1、学士学位论文- -I高架码垛机分层装置控制系统设计摘要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。我国人工包装的低效率与产量的日益提高之间的矛盾同益突出，因此对包装码垛自动生产线的研究具有重大的经济意义和现实意义。主要介绍了全自动码垛机生产线工艺流程，设计了以日本欧姆龙的包装码垛机生产线控制系统，重点介绍了控制系统的硬件配置，输入输出点分配和软件设计。本文首先概述了 PLC 的产生、发展及应用现状，随后又论述了高架码垛机的应用现状及其发展趋势。高架码垛机是一个多部机协同作业的复杂的机械系统，其机械结构既有共性又有其特性。本文研究了高架码垛机装
2、置机械系统设计，进行了机构的选择和分析；给出了传动装置的计算方法；对关键技术进行了分析。阐述了气动系统的设计，给出了基本的气动回路组成及功能。最后，论文对全文进行总结，并提出了进一步研究的展望。关键词 码垛机；控制系统；可编程控制器；软件学士学位论文- -IIAnti-folding device PLC control system design packageAbstractThe technologic process of automatic bagging and palletizing line is introduced.A set of automatic bagging an
3、d palletizing line control system based on plc is designed.Emphasis is given to the hardware disposition of control system.This paper outlines the PLC of the production, development and application status, then discusses the application of anti-stack package device status and development trend.Anti-
4、stack package device is a multi-machine collaboration of the Department of complicated mechanical system, the mechanical structure of common but their characteristics. This paper studies the anti-stack package device mechanical systems design, conduct and analysis of institutional choice; given tran
5、smission is calculated; on the key technologies are analyzed. Described the design of pneumatic system, gives the basic composition and function of pneumatic circuit.Finally, a summary paper on the text and made the outlook for further research.Keywords Anti-stacked package; control system; PLC学士学位论
6、文- -III目录摘要 .Abstract .第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的背景和意义 .11.2 可编程控制器的产生、应用现状和发展趋势 .11.2.1 可编程控制器的产生 .11.2.2 可编程控制器的应用现状 .21.2.3 可编程控制器的发展趋势 .31.3 高架码垛机的发展、应用现状及发展趋势 .51.3.1 高架码垛机的发展 .51.3.2 高架码垛机的应用现状 .51.3.3 高架码垛机的发展趋势 .71.4 课题研究的主要内容 .81.5 分层装置设计方案 .81.5.1 概述 .81.5.2 分层装置的组成 .9第 2 章 分层装置机械系统设计 .102.1 概述
7、.102.2 分层装置的工作原理 .102.3 分层装置的主要机械组成部件 .102.4 分层装置的方案设计 .112.4.1 机构设计 .112.4.2 传动装置设计 .122.4.3 链传动 .132.5 分层装置的气动装置 .142.5.1 气动回路设计 .142.6 本章小结 .15第 3 章 分层装置电气控制系统设计 .163.1 控制系统概述 .163.1.1 PLC 的分类 .163.1.2 PLC 程序的表达方式 .163.1.3 PLC 的工作原理 .173.2 主要控制元器件 .18学士学位论文- -IV3.2.1 控制回路的组成 .183.2.2 控制回路元器件选型 .1
8、93.2.2.1 断路器 .193.2.2.2 变频器 .213.2.2.3 熔断器 .233.2.2.4 交流接触器 .243.2.2.5 接近开关、光电开关 .263.3PLC 控制系统设计 .293.3.1 分层装置的控制过程 .293.3.2 PLC 控制系统硬件设计 .303.4 本章小结 .30结论 .31致谢 .32参考文献 .33附录 A.35附录 B .43学士学位论文- -1学士学位论文-1学士学位论文- 1 - 第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景和意义所谓码垛就是按照集成单元化的思想，将一件件的物料按照一定的模式堆码成垛，以便实现物料的存储、搬运、装卸运输等物流活动。
9、在现代生产中，人工码垛常常存在。在物料轻便、尺寸变化大、吞吐量小的场合，采用人工码垛方案，常常是经济可取的，特别是在人力资源丰富的我国，这些应用场合基本上都是采用人工码垛的。然而，在工作量恒定的情况下，长时间地进行人工码垛作业常常会造成弯腰疲劳和重复劳动疲劳，从人机工程学的角度考虑，需要增加一些符合人机工程学方面的设施，例如托盘操纵机、剪式升降台、工业操作机械手等。码垛有人工码垛和自动码垛之分，人工码垛应用在物料轻便、尺寸和形状变化大、吞吐量小的场合，当码垛吞吐量在 10 件/分钟以上，采用人工码垛方案需要较多工人时，采用自动码垛方案不仅可以加快物流速度，保护工人的健康和安全，而且可以获得整齐
10、一致的物垛，减少物料的损伤，提高叉车的搬运效率，增强处理柔性。从 60 年代开始，在工业发达的德国、意大利、日本等国家，已相继研制出半自动、全自动码垛机，后来在结构和机型方面，还不断作了改进和完善。国产码垛机从 80 年代开始研制开发到现在，己经历了 20 多的时间。到目前为止，我国生产的码垛机，机型、品种规格、设备性能和产品质量等各方面，有很大的发展和提高，并在很多方面己逐步接近或达到国外同类型高架码垛机的技术性能及各项参数，已基本能满足大中型企业产品包装码垛的需要 1。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，高架码垛机 PLC 控制系统必将发挥越来越重要的作用
11、，为国民生产产生不可估量的经济效益。防叠包控制器是现代化企业成品仓库的首选机械，广泛应用于粮食、面粉、饲料、麦芽、食盐以及化肥、水泥等行业。1.2 可编程控制器的产生、应用现状和发展趋势1.2.1 可编程控制器的产生1968 年，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学士学位论文- 2 - 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 PDP14，并在 GM 公司的汽车生产线上首次应用成功。可编程控制
12、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 2。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。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汇。该公司为新的控制系统提出 10 项指标：a. 编程方便，可现场修改程序；b. 维修方便，采用插件式结构；c .可靠性高于继电器控制装置；d体积小
13、于继电器控制盘；e数据可直接送入管理计算机；f成本可与继电器控制盘竞争；g输入可为市电；h输出可为市电，容量要求在 2A 以上，可直接驱动接触器等；i扩展时原系统改变最少；j用户存储器大于 4KB。这 10 项指标实际上就是现在可编程控制器的最基本功能。其核心要求可归结为 4 点：1用计算机代替继电器控制盘；2用程序代替硬接线；3输入输出电平可与外部装置直接相联；4结构易于扩展。1.2.2 可编程控制器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”工业控制计算机川，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，
14、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 AB 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学士学位论文- 3 - 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 125 个开关量 I/0 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
15、、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 市场由国外占领，中、大型 PLC 中，几乎 100%是国外产品，以美国MOD 工 CON 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 10。1.2.3 可编程控制器的发展趋势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
16、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 11。总的趋势如下：(1)可编程控制技术的标准化。在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既互相竞争又相互合作。一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。按照这些标准，各种型号的 PLC 产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。但是，这些标准目前只能是
17、统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面，制定国际标准是必然趋势。(2)CPU 处理速度进一步加快。目前 PLC 的 CPU 与微型计算机的CPU 相比，还处在比较落后的地步，最高的也仅仅处在 80486 一级。将来会全部使用 64 位 R 工 SC 芯片，实现多 CPU 并行处理或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。这样PLC 执行指令的速度将达到纳秒级。(3)可编程控制技术的智能化。提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系统的可靠性。(4)系统的开放性和兼容性。开放性和兼容性是不可分割的而
18、且是相辅相成的概念。一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的学士学位论文- 4 - 产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题;另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。(5)通用性和专业化的结合。可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域都有其自己的特点。怎样才能使一个系统既具有
19、通用性又具备专业化呢?硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。常用的专用模块包括:定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。(6)可靠性进一步提高。随着 PLC 进入过程控制的领域，对 PLC 可靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错技术将进一步得到应用，不仅会有CPU 单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、1/0 单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。但从根本上来讲，系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。MTBF(平均无故障时间)是衡量产品质量
20、的重要指标。纵观各著名厂商，其 PLC 产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。(7)控制系统分散化。根据分散控制、集中管理的原则，PLC 控制系统的 1/0 模块将直接安装在控制现场，通过通信电缆或光纤与主 CPU 进行数据通信。这样使控制更有效，系统更可靠。(8)控制与管理功能一体化。为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，PLC 将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使 PLC 系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。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。综上所述，我们不难得出下面几个结论:工控机、计算机集散控制系统及 PLC 正在走着一条相互融合的道路。智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强。基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据。通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。
