基于plc包装码垛生产线控制系统硬件毕业设计

摘 要

在工业生产中，有很多地方需要对粉末状或小颗粒状散状固体的流量进行准确的测量和控制，再配以给料设备组成定量给料控制系统。它是集喂料、流量测量和控制于一身的设备。目前，作为许多生产设备的定量给料控制系统己广泛应用于水泥、冶金、建材、电力、化工、食品、矿山、粮食等各行各业。定量给料在工业生产中发挥着越来越重要的作用，正因为其应用的广泛性，如果能提高给料系统的精度、自动化程度，就有着重要的现实意义。

包装码垛自动生产线适用于石油化工、化肥、粮食、港口等行业，可对PP、PE粒子、PVC、化肥、粮食等粉状、颗粒状物料进行全自动包装码垛作业，便于用户储存、运输和销售，全自动包装码垛生产线主要由自动定量包装机、自动上袋机组、封口系统、倒袋机、金属检测机、重量检验机、检选机、喷墨打印机、码垛机等单元组成。通过可编程序控制器对整个生产线的工作过程进行自动控制，对运行过程中出现的故障或供料不足，供袋不与时、出垛不与时等，进行声光报警。该设备具有操作简单，运行可靠，维修方便等优点。 关键词：控制系统,包装码垛生产线,可编程序控制器

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ABSTRACT

Industrialproduction, there are many places need for powdered or granular

solids flow for accurate measurement and control, with feeding device consisting of quantitative feeding control system. It is a feeder, flow measurement and control in a device. At present, production equipment as many quantitative feeding control system has been widely used in cement, metallurgy, building materials, electric power, chemical, food, mining, food and other industries. Quantitative feeding in industrial production is playing an increasingly important role, because of its wide application, if can improve the feeding system precision, the degree of automation, it has important practical significance.

Automatic bagging palletizing line is used in the industries of petrochemical, fertilizer, food processing, and transportation port etc. It can perform bagging and palletizing automatically for powder and granular materials such as chemical fertilizer, plastic granules (PP/PE/PVC) and grains etc. It is easy for customers to store, transport and sale their products. Automatic bagging & palletizing line consists of auto-weighing bagging machine, auto-bag feed group, sealing system ,bag turn down machine, metal detector, sorting machine, jet printer and palletizing machine etc. units. Through programming controller, the whole system process can be automatic controlled. Any process operation troubles, not enough feeds, bag feeding not due or palletizing not in time all can be alarmed by sound or light. It has the advantages of simple operation, reliable and easy maintenance etc.

KEYWORDS:control systembagging , palletizing line,Programmable controller

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目 录

摘要1 ABSTRACT2 目录3 1 绪论5

1.1 引言5 1.2 PLC概述5

1.3 包装码垛自动生产线设计的容7

1.3.1 包装码垛自动生产线的应用现状7 1.3.2 包装码垛自动生产线设计的要求8

2 包装码垛自动生产线系统组成9

2.1 概述9

2.2 包装码垛自动生产线系统组成9 3 包装码垛生产线控制系统硬件设计20

3.1 PLC控制的介绍20 3.2 PLC控制系统硬件设计26 3.3 控制系统电气原理图29 4 包装码垛生产线控制系统软件设计31

4.1 包装码垛自动生产线工艺流程31 4.2 程序控制逻辑32

4.2.1包装部分32

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4.2.2 码垛部分40

4.3 PLC控制系统软件程序设计46

5系统抗干扰措施47

5.1抗电源干扰47 5.2 控制系统接地47 5.3 防I/O信号干扰30 结论31 参考文献32 致33 附录54

图A包装部分的梯形图54 图B码垛部分的梯形图56 图C电气控制主电路图61

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1 绪论

1.1 引言

随着社会的发展、生活水平的提高,人民对商品包装提出了更高的要求。与人民生活和工农业生产密切相关的生活日用品、营养食品、药品、种子、化肥、农药、化工原料等工农业生产用品,都需要精确的定量包装。这些物料如果用手工进行包装,其劳动强度大,速度慢,效益和质量差;而食品、药品类若采用手工包装不能满足卫生要求。因此,需采用自动包装机来完成这些工作。

包装机械是现代包装工业的基本设备,是商品生产中必不可少的关键性技术设备。随着人类社会的进步,国民经济的发展,人民生活水平的提高,人们越来越重视包装的质量、品种类型,包装机械在包装领域中起着重要的作用。包装机械是使产品包装实现机械化、自动化的根本保证。它能够大幅度地提高生产效率;降低劳动强度,改善劳动条件;保护环境,节约原材料,降低产品成本;有利于被包装产品的卫生,提高产品包装质量,增强市场销售的竞争力;由于包装机械的计量精度高,产品包装的外形美观、整齐、统一、封口严密,提高了产品包装的质量,增强了产品销售的竞争力,可获得较高的经济效益;延长产品的保质期,方便产品的流通。包装机械保证包装产品质量高、生产效率高、品种多、生产环境好、生产成本低、环境污染小,因而获得较强的市场竞争能力,带来巨大的社会效益和经济效益。自动包装机被堪称为拥有漫长发展历史和富有强大生命力的主导机型。现已被各国视为前景较好的包装机械。

1.2 PLC概述 1.2.1 PLC的产生

上世纪六十年代末，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司(GM)为满足市场需求，适应汽车生产工艺不断更新的需要，提出了著名的十条技术指标公开向社会招标，要寻求一种比继电器更可靠，响应速度更快、功能更强大的通用工业控制器。1969年，美国数字设备公司(DEC)根据十条要求研制出世界上第一台可编程控制器PDP-14，并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功。可编程控制器是以微处理器为核心，把电气传动和逻辑控制、自动测量和调节、数据计算和处理有机地结合起来，具有丰富的软件资源的现代化工业自动化控制器。经过30多年的发展，现在可编程控制器己经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。在可编程控制器中，充分应用了大规模集成电路技术、微电子技术与通信技术，迅速地从早期的逻辑控制发展到进入位置控制、过程控制等领域。用可编程控制器已经可以构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集、图形工作站等的综合控制系统。

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1．2.2 PLC的优点

可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogical Controller)，又称PC或PLC，它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC与其有关设备，都应按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设计。PLC所以应用广泛，是由它的突出的特点和优越的性能分不开的。归纳起来，PLC主要具有以下特点：

1． 2．

可靠性高：PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成。

环境适应性强：在电源瞬间断电的情况下仍可正常工作，具有很强的抗空间电磁干扰的能力，具有良好的抗振能力和抗冲击能力。一般对环境温度要求不高。

3． 4．

灵活通用

使用方便，维护简单

1.2.3 PLC的应用现状

可编程控制器是“专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机”，由于其具有很强的抗干扰能力，很高的可靠性，能在恶劣环境下工作的大量的I/O接口，因此，伴随着新产品、新技术的不断涌现，始终保持着旺盛的市场生命力。可编程控制器的出现，除了取代传统的继电器控制外，正在逐步占领DCS和PID市场份额。国际市场,当今世界的PLC生产厂家约200多家，生产400多种PLC。全球最大的5家PLC制造商，德国SIEMENS公司、美国A-B公司、SCHNEIDER公司、日本的MITSUBISHI公司、OMRON公司、三菱公司约占全球市场销售额的67％。我国对可编程控制器的研制始于1974年，目前全国有几十个生产厂家，但产品多为128个开关量I/O点以下的小型机。

我国应用PLC还处于初级阶段，而且局限于钢铁、化工、汽车、机床、煤炭、电站等领域，其他行业的应用尚未普与，中国尚有广阔的应用领域等待开拓。我国90％的PLC市场由国外占领，中、大型PLC中，几乎100％是国外产品，以美国MODICON公司、GE公司、德国SIEMENS，日本富士公司为主。我国的包装设备在许多方面采用了PLC，并取得了非常好的效果。

随着计算机科学的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。仅仅将PLC理解为开关量控制的时代已经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信

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息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展：一个是向超小型专用化和低价格方向发展；另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。趋势如下：

（1）系统构成规模向大、小两个方向发展。大是指大容量、高速度、多功能、高性能。小是指小型化、专用化、模块化、低成本。

（2）功能不断增强，各种应用模块不断推出。 （3）产品更加规化、标准化。

1.3 包装码垛自动生产线设计的容

1.3.1 包装码垛自动生产线的应用现状

在工业生产中，有很多地方需要对粉末状或小颗粒状散状固体的流量进行准确的测量和控制，再配以给料设备组成定量给料控制系统。它是集喂料、流量测量和控制于一身的设备。目前，作为许多生产设备的定量给料控制系统己广泛应用于水泥、冶金、建材、电力、化工、食品、矿山、粮食等各行各业。定量给料在工业生产中发挥着越来越重要的作用，正因为其应用的广泛性，如果能提高给料系统的精度、自动化程度，就有着重要的现实意义。

包装码垛自动生产线属于工业机器人。工业机器人是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手。工业机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多关节的操作机。它可以是固定式或移动式的，用于工业自动化作业中。工业机器人与其他专用自动机的主要区别在于，专用自动机是适应于大量生产的专用自动化设备，而工业机器人是一种能适应产品种类变更,具有多自由度动作功能的柔性自动化设备。 包装码垛生产线是机电仪一体化高技术产品，适用于化工、粮食、食品与医药等行业。它可实现对粉、粒、块状物料（如塑料、化肥、合成橡胶、粮食等）的称重、供袋、装袋、折边、封袋、倒袋整形、金属检测、重量复检、批号打印、转位编组、码垛、托盘和垛盘的输送等作业全部实现自动化。通过可编程序控制器，对整个生产线的工作过程进行自动控制，对运行过程中出现的故障或供料不足，供袋不与时、出垛不与时等，进行声光报警。该设备具有操作简单，运行可靠，维修方便等优点。包装码垛生产线简单地讲，它是由包装机械和码垛机械组成的，其中的主要部分还是包装机械，码垛机械是从包装生产线上分离出来而发展起来。其流程图如图1.1所示。

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来自 传感 器称 重料 斗 码垛系统 主厂 房的 料物 输送机 电子 称重 机组 封口机 输送机 仓库 图1.1 包装码垛生产线流程图

在我国，包装机械的研制始于1958年，主要是自用设备，属革新产品，未进入市场，正式包装生产线起始于七十年代初，“八五”期间呈全方位发展态势，“九五”期间进入转型期，逐步成为高科技、高效益、现代化、国防化的产业。

我国包装机械起步较晚，解放后轻工业开发了一批专用包装设备，为啤酒厂、饮料厂、卷烟厂、火柴厂配套，尚未形成行业。80年代初，包装机械作为新兴的工业部门开始发展起来，经过近二十年的艰苦努力，一支从事包装设备科研、设计、生产制造与教育管理的行业队伍已形成，并初具规模，产品品种不断增加，产量迅速上升，技术水平逐年提高，作为包装机械工业在我国国民经济的崛起中正在不断发展完善。

1.3.2 包装码垛自动生产线设计的要求

随着科学技术的迅猛发展,生产力水平的不断提高,人们对降低劳动强度、改善工作环境日益重视起来\"在新的世纪,随着我国各项事业的蓬勃发展以与知识经济所面临的机遇和挑战,包装码垛机械必将发挥越来越重要的作用,为国民生产产生不可估量的经济效益。以PLC为基础组成的自动包装码垛生产线,控制系统简洁方便,自动化程度较高,可极大提高生产效率。

本课题主要研究PLC在包装码垛生产线自动控制系统中的应用。包装码垛生产线以PLC为控制核心,以操作盘或触摸屏为输入设备,PLC与变频器通过总线进行通信,完成对各电机转速、转向与各个接触器、中继器等的控制。

该课题主要完成以下四个方面的工作: （1）掌握PLC控制原理与编程

（2）设计包装码垛生产线的工艺过程与动作流程。 （3）PLC控制系统的软、硬件设计。 （4）包装码垛生产线的调试。

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2 包装码垛自动生产线系统组成

2.1 概述

包装码垛自动生产线是一个典型的机电一体化系统。所谓的机电一体化系统是指在系统的主功能、信息处理功能和控制功能等方面引进了电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机等电子设备以与软件等有机结合而构成的系统，即机械、执行、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行组合而形成的一种新型机械系统。该系统由机械系统(机构)、电子信息处理系统(计算机)、动力系统(动力源)、传感检测系统(传感器)、执行元件系统(如电机)等五大子系统组成。其五种部功能即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。

机电一体化系统的一大特点是由于机电一体化系统的微电子装置取代了人对机械的绝大部分的控制功能，并加以延伸和扩大，克服了人体能力的不足和弱点。另一大特点是节省能源和材料消耗。其主要特征是自动化操作。

包装码垛自动生产线主要应用于化工、粮食、食品与医药等行业中的粉、粒、块状物料的全自动包装码垛。包装码垛自动生产线可分为包装部分和码垛部分。包装部分实现定量称重、自动供袋、装袋、夹口整形、折边缝口、金属检测、重量复检等功能。码垛部分实现转位编组、推袋压袋、码垛与托盘的提供和垛盘的输送等功能。

2.2 包装码垛自动生产线机械系统组成

电子称重机是包装机起始部机，其作用是完成物料的定值称重、投料等作业。本生产线采用净重式电子称重方式，这样称量结果不受容器皮重变化的影响，称量精度高，同时采用双秤交替的运行模式，可以保证生产线的包装速度达到800～1000包／小时。整个称重系统的动力源采用气动元件。给料系统采用气动控制的二级投料方式，即称重过程开始时，首先粗流料门完全打开，当进料量达到预先设定的粗进料值时(一般为总量的80%～85％左右)，粗进料气缸复位，粗流料门关闭，快速投料过程停止；这时粗流料门前端有一方形孔即细流口还没关闭，物料从该方形孔中继续投料，即开始细投料过程，当充填物料达到预置重量时，细投料气缸复位，细流料门关闭，给料结束。

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自动供袋机是由供袋器、吸袋器、袋子传送器、接袋器、取袋器等部件组成。全自动包装供袋工作是由供袋机械自动完成，操作人员只要将空袋子按要求码放到上袋机的备用仓中就可以了。当袋仓中没有袋子时备用袋仓中的袋子会被送袋机构整摞地自动送到供袋器的袋仓中去。带有真空吸盘的吸袋器从供袋器上把包装袋吸住，然后向上提升到位后，传送给传送器。传送器将袋子输送到供袋机的斜板上。在导向板、接袋器、吸盘和光电开关的作用下，确保包装袋在斜板上保持正确的位置和形状。取袋器捡起斜板上的包装袋，在取袋器四连杆的作用下，包装袋定位在包装机的中心线上，等待装袋机将包装袋取走。自动供袋机供袋速度快，供袋质量稳定可靠，易于实现包装工作的自动化。但机械结构较复杂，且对袋子的材料、尺寸和质量以与往备用袋仓中码放袋子时袋口的方位等都有一定的要求。

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自动装袋机是由过渡料斗、取袋开袋夹送装置、翻门缩口装置、机架等构成。过渡料斗是装袋机联接电子称重机的过渡装置，它可以存储一袋物料，提高电子称重机的称重速度，减小物料落差，降低粉尘产生量，利于除尘，同时保证物料顺利地导入装袋机并防止装袋机产生的振动传递到电子称重机上。取袋开袋夹送装置将自动供袋机的取袋器取好的袋子夹住，开袋吸盘吸住袋子的两面，在主气缸推动下送到翻门缩口装置的下面并将袋口拉开(此动作是和翻门缩口动作同时进行)为填装物料做准备，同时将已装好物料的料袋送到夹口整形机。在主气缸行程两端安装有缓冲器，使主气缸在行程端点得以缓冲并使装袋机振动减轻。翻门缩口装置将送过来的料袋通过夹袋手爪夹住袋子的两上边，通过缩口动作收缩袋口(此动作与开袋动作同时进行)使翻门插入袋口，并在检测系统检测到料袋位置正确后向电子称重机和过渡料斗发出卸料请求指令，投下物料，完成装袋。每次装填完物料后翻门关闭，夹袋手爪将袋口绷紧，松开，放到输送机上，再由取袋夹送装置在取袋的同时夹送到夹口整形机。

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图2-4 装袋机结构示意图

转位输送机: 将送来的料袋进行变换方位的设备。该机实现料袋水平面回转+90度, -90度，180度三种角度,料袋所需回转的角度是以保证料袋口向为准, 保证垛形整齐、美观。当料袋到达转位转板下方时,光电开关给出信号,输送机电机制动, 继电器输出, 气缸动作,推动夹板夹住,转位电机根据编组工序需要, 通过同步带传动将料袋旋转至所需角度。此时夹板打开, 输送电机启动,送到下一工位。

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编组机是将转位输送机送来的料袋按码垛要现2-3编组和3-2编组，即垛型每层为二袋竖、三袋横或三袋横、二袋竖并交替进行。当位于输送带入口处的光电开关检测到一个料袋到来时，立即启动减速电机将料袋向前拖动到预定距离，而后停止运转。在下一个料袋到来时，光电开关又重新启动电机重复上述动作。当完成二袋竖放或三袋横放时，推袋装置便把这组料袋推到缓停板上暂存。如果计数达到一层(二袋竖加三袋横或三袋横加二袋竖)时，推袋装置就将二部分料袋一起推到码垛区。由于缓停板的设置减少一次来回推袋的时间，从而提高了码垛效率。

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图2-5 转位输送机结构简图

图2-6 编组机结构简推袋压袋、分层、升降机,推袋机将编号的料袋推至缓冲区,并在分层码垛时整形压平,推到分层机,分层机将料袋投放到升降机上的托盘,完成一层料袋的码垛。当编组机完成一组时,接近开关给出信号, 推袋压袋机的减速电机动作,带动推袋小车将料袋组用挡板推至缓冲区,然后推动小车的挡板在气缸的作用下抬起, 同时电机反向返回,这一系列动作由一组接近开关状态决定。当缓冲区一层满信号到位,分层机左右挡板打开,压袋气缸动作,将料袋组放至升降机托盘上, 分层机关,推板复位, 推袋小车归位,减速电机制动,完成一个循环。升降机在码垛达到8层后, 将托盘送至托盘输送机,托盘仓的启用托盘电机启动,将托盘送到升降机,到位后升降机带着托盘升到位,等待料袋组码垛。整个过程也是通过判断接近开关和光电开关的状态完成的。

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图2-7 推袋压袋机结构简图

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托盘仓: 是存储一定量的托盘, 并自动完成托盘输送过程的部分。通过托盘仓的光电开关判断托盘的数量, 当升降机将托盘送到下一工位, 托盘仓下方的气缸动作将托盘仓的最下端的托盘顶起, 同时驱动电机, 将下端的托盘送出, 气缸恢复, 托盘在通过光栅光电开关后, 电机制动, 作为下一循环的启用托盘。

图2-8 托盘仓结构简图 17 / 61

2.3 包装码垛自动生产线气动部分

包装码垛生产线各部分功能的执行机构为气缸、电磁阀、气电转换器、气源处理装置、真空系统等组成的气体系统。

气动系统是生产线的基本组成部分之一，它的性能、寿命与稳定性直接决定着生产线的工作性能和质量。

图2-3-1 气源处理装置简图

气源处理装置：该装置由排水过滤器、减压阀、油雾器组成。排水过滤器将压缩空气中的脏物和水分滤出，由减压阀把空气压力降到预定压力，然后攻击电磁阀和气缸。油雾器中的润滑油由压缩空气顺空气流动方向带到需润滑的电磁阀和气缸。减压阀带有压力表，调整空气压力可由 压力表直接读出。

气路的基本回路：气路系统由基本回路构成，基本回路有电磁阀、气缸、管路、调速器、消音器组成。电磁阀控制气体通断与执行机构换向。气缸是执行机构的基本元件，承担负载、输出力与转矩。调速器用来调节气缸的运动速度，以满足负载的不同速度要求。消音器用来排除排气噪声，保护环境。

横进装置（开袋、压紧固定）：横进装置是包装机的重要组成部分，它的主要作用是在取袋装置取来袋子后，从两侧夹住袋口，在用真空把持住袋子的同时，向投料口移动，该装置在往返行程上装有一个气垫装置。该气缸在返回（或向前）运动时，以高速移动，在接近行程终点附近某一点关闭阀门，使压缩空气只能进过另一个狭窄的通道而限速，气缸移动速度便慢下来，然后停住，其运动速度均由调速器调节，只要不产生振动即可。然后两阀门的开关控制配置在横进装置上的霍尔开关控制。

装袋、夹袋、开袋口的气路系统与检测:该气路系统为基本气动回路。横进装置上设置的开袋口吸盘，夹住袋子送到料斗下面，夹袋机构夹住袋口两侧后，向侧缩口的同时，开袋口机构开，打开袋口。

开口吸袋器在行进时，启动真空装置，并通过真空检测器检测真空度。若真空度未达到设定值，则弃袋；若达到设定值，则发出投料信号。这时，伸缩料门

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伸入袋口中卸料。

弃袋有两种情况：一是真空未达到设定值；而是伸缩料门击偏或击倒了袋子。 夹袋机构夹住袋口的同时，夹紧探测器便发出一个对袋子的探测信号，夹紧之后检测到袋子正常时，便发出投料信号。只有真空检测与夹紧检测全部正常才能投料，缺一不可。弃袋或夹紧检测未探测到袋子，要把各个功能部件返回到原来位置。装袋时，开口吸袋器不再吸着袋子，返回初始位置。

码垛机的气路系统:码垛机气路系统中重要部分为托盘仓的气缸升降系统。气缸下降、中停由换向阀通断实现，该系统为进气节流调速系统，其它装置的气路系统:除了以上装置的气路系统，其它装置均为基本回路。如电子称重机、吸袋、取袋等。

真空系统:真空系统由真空泵、真空电子阀、真空检测器、真空管路等组成。它是包装机的主要部分之一，其主要功能是吸袋与开袋等。真空泵是真空系统的心脏，提供真空能源，真空电磁阀承担真空线路的通断，真空检测器承担检测真空的压力，并发出卸料信号。

传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数而定。 传感器量程的选择可依据秤的最大量程值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载与动载等因素综合评价来确定。根据经验，一般应使传感器工作在其30%~70%量程，但有较大冲击力的衡器，在选用传感器时，一般要使传感器工作在其量程的20%~30%之，才能保证传感器的使用安全和寿命。

称重传感器：一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的位置它的性能在很大程度上决定了电子衡器的精度的稳定性，因此被喻为衡器的心脏。 传感器的稳定性有定量的指标，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，更能经受长时间的考验。

光电式传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。它可用于检测直接引起光亮变化的非电量，如光强、光照度等。也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度以与物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得了广泛的应用。

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3 包装码垛生产线控制系统硬件设计

在包装过程中，自动完成称重、供袋、取袋、装袋、缝口、输送、金属检测、重量检测与码垛等多个动作，动作多，运动复杂，而所处工作环境恶劣(高温、振动、粉尘)，这就要求控制系统具有很高的可靠性、良好的节能措施、很强的故障诊断能力，确保生产的稳定运行。由于包装生产线的各种控制为开关量，而目前流行的PLC具有结构小巧、运行速度高、通用性好、可靠性高等特点，非常适合于工业现场的高温、振动、粉尘等恶劣环境下的开关控制。所以选用PLC作为控制系统的核心部件。本包装码垛自动生产线动作关系复杂，I/O点数较多，以开关量控制为主，所以选择日本三菱公司的FX2N系列PLC为控制核心部件。

3.1．1 PLC概述

PLC的类型繁多,但其结构和工作原理则小异,一般是由中央处理单元(CPU)、 存储器、输入/输出单元、编程器、电源等主要部分构成的,如图3-1所示。如果把PLC看作一个系统,外部的开关信号均为输入变量,它们经输入接口存到PLC部的数据存储器中,而后经过逻辑运算或数据处理以输出变量的形式送到输出接口,从而控制输出设备。

图3-1 PLC基本结构

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(1)中央处理单元(CPU)

CPU是PLC的核心部件,它类似人的大脑,能指挥PLC按照预先编好的系统程序完成各种任务。其作用有以下几点:

1.接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据,并可通过显示器显示出程序的容和存储地址;

2.检查、校验用户程序对正在输入的用户程序进行检查,发现语法错误立即报警,并停止输入;在程序运行过程中若发现错误,则立即报警或停止程序的执行; 3.接收、调用现场信息将接收到的现场输入的数据保存起来,在需要改数据的时候将其调出!并送到需要该数据的地方;

4.执行用户程序当PLC进入运行状态后,CPU根据用户程序存放的先后顺序,逐条读取、解释和执行程序,完成用户程序中规定的各种操作,并将程序执行的结果送至输出端口,以驱动PLC外部的负载;

5.故障诊断诊断电源、PLC部电路的故障,根据故障或错误的类型,通过显示器显示出相应的信息,以提示用户与时排除故障或纠正错误。 (2)存储器

存储器是具有记忆功能的半导体电路,是可编程控制器存放系统程序、用户程序与运算数据的单元\"存储器可以分为以下3种:

1.系统程序存储器系统程序是厂家根据其选用的CPU的指令系统编写的,它决定了PLC的功能\"系统程序存储器是只读存储器,用户不能更改其容;

2.用户程序存储器根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。不同机型的PLC,其用户程序存储器的容量可能差异较大。根据生产过程或工艺的要求,用户程序经常需要改动,所以用户程序存储器必须可读写。一般要用后备电池(铿电池)进行掉电保护,以防掉电时丢失程序;

3.工作数据存储器用来存储工作数据的区域叫工作数据区。工作数据是经常变化、经常存取的,所以这种存储器必须可读写。 (3)输入/输出单元

输入/输出(1/0)单元是PLC与外部设备相互联系的窗口。输入单元接收现场设备向PLC提供的信号,例如由按钮、操作开关、限位开关、继电器触点、接近开关、拨码器等提供的开关量信号。这些信号经过输入电路的滤波、光电隔离、电平转换等处理,变成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将经过CPU处理的微弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理转换成外部设备所需要的强电信号,以驱动各执行元件,如指示灯的亮灭,电动机启停和正反转,设备的转动、平移、升降,阀门的关闭等。 (4)电源部分

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电源部件能将外部供电电源转换成供PLC的CPU、存储器、I/O接口等电子电路工作所需要的直流电源,使PLC能正常工作。PLC中一般配有开关式稳压电源为部电路供电。开关电源的输入电压围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。有的PLC能向外部提供24V的直流电源,可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。 (5)编程器

编程器是生产厂家提供的与本公司PLC配套的编程工具。编程器分为简易编程器和图形编程器两种\"简易编程器不能直接输入梯形图程序,只能输入语句表程序。用简易编程器编程时,编程器必须与PLC相连接。简易编程器的优点是价格低、体积小、重量轻、方便携带。图形编程器可直接输入梯形图程序。图形编程器分手持式和台式。台式编程器具有用户程序存储器,它可以把用户输入的程序存放在自己的存储器中,也可以把用户程序下载到PLC中。图形编程器的优点是操作方便、屏幕大,显示功能强,且可脱机编程,但是其价格显贵。

3.1.2 PLC控制的优点

①高可靠性；

（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC部电路之间电气上隔离。

（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms. （3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 （4）采用性能优良的开关电源。 （5）对采用的器件进行严格的筛选。

（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

②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；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器与变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

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③采用模块化结构；

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化PLC，由机架与电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

④编程简单易学；

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

⑤安装简单，维修方便；

工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

3.1.3 PLC的分类

目前,PLC应用广泛,国外生产厂家众多,所生产的PLC产品更是品种繁多,其型号、规格和性能也各不一样。通常,可以按照结构形式的不同与功能的差异进行大致的分类:

(1)按照结构形式的不同,PLC可分为整体式和模块式两种。整体式具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点,易于装在工业设备的部,通常适于单机工作。一般小型和超小型PLC多采用这种结构,如日本三菱FX系列的PLC,整体式结构的缺点是输入输出接口数是固定的,不一定适合每一个具体的现场控制需要。模块式结构又称积木式,这种结构的特点是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块,如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通讯模块等。这种结构配置灵活,装载和维修方便,功能易于扩展,其缺点是结构较复杂,造价也较高。一般大、中型PLC都采用这种结构,如日本三菱公司的AN系列。

(2)按功能、输入输出点数和存储器容量不同,PLC可分为小型、中型和大型三类。小型PLC又称为低档的PLC。这类PLC的规模较小,它的输入输出点数一般从20点到128点。中型PLC的I/O点数通常在120点至512点之间,用户程序存储器的容量为2KB一8KB。大型PLC又称为高档的PLC,I/O点数在512点以上,其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC,用户程序存储器容量在8KB以上。

3.1.4 PLC程序的表达方式

与计算机的工作原理一样,PLC的操作是按其程序要求进行的,而程序是用程序语言表达的。表达方式有多种多样,不同的PLC生产厂家,不同的机种,采用的表

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达方式也不一样。但基本上可归纳为字符表达方式(即用文字符号表达程序,如语句表程序表达方式)和图形符号表达方式(即用图形符号表达程序,如梯形图程序表达方式)这两大类。也有将这两种方式结合起来表示PLC程序\"具体如下所述:

(l)梯形图,PLC的梯形图编程语言与传统的“继电、接触”控制原理图十分相似,它形象、直观、实用,为广大电气技术人员所熟知。这种编程语言继承了传统的继电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式,使得程序直观易读。当今世界上各国的PLC制造厂家所生产的PLC大都采用梯形图语言编程。

(2)语句表,用语句表所描述的编程方式是一种与计算机汇编语言类似的助记符编程方式。由于不同型号的PLC的标识符和参数表示方法不一,所以无千篇一律的格式。

(3)逻辑符号图,采用逻辑符号图表示控制逻辑时,首先定义某些逻辑符号的功能和变量函数,它类似于“与”、“或”、“非”逻辑电路结构的编程方式。一般说来,用这三种逻辑能够表达所有的控制逻辑。这是国际电工委员会(IEC)颁布的PLC编程语言之一。

(4)高级编程语言,随着软件技术的发展,近年来推出的PLC,尤其是大型PLC,已开始用高级语言进行编程。许多PLC采用类似PASCAL语言的专用语言,系统软件具有这种专用语言编程的自动编译程序。采用高级语言编程后,用户可以像使用普通微形计算机一样操作PLC。除了完成逻辑控制功能外,还可以进行P工D调节、数据采集和处理以与计算机通信等。

3.1.5 PLC工作原理

PLC的工作过程是周期循环扫描的工作过程。用户程序通过编程器或其它输入设备输入存放在PLC的用户存储器中。当PLC开始运行时,CPU根据系统监控程序的规定顺序,通过扫描,完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输出点状态的更新、编程器键入响应和显示更新与CPU自检等功能。PLC的扫描可按固定顺序进行,也可按用户程序规定的可变顺序进行。这不仅仅因为有的程序不需要每扫描一次,执行一次,也因为在一个大控制系统中,需要处理的I/O点数较多。通过不同的组织模块的安排,采用分时分批扫描执行的方法,可缩短扫描周期和提高控制的实时相应性。

PLC采用集中采样、集中输出的工作方式,减少了外界干扰的影响。PLC的工作过程分三个阶段进行,即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。如图

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图3-2 PLC的扫描工作过程

(l)输入采样阶段

PLC在输入采样阶段,首先扫描所有的输入端子,将各输入存入存中各对应的输入映像寄存器。此时,输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段或输出阶段,输入映像寄存器与外界隔离,无论信号如何变化其容保持不变直到下一扫描周期的输入采样阶段,才重新写入输入端的新容。

(2)程序执行阶段

根据PLC梯形图程序的扫描原则,PLC按先左后右,先上后下的步序语句逐句扫描。但遇到程序跳转指令,则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉与到输入、输出状态时,PLC从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态,从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。然后,进行相应的运算,运算结果再存入元件映像寄存器中。对于元件映像寄存器来说,每一个元件(输出软继电器的状态)会随着程序执行过程而变化。

(3)输出刷新阶段

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在所有指令执行完毕后,输出映像寄存器中所有输出继电器的状态(接通/断开)在输出刷新阶段存到输出锁存寄存器中,通过一定方式输出,驱动外部负载。

3.2 PLC控制系统硬件设计

PLC控制系统示全包装生产线的核心部分，而在包装过程中，动作多，运动复杂，这就要求控制系统具有很高的可靠性、良好的节能措施、很强的故障诊断能力，确保生产的稳定运行。由于包装生产线的各种控制为开关量，动作关系复杂，I/0点数较多，选择日本三菱公司的FX2N系列PLC。该系列PLC为模块式结构，可以根据控制系统的需要灵活地组合成最佳的配置。

① 硬件配置

硬件配置包括FX2N基本单元、FX2N扩展单元、检测元件(光电开关、接近开关、真空开关等)、人机操作界面(按钮、指示灯等)、控制元件(交流接触器、变频器、电磁阀等)以与执行元件(电机和气缸等)。

② FX2N系列PLC输入输出扩展方法，FX2N系列PLC是由电源、CPU、输入输出和程序存储器组成的单元型可编程控制器。其主机称为基本单元，为主机备有可扩充输入输出点数的“扩展单元(电源I/0)和扩展模块(I/0)”，此外，还可以连接特殊扩展设备，用于特殊控制。

在组织FX2N系列时，须考虑下述各点:

输入输出总点数控制在256点以，其中输入点数和输出点数均不能超过184点；DC24V电源和DC5V电源的容量，基本单元和扩展单元部装有电源，可以对扩展模块供给DC24V电源，对特殊模块供给DC5V电源，因此扩展模块和特殊模块的耗电量应该控制在基本单元与扩展单元的电源围以；

对于FX2N基本单元，外接特殊单元和特殊模块的数量，最多不超过8台。关于输入输出序号的编号问题，FX2N系列PLC使用如下的编号方法:

（1）输入继电器(X)、输出继电器(Y)的序号是由基本单元开始，按连接顺序分配八进制数码。

（2）特殊扩展设备和PLC使用PLC的FROM和T0指令进行数据信息交换，但是输入输出继电器不占序号。

（3）功能扩展板，FX2N-CNV-IF型转换电缆，和输出输入点数无关。 ③具体的输入输出扩展

根据对于本生产线的分析，系统需要约130个输入点、160个输出点，总的点数约在290个左右，加上一定的点数裕量，系统总的输入输出点数应该配置在320点左右，而FX2N系统最大的点数是256点，所以决定采取分段控制，将整个系统分成2段，前一段从电子称重机到喷墨打印机，使用一个PLC系统控制，具

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体的扩展方法是FX2N-128MR+FX2N-48ER各一台，共有点数176个，输入点88个，编号围是X000～X127，输出点88个，编号围是Y000～Y127;剩下的后面作为一个控制系统，使用FX2N-128MR+FX2N-16EYR，总点数144个，输入点数64个，编号围是X000～X077，输出点80个，编号围是Y000～Y117。这样系统的总点数为320点，其中输入点152个，输出点168个，可以满足系统的要求。图3.1是I/0扩展连接示意图。

FX2N-128MR 前段

FX2N-48ER FX2N-128MR 后段

图3.1 I/0扩展连接示意图

FX2N-16EYR ④ 分配输入/输出点信号、输出点与输出控制是一一对应的。分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。FX2N型PLC的输入/输出通道号采用自由配置、固定通道方式。输入输出继电器可自由选择，与输入点对应的即为输入继电器，与输出点对应的即为输出继电器。包装码垛生产线控制系统包装部分与码垛部分输入输出接口如表3.1、3.2所示。

表3.1包装部分I/O接口分配

输入 名称 吸袋垂直气缸 吸袋真空装置 吸袋真空阀 上限位开关 倾斜气缸电磁阀 斜线位开关 斜托板光电开关 光电开关 横进装置减速开关 横进装置装袋点限位 倾斜限位 接口 X001 X002 X003 X004 X005 X006 X010 X011 X012 X013 X014 27 / 61

名称 垂直汽缸下降 垂直汽缸上升 吸盘 垂直汽缸倾斜 斜托板下降 防滑吸盘吸袋 磕头装置倾斜 真空吸袋 磕头装置立起 斜托板上升 抱板闭合 输出 接口 Y001 Y002 Y003 Y004 Y010 Y011 Y013 Y014 Y015 Y020 Y021

磕头装置到位信号 横进装置取袋点限位 夹抱限位 横进装置移动限位开关 开袋真空检测 夹袋压力检测 打开袋口 横进装置限位 横进装置到位 输送带 倒袋 整形 金属检测 金属信号 重量检测 包装子程序启动

X015 X020 X021 X022 X023 X024 X040 X041 X050 X051 X053 X054 X055 X056 X057 X127 大夹子闭合 料斗下缩口夹子开 取袋真空装置打开 缩口夹子向里放 夹辊气缸动作 开袋 抱袋 开 缩口夹子开 放料门插入 拍打板上升 敦实 折边 缝口 倒袋气缸伸出 整形汽缸动作 检测器声光报警 检选机剔除 横进装置 Y022 Y024 Y025 Y026 Y027 Y030 Y031 Y033 Y037 Y040 Y042 Y043 Y044 Y045 Y050 Y051 Y060 Y061 Y100 表3.2码垛部分I/O接口分配

输入 名称 编组传输光电开关 料袋传输限位开关 推推袋挡板关闭 满半层信号 滑台限位开关 推袋前端限位 接口 X001 X002 X003 X004 X005 X006 名称 转位机转位 编组传输电机 转位传输电机 缓停机运转 推袋 输出 接口 Y071 Y004 Y005 Y006 Y000 Y001 滑台推袋挡板打开 28 / 61

侧面整形挡板 码垛位限位 压袋限位 压袋返回 分层机满信号 满一层信号 前端推袋挡板 托盘至码垛位 升降机上限位 升降机上临界 升降机下限位 分层机开 分层机关 缓停机占位 编组机满 垛盘位空 空托盘到位 托盘叉位置空 垛盘缓冲位置空 缓冲位置限位 托盘上升信号 待传位信号 托盘仓上位 托盘仓中位 实垛盘到位 托盘仓底部位 托盘仓下降 转位机停止 码垛程序启动 .X007 X010 X011 X012 X013 X015 X016 X020 X021 X022 X023 X024 X025 X026 X027 X030 X03 X034 X035 X037 X050 X051 X052 X053 X054 X055 X057 X060 X077 推袋机返回 分层机分层 升降机下降 前端推袋挡板打开 侧面整形 压袋机压袋 托盘输送机 升降机上升 声光报警 排垛输送 托盘仓动作 垛盘输送机 托盘仓声光报警 托盘仓上升 托盘仓下降 托盘叉打开 托盘叉合上 Y002 Y003 Y007 Y074 Y075 Y076 Y020 Y010 Y030 Y031 Y035 Y036 Y040 Y050 Y051 Y052 Y053 3.3 控制系统电气原理图 29 / 61

系统供电电源采用三相四线制上机供电。供电电源等级为AC380±5％，50Hz。上电源经总的低压断路器QF0为整机供电。其中QFl给包装部分电机M1.1～M10.1提供电源，QF2给码垛部分电机M11.1～M20.1提供电源，QF3给检测电机M21.1～M25.1提供电源，QF4为打印机、金检、重量复检的执行电机M26.1~M30.1提供电源。普通电机的主回路包括交流接触器和热继电器，制动电机还包括制动单元的辅助回路。

整机的接地保护与系统的接地保护网相联接。系统电气控制主电路图见附录图C。

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4包装码垛生产线控制系统软件设计

4.1 包装码垛自动生产线工艺流程

包装码垛自动生产线可自动完成称重、供袋、取袋、装袋、缝口、输送、金属检测、重量检测与码垛等功能。全自动包装码垛生产线的机械系统主要包括全自动称重单元、包装单元、输送检测单元、码垛单元。其主要工艺流程如下:物料自储料斗进入包装秤的给料装置，通过粗、细给料，实现粗、细两级加料。当秤斗中的物料重量达到最终设定值时，称重终端发出停止加料信号，待空中的飞料全部落入秤斗后此次称重循环结束，此时电子包装秤等待装袋机的投料信号。当自动装袋机完成上袋后，发出讯号，使称重箱打开卸料翻门，向包装袋投料，卸料后称重箱关闭翻门，装袋机开夹袋器，包装袋通过夹口整形机和立袋输送机进入自动折边机，包装袋经折边后，进入缝口机，当设在缝口机旁边的光电开关检测到包装袋后，缝纫机开始工作，缝合包装袋，当包装袋离开缝纫机后，缝纫机停止，并自动切断缝合线。包装袋经过倒袋整形机进入金属检测机与重量复检机，如果检测不合格，在包装袋通过自动捡选机时将被剔除，而合格的包装袋则顺利通过自动捡选机，再经喷墨打印机、过渡输送机、缓停机等设备，将包装袋输送到码垛单元，由转位机根据码垛工艺要求将料袋依次按“2袋竖-3袋横”和“3袋横-2袋竖”循环做转位处理。这样包装袋便以2袋直或3袋横的形式进入编组机，最后由码垛机将包装袋堆码到托盘上，一般以码8层为一垛。码垛完成后，垛盘输送机将其输送出码垛区，停放在叉车区域垛盘输送机上。码垛机所使用的托盘由托盘仓和托盘输送机根据程序自动提供。

包装码垛自动生产线工艺流程如图4.1所示。

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开始 缝纫机 夹口折边 立袋输送 推到压平 层计数 分层 升降机 垛盘输送 托盘输送 供袋 取袋 充填托起 金属检测 整形 排垛 托盘气缸 送袋 放料门 复检称 推袋 叉装架 开盘托盘叉 斜板 开袋 缩袋口 剔除 爬坡过度 编组 转位 抓袋 横进取袋 结束吗 N 夹袋口 爬坡 转位输送 结束 横进送袋 抱夹 缓停 缓停压平 Y 图4.1 包装码垛生产线工艺流程图

4.2 程序控制逻辑

4.2.1包装部分

① 自动供袋控制逻辑

当吸袋垂直气缸电磁阀接通时，气缸开始下降，同时吸袋真空装置接通，当吸袋真空阀达到设定值时，吸袋垂直气缸开始上升，吸盘吸住袋子上升，上限位开关打开后，倾斜气缸电磁阀接通，使垂直气缸倾斜，把袋送入供袋辊子，斜限位开关闭合后，倾斜气缸停止运动，吸袋真空吸盘断真空，袋子开始进入供袋辊子。同时，倾斜气缸开始返回，完成吸袋操作，这个过程不断重复进行。自动供袋流程图如图4.2所示。

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吸袋真空 到上限位 了吗？ N 装置接通 开始 吸袋气缸上升 垂直气缸 下降 Y 吸盘吸住袋子 倾斜气缸运动 到斜限位 了吗？ 真空阀到 N 设定值？

Y 袋子送入

图4.2 自动供袋流程图

供袋辊子 各气缸复位 吸盘断真空 ②自动取袋控制逻辑

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袋子通过供袋辊子送到斜托板上，当斜托板上的光电开关检测到袋底时，支持袋底的斜托盘开始下降，当光电开关检测到袋口时，斜托板上的防滑吸盘吸住袋子。这时横进装置应在生产线取袋位置，如果不在，应向该方向移动，移动过程中，由减速开关控制减速运动，由到位限位开关控制到位。到位后，磕头装置倾斜，由限位开关限位，同时起动真空电磁阀，实现真空吸袋，经过延时，吸住袋，磕头装置立起，斜托板上升回到原来位置，完成取袋操作，这个过程重复进行。自动取袋流程图如图4.3所示。

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开始 横进装置移动 光电开关打开 移动到 光电检测器 检测袋底 磕头装置 斜托盘下降 倾斜移动 位了吗 到斜限 位了吗 到斜限 位了吗 光电检测器 检测袋口 真空气缸移动 移动到 防滑吸盘 吸袋 位了吗 从斜托板上取袋 各气缸复位

图4.3自动取袋流程图

③ 自动装袋控制逻辑

这时开袋、抱板与大夹子应处于开位置，横进装置向包装线取袋方向移动，同时移动过程中有减速过程，到位后，限位开关闭合，抱板与大夹子闭合。当夹抱限位开关闭合后，料斗下缩口夹子应开，同时取袋装置真空打开，横进装置向包装线装袋位置移动，同样经过减速过程，然后由限位开关控制到位，抱板与大夹子把装满料的带子送到输送袋上，夹辊气缸动作，完成夹送动作。同时空袋子袋口被大夹子夹紧，这时缩口夹袋压力接通，缩口夹子向里收，同时，开袋、抱袋、开，开袋真空检测和夹袋压力检测工作，如果没有夹住袋子或没有把袋口打开，缩口夹子则松开，开袋真空和夹袋压力断开，然后进行吹袋操作。如果通过

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加紧压力检测袋子被夹住，真空开袋把袋口确实打开，则关闭真空和压力置，卸料门打开，进行装袋操作。从放料门插入，打开袋口，然后秤卸料总定时器开始起动，总定时器的时间设定装袋、拍打、墩实的时间，当定时到装料总时间的三分之二时，拍打板上升，进行墩实总的定时时间到后，放料门关闭，装料操作完毕。自动装袋流程图如图4.4所示。 开始

横进装置移动

移动到位 了吗？

限位开关闭合 N Y

抱扳与大夹子闭合 取袋开袋器夹袋

N 横进装置移动 Y

移动到位 N 了吗？ 开袋吸盘吸住 袋子两面 卸料门打开装料 拍打 时间到 了吗？ 敦实 时间到 了吗？ 料门关闭 36 / 61

Y

各气缸复位

开袋气缸运动 停止吗？ 结束

图4.4自动装袋流程图

④折边、缝口控制逻辑

横进装置向包装线装料方向移动，经过减速过程，横进装置到位，抱板与大夹子夹紧，缩口夹子开，为送袋操作做好准备。

当横进装置向包装线装料方向移动时，同时把装满料的袋子送到输送带上，进行折边、缝袋口操作。这样完成送袋操作，此后重复上述各种操作。折边缝口流程图如图4.5所示。

开始

横进装置移动

移动到位置 N 了吗？

Y 37 / 61

限位开关闭合 抱板与大夹子闭合

折边、缝袋口 缩口夹子张开

图4.5折边缝口流程图

气缸复位 ⑤ 倒袋、输送控制逻辑

料袋由缝口机进入倒袋输送机，光电开关检测到料袋后，倒袋气缸伸出，将料推倒，进入整形部分，此后重复上述各种操作。倒袋、输送流程图如图4.6所示。

光电开关检测料袋 开始

倒袋气缸伸出 料袋推到 38 / 61

整形

料袋向前移动 气缸复位 图4.6倒袋、输送流程图

⑥ 金属检测、重量检测控制逻辑

料袋通过金属检测输送机时，如果发现袋中有金属物体，检测器将发出警报，含金属料袋将由自动捡选机剔除。合格料袋继续向前进入重量检测输送机，如果料袋重量不合格，也将由自动捡选机剔除。合格料袋继续向前输送。金属检测、重量检测流程图如图4.7所示。

检测机检测 开始

Y 有金属吗 剔除处理

N

N 剔除处理 重量检测机检测 重量合格吗 ？

Y 料袋向前移动

气缸复位 39 / 61

图4.7 金属检测、重量检测流程图

4.2.2 码垛部分

机器人码垛机主要由机械主体、伺服驱动系统、手臂机构、末端执行器(抓手) 、末端执行器调节机构以与检测机构组成,按不同的物料包装、堆垛顺序、层数等要求进行参数设置,实现不同类型包装物料的码垛作业。按功能划分为进袋、转向、排袋、编组、抓袋码垛、托盘库、托盘输送以与相应的控制系统等机构。

(1)转向机构：按设定程序对包装袋作转向编排。

(2)排袋机构：采用皮带输送机将编排好的包装袋送至积袋机构。 (3)积袋机构：采用皮带输送机集中编排好的包装袋。 (4)抓袋码垛机构：采用机器人码垛机构完成码垛作业。

(5)托盘库：成叠的托盘由叉车送入,按程序逐个排放至托盘辊道输送机,有规律地向码垛工序供应空托盘,达到8层后的成垛托盘,由辊道输送机输送至成垛托盘库,最后由叉车取出送至仓库贮存。

码垛工作过程:由包装线上送来的包装袋,其封口处于包装袋前进方向的末端。第1只包装袋不旋转直接进入排包工序,第2 只包装袋做180°旋转后进入排包工序,然后由排包机将第1、2只包装袋推至码包工序,第3、4、5只包装袋依次在旋转机上做逆时针旋转90°,然后由排包机推至码包工序;同时将先期进入码包区域的第1、2只包装袋一起推送至卸包台工作区域;由卸包机将编码好的一层包装袋卸入事先备好的托盘上进行分层码垛;此时承载托盘下降一层包装袋高度的行程,至此完成第1 层的码垛工作。后面第3、5、7层的码垛均按上述程序运行。第2层包装袋的运行程序为:当第2层的第6、7、8只包装袋依次进入旋转机后,在旋转机上做顺时针方向旋转90°,并送至排包工序,然后由排包机将排列好的3只包装袋推送至码包工序,第9只包装袋不用旋转直接进入排包工序,第10只包装袋在旋转机上做180°旋转后进入排包工序,由排包机推进至码包工序,将先期进入码包区域的第6、7、8这3只包装袋编码在一起,然后将第2层编码好的5只包装袋一起推送至卸包台工作区域,由卸包机将这5只包装袋卸在第1层上面进行码垛;承载托盘再下降一层包装袋的高程,至此完成第2层的码垛工作。后面第4、6、8层的码垛程序,均按上述程序运作。

①推袋/分层控制逻辑

编组机满信号激发一次推袋动作，推袋前进之前，推袋挡板关闭。若满半层

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时，推袋到滑台位置，推袋挡板打开，然后推袋机返回;当满一层而且分层机空时，推袋机推倒前端位置，推袋挡板打开，然后推袋机返回。料袋进入分层机后，侧面整形挡板合上，然后压袋机向下压袋。若托盘处于分层码垛位置时，分层机打开，升降机开始下降，压袋机压到位后，压袋和侧面整形气缸返回，升降机停止下降。若分层机空和压袋机返回到位，分层机开始关闭。推袋、分层流程图如图4.8所示。 开始 推袋气缸移动 推袋机前移 满半层推至滑台 满一层推至码垛区 推袋挡板抬起打开 分层机侧面整 形挡板闭合 气缸复位 压袋机向下移动 推袋机返回 分层机打开 升降机下降 压袋与侧面整形 各气缸复位 压袋机返回 分层机关闭 升降机复位 图4.8推袋、分层流程图

② 升降机控制逻辑

分层机动作和分层机满光电开关触发一次层计数，升降机根据层计数结果确定是否排垛。若层数小于8时，进行分层码垛动作;当层数为8时，触发一次排垛动作。空托盘到达待码垛位置时，升降机开始上升，到达上限位或升降机上临界

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光电开关，停止上升，等待分层码垛。升降机根据所码层数确定是否排垛，当码完8层后，升降机下降到达下限位置后，停止下降，并发托盘输送机排垛。当排垛未完成时，升降机上升或下降动作均无效。升降机控制流程图如图4.9所示。

开始

N 到上限位了吗？ 空托盘移至码垛位 升降机上升

Y

层数到设定值了 N 吗？ 分层机分层码垛

Y

升降机下降 42 / 61

到下限位了吗？ N

Y

图4.9升降机控制流程图

垛盘输送机排垛 提取空托盘 气缸复位 ③ 托盘和垛盘输送机控制逻辑

当升降机排垛时，托盘和垛盘输送机是否起动排垛，取决于垛盘位是否有空。若无空，则声光报警，输送机处于等待状态;一旦有空，则启动排垛输送。当实垛盘未到达垛盘输送机时，托盘输送机继续运转。若空托盘到位和排垛完毕后，托盘输送机停止运转。然后，启动托盘仓动作，自动放一个空托盘到待传托盘位置上。

当垛盘叉装位置或垛盘缓冲位置有空而托盘输送机占位时，垛盘输送机将自动启动运行，将实垛盘送到垛盘缓冲位置上。托盘、垛盘输送流程图如图4.10所示。 垛盘输送机等待 开始 43 / 61

垛盘位是否有N Y N

空？ 声光报警 垛盘输送机排垛 读盘输送机 提取托盘移动 垛盘是否到位？ Y

图4.10托盘、垛盘输送流程图

气缸复位 ④ 托盘仓控制逻辑

当托盘仓空时，则声光报警。除自动启动托盘仓升降动作外，还可用托盘仓侧面安装的操作闸随时启动升降动作。托盘仓上升时，当上升到一定位置(待传位空时到达托盘仓上位时，到达托盘仓中位，托盘叉打开，托盘仓继续上升，直到顶部。当托盘仓下降时，降到托盘仓中位时，托盘叉合上，托盘仓继续下降，直到底部。这样即可放一个空托盘到待传位上。托盘仓控制流程图如图4.11所示。

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到设定位了吗？ 开始 托盘仓升降机上升 N Y 托盘叉打开 传托盘到位 托盘仓升降机上升 至顶部 45 / 61

N Y

托盘仓升降机下降 到设定位了吗？ 托盘叉合上 托盘仓升降机 下降至底部 气缸复位 图4.11托盘仓控制流程图

4.3 PLC控制系统软件程序设计

包装码垛自动生产线控制系统是基于PLC集成控制的系统，根据本节叙述的容中的系统整体控制流程图与系统的输入和输出信号，来编制PLC的梯形图。PLC采用循环扫描方式，按梯形图从上而下，从左而右的先后顺序予以执行。下面给出的是程序的梯形图，使用三菱公司全系列编程软件GXDeveloper-7C编辑，编程方式是梯形图，见附录梯形图。其中附录-图A是前段包装部分的梯形图，附录-图B为系统后段码垛部分的梯形图。

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5系统抗干扰措施

PLC系统中混入输入、输出的干扰，或感应电压，容易引起错误的输入信号，从而引起错误的控制信号。为了使控制器稳定地工作，提高整体控制系统的可靠性，在控制系统采取一些有效的抗干扰措施是非常必要的。

5.1抗电源干扰

（1）使用隔离变压器 使用隔离变压器将屏蔽层良好地接地，对抑制电网中的干扰信号有良好的效果。为了改善隔离变压器的抗干扰效果，必须注意两点:一是屏蔽层要良好接地，二是次级连接线要使用双绞线。双绞线能减少电源线间干扰。

（2） 使用滤波器 使用滤波器代替隔离变压器，在一定的频率围有一定的抗电网干扰作用，惯用的方法是既使用滤波器，同时使用隔离变压器。连接方法如图5.1所示。

图5.1 滤波器和隔离变压器同时用的系统

（3） 分离供电系统 将控制器、I/O通道和其他设备的供电分离开来，也有助于抗电网干扰。

本系统采用分离供电系统措施，PLC控制器远离供电系统。

5.2 控制系统接地

控制系统的接地一般有如图5所示的三种方法:图(a)为控制器和其他设备分别接地方式，这种接地方式最好;如果做不到每个设备专用接地，也可以使用图47 / 61

图5.2 接地方法

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本系统采用图(b)的接地方式，将控制器和其他设备共用接地。

5.3 防I/O信号干扰

防止输入信号的干扰除采用滤波器与使控制器良好接地来抑制干扰外，下面介绍几种抗输入干扰措施。

（1）如图5.3，在输入端有感性负荷时，为了防止反冲击感应电势，在负荷两端并接电容C和电阻R(为交流输入信号时)，或并接续流二极管VD(为直流输入信号)。交流输入方式时，C、R的选择要适当，才能起到较好的效果，一般参考值为:负荷容量在20VA以下一般选用0.1µF147Ω比较适宜。如果与输入信号并接的电感性负荷较大时，使用继电器中转效果更好。

（2）防感应电压的措施 在感应电压大的场合，如果可能的话，改交流输入为直流输入;在输入端并接浪涌吸收器(浪涌吸收器的作用是防止瞬间高压损坏设备);在长距离配线和大电流场合，感应电压大，可用继电器转换。

图5.3 输入信号共接感性负载

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结论

包装码垛自动生产线包括机械、电控、气动等系统，虽然设备复杂，但操作却很简单。设有多个操作盘或触摸屏，可进行自动/手动操作切换，在手动操作时可对单一部机或动作进行控制。操作盘面上均有多个状态显示窗口和故障显示窗口，以便于操作人员了解设备所处的状态。

通过这段的的设计，除了锻炼了自己的能力外，也积累了不少经验，现总结如：

(1)掌握了PLC控制原理与编程方式，设计了包装码垛生产线的工艺过程与动作流程。

(2)完成了包装生产线控制系统基础硬件和软件的设计。

由于时间很短，且自己掌握的知识有限，所以对包装码垛生产线控制系统只是做了一些初步工作，目前包装码垛生产线控制系统功能还很不完善，还有许多问题尚待解决，如:

(1)实时监控现场情况有待于进一步加强。

(2)控制系统中的故障诊断和故障处理应进一步完善。

(3)本系统设计了全自动包装动作控制电路，能完成粉状或粒状物体的包装动作，但对于高性能的PLC来说还未充分拓展其功能，如何扩展PLC在包装行业的功能仍是一项重要任务。

经过这次设计，我最大的收获是对理论和实际相结合的重要性有了深刻的认识。原来在课本上学到的东西当实际用起来时才知道相差甚远，在设计里完成了软硬件的选择，梯形图的编制中依然遇到许多的问题。不过幸好在老师和同学的帮助下完成了设计并学到了很多知识。

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参考文献

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致

在论文完成之际，我首先要向我的指导老师表示最真挚的意，王老师从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，在此我表示衷心感。

我还要特别感我的同学，给予了我无私的帮助，在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以与关心我的同学和朋友，正是他们的鼓励和帮助之下，我得以顺利完成论文。

写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。

感系里提供教室给我们做设计的场地，和系领导的关心和指导。在设计过程中，同学们也给了我帮助，在此表示感。

感电气工程系的领导和老师对我的关心和帮助。

感答辩组的各位老师，限于本人水平有限，请您批评指正。 再次感所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们。

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附录

图A包装部分的梯形图

图A包装部分的梯形图(1/2)

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图A包装部分的梯形图(2/2)

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图B码垛部分的梯形图

图 B码垛部分梯形图(1/5)

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图 B码垛部分梯形图(2/5)

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图 B码垛部分梯形图(3/5)

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图 B码垛部分梯形图(4/5)

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图 B码垛部分梯形图（5/5）

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图C电气控制主电路图

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