基于PLC的食品包裝機控制系統(tǒng)設計

摘要在現(xiàn)代社會發(fā)展飛速的今天，工業(yè)產(chǎn)品多種多樣物質(zhì)豐富。超市的每個產(chǎn)品都有不同的包裝，有盒子包裝，也有袋包裝等。包裝機的使用比較廣泛，涉及到各種行業(yè)的成品打包。本系統(tǒng)主要以食品包裝機為研究對象，說明食品包裝機的基本工藝，通過可編程控制器的設計來完成食品包裝機的工藝要求，系統(tǒng)的方案為PLC+組態(tài)王設計，在確定了基本工藝思路的基礎上，進行主電路圖和PLC電路圖的設計，分析食品包裝機的工藝流程圖，并完成程序的設計。對上位機進行組態(tài)設計，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)及數(shù)據(jù)并且根據(jù)實際工藝修改當前參數(shù)，達到系統(tǒng)可視化的要求。通過程序仿真設計以及上位機聯(lián)機調(diào)試和修改，系統(tǒng)安全可靠、使用靈活、擴展性強、開發(fā)周期短，后期修改方便，達到本設計的工藝要求，以及為后期系統(tǒng)升級改造創(chuàng)造條件。關(guān)鍵詞：食品包裝機；可編程控制器；上位機第1章緒論1.1課題研究的目的和意義在包裝行業(yè)，包裝機的樣式多種多樣，大多是按照包裝的工藝要求進行設計，所以包裝機的制造和系統(tǒng)設計主要基于包裝物品的性質(zhì)和包裝的要求而確定。本系統(tǒng)對食品包裝機進行研究，按照食品包裝機的工藝，首先進行糖紙的傳輸，當傳輸?shù)街付ㄎ恢?，將糖放入糖紙?nèi)，通過機械手的動作完成整個包裝過程，最后通過傳輸帶傳輸，完成包裝紙，點膠的工藝，最終糖果就包裝完成。按照此工藝進行系統(tǒng)設計，設計采用可編程控制器進行程序控制，達到系統(tǒng)工藝控制的目的。在詳細了解控制系統(tǒng)的工藝要求的基礎上，進行PLC控制系統(tǒng)設計。以往的繼電器-接觸器電路由于接線線路復雜，電器元件使用較多，觸點容易老化，故障排查和解決比較困難，可靠性低等缺點，沒法滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的使用要求。本系統(tǒng)設計在對食品包裝機研究的基礎上，詳細了解控制系統(tǒng)設計的步驟和方法，認真學習控制系統(tǒng)的調(diào)試思路和仿真方法，為后期的設計工作打下基礎。1.2課題研究的內(nèi)容本設計對食品包裝機進行研究，對于食品包裝機，按照機械結(jié)構(gòu)和工藝分析，系統(tǒng)設計需要傳感器、控制單元、輸送帶、機械手執(zhí)行機構(gòu)、電磁閥等。主要完成的步驟為輸送糖紙、放入糖果、機械手前后包裝折疊、機械手左右包裝折疊、機械手上部包裝折疊、包裝糖紙點膠、包裝完成。按照此設計步驟，完成順序控制的動作，進行當前位置和條件判斷，嚴格按照工序執(zhí)行，完成整個糖果包裝過程。在設計時，主要對可編程控制器進行硬件圖紙設計和軟件程序設計，最終完成上位機聯(lián)機調(diào)試，達到工藝設計的要求。1.3課題研究的方法和思路為了保證食品包裝機控制系統(tǒng)順利設計完成，詳細的設計思路如下幾點：（1）對食品包裝機控制系統(tǒng)的資料進行查詢，了解詳細的控制工藝，對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行分析，進行系統(tǒng)設計策略分析。（2）詳細分析控制系統(tǒng)的工藝策略，明確工藝控制的信號輸入和輸出，選擇最佳控制策略，并完成與系統(tǒng)相關(guān)的電氣選型和計算，確定具體的控制方案。（3）對系統(tǒng)進行硬件設計思路分析，明確圖紙設計的具體內(nèi)容，考慮系統(tǒng)安全保護、預留擴展等，完成硬件圖紙設計和接線分析。（4）按照系統(tǒng)控制策略方案和硬件設計圖紙，進行程序流程的工藝分析，對系統(tǒng)的每個功能實現(xiàn)進行程序流程設計，在此基礎上完成程序編寫和調(diào)試，達到控制的要求。（5）根據(jù)系統(tǒng)設計可視化的要求，對上位機進行組態(tài)設計，建立通訊協(xié)議、編譯畫面、連接變量，完成組態(tài)仿真調(diào)試。第2章食品包裝機控制系統(tǒng)的總體設計2.1食品包裝機的工藝分析按照本設計的工藝內(nèi)容，對于食品包裝機進行控制系統(tǒng)設計，按照食品包裝機的機械結(jié)構(gòu)和糖果包裝的基本步驟和原理，本系統(tǒng)設計硬件包括傳感器、控制單元、輸送帶、機械手執(zhí)行機構(gòu)、電磁閥等。按照糖果包裝的基本流程，糖果包裝步驟為輸送糖紙、放入糖果、機械手前后包裝折疊、機械手左右包裝折疊、機械手上部包裝折疊、包裝糖紙點膠、包裝完成。具體分析如下：（1）系統(tǒng)啟動后，首先判斷是否有糖紙，如果有糖紙，將進行系統(tǒng)運行，傳輸帶將糖紙傳輸?shù)街付ㄎ恢茫绻麤]有糖紙，將進行報警輸出；（2）糖果包裝主要有前后機械手、左右機械手、上部機械手、放糖推桿等組成，當糖紙到達指定位置后，傳輸帶停止，放糖推桿將糖果放入包裝紙的中間；然后前后機械手和左右機械手同時動作，對包裝紙進行折疊，當包裝紙折疊到位后，前后機械手和左右機械手退回原位；上部機械手將對包裝紙頂部進行折疊，當折疊到維護，上部機械手退回到位，此時包裝完成；（3）當包裝機械手包裝完成后，傳輸帶將包裝好的糖果紙盒傳輸?shù)近c膠位置，點膠執(zhí)行機構(gòu)向下動作，對包裝盒的封口進行點膠，當點膠到位后，點膠執(zhí)行機構(gòu)向上。此時包裝盒的封裝完成，工人將包裝好的糖果盒進行裝箱處理。按照以上的工藝分析，食品包裝機具有嚴格的順序控制工藝，所以設計時按照順序控制的思路考慮，設計順序控制的程序流程。按照以上的工藝分析，對食品包裝機的基本控制策略按照以下的分析進行設計。（1）本系統(tǒng)采用可編程控制器作為控制單元，采用組態(tài)王設計對上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行畫面設計、通訊組態(tài)、動畫連接等。（2）系統(tǒng)的輸入部分主要包括外部啟停、機械手各個部分的到位開關(guān)和原點開關(guān)、推桿到位開關(guān)、糖紙檢測傳感器以及點膠傳感器等；（3）系統(tǒng)輸出部分主要包括傳輸帶運行、各個機械手的動作輸出和動作返回、推桿輸出和返回以及點膠輸出等，并對系統(tǒng)狀態(tài)和有無糖紙狀態(tài)進行顯示。按照以上的策略分析，完成食品包裝機的硬件設計、軟件設計以及上位機仿真調(diào)試等，達到食品包裝機的基本調(diào)試要求。2.2可編程控制器的選型可編程控制器廣泛應用在工業(yè)現(xiàn)場，為工業(yè)現(xiàn)場各種各樣的復雜工藝提供自動化控制的應用?？删幊炭刂破髦饕怯蓴?shù)字運算的操作系統(tǒng)組成，包含處理器，存儲器等。其內(nèi)部軟件程序可以實現(xiàn)常用的定時功能、計數(shù)功能、數(shù)據(jù)處理和運算功能、邏輯控制功能和現(xiàn)場模擬量信號的處理運算功能等?？删幊炭刂破鞯捏w積小巧，占用空間不多，而且經(jīng)常安裝于機械內(nèi)部，使用非常方便?？删幊炭刂破鞯脑O計工作、現(xiàn)場安裝和調(diào)試工作量比較小，并且日常維護比較方便，系統(tǒng)升級改造比較方便，程序設計方法比較多，容易改造成功。特別是大型可編程控制器，該系統(tǒng)改造的工作時間要比其他相應的控制器改造時間少的很多，工作效率明顯提高。在控制系統(tǒng)開發(fā)和應用中，三菱FX2N系列可編程控制器使用比較廣泛，收到各行各業(yè)研發(fā)人員的廣泛關(guān)注。三菱FX2N系列可編程控制器屬于小型的可編程控制器，該產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設計上比較緊湊，性價比高，對現(xiàn)場實現(xiàn)的功能比較強大而且全面，特別適合對現(xiàn)場較簡單的控制系統(tǒng)進行程序開發(fā)和硬件設計，是本系統(tǒng)設計的最佳選擇。根據(jù)本系統(tǒng)控制要求，以及實驗室現(xiàn)有的可編程控制器調(diào)試臺，選用三菱FX2N32MR可編程控制器。16個DC輸入點，16個DC晶體管輸出點。2.3光電傳感器的選型對于本系統(tǒng)設計，選擇歐姆龍公司生產(chǎn)的EE-SPY402凹槽型傳感器作為本系統(tǒng)的位置檢測元件。該光電傳感器的電源為DC24V，可以傳感檢測的距離為0.2CM-200CM之間，并且可以進行調(diào)節(jié)。該產(chǎn)品的示意圖如下圖2-1所示。圖2-1歐姆龍光電傳感器EE-SPY402凹槽型光電傳感器采用五線制，五根線的顏色分別為棕色、藍色、白色、黑色、黃色。其中棕色線為DC24V電源的正極，藍色線為DC24V電源的負極，黑色線為輔助輸出的公共線，白色線為NO輸出端子接線，黃色線為NC輸出端子接線。通常使用時，首先要對該傳感器進行通電，電源電壓為DC24V，可編程控制器的輸入部分公共線接入黑色線，按照系統(tǒng)設計需要接常開觸點，可編程控制器的輸入接線和白色線連接。當外部的信號檢測到，信號檢測電路輸出信號，可編程控制器的輸入端子將通電，輸入信號指示燈亮。2.4電磁閥的選型本系統(tǒng)的設計介質(zhì)為壓縮空氣，選擇的電磁閥為亞德客公司生產(chǎn)的3V210-80-NC電磁閥，該電磁閥為兩位三通電磁閥，專門負責流體的接通和斷開。該電磁閥一共三個接口，分別為輸入接口、輸出接口、截止接口。工作電壓為DC24V，可以通過可編程控制器直接進行控制，也可以通過繼電器輔助觸點控制該電磁閥。圖2-23V210-80-NC電磁閥示意圖2.5系統(tǒng)的控制方案確定按照食品包裝機的工藝分析和設備選型，本系統(tǒng)設計選擇FX2N-32MR進行可編程控制器的選擇，輸入部分主要由啟停按鈕輸入、機械手限位輸入、點膠限位輸入、出糖限位輸入等，輸出部分主要由機械手電磁閥輸出、傳輸帶輸出、點膠電磁閥輸出以及狀態(tài)指示等。按照設計的基本工藝策略，系統(tǒng)的控制方案如下圖2-3所示。圖2-3系統(tǒng)控制方案框圖第3章食品包裝機控制系統(tǒng)的硬件設計3.1主電路的圖紙設計本系統(tǒng)設計的主電路圖為傳輸帶的主電路，按照食品包裝機的機械計算功率，傳輸帶電機選用0.75KW，轉(zhuǎn)速1440r/min。該主電路由斷路器、接觸器、熱繼電器等組成，斷路器主要對電源電路進行切斷和接通，對故障電路進行切斷，保證系統(tǒng)的安全。斷路器的保護功能主要包括過載保護、短路保護以及欠電壓保護，對以上的保護分斷操作能力較高、操作方便，在幾乎所有電氣控制系統(tǒng)中，都能看到斷路器的應用。對于電動機使用的交流接觸器，接觸器的主觸點額定電流要大于電動機的額定電流，接觸器的額定電壓要大于電動機的額定電壓。對于主電路的設計，采用自鎖電路的方式進行設計。設計原理圖如下圖3-1所示。圖3-1主電路的設計原理圖3.2可編程控制器電路的圖紙設計可編程控制器的電氣原理圖主要由三部分設計，分別為電源設計、輸入部分設計、輸出部分設計。電源部分采用AC220V進行輸入；輸入部分的電壓為AC220V，公共COM線為AC220V的L線；而輸出部分的電壓為AC220V，該輸出部分的COM線為AC220V的N線。設計原理圖如下圖3-2所示。圖3-2可編程控制器的電氣原理圖第4章食品包裝機控制系統(tǒng)的軟件設計4.1I/O分配設計按照食品包裝機控制系統(tǒng)設計的工藝要求，進行I/O分配設計，在程序設計過程中，通過查詢I/O分配表，可以減小程序編譯出錯的可能性，也能夠最大限度的完善系統(tǒng)功能，避免輸入和輸出的漏算，做到心中有數(shù)，有條不紊。通過I/O分配設計，將快速準確的判斷系統(tǒng)狀態(tài)，非常方便。對于本系統(tǒng)的設計，I/O分配設計如下表4-1和表4-2所示。表4-1I點分配設計表電氣符號I點地址功能SB01X0補紙按鈕SB02X1開始按鈕SB03X2停止按鈕SQ1X3出糖限位SQ2X4左右兩邊機械手到位限位SQ3X5前后兩邊機械手到位限位SQ4X6上部機械手到位限位SQ5X7點膠限位SQ6X10計數(shù)限位SQ7X11左右機械手原點SQ8X12前后機械手原點SQ9X13上下機械手原點表4-2O點分配設計表電氣符號I點地址功能HL1Y0有紙指示HL2Y1運行指示KM1Y2傳送帶運行YV1Y3出糖輸出YV2Y4左右機械手動作YV3Y5前后機械手動作YV4Y6上部機械手動作YV5Y7左右機械手回原點YV6Y10前后機械手回原點YV7Y11上下機械手回原點YV8Y12點膠1YV9Y13點膠24.2編程軟件的介紹GX-Works2軟件具有豐富的調(diào)試功能，可以采用梯形圖的邏輯測試功能進行簡單的調(diào)試，如果可編程控制器在調(diào)試過程中發(fā)生錯誤，通過特殊繼電器/特殊寄存器的說明進行故障查詢，為調(diào)試提供便利?？梢栽跊]有PLC的情況下，使用軟件進行程序仿真時，可以在菜單“工具”中選用“梯形圖測試啟動”，待程序下載到模擬仿真軟件后，并且運行仿真軟件，就可以進行仿真測試。測試時如果需要對某一變量進行接通，就單擊該變量的鼠標右鍵，選擇“軟元件測試”對話框，進行變量強制接通，就可以看到程序的具體運行狀態(tài)。界面如下圖4-1所示。圖4-1GX-Works2軟件編程界面4.3程序流程圖的設計及分析對于食品包裝機的程序流程設計，主要是對該系統(tǒng)的工藝進行了詳細分解和說明，按照食品包裝機的設計流程，系統(tǒng)采用嚴格的順序控制方式進行設計。具體設計的思路如下圖4-2所示。圖4-2程序流程圖的設計框圖4.4程序的設計及分析按照GX-Works軟件進行程序設計，按下外部按鈕啟動，系統(tǒng)開始運行，首先進行有無糖紙的檢測，當有糖紙時，系統(tǒng)驅(qū)動傳輸帶運行，將糖紙送往制定位置，通過外部傳感器的檢測，糖紙到位后輸送帶停止運行。推糖桿動作，將糖果推圖包裝糖紙的指定位置后，推糖桿退回。前后機械手和左右機械手開始對糖紙進行折疊，當折疊到位后，前后機械手和左右機械手退回，當退回到位后，上不機械手進行動作輸出，當上部機械手折疊到位后，上部機械手返回。包裝結(jié)束后，系統(tǒng)驅(qū)動輸送帶將包裝好的盒子送往點膠桿指定位置，當?shù)竭_指定位置后，點膠桿進行動作，進行糖果包裝盒的點膠，點膠完畢后，退回到位。按照此設計的程序，具體編譯如下：第5章食品包裝機控制系統(tǒng)的上位機設計5.1組態(tài)的開發(fā)步驟為了正確完整開發(fā)組態(tài)王的軟件系統(tǒng)穩(wěn)定、功能豐富的組態(tài)王軟件，達到現(xiàn)場工業(yè)環(huán)境的使用要求。通常情況下，開發(fā)設計組態(tài)軟件設計步驟如下分析：（1）首先將現(xiàn)場所有的輸入/輸出點收集完成，并制作成表格，并且詳細分析輸入/輸出點的邏輯狀態(tài)和布線情況，為后期的組態(tài)軟件開發(fā)和PLC程序設計提供依據(jù)。（2）對現(xiàn)場所有的輸入/輸出點的設備生產(chǎn)廠家、設備類型和具體型號、設備通訊接口、采用的通訊協(xié)議詳細了解，為后期的設計和硬件組態(tài)通訊提供依據(jù)。（3）對現(xiàn)場收集的所有輸入/輸出點進行I/O地址分配，并且對地址進行命名，通常都按照輸入/輸出點的功能命名。（4）按照工業(yè)現(xiàn)場提供的工藝設計要求和功能要求，繪制系統(tǒng)的控制策略圖，明確控制要求和實現(xiàn)工藝的具體思路。（5）按照統(tǒng)計出來的輸入/輸出點表格，建立組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫，并且正確組態(tài)每個數(shù)據(jù)的通訊協(xié)議、完成每個參數(shù)屬性設置。（6）按照工藝設計的要求，進行畫面繪制，包括控制畫面、設置畫面、監(jiān)控畫面、報警畫面、數(shù)據(jù)報表等。（7）對每個圖形對象進行變量建立和動畫連接，完成系統(tǒng)可視化的工藝要求內(nèi)容，并且對動畫屬性和要求進行設置，完成安全權(quán)限窗口屬性的設置。（8）對組態(tài)設計進行運行系統(tǒng)設置，并且完成組態(tài)的分段調(diào)試和總體調(diào)試，按照調(diào)試的結(jié)果進行組態(tài)修改，直到組態(tài)系統(tǒng)達到現(xiàn)場的工藝設計要求。（9）進行資料整理和存檔，為后期系統(tǒng)升級改造提供設計依據(jù)。5.2上位機程序的開發(fā)與分析5.2.1工程的建立先安裝好組態(tài)王KingviewV6.55軟件，在操作系統(tǒng)的桌面上點擊圖標，打開組態(tài)軟件KingviewV6.55，進入工程管理器界面。按照菜單進行工程新建，命名工程為“系統(tǒng)上位機程序設計”，并選擇保存該程序的路徑。打開工程。如下圖5-1所示。圖5-1建立工程圖5.2.2定義外部通訊設備本系統(tǒng)設計采用S7-200和組態(tài)王KingviewV6.55軟件進行通訊，通訊協(xié)議為PPI通訊。通過定義外部通訊設備，可以連接S7-200和組態(tài)王程序之間的信息交互，達到設備可視化監(jiān)控的目的。打開工程瀏覽器，在設備菜單欄選擇COM3，雙擊新建設備，在新建設備中，選擇生產(chǎn)廠家為西門子，設備名稱為S7-200系列，通訊協(xié)議為PPI，并且建立該通訊設備的名稱以及連接使用的串口號。如下圖5-2所示。圖5-2通訊設備配置圖5.2.3組態(tài)變量的定義建立好通訊設備后，就可以進行組態(tài)變量的定義，組態(tài)變量包括I/O離散類型、I/O實數(shù)類型、內(nèi)存離散類型、內(nèi)存實數(shù)類型等。打開定義變量屬性對話框，定義變量名稱、修改變量類型、對變量的范圍屬性進行設置、連接I/O設備，并設置好該設備的寄存器和數(shù)據(jù)類型等參數(shù)。以上過程完成后，變量表就建立完成。建立好的變量表如下圖5-3所示。圖5-3變量設置表5.2.4組態(tài)畫面的編譯打開開發(fā)系統(tǒng)軟件，進行組態(tài)畫面的設計，先建立畫面，對組態(tài)畫面的位置和尺寸、窗口的背景色進行設置。該軟件桌面彈出工具箱，包括圖形編譯器、文本輸入圖標、圖庫圖標、顏色設置圖標、插入控件圖標和各種曲線建立圖標等，按照系統(tǒng)設計的工藝要求，對畫面進行編譯，包括參數(shù)狀態(tài)顯示、指示燈顯示、參數(shù)變量輸入對話框、模擬設備畫面建立等。并且打開每個圖標，進行屬性設置，如下圖5-4所示。圖5-4畫面編譯效果圖5.2.5動畫連接建立本系統(tǒng)的動畫連接對象主要包括指示燈、圖形、各個數(shù)據(jù)連接等。點擊畫面的圖標，打開動畫連接屬性，動畫連接屬性包括對象名稱、屬性變化、位置與大小變化、值輸出、命令語言連接以及其他動畫連接屬性。以圖形為例，本系統(tǒng)需要對圖形進行放縮動畫，點擊動畫連接對話框中的“隱含”，彈出對話框，動畫連接好后，將會根據(jù)變量的變化而變化。如下圖5-5和圖5-6所示。圖5-5動畫連接屬性對話框圖5-6隱含連接對話框5.2.6命令語言的設計編寫\\本站點\前后限位=1;else\\本站點\前后限位=0;if(\\本站點\前后回原點==1&&\\本站點\前后移動>0)\\本站點\前后移動=\\本站點\前后移動-10;if(\\本站點\前后移動<=0)\\本站點\前后移動=0;if(\\本站點\前后移動==0)\\本站點\前后原點=1;else\\本站點\前后原點=0;if(\\本站點\上下機械手==1&&\\本站點\上下移動<90)\\本站點\上下移動=\\本站點\上下移動+10;if(\\本站點\上下移動>=90)\\本站點\上下移動=90;if(\\本站點\上下移動==90)\\本站點\上下限位=1;else\\本站點\上下限位=0;if(\\本站點\上下回原點==1&&\\本站點\上下移動>0)\\本站點\上下移動=\\本站點\上下移動-10;if(\\本站點\上下移動==0)\\本站點\上下原點=1;else\\本站點\上下原點=0;if(\\本站點\傳送帶指示==1)\\本站點\移動=\\本站點\移動+10;if(\\本站點\移動>=270&&\\本站點\出糖指示==1)\\本站點\移動=270;if(\\本站點\移動>=500&&\\本站點\點膠==1)\\本站點\移動=500;if(\\本站點\m53||\\本站點\m54||\\本站點\m55||\\本站點\m56)\\本站點\盒子顯示=1;else\\本站點\盒子顯示=0;if(\\本站點\m50||\\本站點\m51||\\本站點\m52)\\本站點\紙張顯示=1;else\\本站點\紙張顯示=0;5.3系統(tǒng)的仿真運行分析以上畫面和動畫連接設計好后，就可以進行系統(tǒng)仿真運行。系統(tǒng)仿真運行和調(diào)試步驟如下分析：（1）對設計好的上位機程序進行運行系統(tǒng)初始畫面的編譯，設置好初始畫面后，上位機組態(tài)畫面可以進入運行系統(tǒng)。（2）對組態(tài)王上位機系統(tǒng)和PLC之間進行通訊連接，設置好通訊類型和協(xié)議，保證通訊速率相同，地址對應。如果通訊設置正常，將可以通過上位機的變量表檢測到測試正常。（3）將PLC程序下載到可編程控制器，打到運行模式。這樣可編程控制