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
2、划设计，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
3、AbstractThe 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
4、 the 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 c
5、ontrol 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-
6、controlled 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
7、 planning 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 basi
8、s for 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, bagg
9、ing, 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 adaptabili
10、ty, high automation, saving manpower, can greatly increase productivity.Key word:PLC;Control System;Palletizing automatic production line I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
11、.103.1 PLC 的基本结构 .103.2 PLC 的主要组成部分 .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 .441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
12、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。1.1 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
13、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 控 制 器 的 功 能
14、 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
15、 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 30 40%。 在 这 时 期 ， PLC 在 处 理 模 拟 量 能 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
16、 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 。2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 。 1 21.1.2 PLC 的优点PLC 是传统的继电器技术
17、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
18、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
19、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
20、已经做好，因此可以直接和外部设备3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
21、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”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，
22、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 MODIC
23、ON 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。 4 51.1.4 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，4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，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
24、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 PLC 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
25、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
26、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
27、产线实现实时监控、5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
28、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)包装码垛生产线的程序调试。6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
29、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
30、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72.2.1 全自动电子定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
31、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 自动供袋机的组成和工作原理自动上袋机组包括：自动供袋
32、、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下，确保包装袋在斜板上保持正确的位置和形状。取
33、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
