【《基于三菱FX PLC的糖果包装机控制系统设计》9900字】

I1绪论1.1研究的背景及意义食品行业是满足人民“衣食住行”需求的基础性行业，在国民经济中处于重要地位，具有不可替代性，尤其是目前我国居民收入日益提高、生活质量不断改善，对食品的需求也日趋多样化，全国食品工业面临良好发展契机，食品工业规模快速增长，经济效益也大幅提升，产业结构和增长方式进一步优化。去年食品工业增加值占全国工业经济比重达到十分之一强，并且呈逐年上升趋势。食品行业的快速发展必定会带动食品包装业的发展，所以对食品包装机的改造创新是非常必要的[1]。自2003年以来,中国糖果市场一直保持着8%~12%的增长速度,比全球糖果市场年均增长速度高出近6个百分点,成为食品工业中快速发展的行业之一[1]。2008年,虽然受到三聚氰胺事件冲击,部分奶糖销售量下滑,但市场总体仍保持了增长趋势。预计今后数年内,糖果行业将保持10%左右的增长速度。此外,我国目前人均年糖果消费量为1.16kg,与北美、西欧、澳大利亚等国家人均年消费量9.36kg[2]相比,存在巨大差距,表明我国糖果产业具有很大的发展潜力和良好的发展空间。糖果包装是糖果生产过程中的一个重要环节，封装的速度和精度直接影响企业生产的效率和效益。1.2主要研究目的及任务本设计结合某块状糖果包装机的动作流程特点，以PLC技术为基础，构建设计完成糖果包装机的控制系统设计方案，控制系统中的主要电路的设计，实现系统的自动化、智能化。其中应该完成的具体任务包括以下几点：(1)阅相关文献资料，了解糖果包装机的工艺特点；(2)熟悉工艺流程后，根据其确定控制系统设计方案；(3)对控制系统所用的设备进行选型；(4)根据所选设备绘制相关的外部接线图；(5)利用GX-developer软件进行编程；(6)利用组态软件对程序进行调试，监控。2糖果包装机系统分析及控制系统总体设计2.1糖果包装机生产工艺概述糖果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糖的各种动作。糖果包装工艺流程如图2.1所示。图2.1工艺流程图裸糖经过流水线到达糖果包装机，当位于糖果包装机入口出的光电传感器检测到有裸糖到来时，控制推搪的电磁阀得电，推搪机构动作，当糖果运行到限位开关1处，控制糖纸转盘电磁阀得电，糖纸转盘转动，按照预先设定的步骤进行包糖动作。包糖结束后，糖果运行到限位开关2处，控制截断粘合的电磁阀得电，该机构下降动作，把包装纸截断，粘合之后，糖果经传送带传送至成品糖库。在传送过程中，由于传送带的楔形挤压作用，糖纸粘合完成，同时也对其进行了更好的整形。另外，在运行过程中出现变频器故障、断纸缺纸故障时，系统都会指示出来并停止动作。在传送带上如果有糖果，继续执行此过程；如果没有糖果，则等待；如果等待时间超过10s，传送带停止运行。2.2糖果包装机控制要求2.2.1PLC控制系统选择控制系统和远程I/O控制系统。由于糖果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。图2.2集中控制系统模型2.2.2系统运行方式糖果包装机的运行，采用自动运行和手动运行方式：(1)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。(2)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。与运行方式对应的是停止运行方式。糖果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：(1)正常停运是按下该开关后，各机械动作停止，传送带停止传送。(2)暂时停运指按下该开关后，特殊继电器M8034得电，全部输出继电器失电，动作停止；将开关断开后，M8034失电，输出继电器恢复到原来状态，小车继续运行。(3)紧急停运是指用开关将PLC的输出电路的电源切断，直接断开接触器，这种方式比较可靠。2.2.3设计系统流程图按照所查阅的糖果包装机工艺，可设计控制控制系统流程图，如图2.3。图2.3系统流程图3糖果包装机控制系统硬件设计与选型3.1PLC的选型PLC基于计算机，但不等同于计算机。普通计算机进行入出信息变换，多只考虑信息本身，信息的入出，只要人机界面好就行了。而PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性以及信息的使用等问题。特别是要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。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[7-8]。尽管二者都采用了计算机系统，但是二者设计的出发点不同，因而他们在结构上也有很大差别，使用对象和使用环境也有所不同。PLC抗干扰能力强，能适应工业现场的温度、湿度及相当程度的振动。其输入/输出采用光电隔离技术或其它隔离技术，并配有输出继电器或输出晶体管等输出部件，由于这些输出部件能够直接承受较大的负载，因此它们可以直接驱动小型电机等负载。PLC使用专门的面向工业对象的编程语言，使程序的编制和修改都非常方便。而通用计算机，它的输出信号通常都需要数模转换并放大后才能驱动工业负载。FX2N系列是FX系列P家族中最先进的系列。由于FX2N系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入输出的多种应用的选择方案[9]。产品特点:(1)节省空间：其体积仅相当于以前ans系列PLC的60%；(2)节省配线：优越的模块插口设置可节省配线时间和空间；(3)安装灵活：有多种主基板和扩展基板供选择；(4)强大的网络功能：相比前产品更为支持cc-link，在软件Gx-developer的设置下，可以方便地使用cc-link模块，减小编程时间。并且支持modbus，profibus，devicenet，asi，太网等等；(5)高性能模块：提供有多种特殊功能模块，功能更为强大。并且有相关设置软件，编程及调试更加方便。根据分析，以及I/O点数确定并按20%-30%备用量原则，选择三菱FX2N-48MR。它含有24个输入点，24个输出点，且为继电器输出。3.2I/O点数确定通过对工艺流程分析，确定了该系统的I/O点数，其中系统启动控制按钮和系统停止控制按钮为点动按钮，按下后不保持，软件中通过置位复位控制系统的顺序启动和停止。由于所选三菱系列PLC地址顺序以8进制编号。表3.1中列出了输入继电器、输出继电器的分配情况[10]。表3.1PLCI/O分配表输入项目名称对应输入地址光电开关X0推搪开关X1糖纸转盘开关X2限位开关SQ1X3喷胶截断X4限位开关SQ2X5启动X6停止X7连续/单周X10暂停X11手动X12变频器故障X13缺纸断纸X14截断上限位X15截断下限位X16

输出项目名称对应输出地址电动机启动Y0推搪电磁阀Y1糖纸转盘电磁阀Y2喷胶截断电磁阀Y3变频器故障指示灯Y4缺纸断纸指示灯Y5上限位指示灯Y6下限位指示灯Y73.3系统主要器件的选择3.3.1三相异步电机系统采用PLC进行集中控制，主要控制对象为一台2.2KW的三相异步电机，主电机的参数如表2.1所示。主要的控制器件包括：PLC、变频器等。表3.2Y2-100L1-4三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/TNY2-100L1-42.214305.16800.817.02.32.33.3.2变频器的选择在该糖果包装机的控制系统中，变频器主要用于实现传送带的起动、停止。系统选择松下变频器VF0。松下变频器的全称是“松下交流变频调速器”，主要用于控制和调节三相交流异步电机的速度。主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，松下变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。超小型变频器VF0，体积小巧，体积仅是松下变频器过去产品的40％～56％，但其功能却没有因此而减少，而且在设计中更是增加了一些人性化设计，操作简单，功能强大，可由PLC发出的PWM信号直接调节频率[11-13]。主要涉及的变频器参数是P66、P01、P02、P08、P09。(1)P66是用来初始化变频器参数的，当其被设置成“1”后，变频器之前的所有参数设置都被恢复到出厂时的设置。(2)P01和P02分别用于设定变频器的启动和停止时间，及变频器从起动到输出最大频率的时间。变频器默认基频是50HZ。(3)P08是变频器的“选择运行指令”，它决定了变频器的控制方式，即使采用面板控制方式还是采用外部按钮控制方式。(4)P09是频率设定信号，它决定了变频器输出频率的控制方式。以下是松下变频器VF0系列操作面板：图3.1松下变频器VF0系列操作面板操作面板功能如下表表3.2操作面板的功能显示部位显示输出的频率、电流、线速度、异常内容、设定功能时的数据及其参数NoRUN（运行）是变频器运行的键STOP（停止）使变频器运行停止的键MODE（模式）切换“输出频率·电流显示”，“频率设定·监控”等各种模式以及将数据显示切换为模式显示所用的键SET（设定）切换模式和数据显示以及存储数据所用的键。在“输出频率·电流显示模式”下，进行频率显示和电流显示的切换UP（上升）改变数据或输出频率以及利用操作板使其正转运行时，用于设定正转方向DOWN（下降）改变数据或输出频率以及利用操作板使其反转运行时，用于设定反转方向频率设定钮用操作板设定运行频率而使用的旋钮3.3.3传感器的选择系统中用到了光电开关和行程开关。光电开关传感器位于糖果包装机的入口处，当有糖果到来时，发出信号，并传送给PLC，PLC控制位于传感器附近的推糖电磁阀吸合。而所用到的行程开关又称接近开关，它可以代替触头行程控制盒限位保护，还可用于高频计数、测速、液位控制、零件尺寸检测以及本系统中所用到的加工程序的自动衔接等的非接触式开关。3.4硬件连接图通过上述系统的工艺流程分析及硬件选择，可设计外部接线如下图：图3.3外部接线图4糖果包装机控制系统软件设计本次设计所使用的编程软件为GX-Developer，适用于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[14]。4.1程序编写如图4.1所示，按下启动按钮X6，Y0得电自锁，电动机运转，传送带启动，若检测到电动机启动后，光电开关未检测到有糖块，则等待1min，若1min后仍没有糖果，电动机停止。若按下停止按钮X7，S20~S22复位，电动机停止。按下X11，特殊继电器M8034得电，暂停。图4.1起动停止将开关打到自动挡，当光电开关检测到糖块时，初始状态步S0复位，S20置位，推搪线圈得电，动作，依次类推，注意喷胶截断动作前要确定其是否在下限位，不在才能动作。若将操作方式打到连续档位，X10得电，回到状态步S20，连续动作。打到单周期，则X10不动作，回到状态步S0，停止动作。部分程序如图4.2所示。图4.2部分自动控制梯形图该系统的手动梯形图如图4.3所示。图4.3手动控制梯形图手动梯形图和自动控制梯形图不能同时由PLC读取，必须使用跳转指令CJ。（总梯形图见附录A，由于配合力控的监控，必须将输入X改为辅助继电器M，改后梯形图见附录B）4.2梯形图的输入4.2.1启动程序点击桌面上的“GX-Developer”快捷图标。进入PLC的工作环即GX-Developer操作界面，选择菜单栏“工程”中的“创建新工程”选项，选择PLC类型，如图4.2所示。选择PLC的系列为FXCPU，类型为FX2N(C)，程序类型为梯形图编辑，设置工程名并进行保存[15-18]。图4.4PLC型号设置4.2.2程序过程在选择PLC机型后，按照所编流程图，进行程序的输入。如图4.3所示图4.5编译界面4.2.3梯形图的变换及保存当程序编辑好后，程序区段呈灰色，这表明程序需要进行转换。编辑好的程序先通过执行“变换”菜单-“变换”操作，才能保存。在变换过程中显示梯形图变换信息，如果在不完成变换的情况下关闭梯形图窗口，新创建的梯形图将不被保存，如图4.4所示。图4.6变换操作4.2.4程序调试及运行(1)程序的检查：执行“诊断”菜单-“诊断”指令，进行程序检查，如图4.5所示。图4.7诊断操作(2)程序的写入：PLC在STOP模式下，执行“在线”菜单-“PLC写入”命令，出现PLC写入对话框，如图4.6所示，选择“参数+程序”，再按“执行”，完成程序写入PLC，程序见附录[19]。图4.8程序的写入操作传送程序时，应注意，计算机的RS232C端口及PLC之间必须用指定的缆线及转换器连接。在电脑的设备管理器中查找所用的COM端后，在“在线”-“传输设置”中进行设置，如图4.7所示。图4.9PLC端口设置(3)关闭编程软件GX-Developer，保证力控仿真软件与机箱正常通信。PLC程序可以控制组态仿真中糖果包装机控制系统的流程。5力控组态软件的开发和设计5.1力控组态软件简介力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，比如在分布式网络应用中，所有应用(例如趋势曲线、报警等)对远程数据的引用方法与引用本地数据完全相同，通过“组态”的方式可以大大缩短了自动化工程师的系统集成的时间，提高了集成效率。力控监控组态软件能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，实现与“第三方”的软、硬件系统进行集成。力控监控组态软件基本的程序及组件包括：工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O驱动程序、控制策略生成器以及各种数据服务及扩展组件等，其中实时数据库是系统的核心[20-23]。5.2力控组态软件的实现5.2.1新工程的建立(1)在力控组态软件中建立新工程，如图5.1所示。图5.1新建工程(2)点击开发，进入开发界面，如图5.2所示。图5.2开发新工程图5.3忽略进入演示状态5.2.2包装机组态开发(1)建立一个新窗口，如图5.4所示。图5.5创建新窗口(2)双击“窗口”，新建一个包装机控制系统的窗口，如图5.6所示。图5.6新建包装机窗口(3)建立I/O设备驱动打开开发环境Draw的工程项目导航栏，如图5.7所示。图5.7选择I/O设备组态双击“I/O设备组态”项出现如下对话框，在展开项目中选择“PLC”项并双击使其展开，然后继续选择“三菱”-“FX系列(串口)”，如图5.8所示。图5.8选择三菱PLC上述操作后出现“设备配置-第一步”对话框，如图5.9所示，在“设备名称”输入框内键入一个自定义的名称，这里输入“plc”。接下来要设置plc的采集参数，将设备地址写为“1”，其它的保持默认值，点击“下一步”[24]。图5.9定义设备名称和地址根据电脑与PLC的连接端口，进行串口设置。图5.10选择串口通道图5.11设置型号I/O设备驱动建立完成，如图5.12。图5.12I/O设备驱动建立完成（4）数据库建点首先，在工程项目导航栏中，双击“数据库组态”启动组态程序DBMANAGER。启动DbManager后出现DbManager主窗口，然后开始建点。以设置光电开关X0为例，双击“点名”单元格，出现“请指定区域、点类型”向导对话框，现在“数字I/0”点，出现如图5.13所示对话框[25-26].图5.13基本参数设置单击“数据连接”-“增加”，对寄存器类型和地址进行设置，此处由于没有外部输入量，则选择辅助寄存器。如图5.14所示，图5.14数据连接建好后的数据库如图5.15所示。图5.15数据库组态表（5）建立组态画面在工程项目导航栏中点击“标准图库”，根据需要选择适当的精灵，建好后的最终画面如图5.16所示图5.16力控画面将图中的每一个精灵语变量关联。例如将电动机关联，如图5.17所示。图5.17电动机关联（6）编译脚本程序脚本if语块如图5.18所示。 图5.18脚本程序5.2.3力控仿真运行点击起动按钮，电动机起动，指示灯隐藏，糖块运动，光电开关感应。喷胶电磁阀处于上限位，如图5.19所示图5.19起动电动机光电开关感应后，推搪电磁阀动作，至SQ1处（呈红色），糖纸转盘转动，指示灯隐藏如图5.20所示图5.20推搪经过糖纸转盘，包装糖果，到达SQ2处（呈红色），如图5.21所示。图5.21包装糖果当喷胶截断位于