基于plc包装码垛生产线控制系统设计设计

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1、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

2、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，供袋不及时、出垛不及时等，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ABSTRACT Industrial production, there are many places need for powdered or granular solids flow for accurate measurement and control,

3、 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, foo

4、d, 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 palletizin

5、g 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 st

6、ore, 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 who

7、le 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. KEY WORDS: control systembagging , palle

8、tizing line,Programmable controller 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：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。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。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。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解

9、大学关于收集、 保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . III 1 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 PLC 概述 . 1 1.3 包装码垛自动生产线设计的内容 . 2 1.3.1 包装码垛自动生产线的应用现状 . 2 1.3.2 包装码垛自动生产线设计的要求 . 3

10、 2 包装码垛自动生产线系统组成 . 5 2.1 概述 . 5 2.2 包装码垛自动生产线系统组成 . 5 3 包装码垛生产线控制系统硬件设计 . 10 3.1 PLC 控制的优点 . 10 3.2 PLC 控制系统硬件设计 . 11 3.3 控制系统电气原理图 . 15 4 包装码垛生产线控制系统软件设计 . 16 4.1 包装码垛自动生产线工艺流程 . 16 4.2 程序控制逻辑 . 17 4.2.1 包装部分 . 17 4.2.2 码垛部分 . 23 4.3 PLC 控制系统软件程序设计 . 27 5 系统抗干扰措施 . 29 5.1 抗电源干扰 . 29 5.2 控制系统接地 . 29

11、 5.3 防 I/O 信号干扰 . 30 结论 . 31 参考文献 . 32 致谢 . 33 附录 . 34 图 A 包装部分的梯形图 . 34 图 B 码垛部分的梯形图 . 36 图 C 电气控制主电路图 . 41 1 绪论 1.1 引言 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、改善工作环境同时重视起来。石油化工、化肥、粮食等行业对包装质量和劳动效率的要求也日益提高，从而促进了这些企业的现代化改造。而传统的人工包装由于其生产效率低下而成为这些行业产量和包装质量提高的巨大障碍，已不能满足现代化大生产的需要。用户为了便于产品的运输和存储，对包装要求更加严格，包装已成为企

12、业升级和获得经济效益的关键因素， 因此尽快提高产品的包装质量，是这些行业的迫切任务之一，也是用户对这些行业的要求。国际上日本 NEWLONG、英国 BL、美国 ORY 等公司掌握了包装先进技术。目前国内全自动包装码垛设备主要依靠进口，国产设备生产厂家较少，市场呼吁国产化的全自动包装生产线。在新的世纪, 随着我国各项事业的蓬勃发展以及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。 1.2 PLC 概述 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

13、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、微电子技术及通信技术，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。 可编程序逻辑控制器(

14、Programmable Logical Controller)，又称 PC 或 PLC，它是以微型计算机为基础的一种为用于工业环境而设计的数字式电子系统，这种系统用可编程序存储面向用户指令的内部寄存器，完成规定的功能，如：逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等，通过数字量的输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。 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

15、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及，中国尚有广阔的应用领域等待开拓。我国90的PLC市场

16、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

17、、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）产品更加规范化、标准化。 1.3 包装码垛自动生产线设计的内容 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

18、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、食品及医药等行业。它可实现对粉、粒、块状物料（如塑料、化肥、合成橡胶、粮

19、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，供袋不及时、出垛不及时等，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。 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

20、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、 生产制造及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 （1）进行对包装码垛系统的控制工艺流程分析，确定包装码垛

21、系统原理。 （2）完成对包装码垛控制系统的运行过程分析及控制系统功能，系统硬件分析控制参数选择及电控系统的需求，PLC的选型，确定此系统的布置形式。 （3）电路系统等供电设计，PLC控制系统设计及方案论证。 来自 主厂 房的 料物 传感 器称 重料 斗 电子 称重 机组 封口机 码垛系统 仓库 输送机 输送机 （4）系统软件分析，系统状态流程图设计，系统抗干扰措施。 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及软件等有机

22、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。其五种内部功能即主功能、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、食品及医药等行业中的粉、粒、块状物料

23、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、码垛及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8001000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

24、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。 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

25、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、尺寸和质量以及往备用袋仓中码放袋子时袋口的方位等都有一定的要求。 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

26、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内。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，

27、再由取袋夹送装置在取袋的同时夹送到夹口整形机内。 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内回转+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内为准, 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。 编组机是是将转位输送机送来的料袋按码垛要求实现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

28、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。 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

29、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。 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。通过托盘仓内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内的最下端的托

30、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。 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、寿命及稳定性直接决定着生产线的工作性能和质量。 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

31、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及执行机构换向。气缸是执行机构的基本元件，承担负载、输出力及转矩。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，从两侧家住袋口，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

32、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、开袋口的气路系统及检测: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，向内侧缩口的同时，开袋口机构张开，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

33、投料信号。只有真空检测及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，其主要功能是吸袋及开袋等。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

34、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及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%量程内，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%之内，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

35、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、加速度以及物体的形状、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。 3 包装码垛生产线控制系统

36、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、重量检测及码垛等多个动作，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

37、.1 PLC 控制的优点 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 内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 1020ms. （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。 丰富的 I/O 接口模块； PLC 针对不同的工业现

38、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；传感器及变送器；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。 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，由机架及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。 编程简单易学；

39、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。 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。 3.2 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

40、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。 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)以及执行元件(电机和气缸等)。 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

41、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点以内， 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内部装有电源，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及扩展单元的电源范围以内； 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

42、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。 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

43、 PLC 系统控制，具体的扩展方法是 FX2N-128MR+FX2N-48ER 各一台，共有点数 176 个，输入点88 个，编号范围是 X000X127，输出点 88 个，编号范围是 Y000Y127;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， 编号范围是 X000X077， 输出点 80 个， 编号范围是 Y000Y117。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。 前段 后段 图 3.1 I/0 扩展连接示意图 分配输入

44、/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及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 输出 名称 接口 名称 接口 吸袋垂直气缸 X001 垂直汽缸下降 Y001 吸袋真空装置 X002 垂直汽缸上升 Y002 吸袋真空阀 X003 吸盘 Y003 上限位开关 X004 垂直

45、汽缸倾斜 Y004 倾斜气缸电磁阀 X005 斜托板下降 Y010 FX2N-128MR FX2N-128MR FX2N-16EYR FX2N-48ER 表 3.2 码垛部分 I/O 接口分配 斜线位开关 X006 防滑吸盘吸袋 Y011 斜托板光电开关 X010 磕头装置倾斜 Y013 光电开关 X011 真空吸袋 Y014 横进装置减速开关 X012 磕头装置立起 Y015 横进装置装袋点限位 X013 斜托板上升 Y020 倾斜限位 X014 抱板闭合 Y021 磕头装置到位信号 X015 大夹子闭合 Y022 横进装置取袋点限位 X020 料斗下缩口夹子张开 Y024 夹抱限位 X02

46、1 取袋真空装置打开 Y025 横进装置移动限位开关 X022 缩口夹子向里放 Y026 开袋真空检测 X023 夹辊气缸动作 Y027 夹袋压力检测 X024 开袋 Y030 打开袋口 X040 抱袋 Y031 横进装置限位 X041 张开 Y033 横进装置到位 X050 缩口夹子张开 Y037 输送带 X051 放料门插入 Y040 倒袋 X053 拍打板上升 Y042 整形 X054 敦实 Y043 金属检测 X055 折边 Y044 金属信号 X056 缝口 Y045 重量检测 X057 倒袋气缸伸出 Y050 包装子程序启动 X127 整形汽缸动作 Y051 检测器声光报警 Y06

47、0 检选机剔除 Y061 横进装置 Y100 输入 输出 名称 接口 名称 接口 编组传输光电开关 X001 转位机转位 Y071 料袋传输限位开关 X002 编组传输电机 Y004 推推袋挡板关闭 X003 转位传输电机 Y005 满半层信号 X004 缓停机运转 Y006 滑台限位开关 X005 推袋 Y000 推袋前端限位 X006 滑台推袋挡板打开 Y001 侧面整形挡板 .X007 推袋机返回 Y002 码垛位限位 X010 分层机分层 Y003 压袋限位 X011 升降机下降 Y007 压袋返回 X012 前端推袋挡板打开 Y074 分层机满信号 X013 侧面整形 Y075 满一

48、层信号 X015 压袋机压袋 Y076 前端推袋挡板 X016 托盘输送机 Y020 托盘至码垛位 X020 升降机上升 Y010 升降机上限位 X021 声光报警 Y030 升降机上临界 X022 排垛输送 Y031 升降机下限位 X023 托盘仓动作 Y035 分层机开 X024 垛盘输送机 Y036 分层机关 X025 托盘仓声光报警 Y040 缓停机占位 X026 托盘仓上升 Y050 编组机满 X027 托盘仓下降 Y051 垛盘位空 X030 托盘叉打开 Y052 空托盘到位 X03 托盘叉合上 Y053 托盘叉位置空 X034 垛盘缓冲位置空 X035 缓冲位置限位 X037 托

49、盘上升信号 X050 待传位信号 X051 托盘仓上位 X052 托盘仓中位 X053 实垛盘到位 X054 3.3 控制系统电气原理图 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 M1.1M10.1 提供电源，QF2 给码垛部分电机 M11.1M20.1 提供电源，QF3 给检测电机 M21.1M25.1 提供电源，QF4 为打印机、金检、重量复检的执行电机M26.1M30.1 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

50、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。 托盘仓底部位 X055 托盘仓下降 X057 转位机停止 X060 码垛程序启动 X077 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、重量检测及码垛等功能。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

51、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，向包装袋内投料，卸料后称重箱关闭翻门，装袋机张开夹袋器，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及重量复检机，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

52、 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。 N 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 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

53、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。 开始 供袋 取袋 送袋 斜板 抓袋 横进取袋 横进送袋 缝纫机 夹口折边 充填托起 缩袋口 放料门 开袋 夹袋口 抱夹 立袋输送 推到压平 金属检测 复检称 剔除 爬坡过度 爬坡 缓停 升降机 垛盘输送 托盘输送 层计数 分层 整形 推袋 缓停压平 转位输送 转位 编组 叉装架 排垛 托盘气缸 开盘托盘叉 结束吗 结束 开始 垂直气缸 下降 吸袋真空 装置接通 吸盘吸住袋子 N

54、Y 真空阀到 N 设定值？ Y 图 4.2 自动供袋流程图 自动取袋控制逻辑 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。 吸袋气缸上升 到上限位 了吗？ 倾斜气缸运动 袋子送入 供袋辊子

55、各气缸复位 吸盘断真空 到斜限位 了吗？ 图 4.3 自动取袋流程图 自动装袋控制逻辑 这时开袋、 抱板与大夹子应处于张开位置， 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，料斗下缩口夹子应张开，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、张开，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

56、开，开袋真空和夹袋压力断开，然后进行吹袋操作。如果开始 光电开关打开 光电检测器 检测袋底 斜托盘下降 到斜限 位了吗 到斜限 位了吗 光电检测器 检测袋口 防滑吸盘 吸袋 横进装置移动 移动到 位了吗 移动到 位了吗 磕头装置 倾斜移动 真空气缸移动 从斜托板上取袋 各气缸复位 通过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

57、 所示。 N Y N Y N Y 图 4.4 自动装袋流程图 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，缩口夹子张开，为送袋操作做好准备。 开始 横进装置移动取袋开袋器夹袋限位开关闭合卸料门打开装料抱扳与大夹子闭合开袋吸盘吸住 袋子两面 开袋气缸运动移动到位 了吗？ 移动到位 了吗？ 时间到 了吗？ 时间到 了吗？ 拍打 敦实 料门关闭 各气缸复位 停止吗？ 结束 横进装置移动 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。

58、N Y 图 4.5 折边缝口流程图 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。 开始 横进装置移动 移动到位置 了吗？ 限位开关闭合 抱板与大夹子闭合 缩口夹子张开 折边、缝袋口 气缸复位 图 4.6 倒袋、输送流程图 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

59、图 4.7 所示。 Y N N Y 图 4.7 金属检测、重量检测流程图 开始 光电开关检测料袋 倒袋气缸伸出 料袋推到 整形 料袋向前移动 气缸复位 开始 检测机检测 有金属吗 重量检测机检测 重量合格吗 ？ 料袋向前移动 气缸复位 剔除处理 剔除处理 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及检测机构组成,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、托盘输送以及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

60、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

61、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

62、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。 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

63、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。 图 4.8 推袋、分层流程图 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

64、下降动作均无效。升降机控制流程图如图 4.9 所示。 开始 推袋气缸移动 推袋机前移 满半层推至滑台 推袋挡板抬起打开 气缸复位 推袋机返回 满一层推至码垛区 分层机侧面整 形挡板闭合 压袋机向下移动 分层机打开 升降机下降 压袋及侧面整形 各气缸复位 压袋机返回 分层机关闭 升降机复位 N Y N Y N Y 图 4.9 升降机控制流程图 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

65、后，启动托盘仓动作，自动放一个空托盘到待传托盘位置上。 开始 空托盘移至码垛位 升降机上升 分层机分层码垛 升降机下降 气缸复位 提取空托盘 垛盘输送机排垛 到上限位了吗？ 到下限位了吗？ 层数到设定值了吗？ 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。 N Y N Y 图 4.10 托盘、垛盘输送流程图 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

66、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。 开始 垛盘位是否有空？ 垛盘是否到位？ 垛盘输送机等待 垛盘输送机排垛 气缸复位 读盘输送机 提取托盘移动 声光报警 N Y N Y 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， 根据本节叙述的开始 到设定位了吗？ 到设定位了吗？ 托盘仓升降机上升 气缸复位 托盘仓升降机 下降至底部 托盘叉合上 传托盘到位 托盘仓升降机下降 托盘仓升降机上升 至顶部 托盘叉打开 内容中的系统整体控制流程图及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。 5 系统