基于PLC的糖果包装机的控制系统设计本科毕业论文.docx

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基于PLC的糖果包装机的控制系统设计本科毕业论文

高等教育自学考试本科毕业论文

基于PLC的糖果包装机的控制系统设计

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基于PLC的糖果包装机的控制系统设计

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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

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对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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7）参考文献

8）致谢

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2.论文字数要求：

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3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

摘要

PLC作为传统继电器控制装置的替代品已经广泛应用于工业控制的各个领域，它可以通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、结构简单、抗干扰能力强及可靠性高的特点被广泛应用。

此次设计采用PLC来实现对糖果包装机的总体控制，此包装机稳定性好，效率高，技术实用，制造工艺先进化，产品节能化，生产过程高度机械化、自动化，外形美观等特点。

此装置还适合于各种环境下进行工作，有广泛的应用前景。

本文介绍了一个基于PLC的糖果包装机的系统设计，详细的描述了利用可编程控制器（PLC）设计开发糖果包装机的过程。

重点对糖果包装机的PLC控制要求的选择，对PLC控制系统主要元器件的选择，以及糖果包装机的各功能模块的设计和糖果包装机的主要控制系统的总体设计，确定了糖果包装机的总体结构，由PLC来实现对糖果包装机的总体控制，变频器来实现变频调速，步进电机来实现对糖果的运输问题，传感器来实现对糖果运输位置的检测从而进行开关控制。

关键词：

PLC，包装，系统设计

PLC-basedsystemdesignedcandypackagingmachin

ABSTRACT

PLCasasubstitutefortraditionalrelaycontroldevicehasbeenwidelyusedinvariousfieldsofindustrialcontrol,itcanbechangedbysoftwaretocontroltheprocess,andhasthecharacteristicsofsmallvolume,simplestructure,stronganti-interferenceabilityandhighreliability,hasbeenwidelyapplied.ThisdesignusesPLCtoachievetheoverallcontrolofthecandypackingmachine,thepackagingmachinehasgoodstability,highefficiency,practicaltechnology,manufacturingprocesseshaveevolvedfirst,energy-savingproducts,theproductionprocessofhighmechanization,automation,beautifulappearanceandothercharacteristics.Thisdeviceisalsosuitableforworkinvariousenvironment,hasthewidespreadapplicationprospect.

ThispaperintroducesasystemdesignofcandypackingmachinebasedonPLC,adetaileddescriptionoftheuseofprogrammablelogiccontroller（PLC）designanddevelopmentprocessofcandypackingmachine.ThefocusonthechoiceofcandypackingmachinePLCcontrolrequirements,themaincomponentsofthePLCcontrolsystemofchoice,andthemaincontrolsystemdesignofeachfunctionmoduleofcandypackingmachineandcandypackingmachine'soveralldesign,determinetheoverallstructureofcandypackingmachine,byPLCtorealizeoverallcontrolofcandypackingmachine.Thefrequencyconvertertorealizethevariablefrequencyspeedcontrol,stepmotortorealizethetransportationproblemofcandy,sensorfordetectionofcandytotransportpositionswitchcontrol.

Keywords:

PLC,Packaging,Systemdesign

1绪论

1.1课题背景及研究目的和意义

随着科学技术的快速发展，PLC控制系统已经扩展到了很多工业领域，基于PLC总线的工艺控制计算机。

基于PLC糖果包装机的控制系统，要求制造业对市场需求做出迅速的反应能生产小批量，多品种，多规格的各种糖果包装，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，此类PLC控制系统专为在工业环境下应用而设计的，PLC的应用面广，功能强大，使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。

传统的产品包装主要是依靠手工操作，由于手工操作速度慢，卫生条件差，花色品种少等特点，难以供应市场需求。

很多方面都无法和机械化包装相比拟，现代化的包装机械已超越简单地模仿人的动作，有许多功能是手工操作根本不能实现的。

而三菱-PLC可以通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装灵活、编程简单、抗干扰能力强和可靠性高的特点，因此本设计采用三菱-PLC来实现对糖果包装机的总体控制。

1.2国内外研究现状

PLC控制的糖果包装系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的包装机来讲，总体发展水平仍然不高，同美国、意大利、英国等先进国家相比有着较大差距。

现代化的生产日益趋向商品化、社会化和国际化。

其产品已不单纯是本国的消费，而是要发展出口创汇，逐步形成外向型的经济。

国内糖果技术专家在引进合作，自主独创方面取得了优异的成绩，在糖果设备方面先后推出充气奶糖生产线，胶体软糖自动线，超薄膜真空瞬时熬煮机组，棉花糖生产线等：

包装机械有单扭结包装机，折叠式包装机，高速枕式包装机等。

多功能是新设备开发的一个重要趋势，因为糖果品种花样多，更新快，生产厂家对设备的要求是多功能，适应性强。

此外，现在新推出的设备大都采用伺服电机，光电跟踪等新技术，使其自动控制能力大大提高。

国外已有较多的成熟产品，国外糖果包装技术发展迅速，并在高速包装，包装多样化，多层包装等方面取得成果。

美国、意大利、英国等国技术领先，都生产出了一批性能优异的糖果包装机，并在各行业中广泛应用。

目前，国外产品包装系统正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。

2系统的总体设计

2.1糖果包装机生产工艺简述

巧克力设备方面有多功能花色巧克力浇注线，巧克力复合制品自动线，巧克力挤出成型线，巧克力快速精磨机等。

比如一种巧克力复合制品自动线，全线由近20台机组构成，由于不同品种工艺要求的差异，不但有个机组本身调整的问题，更有运转过程中各机组之间的速度协调问题，该机组采用一台总变频器来控制各机组的调速变频器。

巧克力糖果包装机是一款高速糖果包装机械，可用于包装各类块状糖果。

三菱-PLC控制，袋长即设即切，无需调节空走，一步到位，省时省膜。

参数设定方便快捷，故障自诊断功能，故障显示一目了然，能将检测出来的信息通域记忆构件或记忆演算，指令远距离执行机构所规定的动作，如自动剔除不合格品，无料不送袋，断瓶不充填，缺盒不上标等等。

高感度光电眼色标跟踪，数字化输入封切位置，使封切位置更加准确。

温度独立PID控制，更好适合各种包装材质。

定位停机功能不粘刀，不浪费包膜。

设备消耗的功率小，糖果包装机的包装对象（糖块）的质量小（一般不超过20g），机器的功率主要用于克服摩擦力，所以消耗的功率就小。

卫生要求高，糖果包装机必须保证糖果的卫生质量。

直接和糖块接触的构件应符合食品卫生要求，且能迅速地分解和组合，形状简单，便于洗涤。

整个设备可以分为三大部分：

生产线送糖部分，糖果包装部分，包装纸部分。

其总体外观图如图1-1所示。

图1-1糖果包装机外观图

生产送糖部分直接与糖果生产线相连，通过传送带将糖果送至托盘上，再通过送糖盘将巧克力糖送到钳糖机械手上，包装完成后由传送带将成品输出。

糖送到托盘上以后，接糖杆向下运动，顶糖杆向上运动是糖块和包装自夹在两者之间，然后同步上升，进入机械手，使包装纸成形，经过折边器折一边，由转盘带着机械手旋转，经过托板，是包装纸全部覆盖带糖块的端面上，完成全部包装。

所有控制由软件实现，方便功能调整和技术升级，永不落后。

该部分仅可通过一颗糖果，糖果经过此通道过后形成队列,依次从包装入口进入如图1-2所示。

1-2糖果包装机卷纸图

糖果包装机的自动化程度高，一般都是自动包装机，其结构复杂，自动化程度高，它可以是送纸，切纸，抄纸，理糖，包裹及打糖过程自动完善。

易于调节糖块的形状，大小，及包装纸的性能，为使糖果包装机能可靠地工作，糖果包装机都有调节系统和一定范围内的无级变速装置。

可以根据需求，对糖果包装的速度进行无极变速，本机还可以自由更换糖果种类（但必须为颗粒状的，其尺寸必须在长95-420mm，宽10-360mm，高5-70mm范围内）。

包装纸送纸部分由齿轮机构驱动，拖动包装纸向前运动。

包装纸安装于包装纸托盘上，正常送纸时，绷紧的包装纸压迫包装纸刹车，使其在摩擦力的作用下向前运动；缺纸或断纸时，绷力消失，包装纸刹车回到原位置，系统报警。

包装

纸的位置由色标传感器进行定位，当位置出现偏差时，由控制系统发出指令驱动

步进电机进行拖拉包装纸运动，从而实现包装纸的准确定位。

如图1-3所示。

1-3包装纸卷纸机构图

糖果包装部分是周期性的重复动作。

整个包糖过程包括如下几个步骤：

推糖→送纸→包装→喷胶→传送粘合→成品。

巧克力糖果包装机工作时很多动作是间歇性的，采用通过三相异步电机带动齿轮机构提供动力，利用凸轮机构与连杆机构等机械结构配合进行包装、进排糖、送包装纸等动作，有效的保证了控制的速度与精度，使系统紧凑、可靠。

而且糖果包装后外形美观，包装纸无明显损伤，撕裂，皱褶，机械结构简单，操作方便，安全，维修容易，造价低。

在包装机开始工作前，通过安装在下料筒后侧的一个传感器控制左、右压紧气缸动作，使左、右同步带压在下料筒两侧的平面上。

推动裸糖进入包装主箱体，同时另一端的送纸机构开始工作，将准备好的包装纸通过传送带送入包装主箱体，主箱体在得到传感器和PLC的信号后开始工作，将裸糖包裹，并喷胶进行粘合，最后通过成品传送带将已经包装好的糖果送入成品糖库。

巧克力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。

喷胶

成品糖

包糖机构

糖果托盘

裸糖

糖果包装纸

图2-1糖果包装机工艺过程图

裸糖经流水线到达糖果包装机，当位于糖果包装机入口处的光电传感器检测到有裸糖到来时，控制推糖机构的电磁阀得电，吸合、下拉推糖机构，与此同时推糖机构动作将糖果送入旋转的糖果托盘中。

当糖果进入托盘三个周期后，控制包装纸转动的电磁阀闭合，开始送包装纸。

利用色标传感器控制、调整包装纸的位置，当纸位置合适时，包装纸被截断，在包糖机构的作用下，按预先设定的步骤，包裹糖果。

若纸位置不合适，PLC将发出脉冲信号驱动步进电机对包装纸进行前后拖动，对包装纸位置进行调整。

包裹完毕，进行喷胶，粘合之后，糖果经传送带送糖机构送至成品糖库。

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。

2.2糖果包装机控制要求

2.2.1控制对象分析

包装机的主要传感器以开关量提供给PLC，作为决策的依据。

开关输入量有：

（1）启动/停止信号

（2）色标信号

（3）糖果生产线上行程开关

（4）包装后的糖果输送线上的行程开关

（5）自动/手动开关

（6）变频器复位开关

（7）喷胶开关

（8）急停按钮

（9）色标开关

（10）光电码盘

（11）速度调节

（12）压缩空气开关

输出量有：

（1）急停指示灯

（2）无纸断纸指示灯

（3）色标补差信号灯

（4）产品过大信号灯

（5）强行送纸指示灯

（6）色标状态指示楼上

（7）喷胶开启状态指示灯

（8）步进电机控制器

（9）急停控制信号

（10）电磁阀1、2

输出信号大多是一些开关输出信号，如主电机驱动、步进电机驱动等，这些信号经功率放大驱动对应的包装执行机构。

人机界面使用RS-232口进行通讯，变频器使用RS-485口进行通讯。

2.2.2控制系统方式选择

当前控制系统领域较为成熟的控制技术主要有两种，分别是DCS控制系统和三菱-PLC控制系统。

三菱-PLC控制系统和DCS控制系统相比，用三菱-PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。

PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。

一个三菱-PLC的控制器，可以接收几千个X/Y点（最多可达8000多个X/Y）。

如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用三菱-PLC较为合适。

因此在糖果包装机的控制系统方式的选择上，采用三菱-PLC控制系统。

糖果包装机的控制对象相对集中，主要有变频器控利用三菱-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、包装纸位置调整、步进电机驱动控制等，因此选择集中控制系统。

集中控制系统模型如图所示。

各被控对象直接与三菱-PLC的X/Y口相连接，进行通信、控制。

为提高系统抗干扰能力，在硬件方面，交流电源增加滤波装置，输入信号进行光电隔离，并远离强电布线。

信号采用屏蔽线传输，采用放射性一点接地等措施，消除、减弱共模和瞬变干扰。

控制器

控制对象C

控制对象A

控制对象B

图2-2集中控制系统模型图

2.2.3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。

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。

包装机控制要求：

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。

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。

2.3控制系统主要器件的选择

系统采用三菱-PLC进行集中控制，主要控制对象为一台2.2KW的Y2-IP54系列三相异步电机。

该Y2系列异步电动机具有效率高、起动转矩大等特点。

电动机比Y系列提高了外壳防护等级为IP54；提高了绝缘等级为F级绝缘，温升作B级考核，降低了电动机的噪声，用负载噪声考核（原Y系列（IP44）电动机用空载噪声考核）。

电动机的结构设计合理，外形美观。

Y2系列三相异步电动机的冷却方式为IC411，安装尺寸及功率等级完全符合IEC标准和德国的DIN42673标准，与Y系列（IP44）电动机相同。

使用条件：

环境空气温度不超过40℃；海拔不超过1000m；工作方式为连续运行A1工作制；额定电压为380V；额定频率为50Hz；3kW以下为Υ联结，4kW及以上为△联结。

电机的参数如表2-1所示。

表2-1　Y2IP54三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/TN

Y2IP54

2.2

1430

5.16

80

0.81

7.0

2.3

2.3

主要的控制器件包括：

PLC、变压器、变频器、步进电机及其控制器、光电编码盘等。

2.3.1PLC控制器的选择

合理选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用有着重要作用。

根据分析，以及I/O点数确定并按20%-30%备用量原则，选择了台达DVP-64EH系统。

DVP-64EH是一款可扩充的高性能型主机，具有高速度，高性能的小型PLC，应用领域相当广泛。

主机具有16KStep程序存储器，最大512点数位扩充，200KH高速计数器，200KHz高速计数器、200KHz脉冲输出（提供伺服定位指令）。

其内建RS-232与RS-485两个通讯口，可自行扩充第三个通讯卡。

可连接八台类比、温度、定位、

计数器等扩充模组。

支持PID、PLCEASYLINK（32站）、10,000档案暂存器、187应用指令。

支持数位、类比、通讯、存储卡与资料设定器等功能。

在本系统中，PLC的主要任务是接受外部开关信号（如按钮、行程开关、继电器等）的输入，判断当前的系统及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的任务。

2.3.2变频器选择

考虑到糖果控制系统对速度控制精度要求较高，负载为2.2KW的三相异步电机，属于轻载。

有两款变频器适用与糖果包装机的要求，分别为台达VFD-A型和台达VFD-V型，我选择了容量为2.2KW台达VFD-V型变频器。

因为台达VFD－V系列是高性能矢量控制交流马达驱动器。

该变频器采用矢量控制技术，从而提高了系统的控制精度和动态响应精度；输出频率在0.1~400Hz且可设定V/F曲线；自动转矩补偿及误差补偿；8段预设速度，7段可编程运转；超低噪音，载波可自1~15KHz调整；内建PID回授控制，简易定位功能；睡眠/唤醒功能和零速Holding功能；省能源，有自动稳压功能[18]。

如图2-3所示。

图2-3台达VFD-V型变频器（左）和台达VFD-A型变频器（右）

系统中的VFD-V型变频器的使用V/f开环控制，但通过光电编码器采集电机的实际转速值。

变频器通过RS-485口接收PLC的“控制字”命令和转速设定值，或向PLC发送“状态字”和转速实际值。

2.3.3步进电机及其驱动器选择

步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机，步进电机的最大

特点是其“数字性”，对于控制器发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度，具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单，成本低（相对于伺服）、电机和驱动器不易损坏等特点，非常适合于微电脑和PLC控制。

步进电机有步距角、静转矩、及电流三大要素组成。

一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

（1）步距角的选择

电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小于此角度。

目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

（2）静力矩的选择

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。

静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。

单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

（3）电流的选择

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。

综上所述，选择电动机应遵循以下步骤

图2-3步进电机选择步骤

步进电机在糖果包装机系统中用于糖果包装纸的精确定位，当糖果包装纸位置不合适时，色标传感器发出信号，PLC根据信号发出脉冲给步进电机驱动器对包装纸进行色标补偿，驱动步进电机前后拖动，不断调整包装纸的位置，保证糖果包装的质量。

糖果包装机步进电机保持转矩为12

，系统中选用深圳步进电机公司两相步进电机110系列中的