PLC全自动包装码垛生产线控制系统研究设计

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1、摘 要传统的机械设备与产品，多是以机械为主，是电气、液压或气动控制的机械设备。随着工业水平的不断发展，机械设备己逐步地由手动操作改为自动控制，设备本身也发展成为机电一体化的综合体。可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过30多年的发展，目前，可编程控制器已成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，己跃居工业生产自动化四大支柱(可编程控器、数控机床、机器人、计算机辅助设计与制造)的首位。其应用的深度和广度已成为衡量一个国家工业先进与自动化程度高低的标志。本论文共分四章，从可编程控器(PLC)基础到整个系统的规划设

2、计，以及PLC控制系统的硬件、软件的开发，给出全面、详细的设计思路。该系统的核心部分是包装码垛自动生产线的控制系统，其控制系统主要是以可编程控制器(PLC)为基础进行集成控制的。全自动包装码垛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（如塑料、化肥、合成橡胶、粮食等）的全自动包装，即对包装过程中的称重、供袋、装袋、折边、封袋、倒袋整形、批号打印、检测、转位编组、码垛、托盘和垛盘的输送等作业全部实现自动化。以PLC为基础的全自动包装码垛生产线，控制系统简单、便于维护、适应性强，自动化程度高，节约人力，可极大提高生产效率。关键词：PLC；控制系统；包装码垛自动生产线Abstr

3、actThe traditional mechanical device and the product, many are by the machinery primarily, is electrical, the hydraulic pressure or the pneumatic control mechanical device. Along with the industry levels unceasing development, mechanical device oneself changes the automatic control gradually by the

4、manual operation, the equipment itself also develops into the integration of machinery complex compound. Programmable controller (PLC) is take the microprocessor as a core, the comprehensive computer technology, the automated technology and the communication develop one new industry automatic contro

5、l device. After more than 30 years development, at present, the programmable controller has become in the industrial automation domain to be most important, to apply most control devices, oneself leaps to the industrial production automation four big props (programmable controller, numerically-contr

6、olled machine tool, robot, computer-aided design and manufacture) the first place. Its applications depth and the breadth have become weigh a national industry to be advanced and automaticity height symbol.This thesis consists of four chapters, from the programmable logic controller (PLC) based plan

7、ning and design of the entire system, and PLC control system hardware, software development, give full and detailed design ideas. The core of the system is Palletizing automatic production line control system, the control system is mainly based on programmable logic controller (PLC) as the basis for

8、 integrated control.Automatic Palletizing production line is mainly used in chemical, food, food and pharmaceutical industries in the flour, grain, bulk materials (such as plastics, fertilizers, synthetic rubber, food, etc.) of the automatic packaging, ie packaging process weight for bags, bagging,

9、folding, envelope, plastic bags down, batch printing, testing, transfer grouping, stacking, pallets, and stack operations such as disk full automated transmission. With PLC based fully automatic palletizing packaging production line, control system is simple, easy maintenance, strong adaptability, h

10、igh automation, saving manpower, can greatly increase productivity.Key word:PLC;Control System;Palletizing automatic production line 目 录第1章 绪论11.1 PLC的产生和发展、优点、应用现状和发展趋势11.2 包装码垛自动生产线的发展41.3 课题主要研究内容5第2章 包装码垛自动生产线机械系统的工作原理62.1 概述62.2 包装码珠自动生产线系统组成6第3章 包装码垛自动生产线PLC控制系统设计103.1 PLC的基本结构103.2 PLC的主要组成部分

11、113.3 PLC的工作原理123.4 PLC控制系统设计13第4章 程序调试364.1 程序输入和编辑364.2 梯形图逻辑测试374.3 监控程序384.4 监控元件394.5 退出PLC仿真运行41结 论42参考文献43致 谢4458第1章 绪论可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的基础上发展起来的，最初叫做可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），即PLC，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。1

12、.1 PLC的产生和发展、优点、应用现状和发展趋势1.1.1 PLC的产生和发展1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产在线试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程控器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程

13、控制器的功能特点，可编程控器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、仿真量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能

14、力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。121.1.2 PLC的优点PLC是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物，所以在工业控制方面，它具有继电器控制或通用计算机所无法比拟的特点。（1）高可靠性PLC的高可靠性主要表现在硬件和软件两个方面：在硬件方面，由于采用性能优良的开关电源，并且对

15、采用的器件进行严格的筛选，加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此PLC具有很强的抗振动冲击性能；无触点的半导体电路来完成大量的开关动作，就不会出现继电器控制系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题；所有的输入/输出（I/O）接口都采用了光电隔离措施，使外部电路和PLC内部电路能有效的进行隔离；PLC模块式的结构，可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能尽量缩短系统的维修时间。在软件方面，PLC的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运算处理器的延迟，保证在程序出错和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；当CPU、电池、I/O口、通信等出现异常时，PLC的自诊

16、断功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防止故障扩大；停电时，后备电池和正常工作时一样，进行对用户程序及动态数据的保护，确保信息不丢失。（2）应用灵活、使用方便模块化的PLC设计，使用户能根据自己控制系统的大小、工艺流程和控制要求等来选择自己所需的PLC的模块并进行资源配置和PLC编程。这样，控制系统就不再需要大量硬件装置，用户只需根据控制需要设计PLC的硬件配置和I/O的外部接线即可。而在PLC控制系统中，当控制要求改变时，不改动PLC外部接线，只需修改程序即可。（3）面向控制过程的编程语言，容易掌握PLC的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言，清晰直观。虽然PLC是以微处理器为核心

17、的控制装置，但是它不需要用户具有很强的程序设计能力，只要用户具备一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可。这种面向控制过程的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在PLC内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，这种时耗是微不足道的。（4）易于安装、调试、维修在安装时，由于PLC的输入/输出接口已经做好，因此可以直接和外部设备相连，而不再需要专用的接口电路。而且PLC的软件功能取代了原来继电器控制中的中间继电器、定时器、计数器等一些器件，所以硬件安装上的工作量相应减少。PLC的调试可先在实验室模拟完成，模拟调试完成后再现场安装、调试。这样就可以避免

18、可能在现场会出现的一些问题，从而缩短调试周期。在维修方面，PLC完善的诊断和显示功能，可以通过模块上的显示或编程器等很容易地找出故障的模块，而且由于模块化设计，因此只需要对出错的模块进行更换即可。（5）网络功能强大PLC具有强大的网络功能。PLC不仅能做到远程控制、进行PLC内部通信与上位机进行通信，还具备专线上网、无线上网等功能。这样，PLC就可以组成范围很大的控制网络，整个工厂，甚至整个系统都可以实现自动化，从而提高生产的效率。（6）体积小、重量轻由于PLC内部电路主要采用微电子技术设计，因此它具有体积小、重量轻等特点。31.1.3 PLC的应用可编程控制器是“专为工业环境下应用而设计的”

19、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/0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

20、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，其它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、西德SIEMENS，日本富士公司为主。我国的饮料包装设备在许多方面采用了PLC，并取得了非常好的效果。451.1.4 PLC控制系统发展趋势PLC具有可靠性高、使用方便、编程简单、体积小、重量轻等特点。目前，全世界PLC生产厂家约为200家，生产300多个品种。作为控制装置，它在许多工业领域都得到广泛的应用。随着微处理器技术和现代通信技术的发展

21、，PLC也得到了迅速发展，其技术和产品日趋完善。PLC的主要发展趋势主要表现在以下几个方面。（1）高速度、高I/O容量、功能强大随着CPU处理速度的提高，PLC程序执行的速度也越来越快；大规模和超大规模集成电路的发展，相应地使I/O的容量也得到增加；智能模块的增加，使PLC能够实现的功能越来越多。（2）强大的PLC联网能力随着人们对工业自动化的要求越来越高，人们已经不再满足对几个设备、几条生产线的PLC控制，而是要求实现对全工厂的自动化，所以提高PLC控制系统的网络功能成为PLC的发展趋势。以后人们不仅能通过通信模块进行PLC与PLC、PLC与上位机之间的连接，还能通过拨号或者无线的方式使PL

22、C联网。（3）编程软件多样化PLC的梯形图语言、助记符语言和功能模块语言虽然使用方便，而且也能很好地实现控制要求，但是在处理一些高级功能（复杂运算、报表生成和打印等功能）时存在明显的不足，所以就要求高级语言（BASIC、C、FORTRAN等）、图形语言、汇编语言兼容。这样不仅可以通过梯形图语言、助记符语言和功能模块语言来编写程序，也可以通过高级语言来编程。1.2 包装码垛自动生产线的发展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

23、以是固定式或移动式的，用于工业自动化作业中。工业机器人与其它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

24、备具有操作简单，运行可靠，维修方便等优点。根据用户要求，配上通讯接口和打印机，有打印日、月累计报表的功能。还可与上位机或触摸屏连接，对包装码垛自动生产线实现实时监控、远程诊断和网络化管理。包装码垛自动生产线以PLC为控制核心，以键盘、按钮或触摸屏为输入设备，PLC通过总线进行通信，完成对各电机转速、转向及各个接触器、中继器等的控制。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在线分离出来而发展起来的。其流程图如图1-1所示。6来自主厂房的物料传感器称重料斗仓库封口机电子称重机组 码垛 系统图1-1 包装码垛生产线流程图1.3 课题主要

25、研究内容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。石油化工、煤化工、化肥、粮食、港口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。因此对包装码垛自动生产线的应用研究具有重大的经济意义和现实意义。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。该课题主要完成以下四个方面的工作:(1)掌握PLC控制原理及编程；(2)熟识包装码垛生产线的工艺过程及动作流程；(3)PLC控制系统的软、硬件设计；(4)包装码

26、垛生产线的程序调试。第2章 包装码垛自动生产线机械系统的工作原理2.1 概述本课题所设计的包装码垛自动生产线是一个典型的机电一体化系统。机电一体化技术又称机械电子技术，是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。机电一体化系统通常由五大要素构成，即动力源、传感器、机械结构、执行组件和电子计算机。全自动包装码垛生产线是集机、电、仪于一体的高技术产品，它主要应用于化工、粮食、食品及医药等行业中的粉、粒、块状物料(如塑料、化肥、合成橡胶、粮食等)的全自动包装，即对包装过程中的称重、供袋、装袋、折边、封口、倒袋整形、批号打印、检测、转位编组、码垛、托盘和垛盘的输送等作业全部实现自动化。72.2 包装

27、码垛自动生产线系统组成包装码垛自动生产线主要由以下各部机组成如图2-l所示:1.全自动电子定量秤2.平台3.自动供袋机4.自动装袋机5.夹口整形机6.自动折边机7.自动缝口机8.立袋输送机9.倒袋整形机10.金属检测机11.重量复检机12.自动捡选机13.喷墨打印机14.过渡输送机15.斜坡输送机16.压平整形机17.托盘仓18.转位输送机19.托盘输送机20.编组机21.推袋压袋机22.升降机23.分层码垛机24.高架平台25.垛盘输送机26.码垛机控制柜27.包装机控制柜28.电子秤控制柜 29.DCS控制系统30.真空系统31.除尘系统图2-1 包装码垛自动生产线2.2.1 全自动电子定

28、量秤的组成和工作原理全自动电子定量秤是包装机起始部机，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。给料系统采用气动控制的二级投料方式，即全自动电子定量秤进入自动运行状态后,称重控制系统打开给料门开始加料，该给料装置分为粗给料状态、细给料状态两级给料方式；首先粗给料门完全打开，当到达给定粗给料重量时，关闭给料门，留一条狭缝,进入细给料状态。当到达给定细给料重量时,完全关闭给料门，经过一定的空中落料,称量斗稳定,并且卡袋机构卡紧时,卸料门打开,物料进入放料斗,再落入袋内,给料结束。2.2.2 自

29、动供袋机的组成和工作原理自动上袋机组包括：自动供袋、自动取袋、自动夹袋与上袋、自动开袋、自动送袋等机构,以及气动系统、真空系统、光电检测装置和电气控制系统。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。供袋机为装袋机提供空包装袋，操作人员将空包装袋放置在给袋器上后，其余的动作均由设备自动完成。该部机采用双盘自动切换工作方式，每盘可存储200个以上空袋(编织袋或纸袋)，取袋时配有真空检测系统。空袋的放置情况由检测装置进行检测。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

30、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在线，等待装袋机将包装袋取走。82.2.3 自动装袋机的组成和工作原理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全自动电子定量秤的过渡装置，它可以存储一袋物料，提高全自动电子定量秤的称重速度，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全自动电子定量秤上。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

31、动作是和翻门缩口动作同时进行)为填装物料做准备，同时将己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全自动电子定量秤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内。2.2.4 转位输送机的组成和工作原理转位输送机是由输送机和料袋转位机构组合而成。它是将缓停机送来的料袋

32、按预定的编组程序对料袋进行输送和转位。料袋的转位是通过光电信号控制转位装置，在料袋输送过程中使料袋实现90的转位。料袋所需回转的角度是以保证料袋口向内为准，从而能够保证垛形整齐、美观。转位机构由机架、转位电机、转轴、转体、夹紧气缸、夹板等组成。当料袋按工作程序要求实现转位时，夹紧气缸伸出，带动夹板将料袋夹住，转位电机带动转轴、转体使料袋旋转90，当料袋不需转位时，气缸将夹板收回，夹板不挡料袋。2.2.5 编组机的组成和工作原理编组机是码垛机组中的重要部机之一，对提高码垛质量和速度起到关键的作用。编组机主要由输送机、缓停板、前挡板及左右挡板组成。编组机的工作原理是将转位输送机送来的料袋按码垛要求

33、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。2.2.6 推袋压袋机的组成和工作原理推袋压袋机主要由传动机构、推袋小车、导轨、压袋机支架、压袋框等机构组成。推袋压袋机是将已编组的料袋组

34、推至缓冲区或码垛区，并在分层码垛时对一层料袋进行五面整形，使垛形保持良好。当料袋进入压平输送机和压平装置时,上下皮带将料袋向前输送的同时,压整装置本身重量的一部分作用在料袋上,使袋内物料分布均匀。推袋机完成一个推袋的全过程是分两次进行的，第一次是将编组机输送带上的半层料袋(二袋竖或三袋横)推至缓停板上后，推料小车退回原位，第二次将另一半层料袋连同缓停板上的半层料袋全部推到码垛区。整个推袋过程都是在位置信号控制下进行的，即其各段行程的运行速度是不同的，从而保证了码垛质量和工作效率。2.2.7 分层码垛机的组成和工作原理分层码垛机是由滑板机构、整形装置和端挡板组成。料袋在编组机上排列好后,通过推袋

35、机将料袋推到分层机上,分层机先通过整形板对已编组的料袋组进行整形，然后，分层机再将整形后的一层料袋投放到升降机上的托盘上，完成一层料袋的码垛。2.2.8 升降机的组成和工作原理升降机主要由升降平台、传动机构和配重体组成。升降机是在码垛过程中完成对空托盘的提升和对垛盘逐层下降以进行码垛的设备。剪叉式升降机是靠剪刀式支承架的展开与折迭来完成货物平台的升降，其动力是通过油缸的伸缩来推动剪刀的展开与折迭。2.2.9 托盘仓的组成和工作原理托盘仓主要由机架、叉板、主气缸、光电开关组成。托盘仓用来储存一定数量的托盘,根据需要及时准确地将托盘分配给托盘输送机确保生产线能连续工作。托盘输送机将托盘仓中存储的托

36、盘输送到码垛工位。垛盘输送机是将空托盘输送至升降机的升降托叉上进行码垛，而后将满垛后的垛盘输送至下一垛盘输送机(无动力)的设备。托盘仓的主气缸用以顶起托盘。侧面还装有两个小气缸，小气缸控制叉板开合，保证托盘的提取。光电开关采用对射式光电开关，检测托盘仓内托盘的存储量，以保证托盘的及时供给。第3章 包装码垛自动生产线PLC控制系统设计在包装过程中，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

37、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/0点数较多，以开关量控制为主，选择日本三菱公司的FX2N系列PLC为控制核心部件。9103.1 PLC的基本结构PLC的类型繁多，但其结构和工作原理则大同小异，一般是由中央处理单元(CPU)、内存、输入/输出单元、编程器、电源等主要部分构成的。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内部的数据存储器中，而后经过逻辑运算或数据处理以输出变量的形式

38、送到输出接口，从而控制输出设备。PLC的基本结构如图3-1所示。11图3-1 PLC的基本结构3.2 PLC的主要组成部分（1）中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、内存、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序内存中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区

39、的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。（2）内存根据内存存储内容的不同，我们把内存分为：系统程序内存：用来存放系统程序的内存。系统程序相当于计算机操作系统，主要包括检查程序、编译程序和监控程序，是PLC厂家根据选用的CPU的指令系统编写的，并固化到ROM里，用户不能修改其内容。用户程序内存：用来存放用户根据控制要求编制的程序。不同类型的PLC，其存储容量也不一样。数据存储器：用以存放PLC运行中的各种数据的内存。因为运行中数据不断变化，所以这种内存必须可擦写。（3）输入/输出单元输入/输出(I/0)单元是PLC与外部设备相互联系的窗口。输入单元接收现

40、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，以驱动各执行组件，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）电源部分电源部件能将外部供电电源转换成供PLC的CPU、内存、I/0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内部电路供电。开关电源的输入电压范围宽、体积小、重量轻、效

41、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。123.3 PLC的工作原理PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是说PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接

42、得到输出，而PLC控制则需要输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段才能完成控制过程。3.3.1 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。3.3.2 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯

43、形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其它输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或资料的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在

44、其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。3.3.3 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。3.4 PLC控制系统设计3.4.1 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

45、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

46、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3-2所示。13开始供袋取袋送袋斜板抓袋横

47、进取袋横进送袋缝纫机夹口折边充填托起放料门开袋报夹夹袋口缩袋口立袋输送推倒压平金属检测复检称剔除爬坡过渡爬坡缓停层计数分层整形推袋编组转位转位输送缓停压平结束吗?停止开始YN升降机叉装架托盘气缸排垛托盘输送垛盘输送开合托叉图3-2 全自动包装码垛生产线工艺流程图3.4.2 PLC控制系统硬件设计PLC控制系统是全自动包装生产线的核心部位，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/O点数较多，选择日本三菱公司的FX2N系列PLC。(1)硬件配置硬件配置包括FX2N

48、基本单元、FX2N扩展单元、检测组件(光电开关、接近开关、真空开关等)、人机操作接口(按钮、指示灯等)、控制组件(交流接触器、变频器、电磁阀等)以及执行组件(电机和气缸等)。14(2)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X

49、000X127，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S0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3-3是I/O扩展连接示意图。15FX2N-128MRFX2N-16EYRFX2N-48ERFX2N-128MR前段后段图3-3 I/O扩展连接示意图(3)分配输入/输出点一般输入点与输入信号、输出点与输出控制是一一对应的。分配好后，按系统配置的信道与接点号，分配给每一个输入信

50、号和输出信号，即进行编号。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。全自动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名称吸袋垂直气缸X001垂直气缸下降Y001吸袋真空装置X002垂直气缸上升Y002吸袋真空阀X003吸盘Y003上限位开关X004垂直气缸倾斜Y004倾斜气缸电磁阀X005斜托板下降Y010斜限位开关X006防滑吸盘吸袋Y011表3-1 包装部分I、O接口分配续表3-1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真空电磁阀接通X

51、012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X021取袋真空装置打开Y025横进装置移动限位开关X022缩口夹子向里收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

52、重量检测X057倒袋气缸伸出Y050整形气缸动作Y051检测器声光报警Y060检选机剔除Y061横进装置Y100表3-2 码垛部分I、O接口分配输入输出名称名称编组传输光电开关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满一层信号X015

53、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表3-2 码垛部分I、O接口分配续表3-2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X033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

54、到位X054托盘仓底部位X055托盘仓下降X057转位机停止X0603.4.3 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，根据本节叙述的程控逻辑的系统整体控制流程图和分布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GX-Developer编辑，编程方式是梯形图。(1)自动供袋控制逻辑和梯形图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

55、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3-4所示。自动供袋梯形图如图3-5所示。开始吸盘吸住袋子垂直气缸下降真空阀设定值吸袋真空装置接通吸袋气缸上升倾斜气缸运动袋子送入供袋辊子各气缸复位吸盘断真空到上限位了吗到斜限位了吗NYNYNY图3-4 自动供袋流程图图3-5 自动供袋梯形图(2)自动取袋控制逻辑和梯形图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，支持袋底的斜托板开始下降，当光电开关检测到袋口

56、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3-6所示。自动取袋梯形图如图3-7所示。开始光电开关打开光电检测器检测袋底斜托板下降各气缸复位防滑吸盘吸袋光电检测器检测袋口横进装置移动磕头装置倾斜移动真空电磁阀接通从斜托板上取袋到斜限位了吗移动到位了吗到斜限位了吗真空阀设定值NNNNYYYY图3-6 自动取袋流程图图

57、3-7 自动取袋梯形图(3)自动装袋控制逻辑和梯形图这时开袋、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，缩口夹子则松开，开袋真空和夹袋压力断开，然后进行吹袋

58、操作。如果通过加紧压力检测袋子被夹住，真空开袋把袋口确实打开，则关闭真空和压力装置，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为装袋、拍打、敦实的时间，当定时到装料总时间的三分之二时，拍打板上升，进行敦实。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3-8所示。自动装袋梯形图如图3-9所示。开始限位开关闭合抱板与大夹子闭合横进装置移动取袋开袋器夹袋横进装置移动开袋气缸运动开袋吸盘吸住袋子两面卸料门打开装料拍打敦实料门关闭各气缸复位结束时间到了吗移动到位了吗移动到位了吗时间到了吗停止吗NNNNNYYYYY图3-8 自动装袋流

59、程图图3-9 自动装袋梯形图(4)折边、缝口控制逻辑和梯形图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。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3-10所示。折边缝口梯形图如图3-11所示。开始横进装置移动气缸复位折边缝袋口缩口夹子张开抱板与大夹子闭合限位开关闭合移动到位了吗YN图3-10 折边缝口流程图图3-11 折边缝口梯形图(5)倒袋、输送控制逻辑和梯形图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，

60、将料袋推倒，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3-12所示。倒袋输送梯形图如图3-13所示。开始光电开关检测料袋倒袋气缸伸出料袋推倒气缸复位料袋向前移动整形图3-12 倒袋输送流程图图3-13 倒袋输送梯形图(6)金属检测、重量检测控制逻辑和梯形图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3-14所示。金属检测、重量检测梯形图如图3-15所示。开始检测机检测料袋向前移动重量检测机检测剔除处理

61、气缸复位剔除处理有金属吗重量合格吗NYYN图3-14 金属检测、重量检测流程图图3-15 金属检测、重量检测梯形图(7)转位/编组控制逻辑和梯形图由编组传输光电开关对袋数进行计数，然后根据计数结果来确定转位机的动作，当计数值为02和910时，转位机动作使袋转位90。当计数值为38时，转位机不动作，使袋直接通过转位机。当计数值为2、5、8和10时，激发编组机满有效。当计数值为5和10时，激发层满有效。料袋至编组传输位，编组传输电机运转。转位传输电机的运转由编组机是否忙有关，若编组机占位，袋至转位机后，停止传输，处于等待状态。缓停机的运转由转位机和缓停机是否占位有关，其中两者都占位时，缓停机暂停传输。转位、编组流程图如图3-16所示。转位、编组梯形图如图3-17所示。开始编组机忙吗到设定值吗到达设定数吗达到一层数值料袋等待光电开关检测料袋计数夹紧气缸伸出夹板夹住料袋料袋转位气缸复位夹板收回料袋由转位机向前移动光电开关检测料袋计数料袋前移设定距离编组推料袋到缓停板暂存推料袋到码垛区气缸复位NNNNYYYY图3-16 转位、编组流程图a) 子梯形