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基于PLC的全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間：2019-08-12 19:07:00 |來(lái)源：中國(guó)知網(wǎng)

隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，企業(yè) 中的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備逐步成為集機(jī)、電、儀于一體 的綜合體，人工手動(dòng)工作已逐漸被高度自動(dòng)化控制所取[1-4]。食鹽、糧食、化肥等顆粒物料的包 裝、運(yùn)輸以及庫(kù)房碼垛離不開自動(dòng)化包裝機(jī)械。 目前，由于先進(jìn)的全自動(dòng)包裝技術(shù)主要掌握在少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家手里，國(guó)內(nèi)全自動(dòng)包裝碼垛設(shè)備主要依賴進(jìn)口，國(guó)外設(shè)備成本較高，維修困難，各種先進(jìn)技術(shù)被壟斷，對(duì)此國(guó)內(nèi)對(duì)全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線國(guó)產(chǎn)化的呼聲越來(lái)越高。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人工包裝的低效率與生產(chǎn)量的不斷提高之間的矛盾日益激化，因此對(duì)包裝碼垛自動(dòng)生產(chǎn)線的研究具有重大的經(jīng)濟(jì)意義與現(xiàn)實(shí)意義[5-9]。
全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線是集機(jī)、電、氣于一體的高技術(shù)機(jī)械設(shè)備，它主要應(yīng)用于食鹽、糧食、化肥以及醫(yī)藥等行業(yè)中的粉、粒等物料的全自動(dòng)包裝，即對(duì)包裝過(guò)程中的稱重、供袋、取袋、送袋、折邊、封袋、編碼打印、產(chǎn)品檢測(cè)、產(chǎn)品傳送、碼垛、托盤和垛盤的輸送等工作過(guò)程全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[10-12]。
可編程控制器（PLC）因其具有抗干擾能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高、可編程能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在環(huán)境相對(duì)惡劣的工業(yè)控制領(lǐng)域中得到 了廣泛應(yīng)用[13- 16]?；诖吮疚奶岢隽艘环N基于PLC的全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，采用西門S7-300和維綸MT8150iE觸摸屏作為控制系統(tǒng)的核心，二者相互配合共同完成整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)控制與監(jiān)控。
 
1 全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線工藝流程
全自動(dòng)包裝碼垛產(chǎn)線基本組成如圖1所示。
全自動(dòng)包裝機(jī)組成圖
全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線能夠自動(dòng)完成稱重、供 袋、取袋、裝袋、封口、輸送、重量復(fù)檢以及碼垛等工作任務(wù)。包裝碼垛生產(chǎn)線中主要機(jī)械系統(tǒng)包括自動(dòng)稱重秤系統(tǒng)、倒袋系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、重量復(fù)檢系統(tǒng)、剔除系統(tǒng)、碼垛系統(tǒng)、托盤輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。工藝流程可總結(jié)為：物料從自稱重系統(tǒng)的料斗進(jìn)入包裝秤的給料裝置中，通過(guò)粗料和細(xì)料供給系統(tǒng)完成粗料和細(xì)料的混合完成物料的混配。當(dāng)自動(dòng)稱重系統(tǒng)中的壓力傳感器檢測(cè)到物料重量與目標(biāo)重量相同時(shí)，則傳感器將信號(hào)傳送到PLC中，PLC發(fā)出停止加料命令加料系統(tǒng)停止加料，整個(gè)加料稱重循環(huán)完成，此時(shí)稱重機(jī)等待下一次稱重加料信號(hào)。當(dāng)自動(dòng)裝袋機(jī)完成上袋后，傳感器檢測(cè)到信號(hào)后稱重箱中的卸料翻門打開，物料落入包裝袋中，卸料完成后翻門被關(guān)閉，包裝袋經(jīng)過(guò)折邊機(jī)進(jìn)行自動(dòng)折邊，折邊成后包裝袋被運(yùn)送到縫口機(jī)，分包裝袋一旦被縫口機(jī)中的傳感器檢測(cè)到，縫口機(jī)邊開始進(jìn)行縫合包裝袋口，縫合完成后自動(dòng)將縫合線割斷。包裝 完成后，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)輸送機(jī)被輸送到重量復(fù)檢統(tǒng)，對(duì)包裝質(zhì)量進(jìn)行最后的檢查，當(dāng)復(fù)檢系統(tǒng)檢測(cè)到包裝質(zhì)量不合格時(shí)，包裝袋經(jīng)過(guò)自動(dòng)剔除系統(tǒng)被剔除，而符合標(biāo)準(zhǔn)的包裝袋將以此通過(guò)噴墨打印機(jī)等設(shè)備，最后到達(dá)碼垛機(jī)系統(tǒng)中，碼垛機(jī)器人按照移動(dòng)的排列方式進(jìn)行自動(dòng)擺放，在完成碼垛任務(wù)后。全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線整個(gè)流程如圖2所示。全自動(dòng)包裝機(jī)流程圖
2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在全自動(dòng)碼垛包裝過(guò)程中，稱重、供袋、取 袋、裝袋、輸送以及縫合等多個(gè)動(dòng)作均是自動(dòng)完 成，工作過(guò)程中動(dòng)作較多且復(fù)雜，工作環(huán)境也較為惡劣。而基于 PLC 的全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線 控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快、穩(wěn)定性高、 可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，比較適合本文所研究的生產(chǎn) 線所處的工作環(huán)境條件。根據(jù)生產(chǎn)線的工藝流 程，該控制系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下幾個(gè)要求： （1）各工序能夠協(xié)調(diào)控制，使自動(dòng)化生產(chǎn)線 穩(wěn)定、可靠高速運(yùn)行
（2）程序的可變性強(qiáng)，能夠根據(jù)不同作業(yè)要 求隨時(shí)對(duì)運(yùn)行程序進(jìn)行調(diào)整。
（3）實(shí)時(shí)性高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好，能夠隨時(shí)對(duì) 各種傳感器信號(hào)進(jìn)行采集并及時(shí)反饋。
（4）高可靠性、安全性和穩(wěn)定性。
（5）理性化的人機(jī)界面，便于工人操作以及 監(jiān)控。
（6）硬件結(jié)構(gòu)緊湊，且具有后期擴(kuò)展性。 根據(jù)包裝工藝流程，本文采用了“HMI+PLC”的控制模式，控制系統(tǒng)整體框圖如圖 3 所示。
全自動(dòng)包裝機(jī)系統(tǒng)硬件圖
PLC可編程控制器作為觸摸屏與各信號(hào)傳感器之 間的橋梁，將觸摸屏與各個(gè)信號(hào)緊密連接起來(lái)。 因此觸摸屏、PLC、I/O
輸入輸出模塊等組合在一 起便構(gòu)成了全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。
2.1 觸摸屏
觸摸屏，簡(jiǎn)稱 HMI，是控制包裝機(jī)的直接媒 介。由于該生產(chǎn)線的工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，為了保證設(shè)備能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境中穩(wěn)定可靠運(yùn)行，同時(shí)考慮到其實(shí)用性和成本等特點(diǎn)，該控制系統(tǒng)中上位機(jī)選用威綸MT8150iE系列觸摸屏。通過(guò)該觸摸屏可實(shí)現(xiàn)包裝速度、傳送帶速度等參數(shù)的輸入，并實(shí)時(shí)對(duì)生產(chǎn)線目前的生產(chǎn)狀態(tài)等信息進(jìn)行顯示。MT8150iE系列觸摸屏具有多個(gè)串口（RS-232/RS-485）可同時(shí)與下位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，擁有400 MHz的32位 RISC處理速度、輸入電源為24VDC，能夠?qū)崿F(xiàn)1分鐘的500VAC超高耐壓。
2.2 PLC
針對(duì)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能，選擇模塊式的 PLC，主要組成單元有CPU模塊、電源模塊、基本 I/O 模塊。對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，只需要在原 系統(tǒng)上增加相應(yīng)的功能模塊，就可以完成功能的 添加，設(shè)計(jì)成本低、效率高。 PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，包裝生產(chǎn)線工作過(guò)程中動(dòng)作多且復(fù)雜，而生產(chǎn)線中的 I/O點(diǎn)數(shù)較多，綜合分析該系統(tǒng)選擇西門子PLC S7-300 系列該款PLC功能多、運(yùn)算速度快，能夠根據(jù)生產(chǎn)線不同需求進(jìn)行組合配置。在分析整個(gè)包裝碼垛流水線工藝流程的基礎(chǔ)上，選擇
S7-300系列 中的 CPU315-2DP，該生產(chǎn)線中主要包括自動(dòng)包裝系統(tǒng)和自動(dòng)碼垛系統(tǒng)兩大部分，根據(jù)包裝流程 的動(dòng)作分析，包裝和碼垛部分總共需要約60個(gè)輸 入點(diǎn)和50個(gè)輸出點(diǎn)，選擇輸入模塊 SM321，數(shù)字 輸出模塊SM322。
 
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)觸摸屏程序能夠?qū)崿F(xiàn)操作人員與PLC 之間的交流，實(shí)現(xiàn)不同人機(jī)界面之間的切換，以 及不同的操作不同的按鍵控制
PLC 中不同的程序運(yùn)行。觸摸屏能夠?qū)Πb碼垛生產(chǎn)線的運(yùn)行信息、報(bào)警信息以及控制信號(hào)以文字或者圖像的形式，直觀形象的展示給用戶。觸摸屏程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞不僅僅影響人機(jī)界面美觀性，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行同樣具有重要影響。 MT8150iE 系列觸摸屏通過(guò) EasyBuilder8000 編程軟件進(jìn)行離線模擬和在線模擬，極大的方便了程序的調(diào)試。該觸摸屏軟件程序中主要包括主控界面、參數(shù)設(shè)置界面以及監(jiān)控三大部分。主控界面中主要包括啟動(dòng)、停止、自動(dòng)模式以及手動(dòng)模式，控制畫面如圖4所示。
觸屏包裝秤主控界面

 

參數(shù)設(shè)置界面圖5所示

觸屏包裝秤參數(shù)設(shè)置界面

報(bào)警畫面中主要顯示生產(chǎn)線中的報(bào)警信息，主要包括倉(cāng)物料報(bào)警、加料不足、加料過(guò)重、秤門未關(guān)、放料失敗、總重量超重、手加料不足、手加料過(guò)多等等。結(jié)合報(bào)警畫面中的信息，生產(chǎn)線的工作人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并排除故障，保證生產(chǎn)線的生產(chǎn)正常進(jìn)行。
3.2 下位機(jī)部分程序設(shè)計(jì)
全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線中的邏輯控制程序 主要包括以下幾個(gè)模塊：自動(dòng)供袋子程序、自動(dòng)取袋子程序、自動(dòng)裝袋子程序、拆邊縫口子程、倒袋輸送子程序、重量檢測(cè)剔除子程序以及碼垛分層子程序。在此處給出了自動(dòng)取袋子程序控制流程圖。袋子由供袋輥?zhàn)觽魉偷酵邪迳?，?dāng)傳感器檢測(cè)到袋子時(shí)，袋子便會(huì)被吸盤吸住。此時(shí)橫進(jìn)裝置處于生產(chǎn)線取袋位置，當(dāng)限位開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，則停止下降，此時(shí)磕頭裝置就會(huì)傾斜，真空電磁閥啟動(dòng)，袋子被吸盤吸住，吸袋后磕頭裝置豎起，斜托盤上升完成取袋操作，再進(jìn)行上述重復(fù)動(dòng)作。自動(dòng)取袋流程圖如圖6所示。
全自動(dòng)包裝機(jī)自動(dòng)取袋流程圖
4 結(jié)語(yǔ)
為了提高包裝碼垛生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提出了一種基于PLC的全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。上位機(jī)采用S7-300系列CPU315-2DP與數(shù)字輸入SM321、數(shù)字輸出SM322等模塊相組合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝生產(chǎn)線全自動(dòng)控制，上位機(jī)采用維綸MT8150iE觸摸屏對(duì)整個(gè)包裝生產(chǎn)線的運(yùn)行 狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，在完成硬件選型的基礎(chǔ)上，對(duì)控制系統(tǒng)主程序以及人機(jī)交互界面進(jìn)行了軟件編程。該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低以及可編程能力強(qiáng)，大大提高了包裝、運(yùn)輸以及碼垛效率，顯著提高了企業(yè)自動(dòng)化程度。
 
 
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