颗粒包装机的PLC控制设计

毕业设计

设计（论文）题目：颗粒包装机的PLC控制设计

姓名：

专业：机电一体化工程

指导教师：

2009年9月12日

摘要

由于老式继电器控制的颗粒料包装机工作时存在电路复杂、可靠性差、故障

诊断与排除困难等缺陷，提出了用PLC对包装机控制系统进行设计。可编程控制

器(PLC)作为控制系统的关键装置，功能强大、性能稳定可靠。在现代工业自动

化生产中得到了广泛的应用。

本课题开发的高速全自动颗粒包装机控制系统为背景，理论与实践相结合，详

细论述了集PLC技术，光电感应技术，通信技术于一体日勺先进控制技术在该包

装机控制系统中的应用。通过对小型全自动颗粒料包装机工艺过程MJ分析，克

服了老式小型包装机传动方案日勺缺陷，提出了PLC控制H勺柔性化包装机的设

想。设计工作日勺任务包括包装机构和运动分析，控制部分的硬件选择，电气原理

图口勺绘制和三菱PLC程序编写，以及各个电气元器件的选择与安装，最终给出

了PLC控制包装机系统的硬件构成和软件设计，其中包括PLC选型、I/O地址分

派、I/O端子接线、程序设计和控制原理。

通过我们的努力，颗粒料包装机控制系统的设计已经完毕。并且通过了严格日勺测

试，在试验室的模拟运行中，获得了良好的控制效果。通过程序优化，及并行化

处理，很好地实现了厂方提出的控制规定。

关键词：颗粒料包装机，PLC,GXDeveloper

ABSTRACT

Becaus.o.traditiona.rela.contro.o.Packin.Machin.fo.GranuIa.Material.her.ar.lot.o.

disadvantage,plexity.inferio.reliability.malfunctio.analysi.an.tro

ubl.obviation.A.th.keme.devic.contro.system.PL.duct

io.an.d.wel.i.thi.field.

Thi.thesi.take.th.contro.syste.o.th.high-spee.full-automati.packin.machin.tha.wa.

develope.alon.wit.ou.teache.a..background.W.appLth.advance.contro.lechniqu.i.th.pac

kin.machin.contro.syste.suc.a.th.techniqu.o.PLC.ligh.electricit.techniqu.an.s.on.B.th.d

escribin.o.th.basi.operatio.o.smal.automati.packager.an.overcom.th.defect.o.no.use.pa

ckage.i.transmissio.system.Aroduce..ne.typ.o.package.wit.PLC.TIi.m

ai.designe.includ.i.th.analyzin.o.th.packagin.machine'.tr

aclin.th.elecLri.scheiiicili.diagraiii.writin.th.PL.progrannnin.ari.Lh.choosin.au.fixin.ill.el

ectric'.part.o.a.apparalus.Th.pape.give.th.desig.o.hardwar.an.softwar.abou.th.electric

a.contro.o.Packin.Machin.fo.Granula.Material.whic.includ.selectin..mode.o.PLC.distri

butin.addres.o.I/O.wirin.diagra.o.I/O.grammabl.trapeziu.an.theor.o.cont

rol.

Throug.ou.effort.th.machin.o.Packin.Machin.fo.Granula.Materia.go.th.exaltatio.o.th.q

pan.pu.fo

rward.Thi.contro.syste.i.weLrunnin.i.th.lab.

Keywords:Packingmachineforgranularmaterial,PLC,GXDeveloper

目录

第一章序言..............................................I

.1.可编程控制技术的现实状

况...........................................1

.2.PL.日勺发展趋势................................................1

.3.PLC与其他工业控制系统日勺比...................................3

3.1PLC与继电器控制系统的比较.................................3

3.2PLC与单片机控制系统的比较.................................3

.4.PLC在包装机械上应用的也许性和前..............................4

.5.颗粒包装机产生的背景与意...................................5

.6.设计的）主体内容.................................................5

第二章颗粒料包装机控制系统日勺设计.......................6

.1.颗粒料包装机生产概述...........................................6

.2.颗粒料包装机速度影响和提高.....................................7

.3.系统的运行方式.................................................7

.4.可编程控制方案的设计..........................................8

.5.控制系统硬件日勺设计.............................................8

5.1总体构造关系...............................................'8

5.2PLC重要器件的选择.........................................8

第三章包装机设计的计算与电气器件日勺选择11

.1.各机构的I构造设

计............................................11

1.1给料装置阂造设计.......................................11

1.2纸供送机构设计.........................................12

1.3下料装置机构设计.........................................13

1.4压纸切纸机构设计.........................................14

1.5封口机构设计.............................................15

2.重要电气元器件日勺选择.........................................17

2.1真空发生装置选型.........................................17

2.2传感器的选型.............................................17

2.3电磁阀选型................................................18

2.4空气压缩机选型...........................................18

第四章系统的编程和设计................................20

1.PLC的概...................................................20

1.1PLC的一般构造与基本原理..............................20

2.PLC的软件设...............................................21

2.1GXDeveloper开发工具的特点..............................21

2.2PLC程序的总体构造.......................................22

3.包装机日勺PLC程序设计.........................................23

3.1PLC程序总体设计.........................................23

3.2PLC程序的优化设计.....................................25

结论....................................................30

道谢...................................................32

参照文献.................................................33

第一章序言

1.可编程控制技术的现实状况

可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的)一员，是为工业控

制应用而设计制造的。初期H勺可编程控制器称作可编程逻辑控制器

(ProgrammableLogicController),简称PLC,它重要用来替代继电器实现逻

辑控制。伴随技术的发展，这种装置的功能己经大大的超过了逻辑控制的范围。

因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PCo不过为了防止与个人计算机

(PersonalComputer)H'、J简称混淆，因此将可编程控制器简称PLC。

伴随计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其

控制技术也朝着智能化方向不停发展，同步推进了先进制造技术的对应发展。现

代PLC已经成为真正的工业控制设备。最初，PLC重要是用在生产线控制和大型

机械的控制上。70年代初，日本日勺OMRON也推出了他们日勺PLC。三菱、日立、富

土、东芝、横河、日电等企业也先后加入了PLC制造者的行列。70年代中期、美

国和西德首先出现了微电脑化日勺小型PLC。由于FLC是为工业控制所生产日勺通用

性很强，适合于大批量生产日勺装置，因此成本迅速下降；加上其是专为工业控制

所设计，因此具有极好日勺抗干扰性能；并且他的使用和维护都极为以便，实现了

低水平日勺操作、高性能日勺控制，因此在机械制造业深受欢迎。

2.PLC的发展趋势

伴随计算机科学日勺发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得

到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。此后，PLC将重要朝着如下两个方向

发展：一种是向超小型专用化和低价格方向发展；另一种是向高速多功能和分布

式自动化网络方向发展。总日勺趋势如下：

（1）可编程控制技术H勺原则化

在工业自动化产品繁花似锦日勺今天，各生产厂商既互相竞争又互相合作。一

种自动化产品的竞争力除表目前其技术上的个性外，更重要日勺还在于其满足国

际原则化的程度和水平。原则化首先保证了产品的出厂质量，另首先也保证了各

个厂家产品口勺互相兼容。出厂检查时各可编程控制产品的厂家均有对应的技术原

则作根据。按照这些原则，多种型号的PLC产品对工'业应用环境、抗干扰性等条

目都给出了明确的规定。但这些原则目前只能是统一区域性的产品，而不能实现

全球的统一性，为了使各厂家的产品有一种共同日勺参照平面，制定了国际原则。

（2）CPU处理速度深入加紧

目前PLCH勺CPU与微型计算机的CPU相比，还处在比较落后的地步，最高的

也仅仅处在80486一级。未来会所有使用64位RISC芯片，实现多CPU并行处理

或分时处理或分任务处理，实现多种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电

路固化。这样PLC执行指令日勺速度将到达纳秒级。

（3）系统的开放性和兼容性

开放性和兼容性是不可分割的并且是相辅相成的概念。首先是某一产品和第

三家同类产品在通信上口勺兼容程度，另首先是指某系统尤其是软件上的开发平

台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项目

越来越大，致使常常在一种工程项目中出现不一样厂家日勺产品做主从站的现象,

这就规定每一厂家日勺产品族中，都要考虑到和其他厂家产品日勺兼容性问题；另首

先，可编程控制器与工业控制机等其他装置日勺通信难易也体现了开放性的特点。

(4)通用性和专业化的结合

可编程控制产品是通用日勺。不过工业的每一领域均有其自己H勺特点。怎样才

能使一种系统既具有通用性又具有专业化呢？硬件系统日勺模块化便是处理这一

矛盾的钥匙。这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很轻易地

集成到通用系统中去。常用的专用模块包括：定位模块、温度测量模块、高速采

样模块、网络接口模块等。

(5)可靠性深入提高

伴随PLC进入过程控制日勺领域，对PLC可靠性的规定深入提高。硬件冗余的I

容错技术将深入得到应用，不仅会有CPU单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗

余、I/O单元冗余、并且整个系统都会实现冗余。但从主线上来讲，系统的可靠

性取决于系统各单元的可靠程度。要保证整个系统H勺可靠运行，首先规定系统各

单元的质量要得到保证。MTBF(平均无端障时间)是衡量产品质量的重要指标。纵

观各著名厂商，其PLC产品均有不一样程度的冗余功能，并且发展越来越完善。

(6)控制与管理功能一体化

为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，PLC将广泛采用计算机信息处

理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的I生产控制功能和信息管理

功能融为一体。

根据上述，总结一下结论:

1.工控机、计算机集散控制系统及PLC正在走着一条互相融合的道路。

2.智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。

3.系统H勺智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强。

4.基于原则化日勺开放性和兼容性是衡量系统质量日勺重要判据。

5.通用性、高度专业化日勺融合是可编程控制系统H勺新特性。

3.PLC与其他工业控制系统的比较

在现代工业设备及自动化项目中，我们会碰到大量的开关量、脉冲量及模拟量等

控制装置。老式的工业自动控制重要是由继电器或分离日勺电子线路来实现的。这

种控制方式虽然造价廉价，但却存在许多致命的弱点：只合用于简朴的逻辑控制,

仅合用某种控制项目，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重要有如下几种类

别：继电器控制系统，单片机控制系统，集散型控制系统等系统。

3.1PLC与继电器控制系统的比较

继电器控制是采用硬接线逻辑，运用继电器触点H勺串、并联及时间继电器的

延迟动作来构成控制逻辑，其缺陷是一种系统一旦确定就很难轻易再改动。假如

要在现场做某些更改和扩展更是难以实行。而PLC是运用其内部的存储器以数据

形式将控制逻辑存储起来口勺，因此只要变化PLC内存储器的内容，也就可以实

现更改控制逻辑的目的。

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，动作时口勺机械振动还也许

使第一章绪论接线松动，因此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日勺数据来替代触点，因

此不存在上述缺陷。并且体积小、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

能较全日勺PLC还具有A/D,D/A转换装置，可以用来对模拟量进行控制。

3.2PLC与单片机控制系统比较

虽然单片机日勺配置较微机系统简朴，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、需要做大量欧I接口工作，可靠

性仍较差，成本高等缺陷。单片机与PLC的J比较：单片机可以专为工业控制而设

计。因此，它具有很好H勺环境适应性。实际上，现代PLC日勺关键就是单片微处理

器。用单片机作控制部件在成本方面具有优势。虽然PLC也有必不可少日勺软件开

发过程，但两者所用的语言差异很大，单片机重要使用汇编语言开发软件，而

PLC用专用口勺指令系统来编程的），前者复杂而易已错，开发周期长。后者简便易

学，现场就可以开发调试。

单片机控制系统仅合用于较简朴的自动化项目。其通用性、兼容性和扩展性

都相称差。

4.PLC在包装机械上应用日勺也许性和前景

包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多日勺执行元件。在这种场所

使用继电器控制逻辑必然需要大量日勺中间继电器，而这些中间继电潜在用PLC

控制的状况下，就可以对其内部日勺辅助继电器进夕亍编程后来取代。从物理介质方

面来讲，前者是要用晶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H勺范围内，可以不花费额外H勺费用来实现复杂的控制逻辑。

一般的PLC均有上百点内部辅助继电器甚至更多，旦尚有多种专用的内部电器,

足可以应付一般的控制规定，唯一需要做的工作就是对PLC进行编程。实际上

PLC用于这种场所是最能显现出其经济性，并且它的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

电器的场所。

且PLC与其他工业控制系统比较具有许多长处：

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，批量生产很轻易；

3）电气硬件设计大大简化；

4）由于PLC除有继电器功能外，尚有多种其他功能，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，并有也许使机构简化；

5）可靠性高；

6）成本相对于继电控制而言稍高，但继电器控制伴随所用中间继电器数量

的增长，成木急骤上升，而PLC控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来

讲具有无可比拟日勺优越性;

7）具有扩展单元或扩展模块，当需要较多I/O时可以以便地扩展。

因此，国外在注塑机、多种包装机上已经大量地采用了PLC来取代老式的继电器

控制屏，故障率大大减少，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。假如能用PLC来取代的话,

则可以简化机械构造，机械和电气设计都可以得到简化。更重要的是可以使本来

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。通过对多种控

制系统日勺分析比较，我们决定采用PLC控制系统。

5.颗粒包装机产生日勺背景及意义

伴随我国食品工业、包装工业和农业的迅速发展，我国的包装食品机械行业获得

了世人瞩目的发展，产品品种的数量不停增长，使包装和食品机械行业成为直

接为提高人民生活质量服务，为包装工业和食品工业服务，为农业和农副产品

深加工业服务的新兴行业，成为我国机械工业十大产业之一。而颗粒料物品在我

们生活中随地可见，不管是在食品行业还是在工业行业方面均有很大程度的应

用。伴随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。为使包装出日勺物品整洁、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日勺机械设备，它的研制成功可以提高劳动生产

率，增进国内化工、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后来发展起来的，由于起步较晚、大

部分设备都是通过引进设备消化吸取研制出来的。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。

6.设计的主体内容

1）颗粒料包装机各动作控制工艺的研究。理解颗粒料包装机口勺工作过程及

工艺规定“总结各机构H勺动作次序，将其用流程图H勺形式表达出来，为实现高速

全自动运动控制做准备。

2）可编程控制器部分的设计，包括控制方案日勺选用与设计、I/O接口信号

确实定、模块的选择，控制程序日勺设计与调试。

第二章颗粒料包装机控制系统日勺设计

1.颗粒料包装机生产概述

颗粒料包装机重要功能是将颗粒料物品以一定的速率包装成为蝌蚪状。被包

装H勺颗粒直径最大为4mm,平均为3mm,且被包装的颗粒的硬度大。

颗粒料包装机日勺简朴工艺流程为：送纸一一压纸切纸一一下料填充一一封

口。

详细的工作过程如下：包装纸以卷筒日勺形状放在原料架上，当开始动作时,

送纸电磁阀控制送纸，短气缸运动。完毕一段小时空行程。分料电磁阀控制颗粒

箱转动进行分料动作。同步抽真空电磁阀通电，直到关机抽真空电磁阀才断电。

送料架运动一段位移后来，当碰到传感器时，压纸电磁阀和送纸架上抽真空电

磁阀得电，压纸电磁阀控制送纸架上的气缸使之将纸压紧，为送纸架托着纸带

做准备。送纸架上抽真空电磁阀控制送纸架前端的抽气管使纸的前端紧贴在送纸

架上。这样前吸后夹地将纸带往前送，此时颗粒箱仍然顺（逆）时钟转动，送纸

架继续往前运动，碰到传感器时压纸电磁阀和送纸架上抽真空电磁阀断开，同

步抽真空电磁阀得电，使纸带吸紧在切纸板上，使之不会随送纸架时返回面折

叠。送纸架返回碰到传感器时送纸二电磁阀失电，送纸动作结束。

送纸架返回碰到传感器时裁纸压纸电磁阀通电，气缸作用，切纸板往下运

动，海绵垫板压紧纸带然后在刀片的作用下将纸带裁成边长为50mm28加、夹

角为65度的菱型纸片。当切纸板往下运动碰到传感器时，切纸板返向运动：碰

到切纸板上位传感器时，切纸电磁阀断电切纸运动结束。

当切纸板上位传感器采集到信号时，插纸电磁阀得电气缸动作使插纸杆向下运

动，进行插纸下料动作，插纸下料运动由两个气缸为其提供动力，插纸长气缸

下降（插纸一）后来有个短暂H勺停留时间，在这个短暂H勺停留时间里分料板要完

毕错位动作实现下料，此时料斗阀门电磁阀得电料斗阀门打开，颗粒沿着中空

的插纸杆下滑到冲压成U型口勺纸盆内。然后在插纸短气缸继续向下运动（插纸二）

到目的位置时才开始往上返回到原位。当颗粒填充完毕后来，料斗阀门闭合且插

纸杆继续向上运动，当插纸杆碰到上位传感器时，插纸杆动作结束。

当插纸杆碰到上位传感器时，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，到达预设压力则锁纸板返回，碰到传感器则停止运动。此时包扎

好的成品在自重的作用下掉到搜集箱内，完毕了整个包装过程。

2.颗粒料包装机速度影响和提高

伴随中国改革开放与WTO的加入，中国口勺工业正向高速化、流水化发展，而

中国的老式包装业以手动与半自动为主，大大阻碍了高速化发展。而我们国家的

颗粒料包装还是半自动甚至有的小作坊还是手动操作，平均包装速度仅仅能达

2()()个/分。而我们本次设计的颗粒料包装机包装能力规定到达425个/min。

我们懂得包装机速度越高，规定稳定性和可靠性愈强。这就规定包装材料供

送速度快、精度高、定位精确，包装材料质量原则要符合规格，停机率低，以减

少包装材料损耗，且包装材料日勺装卸都要自动化等。

一、影响颗粒料包装机高速化的包装材料的性质有：

1.抗张(拉)强度要大2.伸缩性要小

通过以上的分析我们在包装材料的选择上选用薄页纸。薄页纸具有纸质均

匀、光滑细腻、强度好、纯净度高、可完仝回收、可直接印制标识及精美图案等

诸多特点。

二、机械构造的影响。

老式的包装机在包装材料切断后迅速离开的措施是用不等速机构。常见日勺不

等速机构有：偏心链轮机构，偏置曲柄导杆机构，凸轮、齿轮组合机构，凸轮一四

连杆组合不等速转动机构以及非圆齿轮机构等。

由于偏心链轮机构H勺变速范围有限，构造复杂，高速时易引起链条的跳动，并且

传递的力不易过大，因此它只适合于某些速度不太高、传递日勺力不太大日勺小袋包

装机。而凸轮齿轮组合机构，凸轮一四连杆组合机构因构造复杂，调整不以便,

运动冲击乂大，因此不常用。

为了使颗粒料包装速度提高，为了使整个包装过程中控制精度高，控制系统以

日本三菱企业的FX1N系列PLC作为基础，采用整体式构造，FX1N系列按功能可

分为基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊适配器四种类型产品「基本单元为有

CPU、存储器、I/O、电源等，是一种完整的可编程控制器，可以单独使用。通过

使用FX1N可到达变速日勺目的，且使包装机构造紧凑，惯性小。

3.系统的运行方式

运行方式分为手动、单步、周期及自动等四种操作方式。

根据颗粒料包装机的实际运行状况，本系统采用自动运行和手动运行两种方式。

与运行方式日勺设计相走应，还必须考虑停止运行方式的设计。可编程控制器日勺停

运方式有正常停运，临时停运和紧急停运三种。根据控制系统规定，由于包装机

运行期间采用循环工作方式，只有在工作结束或接受到操作人员日勺停止运行指

令或设备出现故障或异常状况时才停止，因此本系统采用硬件切断电源，使系统

立即停车。

包装机控制功能规定：手动运行可以用按钮对包装机的各个部分进行单独控制,

重要用于故障恢复与检修全自动运行按下启动按钮，系统即可持续、协调、周期

性地循环完毕各包装动作，直到系统接受到停止运行信号。

4,可编程控制方案日勺设计

运用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

制系统和远程I/O控制系统。该控制系统多用于控制对象所处的地理位置比较靠

近，且互相之间的动作有一定联络的场所。单主机控制方式，对主机规定较高,

危险相对集中。远程I/O控制系统的控制构造比较独特，类似于集中控制系统,

又具有分散型控制系统的特点，常常用于控制规模中等，控制对象比较分散、工

程费用较低H勺场所。

PLC作为一种控制设备，用它单独构成一种控制系统是有局限性的，重要

是无法进行复杂运算，无法显示多种实时图形和保留大量历史数据，也不能显

示中文和打印中文报表，没有良好BU界面。这些局限性，我们选用人机界面来弥

补。为提高PLC的抗干扰能力，在硬件配置与安装上，交流电源使用双层隔离,

输入信号光电隔离，远离强电布线，模拟量信号和脉冲信号采用屏蔽线传递，

采用放射性一点接地等措施，来消除干扰。

5.控制系统硬件的设计

5.1总体构造关系

本系统采用PLC和人机界面两级控制的构造。PLC负责按钮、光电开关和电接点

压力表信号的输入，以及发出信号去控制各个气缸、继电器、真空泵等电气元件,

进而控制各部分的运行，同步控制对应指示灯的J显示。人机界面用来进行参数的

修改与设定、全自动控制、在线监视、传送信息等工作。人机界面通过串行口与

PLC相连，进行互相通信，因此人机界面是通过发出命令去控制PLC的运行以到

达进行全自动控制日勺目日勺。

5.2PLC重要器件日勺选择

颗粒料包装机控制系统重要器件包括人机界面、PLC等。它们的选择都是以

在保证功能日勺前提下尽量地选择可靠性高和使用以便日勺产品为根据,PLC时选型

详细状况如下：

在进行这项工作之前，需要对控制对象和控制任务进行记录和分析。然后确

定系统日勺规模、机型和配值。据记录，初步确定该包装机控制系统有，20个开关

量输入，13个开关量输出。

1.根据对上述控制任务H勺分析，本项目选择了三菱企业的中小型PLC系统

FX1N系列，它能满足中等性能规定口勺应用，应用领域相称广泛。FX1N系

列是最多可控制128点的普及型微型PLC。除了可以扩展输入输出，还具

有模拟量控制和通讯链接功能口勺等扩展性。因此，FX1N系列可以广泛应

用于一般H勺次序控制。

FX1N系列PLC的特点：

2.定位控制功能是原则配置；

3.使用关键字功能保护程序；

4.内置不用电池日勺EEPROM存储器，不必维护；

5.内置RUN/STOP开关，运转/停止执行简便；

6,设备不停机时更改程序；

7.在同一种时序动作；

8.尤其适于高速处理;

9.便捷日勺时钟控制；

10.使用于多种网络。

而FX1N系列PLC控制规模为24〜128点（基本单元：24/40/60点）特点有：

1.集成化

CPU、电源、输入输出合为一体。

通过使用显示模块和功能扩展板，可以非常简便地进行系统升级。此外，也

可以扩展输入输出和特殊模块。

2.运算高速化

基本指令：0.55〜0.7us/指令；应用指令：数3.7〜数100us/指令。

3.存储器规格大

内置8000步EEPR0M存贮器

无需电池，维护轻松

4.软元件范围丰富

辅助继电器：1536点，定期器:256点，计数器:235点，数据寄存器:8000点。

综上所述我们选用三菱企业日勺FX1N系列日勺PLC,根据PLC选型对端口预留5%〜

10%的余量，我们选用PLC为:

表2.1PLC型号表

型号主机输入点主机输出点电源

FX1N-40MR-0012416AC100-240V

第三章包装机设计日勺计算与电气器件的选择

1.各机构日勺构造设计

1.1给料装置构造设计

规定

给料装置n勺设计重要是将颗粒料物品摇均匀，使得包装物在自重的作用下落到

下料管中。为了使颗粒料包装物可以掉到下料管内，而不引起卡死管道的现象,

需要计算下料管口勺管径：由于颗粒料物品一般的直径为3mm,因此设计管径的

直径为7m根据下料管设计下料箱的J构造如下：

气缸一2-气缸二3-箱体4-斜坡5-抽板

图3.1给料装置构造图

工艺过程

在气缸1的驱动下，箱体的右侧向上运动，使得箱体3体内的颗粒料落到箱

体孔中。为了使颗粒料轻易落到孔中，设计箱体上日勺孔为斜孔。上孔直径为

24mm,下孔直径为15mm,箱体3的下面放置一块抽板5,需要下料时将抽板

抽出使得抽板上日勺孔恰好与箱体上的孔对齐，这样颗粒料就落到了导料管内。气

缸驱动箱体作用完后来，箱体在自重的作用下落回到水平位置。因此在水平位置

安装一种传感器，箱体抵达此位置即完毕了摇箱动作。为了提高生产效率，在箱

体内开50个孔，好一次能完毕50个包装物。

1.2纸供送机构设计

规定

包装机口勺所有动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，采用薄页纸卷筒包装材料

作为包装材料。纸供送构造规定将包装机以一定的速度送到指定的位置，中旬必

须保证送至过程日勺持续，保证定位切断精确，所切出来的纸H勺形状完整无误差。

送纸的速度由气缸来决定一般为3m/so同步还规定排除某些干扰原因，像其中

最常见H勺是卷带被牵引供送时发生拉伸变形和同辐面打滑。其基本构成及机构图

如下图所示：

1-支承架2-导银组3-张紧装置4-纸定位装置5-送纸架6-压纸杆7-气缸

图3.2送纸构造图

1.3下料装置机构设计

规定

下料装置规定包装纸冲出一定的形状然后再把颗粒料物品精确地送到包装

纸中，这就包括了冲纸机构和导料机构。根据以上规定设计H勺冲纸导料机构如下

图：

1-导料板2-内管3-外管4-固定板5-下料板6-导料管7-放刀板8-压纸板

图3.3下料装置构造图

工艺过程

通过传感器懂得压纸板8、放刀板7完毕压纸切纸后来，此时气缸驱动下料板5

向下运动而将纸冲成窝形状，在此装一种传感器，当一碰到此传感器就完毕了

冲纸动作。由于固定板4和下料板5是连在一起的，因此冲纸过程中固定板4

也会伴随运动，为了保证内管2与固定板之间的完好的连接，目为了保证动作

过程中的运动精度因此在内管2的外面加一种外管3,以防止在运动中引起位置

误差而孔与孔之间不能很好日勺配合。冲纸动作完毕后来导料板1上日勺抽板完毕动

作，颗粒料落到导料管中而充填到窝形的包装纸中完毕了充填动作。

1.4压纸切纸机构设计

规定

当包装纸送至对的位置后来，接下来是对纸进行裁剪动作。按照对的的尺寸进行

裁剪，因此将压纸动作设计在裁纸动作之前"此机构的详细规定是先进行压纸动

作再进行裁纸，根据以上规定设计压纸切纸机构图如下：

1-压纸板2-弹簧3-刀片4-下料管5-放刀板6-切纸压纸杆

图3.4压制切纸构造图

工艺过程

气缸推进切纸压纸杆6往下运动，当压制板1压好纸后，气缸继续推进切纸

压纸杆往下运动，压纸板运动到极限位置不动，放刀板5继续往下运动将纸切

成菱形。由于本次设计将压纸和切纸设计为同一杆，因此为了到达压纸板1动作

到位后放刀板5继续往下动作的目的，在两板之间安装了弹簧2。在气缸的驱动

下放刀板5缓慢向下运动，使得放刀板上的刀将纸切成菱形。同步弹簧尚有一种

作用即拖住压纸板1。同步当气缸不动作的时候，弹簧将压纸板和放刀板复位。

为了使切出来的纸为菱形，将放刀板5的设计如下：

图3.5放刀板构造图

整个压纸切纸过程中，由于压纸板1所选用口勺材料为钢，而与压纸板接触

的板也是钢。因此在压纸切纸杆向下运动到两板接触的时候会产生撞击声。为了

防止产生噪音，在压纸板1下面安装一块海绵，以到达减震的目的。

1.5封口机构设计

规定

将颗粒料包装封口，使得在一般状况下颗粒料物品不散落出来。因此，在封口时

所用的封口力不能太大，太大将会损坏包装纸。根据以上规定设计H勺封口的构造

图如下:

OO

OOOOOOOOOO

OOOC*OOOOOO

OO0>OOOOOOO

OOOOOOOOOO

OOOOOOOOOc>

OO

1-上板2-下板

图3.6封口机构设计图

工艺过程

由于封口动作在下料动作完毕后进行的考虑到下料后被包装物还是呈球形，因

此我们设计H勺封口装置也是先呈圆形如图：

当要进行封口动作时，一种气缸驱动上板1向左运动，一种气缸驱动下板2向右

运动，两块板相向运动19mm行程。此行程的）控制由电接点压力表来控制，通过

测量当压力到达0.38\Fa刚完毕此行程。到达此压力后上板1.下板2立即复位,

被包装物品在自重日勺作用掉在包装袋里。封口结束后，整个包装过程完毕。

2重要电气元器件日勺选择：

2.1真空发生装置选型

本次的设计真空发生装置重要是用于送纸过程中的将纸吸附在送纸台上。真

空的产生装置担真空泵和真空发生器两种。根据两者I向长处以及我们的需求选用

真空泵作为真空发生装置。

选用真空泵时，需要注意下列事项：

（1）真空泵的工作压强应当满足真空设备的吸限真空及工作压强规定。

（2）对H勺地选择真空泵日勺工作点。

（3）真空泵在其工作压强下，应能排走真空设备工艺过程中产生所有气体

量。

（4）对的地组合真空泵。

（5）真空设备对油污染的规定。

（6）理解被抽气体成分，气体中含不含可凝蒸汽，有无颗粒灰尘，有无腐等。

（7）空泵排出来的油蒸汽对环境的影响怎样。

（8）真空泵工作时产生日勺振动对工艺过程及环境有无影响。

（9）真空泵的价格、运转及维修费用。

XGB旋涡气泵是一种吹气或吸气两用的通用气源。根据以上原则且考虑到我们所

选用的真空泵只需要满足送纸过程中的吸真空，初步选用扩散泵中的XGB型漩

涡气泵。XGB型漩涡气泵用来抽除密闭容器的气体的基本设备之一。它可以单独

使用，也可作为增压泵、扩散泵、分子泵日勺前级泵使用。该型泵广泛应用于冶金、

机械、电子、化工、石油、医药等行业日勺真空冶炼、真空镀膜、真空热处理、真

空干燥等工艺过程中。具有构造紧凑，体积小，重量轻，噪音低，振动小等长

处。因此，它合用于作扩散泵日勺前级泵，并且更合用于精密仪器配套和试验室使

用。

2.2传感器日勺选型

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日勺控制量大小，以完比活塞位移日勺实时控制。

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。物理传感器应用

的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电

等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，

被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

我们本次的选择的重要是物理传感器中的开关传感器一一当一种被测量日勺

信号到达某个特定的阈值时，传感器对应地输出一种设定日勺低电平或高电平信

号，用于判断位置信号时有无。根据以上我们选择光电开关来作为传感器。型号

为：G1V-TE015N1,数量为11个。

2.3电磁阀选型

通过控制电磁阀的通电，实现对活塞缸的活塞杆输出推力的控制。考虑气缸的工

作的最大压力为l.OMPa,因此我们选用中压式的电磁阀。

2.4空气压缩机选型

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。

空气压缩机的按工作原理分为容积型和速度型。常用往复式容积型压缩机,

一般空压机为中压，额定排气压力IMPa；低压空压机排气压力0.2MPa；高压空

压机排气压力lOMPao

由于我们选用的气缸的工作的最大压力为IMPa,因此我们选空压机为中压的往

复式容积型压缩机。往复式又分为活塞式和螺杆式，特性比较如下表：

表3.1活塞式和螺杆式特性表

类型输出吸入流量功率振噪维排气价格排气方式

压力/KW动音护压力

/加力min-1

/MPa量脉动

活塞1.00.1-300.35〜大大大大较低断续排气，需设气罐

式220

螺杆1.00.2〜671.5〜370小小小无高持续排气C不需气罐，

式排出气体可不含油

跟据上表我们选用活塞式容积压缩机。再根据是气动系统所需要的工作压力

和流量两个参数，确定空压机的输出压力和吸入流量，最终选用空压机

日勺型号

1.空压机的输出压力

,一般境况下，令

一一气动执行元件内最高使用压力,MPa

——输出空气的绝对压力,MPa

----气动系统的I总压力损失,MPa

=〃+Z△P（MPa）=5+0.2=5.2MPa

2.空压机的吸入流量

设气罐%二°M

qC/min）（原则状态）

——向气动系统提供的流量，

一一气动系统的平均耗气量，

一一空压机H勺吸入流量，

——修正系数，重要考虑气动元件、管接头等各处H勺漏损、多台气动

设备不一定同步使用的运用率以及增添新的气动设备H勺也许性等原因。一般可令

取心“5

qc=kqh=2.25（"尸/min）

3.空压机欧I功率:

N=空业X空4(乙严-1](KW)网

K-10.06四

N——空压机日勺功率

——中间冷却器个数，取

——等嫡指数，取

吸入空气日勺绝对压力,

K—1

N=5+1)KX〃L而而_]]

一K-10.06"

1.4-1

(i+l)X1.4v0.5X2.25r2.25

-------------x------------1()Q+】冈.4_]]=31.46KW

1.4-10.060.5

根据以上的计算选用空压机的J功率为40KW。

第四章系统的编程和设计

1.PLC概论

1.1PLC日勺一般构造与基本原理

用可编程控制器实行控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个

变换予以物理实现。输入输出变换和物理实现可以说是PLC实行控制的两个基本

点，而输入输出变换实际上就是信息处理。根据PLC实行控制的基本点日勺分析,

PLC采用了经典的计算机构造，重要是CPU、RAM、ROM和专门设计口勺输入输出接

口电路等构成如图4.1所示。

地此总、线控制总线

开关或传感器输

输

中

入

存照明

央

入

物

继电器触电储

处

出

接

器

理

数电磁装置、电动机

行程开关口

单

据

元

模拟量输入一存

储其他执行装置

或接触器

潴

程

单

元

图4.1PLCU勺一般构造

PLC的工作原理

一.扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、顾客程序

执行和输出刷新三个阶段。完毕上述三个阶段称作一种扫描周期。在整个运行期

间，PLC的CPU以一定的扫描速度反复执行上述三个阶段。

（一）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存

入I/O映象区中日勺对应得单元内。输入采样结束后，转入顾客程序执行和输出刷

新阶段。在这两个阶段中，虽然输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的对应

单元的状态和数据也不会变化。

（二）顾客程序执行阶段

在顾客程序执行阶段，PLC总是按由上而下日勺次序依次地扫描顾客程序（梯形

图）。

（三）输出刷新阶段

当扫描顾客程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O

映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动对应

的外设。这时，才是PLC『、J真正输出。PLC虽然具有微机的许多长处，但它的工

作方式却与微机有很大不一样。这个工作过程分为五个阶段：自诊断，与编程器

等的通信，输入采样，顾客程序的执行，输出刷新。其工作过程框图如图4.2

所示。

自诊断机等通信一读入现场信号i执行用户程序「结果输出

图4.2PLC日勺工作过程

2.PLC的软件设计

2.1GXDeveloper开发工具日勺特点

GXDeveloper编程软件是基于Windows95/98或WindowsXPH勺为三菱、

、FX系列的PLC配置和编程口勺原则软件包。通过GXDeveloper,顾客可以进

行系统配置和程序的编写、调试，在线诊断PLC硬件配置状态、控制PLC的运行

状态和I/O通道日勺状态等。

三菱FX1N系列的PLC编程语言有三种：

1.梯形逻辑编程(LAD)是GDeveloper编程语言的图形体现方式。它H勺指令语

法与一种继电器梯形逻辑图相似：当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线

圈时，梯形图可以让你追踪电信号在电源示意线之间的流动。

2.语句表(STL)是GXDeveloper编程语言的文本体现方式。与机器码相似，假如

一种程序是用语句表编写的,CPU执行程序时则按每一条指令一步一步地执行。

3.次序功能块图(SFC)是GXDeveloper编程语言的图形体现方式，次序功能流程

图编程是一种图形化的编程措施，又称功能图。使用它可以对具有并发、选择等

复杂构造的系统进行编程。

2.2PLC程序日勺总体构造

本系统采用的PLC软件是三菱企业的GXDeveloper,GXDeveloper编程软

件可对硬件和网络实现组态，运用GXDeveloper可以以便地创立一种自动化处

理方案。下图为创立一种自动化项目的基本环节：

图4.3创立自动化项目的环节

GXDeveloper可用来生成自动化项目所需的数据和程序。这些数据包括：硬件

构造的数据、模板参数、网络通讯数据，以及为可编程模板编制日勺程序。它们都

被搜集在一种项目下。生成一种项目的重要任务就是为编程准备这些数据。数据

在一种项目中以对象的形式存储。GXDeveloper可编程控制器上装程序到编程

器和其他操作，需在编程设备和可编程控制器之间建立连接。然后是对参数进行

设定，创立程序。在参数赋值，程序创立和建立在线连接后，可如下载整个顾客

程序到一种可编程控制器。在下载完整的或部分顾客程序到CPU之前，把工作方

式从RUN模式置到STCP模式。可以通过在线连接下载各个块或整个顾客程序到

RAMo在可编程控制器中，假如掉电且RAM没有被备份则数据丢失。也可如下载

整个顾客程序到EPROM存储卡中。当电源关断后和CPU复位时，保留在他们上面

的数据将被保留。这样'当出现故障而不能访问到程序义档的符号或注释时，就

可以在PC中编辑它。

3.包装机的］PLC程序设计

3.1PLC程序总体设计

程序设计应当建立在各个机构日勺工作次序以及对整个系统方案的优化日勺基础之

上的，按照PLC应用的环节开发完毕H勺。程序控制H勺目口勺是实现整个机械可以稳

定时运行，将颗粒料物品包装完整。根据第二章、第三章对整个包装机各个机构

部分的工艺分析，可以得到包装机的总体程序流程框图如下图：

<PLC有故障；--------------------