基于PLC的瓷砖包装线控制系统设计.docx

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基于PLC的瓷砖包装线控制系统设计

学位论文原创性声明

兹呈交的学位论文，是本人在指导老师指导下独立完成的研究成果。

本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。

本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。

声明人（签名）：

年月日

基于PLC的瓷砖包装线控制系统设计

机电工程学院自动化专业乐家明（21106061033）

指导老师：

苗雅男（助教）

摘要：

随着市场经济的发展，包装工业在国民经济中所占比重和作用也越来越大，包装机械在包装工业中的地位十分重要，对包装工业现代化具有举足轻重的作用。

它可以提高劳动生产率，改善生产环境，降低生产成本等，从而增强商品的市场竞争力，带来更大的社会效益和经济效益。

我国的建筑陶瓷行业近年来得到了高速的发展，生产技术方面不断创新，并一跃成为世界最大的建筑陶瓷生产基地，然而瓷砖的包装机械的研究和开发却比较落后，瓷砖的机械化包装使用率还不到40%，远远跟不上陶瓷产量增长的需求。

因此，研发出一种可以代替目前手工包装瓷砖的自动包装设备尤为重要。

针对以上问题，本设计将以瓷砖包装的工艺流程为对象，利用可编程序控制器（PLC）设计开发一种高效、低成本的全自动化的瓷砖包装生产线控制系统。

该控制系统分为上砖、包角、送纸、折纸、打带和码垛6个模块，并涉及到了机械手、气缸、电机、传感器等相关元器件，具备全程自动包装和码垛的功能。

此外，系统还配备人机界面，可实时显示系统的运行状态、信息统计等。

该系统运行稳定，能满足目前大批量生产瓷砖的包装需求，降低劳动强度和生产成本、提高劳动生产率。

关键词：

瓷砖；包装工艺；伺服电机；气缸；PLC

TheDesignofControlSystemofCeramicTilePackagingLineBasedonPLC

LeJiamingDirector:

MiaoYanan

（Collegeofmechanicalandelectricalengineering,HuangshanUniversity,245041）

Abstract:

Withthedevelopmentofmarketeconomy,thepackagingindustryproportioninthenationaleconomyandtheeffectismoreandmorebig,thestatusofpackagingmachineryinthepackagingindustryisveryimportant,hasplayadecisiveroleroleinthepackagingindustrymodernization.Itcanimprovelaborproductivity,improvetheproductionenvironment,reduceproductioncosts,therebyenhancingthecompetitivenessofthecommoditymarket,bringgreatereconomicandsocialbenefits.BuildingceramicsindustryinChinahasdevelopedrapidlyinrecentyears,innovativeproductiontechnology,andbecametheworld'slargestarchitecturalceramicsproductionbase,buttheresearchanddevelopmentofpackagingmachinerytileisrelativelybackward,mechanicalpackagingtileuserateoflessthan40%,farbehindthegrowthofceramicproductiondemand.Therefore,thedevelopmentofacurrentautomaticpackagingequipmentcanreplacethemanualpackagingtileisveryimportant.

Tosolvetheaboveproblems,thedesignwillbetheprocessofceramictilepackagingastheobject,usingtheprogrammablecontroller（PLC）controlsystemisdesignedanddevelopedakindofhighefficient,lowcostautomaticpackagingproductionlineofceramictiles.Thecontrolsystemisdividedintoblocks,corners,feeding,folding,stackingandplayingwith6steps,andrelatestothemechanicalhand,cylinder,motor,sensorandotherrelatedcomponents,withfullautomaticpackingandpalletizingfunction.Inaddition,thesystemisequippedwithaman-machineinterface,real-timedisplaytherunningstateofthesystem,informationandstatistics.Thesystemisstable,andcanmeetthedemandofmassproductionofceramictilepackaging,reducesthelaborintensityandproductioncosts,improvelaborproductivity.

Keywords:

packaging;ceramictile;servomotor;cylinder;PLC

1绪论

1.1研究目的及意义

我国陶瓷产业在20世纪后期迅速崛起，国内有3000多家建筑陶瓷生产企业，产地主要集中在广东、湖北、浙江、山东等地，仅广东佛山就拥有瓷砖生产企业300多家，上千条生产线[1]。

时至2010年我国已牢牢占领世界陶瓷墙地砖的半臂江山，我们憧憬2015年陶瓷砖的产量继续增长。

中国陶瓷市场在迅速扩展，同时陶瓷生产工艺技术、机械装备也有了重大的改革和发展，特别是近几年，我国陶瓷砖的生产能力、技术装备、产品质量等方面都有了显著的提高，与国外先进水平的差距越来越小，更多的瓷砖生产企业开始走出国门。

但是就我国瓷砖包装设备行业的整体水平而言，远远不能满足巨量的陶瓷砖包装需求，截至目前大多数瓷砖包装几乎靠人工进行，劳动强度大、效率低、生产成本高，大大削弱了市场的竞争力。

国外在瓷砖的自动包装机械方面的技术已比较成熟，而国内对于瓷砖包装和码垛等方面的自动化设备仍然处于空白期。

我国的陶瓷机械自动化水平偏低的问题已经成为制约陶瓷产业发展及产品质量提升的主要因素之一。

随着我国居民收入水平提高和建筑物面积的不断增加，大规格地砖需求有着明显的增长，小规格墙地砖的市场份额在逐年下降，规格在600×600毫米以上的地砖逐渐成为了市场的主流产品，平均销售量年增长率超过80%。

由于600×600毫米以上的墙地砖尺寸较大，若采用人工进行包装则需要大量的劳动力。

为了能够减小生产工人的劳动强度，提高瓷砖生产效率，将先进生产设备及工艺取代落后生产设备、工艺，加快技术进步，促进产业升级，研制一种符合我国陶瓷行业实际生产需要的高速包装设备变得尤为迫切。

针对上述问题，本设计着重探讨瓷砖自动包装机的整体结构设计和控制系统的设计，为瓷砖生产企业提供更加高效、可行的瓷砖包装机械设备，降低生产劳动强度、提高工作效率、减少生产成本、提高生产力，对我国瓷砖行业的发展有重大的意义，同时也会带来更多的经济效益。

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.2.1国内现状及发展趋势

近年来国内陶瓷机械制造业发展迅猛，所采用的生产设备从十几年前的全部进口到现在的国产与进口并存，逐渐实现陶瓷设备自主化生产，尤其在一些陶瓷墙地砖的成型、烧制及后续深加工方面，很多陶瓷机械设备已打入国际市场。

然而在瓷砖的自动化包装领域，国内的陶瓷机械行业至今仍处于比较落后的状态，其主要原因在于我们还不能自主设计和生产自动化程度高的瓷砖包装成套设备，而国外产品价格极高，严重制约了陶瓷行业大整体水平向前发展。

目前中国大多数瓷砖仍采用手工包装方式，手工包装速度大约60包/小时，其劳动强度大、生产效率低、包装成本高在面临国际市场的激烈竞争时显得矛盾极为突出，如何提高瓷砖的生产效率和产品质量，与国际接轨提高产品的竞争力，是国内企业正面临的一个重要问题。

目前国内的一些瓷砖生产企业已经具备了高速的生产线，日产量能达到一万包以上，相比之下生产效率较低的包装环节就成为了非常突出的问题，迫切需要研发出一种高效、自动化程度高的瓷砖包装线来代替目前的手工包装，这对提高瓷砖生产的自动化程度具有十分重要的意义。

1.2.2国外现状及发展趋势

国外的包装机械工业起步很早，在发达的工业背景下，包装机械行业发展也较为迅速，时至今日已发展成熟，其中水平较高的国家有德国、意大利、美国、英国和日本，意大利、德国等陶瓷装备制造强国早已实现瓷砖的全自动化包装。

著名公司有德国林格（LINGL）公司、美国斯蒂尔（J.C.STEELE）公司、意大利柏岱斯蒂（BEDESCHL）公司、荷兰德宝（De.Boer）公司和西班牙维德斯（VERDES）公司等等。

这些公司的产品的特点是节能、智能、环保、设计合理、运转灵活、兼容性强[2]。

由于国外的瓷砖包装设备每套售价高达十几万甚至几十万欧元，高昂的价格让国内的陶瓷生产企业望而生畏，且国内的瓷砖生产工艺和国外的生产工艺存在较多的差别，国外早已固化的包装设备无法满足国内的实际生产要求，因此难以在国内得到推广和普及。

1.3课题的主要研究内容

本课题将在以下几个方面对瓷砖包装线控制系统进行设计：

1）了解瓷砖的规格及包装工艺，将包装线分为上砖、包装、码垛三个大环节，并对每个环节进行结构设计，并对包装工艺的关键环节着重分析，设计出一种高效、可行的机构从而实现瓷砖的自动包装。

2）针对瓷砖包装系统每个工段的工艺要求，从系统的高效性和稳定性出发，结合着外部因素的影响对控制系统的传动机构进行设计，确定气缸、电机、传感器、控制器等重要部件的选型，使系统具有高精度、高效率、低故障等特性。

3）根据操作方便、性能优先的原则为已设计好的硬件系统提出具体的控制方案，根据控制要求设计好控制系统的运行方式，编写上位机和下位机控制程序，实现系统的实时操作与信息显示，要求运行程序结构严谨有序、运行稳定，操作面板简洁友好。

2系统控制方式选择

2.1控制方式分析

2.1.1继电器控制

继电器控制系统是由继电器、接触器、主令电器和保护电器按照一定的控制逻辑连接成的一种硬件控制系统。

它利用继电器、接触器等触点的串、并联，以及延时继电器的延时功能等组成控制逻辑来实现对电动机或其他设备的起、停止控制，方向、速度控制和多台设备顺序控制以及自我保护控制。

继电器控制系统有着较明显的缺点，其连线多且复杂、运行速度慢、体积大、功耗大、寿命短等，且当控制要求变化时，想再改变或增加功能较为困难。

而PLC就是为了取代传统的继电器控制方式而诞生，目前PLC控制方式已广泛取代继电器控制方式。

2.1.2单片机控制

单片机是一种采用集成电路技术，把中央处理单元CPU、只读存储单元ROM、随机存储单元RAM、定时器T、计数器C和输入输出接口电路等集成到一起构成一个体积很小、功能完善的计算机控制系统。

随着集成电路的发展，单片机也向着多品种、高功能的方向发展，目前8位单片机已成为主流。

单片机有很多优点，其小巧灵活、集成度高、生产成本低且利于产品化。

它可组装成多种智能控制设备及各类智能仪表，能针对性地解决从各种简单或复杂的控制任务，可获得很高的性价比。

但是单片机也存在着一些缺点，其抗干扰能力和硬件质量难以达到一个很高的水准，并且其适应环境的能力也较差，较难胜任工业上各种恶劣的工作环境。

2.1.3PLC控制

在PLC问世之前，工业控制领域中继电器控制占主导地位，然而继电器控制系统有着十分明显的缺点，难以满足工业上的各种控制任务，PLC因此而诞生。

随着大规模的集成电路等微电子技术的的高速发展，到了二十世纪80年代后，16位甚至32位的处理器都已应用到了PLC中，PLC因此而快速发展。

PLC不仅在可靠性方面大大提高，其控制功能也不断增强，体积、功能以及成本都有所减小，编程和故障检测、处理也更加方便，而且具有数据处理及图像显示、通信和联网等功能，使PLC真正成为了一种具有逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理和联网通信等功能的多功能控制器。

1987年2月，国际电工委员会（IEC）对PLC作了如下定义：

PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。

它采用一类可编程序存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程[3]。

根据定义可知，PLC强调在其是专门针对工业环境而设计的一种数字控制系统，它有着很强的抗干扰能力和广泛的适应能力，由此可看出PLC和一般微机控制系统的区别。

2.2选择PLC控制的原因

PLC技术高速发展的原因不仅是因为工业自动化的客观需求，更主要的是它具有诸多独特的优点，良好地的解决了工业控制领域中普遍关心的问题。

本次设计选择PLC控制方式的主要是因为PLC有如下几个突出的特点：

1）可靠性高、抗干扰能力强：

PLC的重要特点之一就是其具有较高的可靠性和抗干扰能力，其平均无故障时间长达几十万个小时。

2）控制系统结构简单、通用性强：

PLC在结构上绝大多数采用了模块化设计，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合，且不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量的硬件接线线路。

3）丰富的I/O接口模块：

PLC针对不同的工业现场信号，如交流或直流、开关量或模拟量、脉冲或电位、电压或电流等，都可以选择相应的I/O模块进行匹配。

除此之外，PLC还具有编程简单、使用方便、设计安装简单、维修方便、体积小、重量轻、能耗低等诸多特点。

基于PLC有诸多特点，及其适合应用在工业控制领域，再对比其它两种控制方式，可以很明显的看出PLC最符合本次设计的控制要求。

2.3本章小结

本章节主要对继电器控制、单片机控制及PLC控制方式进行了介绍，分析了其各自的优缺点，从而得出了使用PLC控制方式更适合于本次设计要求的结论。

本文将使用PLC对瓷砖包装线进行控制系统的设计。

3系统整体结构设计及硬件选型

3.1系统整体结构设计

本课题根据瓷砖包装的工艺要求将包装生产线分成6个模块，分别为上砖模块、包角模块、送纸模块、折页模块、打带模块和码垛模块。

图3-1瓷砖包装线系统结构流程图

系统工作流程如上图所示，上砖机将固定数量的瓷砖分离放至传送带，经过包角机将瓷砖对齐并对瓷砖进行包角，同时，上纸模块将纸仓里的纸送到指定的位置；包角完成后瓷砖返回传送带，经过包装纸时将包装纸一起带至折页模块；折页模块将包装纸四边折叠好之后传送到打带模块对包装好的瓷砖进行打带，打带的样式呈井字型；最后通过传送送至码垛模块，码垛模块根据需求把瓷砖摆放成设定的样式，至此，瓷砖的整个包装过程结束。

本章节将对瓷砖包装线的每个模块结构及流程进行详细介绍，并根据要求对系统传动部件进行选型。

3.1.1上砖模块

上砖模块是由一个送砖机构和翻砖机构组成，送砖机构将砖架上的砖送到翻砖机构，翻砖机构的机械手将砖架上的砖按照每包指定的数量分离，并将原本垂直摆放在砖架上的瓷砖放至水平的传送带上，由传送带送至下一模块。

图3-2上砖模块工作原理图

如图3-1所示，送砖机构由轨道、滑台组成，轨道电机带动滑杆旋转使滑台可以左右运动，由此来推送瓷砖前进后退；滑杆左右处有分别安装了限位开关，限制滑台左右运动的距离。

翻转机构由一个机械手和一个旋转大臂组成，机械手的夹爪将瓷砖分离夹起通过旋转大臂送到传送带上，由传送带传送至下一道模块，传送带的结构是由电机、转轮和皮带组成。

此道模块的传动部件有1个轨道电机，3个限位开关，3个旋转气缸组成和一个传送带电机，传送电机控制滑台前后运动，由于当瓷砖传送到机械手处时，需要立即停止滑台向右运行，伺服电机来完成该动作较佳；旋转轴和下夹爪的传动部件由电磁阀+气缸组成，气缸和齿轮等执行元件组合可以控制机械臂旋转任意的角度从而达到控制要求。

3.1.2包角模块

在将瓷砖用纸包装之前，需要对叠放的瓷砖的四个角进行保护，以防运输过程中出现砖角破损。

各个瓷砖生产厂家会根据瓷砖的不同种类对瓷砖砖角的保护措施也不尽相同，比较典型的保护材料如图3-3所示。

根据工艺要求设计的包角模块图3-4所示，其机构组成主要有对齐夹砖机构、包角推送机构、底部托盘。

当传感器检测到瓷砖到达包角模块时，底部托盘立即上升将瓷砖托起，对齐夹砖机构的夹砖板将几固定数量的瓷砖四边对齐并固定，之后包角推送机构吸取料槽内的包角并将包角推送到瓷砖的四个角。

（a）双边塑料包角（b）双边塑料包角效果

图3-3双边塑料包角及效果图

图3-4包角模块工作原理图

该道模块的传动部件有1个检测瓷砖到位光电传感器、1个夹砖板气缸、4个包角吸盘、4个上部升降气缸、4个推送气缸组成和一个底部托盘推送气缸组成。

夹砖板气缸通过一个中心转盘和四个拉杆控制夹砖板旋转，从而将瓷砖对齐并固定；吸取包角的部件由真空发生器和真空吸盘组成，将包角从料槽内吸出，吸盘的封闭性应较好，确保每次都吸附包角；上部升降气缸通过气缸控制上下动作，将吸附的包角送至瓷砖同一水平面，再由推送气缸将包角推送到瓷砖四个角上；底部托盘则由气缸和圆盘组成，通过气缸推送圆盘上下动作达到控制目的。

3.1.3送纸模块

送纸模块是将纸仓内的包装纸送到指定的位置，由包角后的瓷砖带至下一道模块。

图3-5为送纸机构的工作原理图，此道模块较为简单，其传动部件由真空吸盘和吸纸气缸组成。

系统运行时，首先吸纸气缸动作，顶纸托盘将纸仓内的包装纸顶起，然后真空发生器动作使真空吸盘牢牢的吸住纸仓最底层的包装纸，接着吸纸气缸收回将最底层的纸从纸仓中分离出来，最后吸盘放松，包装纸因为重力下滑至底部的指定位置，从而完成送纸动作。

图3-5包角模块工作原理图

3.1.4折页模块

瓷砖的纸箱包装是瓷砖包装系统的一道重要模块，纸箱的设计对瓷砖包装后的效果和美观度都有着较大的影响。

目前，陶瓷砖行业用作包装的纸箱有两种类型，一种是未折叠的展开平铺式纸箱，另一种是已折好的预成型纸箱，具体形状如下图所示。

图3-6瓷砖包装纸箱图

本设计选用的是未折叠的平铺式纸箱，折页模块就是将此纸箱折叠并将瓷砖包入其内，其工作原理如图3-7所示。

该模块主要由折纸导向固定座、前后折纸气缸、左右折纸气缸和折耳气缸组成，其中折耳有两个气缸，一个控制折耳板做90度旋转动作，一个控制折耳板前进后退。

当上一段压着纸箱的瓷砖到达折页模块并通过两边的纸箱导向固定座时，导向固定座会将纸箱的两边预折起，当对射型光电传感器检测到瓷砖到达指定位置时，传送电机立即停止，同时折耳气缸带动折耳板动作将纸箱的两个耳朵折好，接着左右折纸气缸动作将左右两边折好后退回，前后折纸气缸再带动着上折纸管进行折纸，然后折耳退回气缸伸出使折耳板退回，折耳板气缸复位，折耳退回气缸紧接着复位。

最后上折纸管气缸复位，折纸动作全部完成，传感器将包好后的瓷砖送至下一模块。

图3-7折页模块工作原理图

3.1.5打带模块

打带模块是将包装好的瓷砖捆扎起来，其捆扎的形状可以是井字型、日字型或者是田字型，本次设计是井字型打带方式。

该模块分为三个部分，第一部分由2个打带机、1个光电传感器和1个挡铁开关组成，其工作原理如图3-8所示。

传送部分由电机和齿轮带动圆杆实现。

当对传感器检测到瓷砖到达时，传送电机停止同时挡铁立即伸出阻止瓷砖继续移动，然后两个打带机在瓷砖左右两边各打一条捆扎带，之后挡铁复位，电机启动将瓷砖送到下一部分。

打带机

光电传感器

挡铁开关

图3-8打带模块工作原理图1

打带模块的第二部分是一个旋转装置，该部分由1个光电传感器、1个上夹板（可自由旋转）、1个底部托盘升降气缸和1个底部托盘旋转气缸组成。

当光电传感器检测到打好带的瓷砖到达时，底部托盘立即上升且传送电机停止，托盘与上部夹板将瓷砖夹住，然后托盘旋转气缸动作使瓷砖水平旋转90度，最后底部托盘气缸复位且电机启动，瓷砖送至第三个部分。

打带模块的第三部分的结构和第一部分的结构相同，是对第二部分旋转后的瓷砖进行打带，最终完成井字型打带，再由传送电机传送到最后一个模块。

图3-9打带模块工作原理图2

3.1.6码垛模块

码垛模块是瓷砖包装控制系统的最后一道模块，将包装好的瓷砖包裹整齐地摆放到砖架上，其工作原理如图3-10所示。

图3-10码垛模块工作原理图

该道模块主要由1个光电传感器、1个对齐夹板、1个翻砖板、1个滑台、1个滑台轨道和两个限位开关组成。

传送带传送过来的瓷砖包裹经过斜坡时随着重力作用下滑直至底部抵住砖架，光电传感器检测到瓷砖到达时，首先对齐夹板气缸伸出使瓷砖两边对齐，接着翻砖板气缸动作将瓷砖推送到砖架上，最后滑台电机启动，向左移动固定的距离，此处采用了伺服电机控制。

3.2伺服控制技术简介

伺服控制系统是使物体的位置、状态等输出被控量能够跟随输入给定值的任意变化的自动控制系统，其结构可分为伺服控制器、伺服驱动器和伺服电动机三个部分。

伺服控制系统主要靠脉冲来定位，并通过电机转轴上的编码器将电机转数反馈到驱动器上，驱动器将控制发出的脉冲信号与编码器反馈的脉冲信号进行比较，若两者相等则表明电动机旋转转数已达到要求，从而实现精确的定位，控制精度可以达0.001mm。

交流伺服系统是以交流伺服电机为控制对象的自动控制系统，它主要由伺服控制器、伺服驱动器和交流伺服电机组成[4]。

交流伺服系统主要有如下三种控制模式：

1）位置控制模式

当交流伺服系统工作在位置控制模式时，能精确控制伺服电动机的转数，因此可以精确控制执行部件的移动距离，即可对执行部件进行运动定位控制。

图3-11交流伺服系统工作在位置模式的组成结构

2）速度控制模式

当交流伺服系统工作在速度控制模式时，伺服驱动器无需输入脉冲信号也可正常工作，故可取消伺服控制器，此时伺服驱动器类似于变频器。

图3-12交流伺服系统工作在速度模式的组成结构

3）转矩控制模式

当交流伺服系统工作在转矩控制模式时，伺服驱动器无需输入脉冲信号也可正常工作，故可取消伺服控制器，通过操作伺服驱动器的输入电位器，可以调节伺服电动机的输出转矩（又称扭矩，即转力）。