基于PLC的巧克力全自动包装控制系统设计

摘要随着现代人生活水平和物质生活水平的不断上升，人们对巧克力包装的要求也变得越来越高，需要个性化，多样化，因此对包装设备提出了更高要求。巧克力包装外观要整齐美观，包装质量要高，为了满足要求和标准，对包装控制的各个环节都提出了更加严格的要求。巧克力全自动包装具有速度快，稳定可靠的特点，成为巧克力生产线上必不可少的设备。巧克力全自动包装控制系统则利用PLC作为控制核心实现巧克力包装过程的自动控制，从模具安装，自动冷却，自动脱模，质量检测，产品封装，标签贴附等自动控制。其关键技术硬件设计包括PLC的选型，电动机的选择，传感器原理的运用及电气元器件的选择使用，通过控制系统软件设计保证了系统工作时的稳定性和效率，包括系统顺序流程图设计、I/O分配表设计、控制程序设计和仿真。巧克力全自动包装控制系统设计能够提升巧克力包装的生产效率，保障巧克力包装的质量，确保巧克力包装工艺的精准性和一致性，采用PLC精准控制，保障巧克力包装的整个工艺流程实现自动化管理，为巧克力生产企业提供技术支持。关键词：PLC；巧克力包装；全自动AbstractThedesignofafullyautomaticchocolatepackagingcontrolsystembasedonPLCcanprovideanewsolutionfortheautomatedpackagingofchocolateandevenfood.Currently,withthedeepeningofIndustry4.0andintelligentmanufacturing,thissystemwillplayanimportantroleinimprovingproductionefficiency,reducinglaborcosts,andensuringproductquality.Themodulardesignfacilitatesfutureexpansionandupgradingtomeetthepackagingneedsofdifferenttypesofproducts.Ihopethissystemcanbeappliedinpracticalproductionandimprovedbasedonfeedbackinformationtoachievemoreefficientandintelligentpackagingeffects.ThesystemdesignofthefullyautomaticchocolatepackagingcontrolsystembasedonPLChasfullyconsideredtheactualproductionneeds,buttherearestillsomeshortcomings,suchastheneedtofurtherimprovefaultdiagnosisandself-healingcapabilitiestocopewithcomplexandchangingproductionenvironments;Thedataprocessingandanalysiscapabilitiesthatmeetproductionneedsneedtobeimproved.Theintroductionofmoreadvancedsensingtechnologyandartificialintelligencealgorithmscanfurtherenhancetheintelligencelevelofthesystemtocopewithconstantlychangingmarketdynamicsandpersonalizedcustomerneeds;Continuouslymonitoruserfeedback,furtheroptimizetheuserinterfaceanduserexperience,andmakethesystemmoreuser-friendlyandconvenienttouse.Keywords:PLC;chocolatepackaging;Fullyautomatic第1章绪论1.1研究背景与意义在当下自动化技术迅猛发展的大背景下，工业生产领域正经历着快速变革。自动化控制技术，尤其是可编程逻辑控制器（PLC）的运用，已然成为提高生产效率与产品质量的核心要素。全球制造业以及包装行业都在踊跃采用PLC技术，以此来应对不断增长的市场需求和生产难题。PLC技术凭借其高可靠性、灵活性以及可编程性等优势，已在各类自动化系统中得到广泛应用，从而有力地推动了生产过程朝着智能化与高效化方向发展。巧克力行业是食品制造行业的一个组成部分，有着自身的生产特点和包装要求。巧克力产品包装不仅需要符合食品卫生标准，同时还需具备一定美观性、完整性和市场性等要求。巧克力消费群体市场的扩大和消费者对产品要求的变化，需要巧克力企业具有更加高效、精确的包装系统，以满足生产制造要求和市场竞争需要。巧克力产品包装系统多采用人工操作，自动化程度低，生产效率和包装质量得不到保证。因此，设计基于PLC的巧克力全自动包装控制系统，主要是为了避免上述缺点，利用PLC控制，实现巧克力的全自动包装。设计目标巧克力产品属于高附加值产品，对于巧克力包装的要求是高效率、高精确度，包装要达到质量一致性。目前巧克力包装系统的设计大多都是针对一般包装系统进行设计，对于巧克力这种产品，缺乏考虑产品需求的定制化设计。通过设计基于PLC的巧克力全自动包装控制系统，预期达到以下目的：提高巧克力包装的自动化程度，降低人工的参与度；提高巧克力包装的精度，确保每一个巧克力包装产品的质量；提高整个系统的效率，降低生产成本。基于PLC的巧克力全自动包装控制系统的设计不仅能够提高巧克力生产企业的竞争力，而且能够为其他类似产品的自动化包装系统设计提供参考，促进包装行业的发展和应用。1.2国内外研究现状1.2.1国内发展现状（1）技术进步与广泛应用：前几年我国众多食品制造企业和食品包装企业在生产过程中都尚未实现自动化，高度依赖人力参与生产环节。这种状况不仅使得食品安全的风险大幅度的增加，更对食品和食品包装的安全性和统一性造成了不良影响。近几年随着国内自动化技术的快速发展，PLC控制的食品包装系统在药品包装行业的应用日益广泛。越来越多的国内食品生产企业开始采用全自动包装控制系统掌控食品包装生产的各个环节，实现可靠的自动化控制。针对于基于PLC的巧克力的全自动包装控制系统技术，国内已有诸多研究涉及相关控制系统的优化和开发。如基于PLC的相框组成包装控制系统[1]和基于PLC的枕式包装机控制系统[2]优化了包装流程并提高包装效率。成品硅定量称重包装控制系统的设计提供了关于定量包装控制的创新方法，对巧克力包装精确计量有直接帮助[3]。同样，自动化码垛技术对巧克力后期包装的处理也具有指导意义[4]。李延颖和冯京晓（2023）研究了基于PLC的全自动药品包装机控制系统，其技术在巧克力全自动包装中也具有重要参考价值[5]。（2）产品性能提升：在之前，模具化设计处在起步的萌芽期，导致包装产品的功能相对较为有限。机器往往难以灵活地适应不同的包装需求，在很大程度上限制了产品的适应范围，然而，随着近几年的快速发展，科技的不断进步，对包装拓宽和改进，在产品性能上实现了显著提升，同时在服务质量和性价比等方面也展现出了明显的竞争优势。如在封口控制系统设计[6]和生产线控制系统的研究中都提出了改进自动化控制精度的方法，对巧克力包装系统中的精密控制具有启发作用，提高了巧克力包装过程的质量[7]。国内对于包装过程中的封装环节方面的研究有很大的进步，设计理念和封装技术已具有成型的体系，如基于S7-1200PLC的全自动胶带封箱控制系统的设计[8]为封装环节提供了有效的参考。提出包装生产线的集成控制系统[9]和PLC机械零部件的智能化控制系统，对实现包装系统的整体协调和优化有着指导意义[10]，实现了包装生产线智能化、集成化，包装效率显著提升。吴长贵（2023）通过分析基于PLC的自动药片装瓶机控制系统，其控制策略与实现方式可以为巧克力包装系统的计量和装填提供参考[11]。（3）相关政策和产业间的协作：政府对有关自动化、智能化的支持和产业间协作的相关政策，推动了PLC控制系统在食品包装产业中的应用，相关优惠政策鼓励企业采用自动化、智能化技术，提升生产效率，促进行业间的交流合作，加强产业间的协作能力，实现产业链的升级。政府倡导企业生产过程中要保护环境，环保纸袋糊底机控制系统的提出在包装领域为生产过程中环保、生态的包装提供了一项解决方案,缓解了生产过程和环境污染之间的问题[12]。1.2.2国外发展现状国外食品包装自动控制系统的发展源远流长，作为食品包装设备的重要出口国，德国拥有实力雄厚的包装设备企业，包装企业一直保持着持续增长的趋势。美国包装企业内部的忧患意识较早，大部分商品采用机电一体化控制，获得了计算机系统与机械设备的深度融合。与德国和美国相比，日本包装企业虽然起步较晚，但也显示出食品包装设备自动化程度高、安装便捷、包装精度高、操作方便等特点。国外食品的主要特点体现在其先进的技术、高效的自动化水平以及广泛的应用范围。国外药品包装的特点主要为：（1）技术成熟与创新驱动：在国外，PLC技术在包装行业已经相当成熟，并且在不断创新。国外的PLC控制系统在性能、稳定性、可靠性等方面具有较高的水平，广泛应用于食品包装行业。同时，国外的PLC厂商还持续在探寻前沿技术与崭新应用领域的道路上不懈努力，推动食品包装行业的持续发展，迈向新的高度。美国企业非常重视食品包装机械在自动化方面取得的显著进展，致力于广泛运用先进的控制程序、自动化检验技术、数据收集与展示等多样化控制手段，从而大幅度提升生产效率并保障包装质量，如基于云计算平台的PLC控制系统，用于气动机械的自动化装配线[13]。而日本则在微电子技术控制食品包装机方面独具优势，通过精妙的微电子技术实现无人操作，不仅大幅提升了生产效率，而且显著的增强了安全性。（2）标准化、模块化发展：国外PLC控制系统的标准化、模块化，有利于企业降低生产成本，提高生产效率。国外食品包装机械的结构设置更加先进，具有多种功能，一台包装机械可以轻松适应多种规格的物料包装，例如基于PLC的气动裂开机控制系统[14]等，若要实现此类功能只需要对机器的模块进行不同规格的更换即可，十分便捷。国外的PLC技术也具有较好的兼容性、扩展性，对于不同包装产能和需求大小的企业，能提供更多选择。（3）环保与可持续发展：随着现如今环保意识的逐步提高，国外PLC厂商也纷纷致力于研发环保节能的包装控制方案，通过控制软件算法、降低能耗等途径，为绿色生产、推进企业可持续发展而努力。近些年来，为了适应国内外市场发展的需要，各国的科研投入力度不断加强，各种先进控制设计方法的大量应用，使得市场上不断涌现各种高效智能的高技术产品，为整个行业的发展提供了强劲的动力[15]。综上所述，PLC在全自动巧克力包装控制设计领域的国内外发展现状，可以看出，其技术不断进步，应用领域也越来越广泛，随着国内外市场的进一步结合，技术的交流，相信未来PLC在巧克力包装领域的应用会更加广泛，能够做到完全实现包装设备的自动化。1.3研究内容基于PLC的巧克力全自动包装控制系统的设计。主要研究并实现以下一系列功能。（1）温度精确控制：主要研究巧克力生产各阶段的温度控制，用温度传感器实时检测，采用加热冷却装置与PLC控制相结合，确保巧克力在熔化时温度控制不超60℃，预冷在10-15℃，冷却在0-5℃，保持巧克力风味的。并设计手动温度设置，方便操作人员根据不同品种及不同生产状况进行设置。（2）硬件选型与集成：根据系统功能需求选择合适的硬件。选用西门子S71200系列PLC，具有较强的控制功能和扩展能力；称重传感器选用台湾MavinAs1-10Kg型称重传感器，确保称重精度；Y系列三相异步电机，提供可靠的动力。对各种传感器、执行电机、气缸、触摸屏等硬件进行集成设计，保证相互之间的协调工作，实现精确控制。（3）软件系统开发：采用TIAPortalV16软件进行软件系统设计。合理分配I/O地址，定义各信号功能，确保传输的数据准确。设计程序流程图、梯形图，在物流线中实现自动控制，完成包装线启动、包装、检测、称重、打标等工位的准确操作，整个工艺流程中各工位精准配合，提高包装效率与质量。（4）系统测试与修改：采用SIMATICWinCC软件对系统进行仿真运行，模拟实际工况，监测系统的运行稳定性、准确性和反应速度，并进行优化和修改，使系统达到实际生产需求，保证系统的稳定可靠。

第2章巧克力全自动包装控制系统整体设计方案2.1巧克力包装控制系统功能需求基于PLC的巧克力全自动包装控制系统设计选取巧克力为研究对象，可可脂在常温下呈固态，投料前要做熔化处理。融化后的可可脂和可可酱的温度一般不超过60℃，过高的温度会影响可可特有的风味。巧克力的冷却凝固一般都有预冷和冷却两个阶段。预冷阶段的温度一般控制在10~15℃，冷却阶段的温度一般控制在0~5℃。所以基于PLC的巧克力全自动包装控制系统设计对温度的要求十分注重，能够手动设置温度的上限和下限。（1）巧克力包装实物基础尺寸巧克力尺寸：标准巧克力块的尺寸为长3cm×宽3cm×高1cm。包装材料尺寸：包装纸的尺寸需根据巧克力尺寸和包装设计确定，设为长5cm×宽5cm。（2）技术参数电源要求：AC220V，50Hz。控制精度：±0.5mm。响应时间：小于0.5秒。环境适应性：能够适应巧克力生产车间的温度和湿度变化。基于上述巧克力包装实物基础尺寸及技术参数，应满足如下条件：（1）温度控制功能精确控温要求：系统应实现对巧克力在融化、预冷及冷却过程中温度的精确控制。手动设定温度：手动设定温度的上下限，根据不同的生产条件和巧克力品种进行设定。（2）硬件架构需求传感器集成：系统需集成温度、和重量传感器，以实时监测生产和包装过程中的关键参数。执行器响应：基于传感器数据，系统需控制执行电机和气缸，以实现精确的物理操作。（3）控制逻辑与自动化PLC控制核心：整个系统的控制核心为PLC，对传感器信号进行处理，发出控制信号给执行器。自动与手动模式：应提供自动与手动模式切换，以方便控制者根据不同需要控制设备。（4）用户界面需求人机界面（HMI）：系统需提供直观的用户接口，能够实时显示数据、设置参数和监控设备的工作状态。操作便捷性：界面操作要能够使操作者方便地设置温度、模式和其他操作。2.2巧克力包装控制系统结构设计本次基于PLC的巧克力包装控制系统功能分为硬件设计及软件设计，硬件架构设计需要确定系统所需的各种硬件设备，并建立它们之间的连接关系。基于PLC的巧克力全自动包装控制系统设计包括传感器、执行电机、执行气缸、PLC和人机界面等多个硬件组成。其中：（1）传感器的选择：选用温度传感器实时控制并测量巧克力生产过程和包装过程中的温度参数。选用光电传感器对巧克力的位置检测，是否到达工序位置。选用称重传感器对巧克力的质量进行检测。原理主要是利用温度、称重等传感器进行测量，并将其转换成符合国际标准的模拟量信号供PLC采集。PLC的模拟量输入模块则把这些模拟量转变为PLC内部进行处理使用的数字信号。（2）执行器：对传感器采集的数据进行处理。在PLC输入部分有一些按钮和开关，其中启动和停止按钮用来控制系统的整个工作，自动和手动模式选择开关用于在自动和手动模式之间选择，在手动模式下手动控制各个部分的执行电机以及执行气缸等工作。在PLC的输出部分，它控制着执行电机、执行气缸的继电器，例如，当PLC需要加热时，控制加热调温机的继电器，使加热调温机开始工作。软件架构是系统控制逻辑和功能实现的核心。基于PLC的巧克力全自动包装控制系统的软件系统设计包括系统I/O表设计、系统流程图、系统梯形图、系统仿真以及系统组态或模拟运行调试等部分，从而保证系统的快速性和灵活性。（1）系统I/O表设计：该部分是系统输入、输出，即传感器信号、执行器控制信号以及其他外部设备通讯接口定义，I/O表设计是把所有的硬件设备与PLC系统有效的连接起来。（2）系统流程图：流程图是对巧克力包装的具体操作流程的描述，从投料、融化、成型、冷却到包装。流程图的设计可以方便理解整个包装的顺序，对编程及调试具有直观的指导作用。（3）系统梯形图：梯形图是PLC编程中常用的图形化编程语言，用于实现复杂的控制逻辑。基于PLC的巧克力全自动包装控制系统设计中的梯形图详细展示了传感器信号与执行器动作之间的逻辑关系，包括温度控制、压力监测和包装动作的自动控制。（4）系统仿真与组态或模拟运行调试：在软件设计中，用仿真模拟整个包装过程，用于评估控制策略的有效性和系统的稳定性；组态软件用于系统参数的配置与调试，模拟运行调试用于系统部署前使系统能够在各种条件下正常工作。2.3巧克力包装控制系统整体框架基于PLC的巧克力全自动包装控制系统的设计分为信号输入、主机控制、信号输出、人机接口和供电五个模块。通过这五个模块实现巧克力从生产到包装全自动控制。其中，供电模块，为整个系统提供稳定的电力，保证各个器件正常工作。信号输入模块，包含各种传感器与控制开关，用于检测生产过程中的数据。其中的温度传感器，可以监测可可脂熔化、巧克力冷却等过程和步骤的温度，在预冷10-15℃，冷却0-5℃，确保巧克力的品质与口味；超声波开关，可以监测原料剩余量，保证原料供应；光电开关，检测巧克力在生产线上的位置等。传感器将数据转换成电信号，传输给核心控制模块。核心控制模块是利用PLC作为核心控制器，按照编程规则进行逻辑运算，对生产数据进行处理。在巧克力生产阶段，根据生产温度传感器数据，控制加热调温机、冷却调温机，调节温度；在注模环节，根据生产包装要求，控制注模阀，调节注模量；在包装环节，根据巧克力包装位置和包装材料状态，控制执行电机和气缸，对巧克力进行包装。若系统异常，核心控制器发出警报，通过人机对话和蜂鸣器提醒操作者。特殊情况，人工停止装置，必要时要人工干预，确保生产安全。信号输出端由核心控制模块发出信号，控制继电器执行相应操作，控制各种执行元件。在巧克力生产时，控制搅拌装置使原料充分混合；在注模环节，根据生产包装要求，控制注模阀，调节注模量；在包装环节，根据巧克力包装位置和包装材料状态，控制执行电机和气缸，对巧克力进行包装。基于PLC的巧克力全自动包装控制系统图如下图2.1所示。图2.1基于PLC的巧克力全自动包装控制系统图人机界面可以为操作人员提供可视化的操作环境，实时监测生产过程中的温度、重量、设备运行状态等关键参数，通过人机界面，操作人员可以手动设定温度的上下限、自动/手动的切换、设备的启动/停止等。第3章巧克力全自动包装控制系统硬件设计3.1PLC的选型基于PLC的巧克力全自动包装控制系统设计中，主控制机采用德国西门子S7-1200系列的PLC。S7-1200主要由CPU模块，信号处理模块，信号处理模块，通讯模块以及程序设计等部分构成。该系统可扩展性好，集成能力强，通信方便。另外，S7-1200PLC有多种机型，可满足中小、中、大型自动控制系统的需要。德国西门子S7-1200系列PLC如图3.1所示。图3.1德国西门子S7-1200系列PLC选用西门子S7-1200系列的CPU1215C作为控制核心，自身输入输出是系统控制的基础。CPU1215C内置的14个数字量输入点和10个数字量输出点，其中自带的14个数字量输入点可以连接启动按钮、停止按钮、传感器等用来采集系统工作时的各种状态信号，关于巧克力是否到位，包装材料是否准备完毕等等，都可通过输入点传送给PLC，而自带的10个数字量输出点则可以连接一些简单的执行元件，如指示灯、小型继电器等来指示设备运行的状态，并进行简单的控制动作。基于PLC的巧克力全自动包装控制系统根据巧克力包装控制系统的控制要求增加模拟量扩展模块。选用6ES7231-4HD32-0XB0模拟量模块，本模块用于模拟量的处理，可实现对温度、压力、流量等物理量的测量和控制。模拟量模块具有8个模拟量输入通道和4个模拟量输出通道，可根据用户需要进行配置。6ES7231-4HD32-0XB0模拟量模块如图3.2所示。图3.26ES7231-4HD32-0XB0模拟量模块3.2传感器选型3.2.1称重传感器选型巧克力称量时，称重测量的准确性与其所输出的测量信号是否可靠有很大关系，正确选择一种称重传感器是一个非常关键的音速。载荷元件的选用要考虑元件的种类、额定负载、灵敏度、精度及激励电压。依据工作条件及被测物体的特性来确定载荷元件的选型。在使用过程中，应按照系统的秤量要求来设定负载。敏感度是指称量元件所能探测到的最低标号，较高的标号往往较贵，应根据实际情况来选用。激发电压必须与由周边电路供给的电压匹配。由于重复误差，非线性误差，温度零点漂移，迟滞误差，温度敏感性漂移，蠕变等影响了测量的准确性。因此，在实际应用中，应根据实际情况对其进行选取。基于PLC的巧克力全自动包装控制系统设计选择精度为OIMLC3的台湾MavinFunctionalAs1-10Kg（平衡梁式）作为实验对象。Mavin称重传感器如图3.2所示。图3.3Mavin称重传感器该系统采用5伏、额定负载10公斤的激振电压。在10公斤的全量程时，有10mV的输出。根据欧姆定律计算出输入阻抗为410Ω时需要提供的电流，结果为12.2mA。这样能为传感器提供足够的电流以保证其正常工作。传感器接线设计采用四线制，称重传感器原理图如图3.4所示。图3.4称重传感器原理图3.2.1温度传感器选型巧克力在注模、冷却环节的温度控制要求很高，直接影响到巧克力成品的生产质量。在包装过程中，包装机需保持较高温度使包装外模软化再由横封气缸进行密合从而完成对巧克力的包装。基于PLC的巧克力全自动包装控制系统设计选用WZP-231PT100热电阻温度传感器对巧克力的生产和包装过程进行监控。热电阻（RTD）的原理是利用金属电阻随着温度的变化特性对温度进行检测。传感器检测温度和其变化转化为电信号，通过连接连接的PLC进行接收和处理。系统可以识别这些信号的变化，进而去判断巧克力生产和包装的温度是否达标。而WZP-231PT100热电阻则是使用铂电阻，其优点是精度高（±0.1~0.5℃），稳定性好，测量范围在-200℃~850℃，常用于食品加工的温度控制。WZP-231PT100热电阻温度传感器如图3.5所示。图3.5WZP-231PT100热电阻温度传感器3.3电动机选型3.3.1传送带电动机选型基于PLC的巧克力全自动包装控制系统的传送带所使用的三相异步电机是沈阳市北电电机厂生产的Y系列三相异步电机的Y80M2-2，按照JB/T10391标准研制，具有效率高、噪声低、振动小、扭转转矩高、运行可靠等特点。其安装大小和功率级别均与德国的DIN42673标准一致，外壳防护等级IP44，冷却模式1C411，绝缘等级B级或F级，工作环境温度不超过40摄氏度。电动机基本参数如表3.2所示，Y系列三相异步电机实物图如图3.5所示。表3.2电动机基本参数型号功率(KW)额定电流(A)额定转速(rpm)效率(%)功率因数(cosφ)Y80M2-21.12.52830770.86图3.5Y系列三相异步电机实物图3.3.2原料补充泵电动机选型在基于PLC的巧克力全自动包装控制系统中的原料补充泵与巧克力原浆直接接触，因此其搭配电机要求耐高温耐清洗，同时其卫生等级要求达到食品级要求。选用NordSK90L/4IE3电机，其额定功率1.5kW，额定转速1400RPM，绝缘等级为F级，耐高温达155摄氏度，通过FDA兼容油脂和EHEDG卫生设计。适配了巧克力原料容器内高温且潮湿的环境，卫生等级符合巧克力生产安全要求。NordSK90L/4IE3电机如图3.6所示。图3.6NordSK90L/4IE3电机3.3.3包装电动机选型基于PLC的巧克力全自动包装控制系统中的包装电机选用QCA100X/4三相异步电机。电机的整体结构，包括通风装置和接线盒，都使用压铸铝部件，以实现高散热效率。采用四边形框架，通过集成在压铸铝外壳中的通风管道进行冷却，实现高效和均匀的热交换、低噪音和双向引导气流。具有线性设计和坚固的结构部件，压铸铝四边形结构轻质量，带有用于优化冷却的集成通风管道。适用与巧克力包装机中热封装环节，能够支持包装机构的运行。其性能参数为：额定转速1500RPM，额定功率5.5KW，额定电流11.8A。QCA100X/4三相异步电机如图3.7所示。图3.7QCA100X/4三相异步电机3.4触摸屏选型触摸屏TP900为西门子生产制造，型号为6AV2124-0JC01-0AX0。TP900分辨率为640*480像素，屏幕采用1600万色LED背光，有较好的显示效果。表面采用抗腐蚀，坚固耐用不锈钢材质，表面光亮，易于清洗保养。前端采用IP66K防护等级，紧密型、坚实度更高。在操作界面方面，触摸屏TP900可为巧克力全自动包装控制提供人机操控界面。通过自定义菜单按键实现灵活的巧克力包装控制，通过与PLC通信用户可进行参数设置、监控等工作，如传送带频率设置、合格重量设置、冷却时间设置等设定，提高了生产效率，也增强了安全系数。同时，触摸屏TP900还能支持触摸功能，用户可直接在屏幕上点按、设置参数等，实现与设备的交互，操作更为直观、简单、方便，提高了工作效果。TP900触摸屏在各个方面都有着自身的优势。在通讯方面，TP900触摸屏具有集成多种接口用以进行通讯，例如PROFINET接口、MPI/PROFIBUS-DP接口等。由此可以使其与其他的设备进行对接与连接，在整体上实现互联互通，便于进行信息通讯与共享。在内存方面，TP900自身具有足够的项目组态数据存储器，由此可以存储大量的数据与编程程序等。除此之外，TP900触摸显示屏在集成化与自动化等方面都有着较高的水准。它作为全集成自动化(TIA)的重要组成部分，能够对其生产效率等起到提升作用，减少项目成本，并降低整个系统的使用成本。由此使其在工业自动化领域等具有广泛的应用空间。综上所述，触摸屏TP900凭借着其高分辨率、多点触控、通信接口丰富、内存充足、操作界面友好等特殊功能和优势，可为用户提供高效、快捷、安全的使用体验。3.5电气原理图设计3.5.1PLC的外部接线图基于PLC的巧克力全自动包装控制系统的电路控制采用PLC作为核心控制单元。根据系统控制的要求和所需I/O点数，绘制出系统的外部接线图。其输入端口由按钮、过载信号、位置信号等。这些输入信号传送给PLC，程序执行，执行的结果通过输出继电器、阀门等驱动相应的负载动作，完成控制要求。外部接线图如图3.8所示，模拟量接线图如3.9所示。图3.8外部接线图图3.9模拟量接线图3.5.2系统的主电路接线图系统的主电路控制部分利用交流接触器线圈得电后对接触器主触点的控制来实现对三台三相交流电动机的操控，从而执行所需的动作。根据系统控制要求，绘制出巧克力全自动包装系统的主电路图。主电路如图3.10所示图3.10主电路3.5.3系统的控制电路接线图PLC选型使用的是S7-1200型的小型控制器，其端子输出类型是直流24V的输出方式，对于PLC输出端口来说无法直接控制220V交流接触器线圈和执行气缸，巧克力全自动包装控制系统需要低电压的中间继电器，通过其触点去控制交流接触器的线圈和执行气缸，从而控制电动机和执行气缸。系统的控制电路接线图如图3.11所示。 图3.11系统的控制电路接线图第4章巧克力全自动包装控制系统软件设计4.1软件设计为适应产业发展的需要，西门子公司发布了一个全自动化的软件整合平台——博途。该系统能把各种PLC自动控制系统整合在一起，实现对各种自动控制系统的自动控制。TIA博途软件系统主要由SIMATIC阶段7、SIMATICWinCC、SimatIC安全、SIMatIC启动驱动、SIMTIONScout等四大系统构成。本系统可对S7-1200PLC进行装置组态与程序设计，并可对LAD（LatticeDiagram）、FDB（FunctionBoxDiagram）及SCL（StructureControlLanguage）进行程序设计。在设计程序之前，首先要对系统的硬件结构进行配置，然后按照所设计的硬件结构来选取相应的可编程控制器和可编程控制器。在此基础上，将各模块按照控制流程的要求进行了划分，并进行了相应的调试与修改。TIA博途软件具有以下几个特点：（1）缩短故障处理时间；（2）集成了运动控制；（3）操作方式灵活便捷；（4）具备便捷的故障诊断功能；（5）整合了以太网络端口和PROFINET端口以及IP；（6）支持多种编程语言，如FBD、LAD、STL、SCL和GRAPH；（7）WinCC支持VB脚本和C脚本。通过对TIAPortalV16软件特点的分析，我们可以看出，该软件具有强大的自动配置程序设计能力，其主要特点在于将整个自动控制系统集成在一起，在相同的运行条件下实现某种操作和控制。这大大简化了系统的软件设计，同时也缩短了系统的软件研发时间。要搭建一个硬件网络并设置网站，在主机端，可选用精智系列电路板，而主机端则选用S7-1200，远端装置端则选用S7-1200，由S7-1200来完成，并由S7-1200来完成主机端的操作，TIAPortalV16使用流程如图4.1所示。图4.1TIAPortalV16使用流程4.2I/O地址分配根据巧克力全自动包装控制需求和对应的PLC类型，按要求将PLC的接口及功能进行分配。用接口I0.4到I1.0为巧克力生产包装工艺到位的检测，保证系统运行准确性和安全性。设置报警灯Q0.2和蜂鸣器Q0.3，在系统有故障时进行视觉和听觉报警。并设置一个紧急停止按键I0.3，在发生故障时作为系统紧急停止的触发器。接口划分和相应的功能配置保证系统在全自动运行时安全稳定，并在操作人员面前显示设备状态。控制系统I/O分配表如表4.1所示。表4.1控制系统I/O分配表PLC输入信号备注PLC输出信号备注I0.0启动Q0.0运行灯I0.1停止Q0.1待机灯I0.2复位Q0.2报警灯I0.3急停Q0.3蜂鸣器I0.4模具到位检测Q0.4传送带I0.5冷却到位检测Q0.5注模阀I0.6脱模到位检测Q0.6冷却水阀I0.7次品分拣到位检测Q0.7定位气缸I1.0包装到位检测Q1.0脱模气缸I1.1原料料位低检测Q1.1次品剔除气缸I1.2原料料位高检测Q2.0横封气缸I1.3包装材料检测Q2.1裁剪气缸IW96原料温度检测Q2.2包装电机IW98冷却温度检测Q2.3原料补充泵IW100重量检测QW64传送带速度控制IW102包装热封温度4.3程序流程图设计系统首先通过启动信号进入PLC初始化阶段，检测相关设备是否处于原位和正常状态。在检测到模具准备就绪后，注模阀开启，到达设定注模量后移送至冷却工位。冷却工位检测冷却时间是否达到设定时间，若达到则将巧克力输送至脱模工位；检测巧克力输送至脱模工位后，脱模气缸动作顶出巧克力，送至检测工位。巧克力检测工位检测巧克力重量，若重量异常则进行报警或分拣。称重检测后，进入包装过程。包装机开始工作，横封气缸联动裁剪气缸，将巧克力封装。包装完成后，工件进入输出端等待。

巧克力全自动控制系统流程是基于PLC控制，其核心设计思路是按照各工位的信号采集与动作控制。在整个系统中，从各个工位上的传感器与执行器相互配合控制，保证每个环节都能高速运转，通过多个检测和判断节点确保包装过程的高精度、高安全。在系统工作过程中如出现异常都能自动响应，必要时进行人工干预，保证巧克力包装过程的自动化控制。基于PLC的巧克力全自动包装控制系统的总体控制流程图如图4.2所示。图4.2系统控制总体流程图4.4控制系统程序设计使用TIAV16软件创建梯形图，利用顺序控制思想对PLC主控程序进行设计。下面对所编写程序的主要几部分做简要介绍。4.4.1初始化设备通电时，设备动作执行机构进入初始状态。同样，当按下复位按钮时，所有设备和执行机构全部回到原位。初始化的梯形图如图4.3所示。图4.3初始化4.4.2物流线设计巧克力包装工序由注模、冷却、脱模、次品检测和包装组成。工序按顺序进行，每个工序运行时，传送带停止。工序完成后，传送带开始工作，将巧克力运送至下个工序，如上循环，直至包装完成。物流线设计梯形图如图4.4所示。图4.4物流线设计4.4.3注模设计当检测到模具到位时，注模程序段运行。原料温度过低时，注模停止运行，并发出警报。模具通过定位气缸进行定位，使注模阀能够精确地将巧克力注入模具中。根据自主设定的注模量值进行注模，同时扣除剩余的原料量值。注模设计梯形图如图4.5所示。图4.5注模设计4.4.4次品分拣设计当检测到巧克力到达次品分拣位置时，重量检测运行。通过自主设定重量合格值和误差值来与实际测量的巧克力的重量值进行对比和计算，进而判断巧克力质量是否合格。合格则传送带运行送至包装工位，合格品计数器值加一；不合格则由次品剔除气缸将次品剔除至次品槽，不合格品计数器值加一。次品分拣设计梯形图如图4.6所示。图4.6次品分拣设计4.4.5包装设计当检测到巧克力到达包装工位时，包装电机启动。其中，横封气缸和裁剪气缸属于包装机的执行机构。巧克力进入包装机中先有横封气缸进行封装，再由裁剪气缸将多余的包装材料进行裁剪剔除。包装完成后，包装计数器值加一，包装机进入初始化状态。包装设计梯形图如图4.7所示。图4.7包装设计第5章组态与仿真调试西门子的过程监视软件SIMATICWINCC可用于构建界面并实现信息采集，而且在产品包装的控制中，采用了触摸屏的人机交互方式。使用者可以通过触摸屏幕上的文字和图片来对主机进行控制。该软件可在博途WINCC上进行设计和编译，以实现产品包装机控制系统的界面控制。5.1仿真软件调试在软件设计过程中，为确保软件能满足设计要求，需要对软件调试和运行测试。在系统调试的过程中，将写好的梯形图控制程序进行编译，检查程序是否存在错误，发现后及时对错误程序进行修改，编译完成显示错误为0时，再点击启动仿真按钮，提高系统调试的准确性。按下“启动仿真”按钮后，在扩展下载到设备“目标设备”中选择1200型CPU的设备，进行下载。仿真软件图如图5.1所示。图5.1仿真软件图点击下载弹出如下窗口或程序之前已经完成目标设备选择，编写完成后，编译无错误，点击在线，选择仿真启动，也可以直接进入该窗口，该窗口分别有：仿真模块、设备组态、软件、文本库等模块。仿真启动图如图5.2所示。图5.2仿真启动继续按下装载，弹出下载结果窗口，在状态和动作上选择“启动模块”，点击完成，启动模块图如图5.3所示。图5.3启动模块当PLC弹出的仿真窗口如下时，则表明巧克力全自动包装仿真系统已经进入仿真模式，仿真模式图如图5.4所示。图5.4仿真模式5.2组态界面开发在软件中添加新设备，选择触摸屏型号，进入设备向导，将添加的新设备与PLC建立连接，便可进行画面布局和设计。根据巧克力全自动包装控制系统设计的要求，对触摸屏的主界面画面组态进行设计，将需要表示过程的对象放入到画面里，对其进行组态，定义HMI变量，使仿真符合过程要求。在触摸屏上，根据系统需求设置按钮控制区域和巧克力包装区域的画面，在触摸屏上进行设备温度设定、合格重量设定、传送带频率设定、冷却时间设定、当前传送带频率显示、当前冷却显示、当前注模量显示、当前包装数量显示和当前合格与不合格品数量现实显示。完成触摸屏的根画面设计后，进行编译，编译没问题可启动仿真。当启动触摸屏的主界面画面时，可以直观的看到巧克力全包装控制系统的详细画面，同时可以观察仿真运行的动态画面和相应的操作方式，提供了一个清晰、直观的操作环境。进入设备组态画面后，点击组态的根画面进入巧克力包装系统仿真的初始界面，组态界面如下图5.5所示。图5.5组态界面5.3仿真运行HMI编写完成，编译无错误后，点击在线，仿真启动，即可弹出登录画面，如下图5.6所示。图5.6登录界面按下用户登录按钮，需输入正确的用户账号和密码才能进入主界面，用户验证界面如图5.7所示。图5.7用户验证界面进入主界面，通过输入设定值对巧克力生产包装过程中的参数要求进行预设定。设置完成后按下启动按钮仿真即可运行。主界面仿真图如图5.8所示。图5.8主界面当原料温度、冷却温度和热封温度任意一项参数低于或高于设定的各自温度区间时，系统急停，右上角报警指示灯亮红，蜂鸣器工作并弹出报警窗口。确保系统运行过程中遇到故障时能够及时停止并反馈给用户，防止产生损失。报警窗口精确反馈产生故障的位置和原因，方便后续处理和查修。报警窗口如图5.9所示。图5.9报警窗口次品分拣工位检测巧克力实际重量与设定的合格重量超出设定的合格差值，次品剔除气缸工作，将不合格的巧克力剔除出传送带，如图中次品剔除气缸指示灯亮绿，表示次品剔除气缸工作，不合格指示灯亮绿，不合格数量计数器值加一。次品剔除过程仿真图如图5.10所示。图5.10次品剔除仿真第6章总结与展望6.1总结通过设计基于PLC的巧克力全自动包装控制，可以知道PLC在整个巧克力包装自动化的控制环节发挥着重要作用，带来整个巧克力包装的革命性的提高。（1）通过初步梳理PLC的原理、功能特性及其在全自动巧克力包装领域中的应用，对比传统控制方式，确定PLC能够在提升生产效率、保证产品质量方面具有重要作用，从而为降低生产成本奠定基础。（2）查询或者收集一些基于PLC的包装控制设计案例，通过学习这些应用案例，了解PLC是如何实现巧克力包装自动化的，以及在实际应用中发挥了怎样的作用，总结其优点和不足。通过对案例进行分析和理解