基于PLC的面粉自动包装机的控制系统.docx
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基于PLC的面粉自动包装机的控制系统
测控技术与仪器专业
综合课程设计
基于PLC的面粉自动包装机控制系统设计
摘要
面粉包装机械能够大大节省劳动力成本,减轻劳动强度,提高劳动生产率,提高包装品质,保证面粉加工生产线的自动化,符合现代社会对多种质量包装食品的要求。
充分借鉴各种包装机械先进控制技术,面粉自动包装机采用PLC和触摸屏相结合的自动控制方案,采用PLC和触摸屏对国产设备进行了技术升级改造,实现了智能化的自动包装控制过程和可视化的参数控制。
该包装设备使用简单,性能可靠,可维护性及安全可靠性显著提高,在食品加工等行业中有广阔应用前景。
本文介绍了一个基于PLC控制的面粉自动包装设备,采用PLC与触摸屏电控系统进行控制,并对系统的硬件、软件设计和设备工作过程进行了详细的分析。
关键词:
面粉自动包装机、PLCS7-200、触摸屏、硬件设计、软件设计
Abstract
Flourpackingmachinecangreatlysavelaborcosts,reducelaborintensity,improvelaborproductivity,improvethequalityofpackaging,ensuretheautomationofflourprocessingline,conformtotherequirementsofthemodernsocietyofvariousfoodpackagingquality.
Makingthebestuseofallkindsofpackagingmachineryofadvancedcontroltechnology,automaticpackingmachineforflouradoptsPLCandtouchscreencombinedautomaticcontrolscheme,adoptingPLCandtouchscreenfordomesticequipmentfortechnologicalupgrading,realizetheintelligentpackagingautomaticcontrolprocessandthevisualizationparameterscontrol.Thepackagingequipmenthastheadvantagesofsimpleuse,reliableperformance,maintainabilityandsafetyandreliability,andhaswideapplicationprospectinthefoodprocessingindustry.
Inthispaper,aPLCbasedcontrolofflourautomaticpackagingequipment,usingPLCandtouchscreencontrolsystem,andthesystem'shardware,softwaredesignandequipmentworkingprocesswereanalyzedindetail.
Keywords:
flourautomaticpackagingmachine,S7-200PLC,touchscreen,hardwaredesign,softwaredesign
1.设计任务书
1.1涉及专业课程
(1)可编程序控制其原理与应用基础
(2)PLC及触摸屏组态控制技术
(3)高级语言程序设计
(4)大学计算机基础
(5)变频调速技术与应用
(6)气压与液压传动
(7)传感器
1.2设计任务
(1)研究粉末包装机各控制动作,了解包装机的工作过程及工艺要求。
(2)总结各机构的动作顺序,将其用流程图的形式表示出。
(3)掌握控制系统的硬件配置、输入输出点分配和软件设计。
(4)撰写课程设计说明书。
1.3设计目标
结合设计任务,本设计要求的设计目标如下:
(1)完成目标
结合当前人们对包装的需求以及显存粉末包装机的现状,利用专业知识设计基于西门子PLCS7-200的粉末自动包装机控制系统,解决现存粉末包装机的弊端。
(2)技术指标
通过软件设计和硬件设计来实现整个包装流程。
重点是PLC控制系统硬件设计和软件设计部分,主要技术指标如下:
包装规格:
1000g
包装精度:
±20g
包装速度:
60袋/分
包装方式:
容杯式袋成型
制袋方式:
三边封
1.4本设计的主要功能
设计PLC控制系统,通过PLC和触摸屏控制面粉包装机的运行
(1)研究硬件系统设计
(2)研究软件设计,PLC编程
1.5本章小结
本章介绍了本次课程设计的专业课程,设计任务,设计目标,设计的主要功能。
从而确定了整体设计的基本走向,即系统构成的确定,硬件系统设计,软件设计(PLC编程),调试运行等步骤。
2.设计论证及计划
2.1课程设计背景
传统的包装机械多采用机械式控制,如凸轮分配轴式,后来又出现了光电控制、气动控制等控制形式。
但是,随着食品加工工艺的日益提高,对包装参数的要求不断增多,原有的控制系统已难以满足发展的需要,应采用新的技术改变食品包装机械的面貌。
当今的食品包装机械是集机、电、气、光、磁于一体的机械电子设备,在设计时,应着力于提高包装机械的自动化程度,将包装机械的研发与计算机结合,实现机电一体化控制。
机电一体化的实质就是从系统观点出发,运用过程控制原理,将机械、电子与信息、检测等有关技术进行有机组合,实现整体最佳化。
随着电子技术的发展,可编程逻辑控制器(PLC)逐渐取代体积大、易出故障的继电器——接触式控制线路,广泛应用与机械、化工、建材、钢铁、食品加工等各行各业。
自动化水平在制造工业中不断提高,应用围正在拓展。
包装机械行业中自动化操作正在改变着包装过程的动作方式和包装容器及材料的加工方法。
实现自动控制的包装系统能够极提高生产效率和产品质量,显著消除包装工序及印刷贴标等造成的误差,有效减轻职工的劳动强度并降低能源和资源的消耗。
具有革命意义的自动化改变着包装机械行业的制造方法及其产品的传输方式。
设计、安装的自动控制包装系统,无论从提高包装机械行业的产品质量和生产效率方面,还是从消除加工误差和减轻劳动强度方面,都表现出十分明显的作用。
尤其是对食品、饮料、药品、电子等行业而言,都是至关重要的。
自动装置和系统工程方面的技术正在进一步深化,并得到更广泛的应用。
面粉包装机械能够大大节省劳动力成本,减轻劳动强度,提高劳动生产率,提高包装品质,保证面粉加工生产线的自动化,符合现代社会对多种质量包装食品的要求。
充分借鉴各种包装机械先进控制技术,采用PLC和触摸屏对国产设备进行了技术升级改造,实现了智能化的自动包装控制过程和可视化的参数控制。
2.2系统设计要求
控制系统是包装机械的重要组成部分,它的作用在于对整个自动工作循环进行控制和协调,包括使各种包装运动按一定顺序进行;必要的压力、温度、时间、速度的调节及其控制;各种质量检测,自动安全保护,自动计量、计数的实现;物料的供停,故障的自动报警等控制。
模块化控制通常是指对单个包装机而言,以模块化设计为基础划分其功能模块,通过对功能模块的控制实现对整个机器的控制。
但是,不同的包装机其具体要完成的包装任务是不同的,因此功能模块的配置也就不同,控制系统也不尽相同。
于每种包装机都要重新对它进行模块化分析,设计出相应的控制方案。
随着科学发展和自动化程度的提高,要求一种适应性强、功能完备、通用化的控制系统来适应包装机械的改变,并且使成本降至最低、控制准确。
这正是本文阐述的模块化控制系统与一般模块化控制不同之处。
控制系统由PLC控制确定计量精度,通过触摸屏监控自动包装机的运行状态,可随时根据生产要求更改系统参数。
本系统采用变频调速技术,不但能实现控制系统绝对速度的控制,而且能够节约能源,提高效率。
PLC与触摸屏结合的控制系统,软件硬件简洁可靠,适合在工业复杂环境使用而且易于维护,有广阔的应用前景。
控制系统设计包括硬件设计和软件设计两大部分。
硬件控制系统设计包括以下主要容:
(1)整体闭环控制系统方案的设计;
(2)主要电气元件的选择,其中包括PLC控制器、电机、变频器、光电编码器等;(3)根据被控对象的控制要求,确定整个系统的输入、输出设备的数量,从而确定PLC的I/O点数,包括开关量的I/O点数,模拟量的通道数,以及特殊功能模块等;(4)建立I/O分配表,对各个点位特性进行说明。
软件控制系统设计主要包括:
(1)在对袋成型自动包装机的控制系统总体设计的基础上,着重对系统的位置控制策略进行设计,从理论上分析如何利用智能模糊PID控制结合快速逼近算法来实现封口过程的精确定位的基本原理。
着重研究使用的模糊PID控制策略的可行性和理论推导。
接合PLC硬件选型,选择合适算法,编写控制予程序;
(2)根据控制要求绘制程序流程图,编写PLC程序;(3)使用人机界面编程软件开发监控程序和界面;(4)将PLC程序载入PK程序存储器,进行程序调试。
PLC在面粉生产中的应用:
首先PLC可以按制粉工艺要求使设备按一定程序启动或停车,也可以控制单机的启动和停机,并起到监视设备运转状态的作用。
其次PLC对系统故障报警,如物料憋堵,高、低料位报警,可以使操作人员及时作出有效的处理,以确保面粉质量的稳定性。
再次PLC使用连锁,如果一处引起报警并有可能影响产品质量,PLC就会自动发出指令使所有可能影响产品质量的设备停机。
保证包装精度高,包装速度达到预定要求。
2.3设计规划
论文主要的研究容和完成的主要工作包括以下几个方面:
(1)理解面粉自动包装机的工作原理,分析其包装过程,总结工艺流程。
(2)完成硬件系统设计。
包括系统结构和I/O端口的分配,画出硬件系统框图。
(3)完成软件系统设计。
系统软件由一个主程序和若干个子程序组成。
做出控制流程图,根据该流程要求设计出主要梯形程序。
(4)系统功能的调试。
完成整个系统的功能调试,确定系统运行正常。
包括各系统模块功能的稳定性和可靠性调试,系统软件调试。
2.4全文结构
全文共分五章,主要结构如下:
第一章:
阐述课题背景和研究意义。
第二章:
阐述面粉自动包装机控制系统,确立系统设计要求,介绍了控制系统设计包含硬件和软件设计两大部分,还介绍了PLC在面粉生产中的应用。
第三章阐述了硬件系统设计包括系统结构和I/O端口分配,需按照要求完成硬件部分设计。
第四章介绍了软件总体功能,软件设计主要是PLC编程,详细介绍了软件设计的要求和步骤,即软件部分的具体设计。
第五章:
对前文中所做容做出总结,并指出未来面粉包装机的发展方向。
2.5本章总结
分析包装机的背景,及近年来的发展状况,面粉自动包装机采用PLC和触摸屏相结合的自动控制方案,该包装设备使用简单,性能可靠,可维护性及安全可靠性显著提高,在食品加工等行业中有广阔应用前景。
3.面粉包装机总体设计
3.1设备组成及工作原理
面粉包装机设备由自动电子称、输送机和缝口机组成,简图见图3-1。
自动电子称由给料机构、称重料斗、称重传感器、夹袋机构、揉袋机构等组成,其中给料机构由存料斗、给料叶轮和给料门等组成。
动力设备给料电机、输送机电机和缝口电机工作分别完成送料、输送和缝口,给料门、卸料门的开关、夹袋和揉袋动作均由气缸推动,是由相应的电磁阀线圈通过断电来控制。
图3-1面粉包装机设备简图
面粉自动包装机的工作原理如图3-2所示,当整机运行时,拉膜电机启动,通过传动机构带动拉膜带恒速连续运行,拉膜带的速度可以按照包装速度设定值自动调整。
拉膜带的侧为齿形带外测为高弹力的橡胶带。
高弹性橡胶带可以增强其与薄膜的摩擦力,在该摩擦力的作用下,包装材料随拉膜带向下运动。
薄膜经包材经过纠偏机构到达成型器,经过成型器后,带状的包材被卷成筒状:
筒状包材的前封口被压在纵封带下加热、加压,使包材纵向被热封。
横封机构在准备运行阶段回到原始位置,包材色标到达色标检测传感器时,传感器发出信号,启动横封电机,使横封机构动作。
如图3-3所示,横封机构为双曲柄机构,单个横封器可以实现平动,运动轨迹为圆周。
由于每个横封器都由前后两部分组成,且两部分之间都用弹簧相连接,所以每个横封器的前后两个部分都可以有一个相对位移,即两个横封器在相互挤压时,彼此之闻可以有某个行程的压缩量。
利用这一原则进行设计,使两个横封头的回转中心的中心距小于两者的回转半径之和,则横封头在整周回转过程中,在两个回转中心的孛垂线上互相挤压在一起,并且经过一段竖直的运动轨迹,此时,横封运动的速度与拉膜速度相适应。
在这个竖直方向的运动过程中,横封机构完成包装袋的横向热封和切断。
横向切断包装袋的同时,启动计量螺杆动作。
横封机构完成一个周期动作之后回到原始位置,等待下一个色标。
图3-2包装机工作原理图
图3-3横封机构
3.2包装机工艺说明
包装机工艺设计是一台设备的核心。
通过分析,整个包装过程主要为供料、纵封、横封、切断等部分。
首先实现地是制袋过程,包装膜通过袋成型器将包装膜对折再经纵封装置将其封合成圆筒状,然后进行物料的填充和横封操作。
包装袋的切断动作则是通过旋转编码器来测定,将旋转编码器所处的角度传送到PLC控制中心进行处理,然后发送控制信号,将电磁阀吸合带动气缸动作,气缸推动切刀实现包装袋的切断。
变频器主要用于控制异步电机的转速,变频器外接电位计,通过调节电位计来控制电机频率,进而达到包装速度可调,可根据生产需要设置包装速度的目的。
触摸屏则取代了传统按钮的使用,减少了接线的繁琐,同时将控制温度实时显示在触摸屏上。
本设计还可用于统计总的生产数量,并统计用时时间。
3.3总体布局
包装工艺确定以后,要考虑如何实现这种包装动作。
因此,要求选择合适的传动、操作和执行机构。
这些机构组成若干个部件,这些部件相互位置怎样安排它们又是怎样联系和形成一个完整的总体这就是包装机总体设计的任务。
包装机的传动与控制机构,可以采用机械式,液压式,或气动式。
应根据产品的特点、生产能力、使用者的情况等具体条件以及机器动作的复杂程度而定。
根据以上分析,本文设计的面粉自动包装机的操纵系统采用气动式控制系统,一台包装机出哪些几部分组成,决定于包装工艺的要求。
面粉自动包装机由以下部分组成:
(1)传动系统;
(2)包材输送系统:
(3)成形器构件;(4)装物输送系统;(5)纵封及牵引构件系统;(6)横封及切断构件系统;(7)电气控制系统。
布局形式的选定,最主要根据包装工艺的特点即决定于包装的工艺链。
布局形式要便于包装,使机构简化,工人操作和维修方便。
如包裹块状物体,自动包装机布局形式宣采用卧式布局;如包裹液体、粉末状物体包装机布局宜采用立式布局,这样便予进料、送纸、包装、封切等。
因块状物件不易自动落料,应当用辅助输送带供料。
在设计中总体布局要求:
(1)传动系统力求简洁,在能满足多功能基础上保证结构简单;
(2)机械操作,调整简单,易主手,装拆方便,联锁防护可靠;(3)操纵手柄位置方便操作,也考虑到润滑系统等;(4)排料位置考虑方便安全;(5)外形美观大方,移动安装方便。
3.4系统工作过程
该包装机主要由供料装置、纵封装置、横封装置、切断装置、膜输送装置以及其他辅助装置组成。
各装置通过分工合作,共同完成包装过程。
该包装机的工作过程是集送膜、制袋、填充、封口、切断、输送为一体的流水线生产方式,提高了生产效率。
同时,该包装机设计有手动和自动两种工作模式,在自动模式下,连续执行包装过程,实现高效生产;在手动模式下,主要用来调试单个工作位置是否处于正常工作状态。
从工艺上讲,工艺是连续的,只有在装物供送时,每送入一件必须保证端封切断器封切一件。
因此其工作循环过程比较简单。
面粉包装机包装工作流程图见图3-4所示:
图3-4包装工作流程图
3.5本章总结
根据设计目标,按照设计规划,本章主要作出了包装机设计的总体把握,阐述了包装机的结构特点,工作原理,以及工作过程,为下面的硬件软件设计作了准备。
4.主控系统软硬件设计
4.1硬件系统设计
4.1.1PLC硬件组成及工作原理
PLC一般由四大部分组成:
CPU、存储器、I/O系统以及其它可选部件。
前三大部分是PLC完成各种控制任务所必需的,一般称为PLC的基本组成部分。
其它可选部件包括编程器、外存储器、仿真I/O、通讯接口、扩展接口以及测试设备等,主要用于系统的编程组态、程序存储、通讯联网、系统扩展和系统测试等。
CPU是PLC的核心部件,用于字节指令的处理,并实现各种控制作用;数字I/O接口用作CPU模板与外部开关量讯号之间的接口。
它完成诸如电平转换电气隔离、串/并型数据转换以及对外提供一定的驱动能力等工作;模拟I/O接口输入部分主要完成阻抗匹配、讯号放大、讯号滤波、I/V变换、V/F变换或者A/D交换等工作,以便将来自受控对象的仿真量转换成PLC能够处理的数字量,其输如部分主要实现阻抗匹配、功率放大、波形校正等功能。
目前PLC的发展非常迅速,型号众多,各种特殊功能模板不断涌现。
通常根据其I/O点的数量将PLC分为三大类:
小型机:
256点以下(无模拟量);中型枕:
256-2048点(64~128路模拟量);大型机:
2048点以上(128~512路模拟量)。
具体实现时,通常采用模板式结构,以便用户根据实际应用需求进行配置但一些小型机常制作成一体机,其配置固定,主要供定型成套设备使用;而一些大型机一般在电源、或者CPU,甚至两者都作了热备份。
小型可编程控制器的结构框图如图4-1所示:
图4-1小型可编程控制器的结构框图
PLC是采用“顺序扫描,不断循环"的方式进行工作的。
即在PLC运行时,CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序,按指令步序号(或地址号)作周期性循环扫描,如无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序,直至程序结束。
然后重新返回第一条指令,开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中,还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段:
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入,并将其写入各对应的输入状态寄存器中,即刷新输入。
随即关闭输入端口,进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段:
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令,经相应的运算和处理后,其结果再写入输出状态寄存器中,输出状态寄存器中所有的容随着程序的执行而改变。
输如刷新阶段:
当所有指令执行完毕,输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中,并通过一定的方式(继电器、晶体管或晶闸管)输出,驱动相应输出设备工作。
4.1.2PLC选型及模块配置
通常在PLC系统设计时,首先应确定控制方案,下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要设计选型的主要依据。
PLC及有关设备应是集成的、标准的,按照易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则,选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统,PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。
熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间,因此,工程设计选型和估算时,应详细分析工艺过程的特点、控制要求,然后根据控制要求,估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等,最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
I/O点数估算时应考虑适当的余量,通常根据统计的输入输出点数,再增加10%-20%的可扩展余量后,作为输入输出点数估算数据。
实际订货时,还需根据制造厂商PLC的产品特点,对输入输出点数进行调整。
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小,程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小,因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段,由于用户应用程序还未编制,因此,程序容量在设计阶段是未知的,需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算,通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器存容量的估算没有固定的公式,许多文献资料中给出了不同公式,大体上都是按数字量I/O点数的10-15倍,加上模拟I/O点数的100倍,以此数为存的总字数,另外再按此数的25%考虑余量。
根据袋成型包装工艺流程的特点和应用要求以及从经济性方面来考虑,我们选择了西门子公司的S7-200系列PLC。
S7-200CPU包括CPU221、CPU222、CpU224、CPU224XP和CPU226等型号。
在此我们选择CPU224XP,它带有16K的程序存储器,10K的数据存储器,数字量I/O口为14入10出,模拟量I/O口为2入l出,扩展模块数量可达到7个模块,置实时时钟,2个RS485自由口(PORTO负责PLC与电机控制器通信,PORT1负责PLC与人机界面通信)。
4.1.3PLCI/O端口分配及硬件配置
据统计,该控制系统需要配置如下的不同性质的I/O点:
14个开关量输入;7个开关量输出;4个模拟量输入;2个模拟量输出.根据I/O点数的确定要按照实际点数再增加一定的备用量及其特性,配置了如下模块:
1个EM232模拟量输出模块(2路);1个EM231热电偶模PID模块(4路)如表1:
表1PLCI/O端口分配表
输入地址
说明
I0.0
薄膜光标信号(中断事件O)
I0.1
横封电机主轴编码器脉冲(HSC3)
I0.2
横封电机主轴编码器Z
I0.3
拉膜电机主轴编码器脉冲(HSC4)
I0.4
填充电机主轴编码器/流量计脉冲(HSC5)
I0.5
启动/停止按钮常牙
I0.6
急停按钮常闭
I0.7
点动按钮常开
I1.0
有/无光标模式选择开关
I1.1
薄膜耗尽检测开关常开
I1.2
横封主轴上标定扇面(角度与横封扇面相同)常开
I1.3
变频器l故障常开横封电机
I1.4
变频器2故障常开纵封电机
I1.5
变频器3故障常开供料电机
AIW4
纵封热电偶l
AIW6
纵封热电偶2
AIW8
横封热电偶l
AIW10
横封热电偶2
输出地址
说明
Q0.0
产品灌装阀/翻板
Q0.1
纵封电机:
拉膜/驱动纵向热封
Q0.2
横封电机:
同时驱动切刀
Q0.3
产品输送电机
Q0.4
灌装阀2/充气阀可备用
Q0.5
系统工作灯
Q0.6
系统报警灯
Q0.7
备用
Q1.0
备用
AQW0
纵封加热模拟量输出
AQW2
横封加热模拟量输出
14个开关量输入主要包括包材的光标检测、电机速度的反馈(编码器)、手动、连锁自动运行,有无光标模式选择输入等。
7个开关量输出主要包括各设备的产品输送管路电磁阀,产品输送电视,纵封横封电机接触器,运行指示及信号报警等。
4个模拟量输入是热电偶温度输入。
2个模拟量输出是控制纵封和横封的加热器温度。
利用MODBUS总线RS485通信调节变频器输出频率控制包装机电机的转速,控制纵封电机、横封电机以及产品输送电机。
PLC控制系统的硬件配置框图如图4-2所示:
图4-2PLC控制系统的硬件配置框图
4.1.4各功能模块设计
(1)手动模式:
操作入员能跳过PLC主机启、停相应驱动电机、设置电机参考值、产品灌装量等。
控制器、执行器件执行相应任务,主机将保存操作人员设定的参数存入手动模式,一旦切入自动模式,主机将按这些参数执行程序。
该模式主要用于调试和紧急情况。
(2)自动模式:
PLC主机根据预先设定的参数,自动执行程序
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