the drive to achieve frequency control, stepper motor to achieve the transport of candy, candy sensors to achieve the transport position to the switch control testing. the plc control system, inverter, stepper position to the switch control testing. The PLC control system, inverter stepper motors,sensors,comparison of performance indicators to select the appropropriate equipment. Software design, modular programming ideas, including the prower supply module desin, module design implementation of the main motor synchronous control module packaging design.This article is designed packaing machine stability and reliability, efficiency, productivity, and candy can be achieved within a certain range in size according to need on-demand, technology, practical, advanced manufacturing technology, product energy conservation, the production process is highly mechanized, automated, beautiful appearance, in good quality. Simple structure, anti-interference ability, suitable for a variety of work environments, a wide range of applications.Keywords: PLC;Packaging; System design目 录1 绪论12 奶茶包装机系统分析及控制系统总体设计52.1 奶茶包装机生产工艺概述52.2 奶茶包装机控制要求62.2.1 包装机控制对象分析62.2.2 PLC控制系统方式选择72.2.3 系统运行方式72.3 奶茶包装机控制系统主要器件的选择82.3.1 PLC控制器的选择82.3.2 变频器选择92.3.3 步进电机及其驱动器选择102.3.4 传感器选择123 奶茶包装机各功能模块设计133.1 供电模块设计133.2 执行主电机模块设计143.3 包装纸同步控制模块设计164 奶茶包装机主要控制系统的PLC程序设计184.1 奶茶包装机的控制系统设计简述174.2 奶茶包装机的功能流程184.3 主电机的PLC控制指令语句214.4 系统仿真21结论24致谢25参考文献26附录27III1 绪论1.1概述近年来，随着科学技术发展，现代化的生产日益趋向商品化、社会化和国际化。其产品已不单纯是本国的消费，而是要发展出口创汇，逐步形成外向型的经济。所以产品包装以不可能依靠手工操作，因手工包装不仅在速度、指令、卫生条件和花色品种等方面都无法和机械化包装相比拟，现代化的包装机械已超越简单地模仿人的动作，有许多功能是手工操作根本不能实现的。机械包装的生产能力往往比手工包装提高几倍，十几倍甚至几十倍，无疑这将会更好地适应市场的实际需要，合理安排劳动力，为社会多创造财富。国内奶茶技术专家在引进合作，自主独创方面取得了可喜可贺的成绩，在奶茶设备方面先后推出充气奶茶生产线，胶体软奶茶自动线，超薄膜真空瞬时熬煮机组，棉花奶茶生产线等：包装机械有单扭结包装机，折叠式包装机，高速枕式包装机等。奶茶设备方面有多功能花色奶茶浇注线，奶茶复合制品自动线，奶茶挤出成型线，奶茶快速精磨机等。多功能是新设备开发的一个重要趋势，因为奶茶品种花样多，更新快，生产厂家对设备的要求是多功能，适应性强。此外，现在新推出的设备大都采用伺服电机，光电跟踪等新技术，使其自动控制能力大大提高。比如一种奶茶复合制品自动线，全线由近20台机组构成，由于不同品种工艺要求的差异，不但有个机组本身调整的问题，更有运转过程中各机组之间的速度协调问题，该机组采用一台总变频器来控制各机组的调速变频器。PLC控制系统已经扩展到了很多工业领域，基于PLC总线的工艺控制计算机。基于PLC奶茶包装机的控制系统，要求制造业对市场需求做出迅速的反应能生产小批量，多品种，多规格的各种奶茶包装，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，此类PLC控制系统专为在工业环境下应用而设计的，PLC的应用面广，功能强大，使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。奶茶包装机是一款高速奶茶包装机械，可用于包装各类粉状奶茶。PLC控制，袋长即设即切，无需调节空走，一步到位，省时省膜。参数设定方便快捷，故障自诊断功能，故障显示一目了然，能将检测出来的信息通域记忆构件或记忆演算，指令远距离执行机构所规定的动作，如自动剔除不合格品，无料不送袋，断瓶不充填，缺盒不上标等等。高感度光电眼色标跟踪，数字化输入封切位置，使封切位置更加准确。温度独立PID控制，更好适合各种包装材质。定位停机功能不粘刀，不浪费包膜。设备消耗的功率小，奶茶包装机的包装对象（奶茶块）的质量小（一般不超过20g），机器的功率主要用于克服摩擦力，所以消耗的功率就小。卫生要求高，奶茶包装机必须保证奶茶的卫生质量。直接和奶茶块接触的构件应符合食品卫生要求，且能迅速地分解和组合，形状简单，便于洗涤。整个设备可以分为三大部分：生产线送奶茶部分，奶茶包装部分，包装纸部分。生产送奶茶部分直接与奶茶生产线相连，通过传送带将奶茶送至托盘上，再通过送奶茶盘将奶茶奶茶送到钳奶茶机械手上，包装完成后由传送带将成品输出。奶茶送到托盘上以后，接奶茶杆向下运动，顶奶茶杆向上运动是奶茶块和包装自夹在两者之间，然后同步上升，进入机械手，使包装纸成形，经过折边器折一边，由转盘带着机械手旋转，经过托板，是包装纸全部覆盖带奶茶块的端面上，完成全部包装。所有控制由软件实现，方便功能调整和技术升级，永不落后。该部分仅可通过一颗奶茶，奶茶经过此通道过后形成队列,依次从包装入口进入如图1-2所示。 1-2 奶茶包装机卷纸图奶茶包装机的自动化程度高，一般都是自动包装机，其结构复杂，自动化程度高，它可以是送纸，切纸，抄纸，理奶茶，包裹及打奶茶过程自动完善。易于调节奶茶块的形状，大小，及包装纸的性能，为使奶茶包装机能可靠地工作，奶茶包装机都有调节系统和一定范围内的无级变速装置。可以根据需求，对奶茶包装的速度进行无极变速，本机还可以自由更换奶茶种类（但必须为颗粒状的，其尺寸必须在长95-420mm，宽10-360mm，高5-70mm范围内）。包装纸送纸部分由齿轮机构驱动，拖动包装纸向前运动。包装纸安装于包装纸托盘上，正常送纸时，绷紧的包装纸压迫包装纸刹车，使其在摩擦力的作用下向前运动；缺纸或断纸时，绷力消失，包装纸刹车回到原位置，系统报警。包装纸的位置由色标传感器进行定位，当位置出现偏差时，由控制系统发出指令驱动步进电机进行拖拉包装纸运动，从而实现包装纸的准确定位。如图1-3所示。1-3包装纸卷纸机构图奶茶包装部分是周期性的重复动作。整个包奶茶过程包括如下几个步骤：推奶茶送纸包装喷胶传送粘合 成品。奶茶包装机工作时很多动作是间歇性的，采用通过三相异步电机带动齿轮机构提供动力，利用凸轮机构与连杆机构等机械结构配合进行包装、进排奶茶、送包装纸等动作，有效的保证了控制的速度与精度，使系统紧凑、可靠。而且奶茶包装后外形美观，包装纸无明显损伤，撕裂，皱褶，机械结构简单，操作方便，安全，维修容易，造价低。在包装机开始工作前，通过安装在下料筒后侧的一个传感器控制左、右压紧气缸动作，使左、右同步带压在下料筒两侧的平面上。推动裸奶茶进入包装主箱体，同时另一端的送纸机构开始工作，将准备好的包装纸通过传送带送入包装主箱体，主箱体在得到传感器和PLC的信号后开始工作，将裸奶茶包裹，并喷胶进行粘合，最后通过成品传送带将已经包装好的奶茶送入成品奶茶库。1.2研究背景及动态近年来，随着科学技术发展，现代化的生产日益趋向商品化、社会化和国际化。其产品已不单纯是本国的消费，而是要发展出口创汇，逐步形成外向型的经济。所以产品包装以不可能依靠手工操作，因手工包装不仅在速度、指令、卫生条件和花色品种等方面都无法和机械化包装相比拟，现代化的包装机械已超越简单地模仿人的动作，有许多功能是手工操作根本不能实现的。机械包装的生产能力往往比手工包装提高几倍，十几倍甚至几十倍，无疑这将会更好地适应市场的实际需要，合理安排劳动力，为社会多创造财富。国内奶茶技术专家在引进合作，自主独创方面取得了可喜可贺的成绩，在奶茶设备方面先后推出充气奶茶生产线，胶体软奶茶自动线，超薄膜真空瞬时熬煮机组，棉花奶茶生产线等：包装机械有单扭结包装机，折叠式包装机，高速枕式包装机等。巧克力设备方面有多功能花色巧克力浇注线，巧克力复合制品自动线，巧克力挤出成型线，巧克力快速精磨机等。多功能是新设备开发的一个重要趋势，因为奶茶品种花样多，更新快，生产厂家对设备的要求是多功能，适应性强。此外，现在新推出的设备大都采用伺服电机，光电跟踪等新技术，使其自动控制能力大大提高。比如一种巧克力复合制品自动线，全线由近20台机组构成，由于不同品种工艺要求的差异，不但有个机组本身调整的问题，更有运转过程中各机组之间的速度协调问题，该机组采用一台总变频器来控制各机组的调速变频器。PLC控制系统已经扩展到了很多工业领域，基于PLC总线的工艺控制计算机。基于PLC奶茶包装机的控制系统，要求制造业对市场需求做出迅速的反应能生产小批量，多品种，多规格的各种奶茶包装，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，此类PLC控制系统专为在工业环境下应用而设计的，PLC的应用面广，功能强大，使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。包装机械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。事实上PLC用于这种场合是最能显现出其经济性。当然我们不仅忽视了PLC的另一个优点，那就是其运行速度及可靠性和寿命远远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲，PLC最适合于需要大量中间继电器的场合。且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)可靠性高;6)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;7)具有扩展单元或扩展模块，当需要较多I/0时可以方便地扩展。 因此，国外在注塑机、各种包装机上已经大量地采用了PLC来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。 我国包装机械目前控制部件大多还沿用继电器方式。如果能用PLC来取代的话，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化。更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现，使机器在某种程度上实现智能化。通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用PLC控制系统。评述当前控制系统领域较为成熟的控制技术主要有两种，分别是DCS控制系统和PLC控制系统。PLC控制系统和DCS控制系统相比，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。因此在奶茶包装机的控制系统方式的选择上，采用PLC控制系统。奶茶包装机的控制对象相对集中，主要有变频器控利用PLC可以构成多种控制系统：单机控制系统，集中控制系统，分散型控制、包装纸位置调整、步进电机驱动控制等，因此选择集中控制系统。集中控制系统模型如图所示。各被控对象直接与PLC的I/O口相连接，进行通信、控制。为提高系统抗干扰能力，在硬件方面，交流电源增加滤波装置，输入信号进行光电隔离，并远离强电布线。信号采用屏蔽线传输，采用放射性一点接地等措施，消除、减弱共模和瞬变干扰。结论本次设计目的是利用可编程控制器、变频器、步进电机以及传感器控制技术，充分利用了数字化电子控制技术，通过合理的设备选择，软件设计，提高了奶茶包装机运行的可靠性和运行效率，使奶茶包装机结构紧凑，噪音降低，维修简单，故障率低，节约了电能。具有一定的经济效益和社会效益。系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，是大学学习的总结，更是进一步学习和探索的过程。在这个过程中我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的认识，对机械的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识与体会，并在学习和实践过程中增长了知识，丰富了经验。控制系统的开发设计是一项复杂的系统过程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与调试的过程来进行。系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程。在设计过程中，要边学习边实践，遇到新的问题就不断探索和努力，即可使问题得到解决。72 奶茶系统分析及控制系统总体设计2.1 奶茶包装机生产工艺概述奶茶包装机主要通过一台2.2KW的三相异步电机带动各机械部分完成包奶茶的各种动作。奶茶包装工艺流程如图2-1所示。喷胶托盘成品奶茶包奶茶机构推奶茶机构未包奶茶送奶茶机构包装纸成品库图 2-1 奶茶包装机工艺过程图裸奶茶经流水线到达奶茶包装机，当位于奶茶包装机入口处的光电传感器检测到有裸奶茶到来时，控制推奶茶机构的电磁阀得电，吸合、下拉推奶茶机构，与此同时推奶茶机构动作将奶茶送入旋转的奶茶托盘中。当奶茶进入托盘三个周期后，控制包装纸转动的电磁阀闭合，开始送包装纸。利用色标传感器控制、调整包装纸的位置，当纸位置合适时，包装纸被截断，在包奶茶机构的作用下，按预先设定的步骤，包裹奶茶。若纸位置不合适，PLC将发出脉冲信号驱动步进电机对包装纸进行前后拖动，对包装纸位置进行调整。包裹完毕，进行喷胶，粘合之后，奶茶经传送带送奶茶机构送至成品奶茶库。在传送过程中，由于传送带的楔形挤压作用，奶茶纸粘合完成，同时也对其进行了更好的整形。2.2 奶茶包装机控制要求2.2.1 包装机控制对象分析包装机的主要传感器以开关量提供给PLC，作为决策的依据。开关输入量有：（1）启动/停止信号（2）色标信号（3）奶茶生产线上行程开关（4）包装后的奶茶输送线上的行程开关（5）自动/手动开关（6）变频器复位开关（7）喷胶开关（8）急停按钮（9）色标开关（10）光电码盘（11）速度调节（12）压缩空气开关输出量有：（1）急停指示灯（2）无纸断纸指示灯（3）色标补差信号灯（4）产品过大信号灯（5）强行送纸指示灯（6）色标状态指示楼上（7）喷胶开启状态指示灯（8）步进电机控制器（9）急停控制信号（10）电磁阀1、2输出信号大多是一些开关输出信号，如主电机驱动、步进电机驱动等，这些信号经功率放大驱动对应的包装执行机构。人机界面使用RS-232口进行通讯，变频器使用RS-485口进行通讯。2.2.2 控制系统方式选择当前控制系统领域较为成熟的控制技术主要有两种，分别是DCS控制系统和PLC控制系统。PLC控制系统和DCS控制系统相比，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。因此在奶茶包装机的控制系统方式的选择上，采用PLC控制系统。奶茶包装机的控制对象相对集中，主要有变频器控利用PLC可以构成多种控制系统：单机控制系统，集中控制系统，分散型控制、包装纸位置调整、步进电机驱动控制等，因此选择集中控制系统。集中控制系统模型如图所示。各被控对象直接与PLC的I/O口相连接，进行通信、控制。为提高系统抗干扰能力，在硬件方面，交流电源增加滤波装置，输入信号进行光电隔离，并远离强电布线。信号采用屏蔽线传输，采用放射性一点接地等措施，消除、减弱共模和瞬变干扰。控制器控制对象C控制对象A 控制对象B图 2-2 集中控制系统模型图2.2.3 系统运行方式奶茶包装机的运行，采用自动运行和手动运行方式。与运行方式对应的是停止运行方式。奶茶包装机的停止运行方式包括正常停运、暂时停运、紧急停运三种。包装机控制要求：手动运行：可以用按钮对包装机的各个部分进行单独控制，便于调机，主要用于故障的检修与恢复。自动运行:按下启动按钮，系统即开始连续、协调、周期性地完成各包装动作，直到系统接收到停止运行信号。2.3 奶茶包装机控制系统主要器件的选择系统采用PLC进行集中控制，主要控制对象为一台2.2KW的Y2-IP54系列三相异步电机。该Y2系列异步电动机具有效率高、起动转矩大等特点。电动机比Y系列提高了外壳防护等级为IP54；提高了绝缘等级为F级绝缘，温升作B级考核，降低了电动机的噪声，用负载噪声考核（原Y系列（IP44）电动机用空载噪声考核）。电动机的结构设计合理，外形美观。Y2系列三相异步电动机的冷却方式为IC411，安装尺寸及功率等级完全符合IEC标准和德国的DIN42673标准，与Y系列（IP44）电动机相同。使用条件：环境空气温度不超过40；海拔不超过1000m；工作方式为连续运行A1工作制；额定电压为380V；额定频率为50Hz；3kW以下为联结，4kW及以上为联结。电机的参数如表2-1所示。表2-1Y2IP54三相异步电机主要技术参数型号额定功率满载时堵转电流堵转转矩最大转矩KW转速(r/min)电流(A)效率(%)功率因数(cos)额定电流Ist/IN额定转矩Tst/TN额定转矩TM/TNY2 IP542.214305.16800.817.02.32.3主要的控制器件包括：PLC、变压器、变频器、步进电机及其控制器、光电编码盘等。2.3.1 PLC控制器的选择合理选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用有着重要作用。根据分析，以及I/O点数确定并按20%-30%备用量原则，选择了台达DVP-64EH系统。DVP-64EH是一款可扩充的高性能型主机，具有高速度，高性能的小型PLC，应用领域相当广泛。主机具有16K Step程序存储器，最大512点数位扩充，200KH高速计数器，200KHz高速计数器、200KHz脉冲输出（提供伺服定位指令）。其内建RS-232与RS-485两个通讯口，可自行扩充第三个通讯卡。可连接八台类比、温度、定位、计数器等扩充模组。支持PID、PLC EASY LINK(32站)、10,000档案暂存器、187应用指令。支持数位、类比、通讯、存储卡与资料设定器等功能。在本系统中，PLC的主要任务是接受外部开关信号（如按钮、行程开关、继电器等）的输入，判断当前的系统及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的任务。2.3.2 变频器选择考虑到奶茶控制系统对速度控制精度要求较高，负载为2.2KW的三相异步电机，属于轻载。有两款变频器适用与奶茶包装机的要求，分别为台达VFD-A型和台达VFD-V型，我选择了容量为2.2KW台达VFD-V型变频器。因为台达VFDV系列是高性能矢量控制交流马达驱动器。该变频器采用矢量控制技术，从而提高了系统的控制精度和动态响应精度；输出频率在0.1400Hz且可设定V/F曲线；自动转矩补偿及误差补偿；8段预设速度，7段可编程运转；超低噪音，载波可自115KHz调整；内建PID回授控制，简易定位功能；睡眠/唤醒功能和零速Holding功能；省能源，有自动稳压功能18。如图2-3所示。 图2-3 台达VFD-V型变频器（左）和台达VFD-A型变频器（右）系统中的VFD-V型变频器的使用V/f开环控制，但通过光电编码器采集电机的实际转速值。变频器通过RS-485口接收PLC的“控制字”命令和转速设定值，或向PLC发送“状态字”和转速实际值。2.3.3 步进电机及其驱动器选择步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机，步进电机的最大特点是其“数字性”，对于控制器发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度，具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单，成本低(相对于伺服)、电机和驱动器不易损坏等特点，非常适合于微电脑和PLC控制。步进电机有步距角、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。(1)步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。(2)静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。(3)电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）步进电机在奶茶包装机系统中用于奶茶包装纸的精确定位，当奶茶包装纸位置不合适时，色标传感器发出信号，PLC根据信号发出脉冲给步进电机驱动器对包装纸进行色标补偿，驱动步进电机前后拖动，不断调整包装纸的位置，保证奶茶包装的质量。奶茶包装机步进电机保持转矩为12，系统中选用深圳步进电机公司两相步进电机110系列中的2S110Q-03999型步进电机，使用2H1080型步进电机驱动器对其进行驱动。该型电动机的基本技术数据如表2-2所示。表2-22S110Q-03999型步进电机基本技术参数整步步距角（度）静态相电流（A）相电阻（）相电感（mH）保持转矩（）阻尼扭矩（）最大轴向负载（N）最大径向负载（N）1.85.50.79.811.79.7602202H1080型步进电机驱动器是两相双极整半步型步进电机驱动器。它的特点是高性价比，高速力矩大，相应快，光隔离拆分信号输入，静止时自动低功耗运行，锁机电流可调等特点。其供电电压最大可达交流100V，提供电机更好的高速驱动性能；采用双极性恒流驱动方式，最大驱动电流可达每相8.5A，可驱动相电流小于8.5A的任何两相双极型混合式步进电机；对于电机的驱动输出相电流可通过DIP开关调整，以配合不同规格的电机；具有DIP开关可设定电机静态锁紧状态下的自动半流功能，可以大大降低电机的发热；采用专用驱动控制芯片，可通过DIP开关设定整步或半步的驱动控制方式，适合高速大力矩的应用需求；具有脱机功能，可以在必要时关闭给电机的输出电流；控制信号的输入电路采用光耦器件隔离，降低外部电气噪声干扰的影响。2H1080型步进电机驱动器规格参数如表2-3所示。其接线方法如图2-3所示。表2-32H1080步进电机驱动器规格参数供电电压交流60V100V输出相电流4.5A8.5A控制信号输入电流620mA冷却方式内置强制风冷使用环境要求避免有大量金属粉尘、油雾或腐蚀性气体使用环境温度10+45使用环境湿度85%非冷凝重量1.65Kg图2-4 H1080驱动器典型接线图2.3.4 传感器选择传感器分为NPN和PNP型。NPN是指当有触发信号时，信号输出线动作于L+这条高电平的电源线。对于NO型，在没有触发信号时，输出线是悬空的；有触发时则发出与L+电源线相同的电平。对于NC型，在没有触发信号时，信号输出线与L+电源线是连通的；当有触发信号后，输出线就悬空了。对于PNP型传感器来说，信号输出线是作用于L-这条低电平的电源线的， 系统中PLC s/s端接+24V，故选择NPN型传感器。奶茶包装机中，共需要3个传感器：一个色标传感器、一个光电开关、一个行程开关。光电开关传感器位于奶茶包装机的入口处，当有奶茶到来时，发出信号，并传送给PLC，PLC控制位于传感器附近的推奶茶电磁阀吸合，推奶茶机构向下运动，将奶茶推入奶茶托盘。当奶茶进入奶茶托盘三个周期后，PLC发出指令，吸合控制奶茶包装纸运动的送纸电磁阀，开始送包装纸进行奶茶包装。接近开关传感器位于传送带入口处，用于检测奶茶是否合格。当奶茶超过设定高度时，到达行程开关位置，行程开关发出信号给PLC，PLC发出急停信号，整个系统停机，等待操作工人将不合格奶茶剔除或技术维修人员进行维修。173 奶茶包装机各功能模块设计功能概述：该机械用先进的PLC+光电系统中英文操作屏幕，可自动完成制袋，充填，封合，计数，打码等工序，该机为组合式包装设备。一部分为数数充填部分，装配有112个振动下料盘，可以搭配性的使用其中一个，两个，三个.，另一部分为包装器，自动完成包装工作，该机可用于包装食品：如奶茶。可对物体进行单件或条盒自动裹包，送料，折叠，热封。包装速度可无级调速，更换折级板及少量零部件即可包装不同规格大小，高矮，宽窄的盒式包装物。3.1 供电模块设计图 3-1 奶茶包装机控制系统供电模块电气原理图奶茶包装机系统中，设备多，工作电压也不尽相同。三相异步电机工作电压为380V AC，PLC的工作电压为220V AC，人机界面等的工作电压为24V DC，步进电机驱动器的工作为90V AC。如图3-1所示。源由滑线引入电气柜中，经过熔断器后，再经由总进线空气断电器QS后供给系统的控制回路及主电机电路部分。变频器使用380V交流电压以供驱动三相异步主机工作，故直接将三相电源经继电器送入变频器。三相电源的线电压为380V，相电压为220V，因此系统取三相中的A相相电压提供220V交流电压，A相经过交流稳压器后提供给环形变压器和开关电源等设备。环形变压器T2的作用是将220V AC变为90V AC供步进电机驱动器工作。开关电源为系统提供24V DC电压，为人机界面提供工作电压，PLC的输入、输出点提供基准电压。主电路及各分电路均有带有预防过流过载功能的断电器保护装置，确保在系统过载时能及时与三相电源断开，防止设备长期处于过流或过载状态时危及设备安全。220V交流在送入设备之前先通过了稳压设备，防止电压出现大幅波动时，对设备造成危害，提高了系统的可靠。3.2 执行主电机模块设计3-2 主电机控制电气原理图奶茶包装机控制系统中，各机械部分的驱动是由一台三相异步电机提供的。三相异步电机的具体参数见表2-1。如图3-2所示电机的控制电气原理图。三相电源分别通过线路11、12、13接入变频器的R、S、T端子为变频器及主电机提供工作电源。正常工作时，变频器通过RS-485口与PLC通信取得电机工作频率，驱动电机在相应频率在工作。过流和过载时，主电机持续发热，热继电器断开，主电机与电源被切断，立即停止工作。急停时，PLC发出急停控制信号，其对应变频器继电器被断开，主电机停止动作，等待维修人员进行故障排除。为了保证在系统故障时，能及时对电机进行刹车、制动。所谓制动，是指电能从电机侧流到变频器侧，此时电机转速高于同步转速。常用的制动方法是在变频器侧安装制动电阻，将制动产生的能耗以热量的形式消耗掉。=三相异步电机的转子速度与同步速度之差：N100%N=100%NS=转差率：相对比为了保证在系统故障时，能及时对电机进行刹车制动，根据台达变频器技术手册选用了300W 70的BR300W070型制动电阻，其具体参数如表3-1所示。主电机在启动之前，应断开不必要的负载，确保主电机轻载启动。按下启动按钮后，电机在变频器的控制下，逐步提高速度，实现高速运转。若机器出现故障，立即切断电源，并且进行机械制动，确保机器的安全。表3-1中ED%代表电阻值瓦特数及使用的频率。表 3-1台达变频器刹车电阻选用参数电压适用马达全载输出转矩KG-M应用电阻规格制动单元制动电阻料号用量制动转矩10%ED%最小电阻值hPkW型式VFDB用量230V32.21.262300W 70BR300W070112535 为了保证主电机转速的精度，系统中使用了光电编码器采集实际转速值，并将其传送给PLC，再由PLC与变频器进行通讯不断的进行修正。3.3 包装纸同步控制模块设计包装纸的传送在奶茶包装中相当重要，传送过快或过慢均会造成包装纸位置不合适，影响产品包装质量。在Y06型奶茶包装机中，奶茶包装纸动作是由三相异步电机带动相应的机械结构来完成的。在包装纸传送系统中加入了一台步进电机和SICK KT3 W-N1116型（NPN）色标传感器，与PLC联动，构成一个闭环系统，实行色标补偿。当色标探测到包装纸位置不正确时，PLC会向步进电机驱动器发送脉冲，驱动步进电机对其位置进行调整，从而保证包装的质量。步进电机及其驱动器电气原理图如图3-3所示。图3-3 步进电机及其驱动器电气原理图 步进电机驱动器2H1080的工作电压由变压器T2提供。图FG为接地保护，直接接到PE。PLS口接PLC高速脉冲输出口Y0，DIR口接Y1，FREE接PLC的Y2口。当奶茶包装纸位置不合适时，PLC会通过Y0口发出高速脉冲，驱动步进电机前后运动，对包装纸位置做调整。174 奶茶包装机主要控制系统的PLC程序设计4.1 奶茶包装机的控制系统设计简述根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准。PLC的编程语言包括以下五种：梯形图语言、指令表语言、功能模块图语言、顺序功能流程图语言及结构化文本语言。PLC的特点有可靠性高、抗干扰能力强配套齐全、功能完善、适用性强易学易用、深受工程技术人员欢迎系统的设计、建造工作量小、维护方便、容易改造、能耗低等PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。奶茶包装机由PLC进行控制，因此，其系统软件的设计实际上就是PLC软件的设计，本次设计使用的软件为SIMATIC200。SIMATIC200为台达电子 - 可编程序控制器S7-200系列在WINDOWS操作系统环境下所使用之程序编程软件。SIMATIC200除了一般PLC程序的规划及WINDOWS的一般编辑功能（例如：剪切、粘贴、复制、多窗口）外，另提供多种中/英文批注编辑及其它便利功能（例如：寄存器编辑、设定、文件读取、存盘及各接点图标监测与设定等等）。S7-200系列的PLC编程语言有三种：梯形图、指令表、顺序功能流程图语言，其它编程语言作为可选软件包使用。通过SIMATIC200在WINDOWS环境下对系统进行配置、程序编制、调试和监视，用户界面方便友好。如图4-1所示为S7-200PLC控制器。图 4-1 西门子S7-200 PLC控制器4.2 奶茶包装机的功能流程奶茶包装机的控制系统程序总体流程图如图4-2所示。总体上阐述了奶茶包装机的功能流程。NYNYNYYNYPLC故障程序故障初始化程序手动主电机启动推奶茶机构延时2周期初始化程序送包装纸停止报警故障指示手动程序PLC停止运行警报开始结束设备故障自动手动自动有奶茶来奶茶超高结束图 4-2 奶茶包装机控制系统程序总体流程图PLC与通用计算机控制系统之间的区别是：PLC是专门为工业控制而设计的，而通用计算机是专门为科学计算和数据处理设计的。此外，奶茶包装机的PLC控制程序主要有两种模式：自动模式和手动模式，由初始化模块、主电机控制模块、推奶茶模块、包装纸模块组合构成。自动模式下，控制系统按预先设定的顺序依次执行各模块；手动模式下每执行完一模块需要手动操作一次程序才会进入下一模块。控制系统程序总体流程图如图4-1所示。PLC I/O地址分配如表4-1所示。台达DVP系列PLC地址顺序以8进制编号。表中列出了输入继电器、输出继电器的分配情况。表4-1 PLC I/O分配表输入项目名称对应输入地址输出项目名称对应输出地址编码器A相输入I0.0步进电机驱动器PLS-Q0.0编码器B相输入I0.1步进电机驱动器DIR-Q0.1编码器Z相输入I0.2步进电机驱动器FREE-Q0.2启动I0.4机器复位Q0.3停止I0.5运行指示Q0.4手动/自动I0.6色标补偿Q0.5色标开关I0.7缺纸断纸Q0.6强行送纸I1.0停止Q0.7压缩空气I1.1送纸电磁阀半功率继电器Q1.0变频器故障I1.2推奶茶电磁阀半功率继电器Q1.1色标传感器I1.3变频器继电器Q1.2来料检测I1.4压缩空气继电器Q1.3皱纸检测I1.5送纸电磁阀Q1.4断纸开关I1.6推奶茶电磁阀Q1.5产品过大I1.7压缩空气电磁阀Q1.6复位I2.3变频器故障指示灯Q1.7输入端DC24V的负极接公共端1M、2M。输入开关的一端接到DC24V的正极，输入开关的另一端连接到CPU224或ME223各输入端。输出端DC24V的正极接L+端。输出负载的一端接到DC24V的负极，输入开关的另一端连接到CPU224和EM223各输出端。PLC外部接线图见下图4-2，梯形图见附录。其中包含主控制器CPU224及扩展模块EM223。图4-2 PLC外部接线图4.3主电机的PLC控制指令语句表4-2主电机的PLC控制指令语句表名称指令名称指令LDI0.4LDI0.4ANI0.6ANII0.6ANII1.2ANII1.2ANII1.5ANII1.5ANII1.6ANII1.6ANII1.7ANII1.6SETM0.2ANII1.7LDM0.2ANDT0.0ANDI0.6SETQ1.2ANII1.2LDFI0.4ANII1.5ANII0.6ANII1.6ANII1.2ANII1.7ANII1.5ANDT0.0ANII1.6SETQ1.2ANII1.7RSTM0.2RSTQ1.2LDPI0.5ORI1.6ORI1.5ORI1.7RSTQ1.2LDQ1.2OUTQ0.4上述程序对应梯形图将在附录A中给出。其中，M2自动启动延时寄存器，T0先吹纸后运行。4.4 系统仿真程序启动仿真如图4-1，I0.4为程序启动的开启按钮，当按下按钮I0.4后，程序启动按钮得到信号Q0.4得电，奶茶包装机开始运行。图4-1程序启动仿真奶茶包装机推奶茶系统仿真如图4-2为，I1.4为包装机运行按钮，当按下按钮I1.4后，奶茶包装机推奶茶指示得到信号Q1.5得电，奶茶包装机开始推奶茶。图4-2奶茶包装机推奶茶系统仿真奶茶包装机送纸运行系统仿真如图4-3，I1.0为送纸运行按钮，当按下按钮I1.0后，奶茶包装机送纸指示得到信号Q1.4得电，开始送纸。图4-3奶茶包装机送纸运行系统仿真奶茶包装机断纸运行系统仿真如 图4-4，I2.2和I1.3为断纸运行按钮，当按下按钮I2.2和I1.3后，奶茶包装机断纸继电器得到信号Q0.6得电，奶茶包装机执行断纸。图4-4奶茶包装机断纸运行系统仿真奶茶包装机调整运行系统仿真如 图4-5，I2.3为调整运行按钮，当按下按钮I2.3后，奶茶包装机调整指示得到信号Q0.7得电，奶茶包装机执行调整命令。图4-5奶茶包装机调整运行系统仿真奶茶包装机包装运行系统仿真如 图4-6，I2.1为包装运行按钮，当按下按钮I2.1后，奶茶包装机包装指示得到信号Q1.0得电，奶茶包装机执行包装。
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