颗粒料包装机自动控制技术及应用

颗粒料包装机自动控制技术及应用内容摘要：

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）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 [2]。 （ 5）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。 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 )是衡量产品质量的重要指标 [4]。 (6)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。 综上所述，我们不难得出下面几个结论 :。 、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。 PLC 的特点及工作过程 在现代工业中，技术逐渐高度机械化和自动化发展，大多采用自动技术完成，其过程离不开离不开自动控制装置和自动控制技术。 同时， PLC 性能的优劣，将山东大学自学考试毕业设计（本科） 3 直接影响到产品的产量和质量及成本。 下面接少侠 PLC 的主要特点及工作过程。 PLC 的特点 (1)可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 例如三菱公司生产的 F系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。 一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。 从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。 此外， PLC 带有硬件故 障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。 在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。 这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 (2)配套齐全，功能完善，适用性强 PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。 可以用于各种规模的工业控制场合。 除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。 近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使PLC 渗透到了位置控制、温度控制、 CNC 等各种工业控制中。 加上 PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 (3)易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。 它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。 为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 (4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大 大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。 更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。 这很适合多品种、小批量的生产场合。 (5)体积小，重量轻，能耗低 以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。 由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 PLC 的工作过程 山东大学自学考试毕业设计（本科） 4 PLC 的基本结构虽然与一般微型计算机大致是相同的，但他的工作过程与微型计算机有很大的差异。 PLC 工作的主要特点时对输入信 号，输出控制以及执行过程中都采用集中批处理。 计算机执行用户程序的过程是：中央处理器从存储区依次逐条取出程序，然后予以解释，最后执行这条程序。 然而在 PLC，他对用户程序的执行主要按三个扫描过程进行： (1).第一个过程是输入采样 在这个过程中， PLC 按扫描方式读入该装置上端子上的输入信号，并将这些输入信号存入输入信号缓冲区。 在本工作周期的执行和输出过程中，这个输入映响区内的内容不会随实际信号的变化而变化。 (2).第二个过程时执行程序 在执行用户程序的扫描过程中， PLC 对用户以梯形图方式编写的程序按从上到下， 从左到右的顺序逐一扫描各指令然后从输入映像区取出相对应的原始数据，再进行有程序确定的逻辑运算或其他数字运算，最后根据程序中有关的指令将运算结果存入确定的输出映像区有关单元。 (3).第三个过程是集中输出 再一次扫描执行完用户所有程序后， PLC 将输出映像区中的内容同时送入到输出锁存器中，然后由锁存器驱动继电器的线圈，这样输出端子上的信号变成本次工作周期运行结果的实际输出。 PLC 在包装机械上应用和前景 当今 ，我国的包装食品机械行业取得了世人瞩目的发展，颗粒料物品在我们生活中随处可见，不管是在食品行 业还是在工业行业方面都有很大程度的应用。 为使包装出的物品整齐、美观并具有良好的包装质量，研制高速、高效、高质、经济的新型包装机是市场的迫切需求。 颗粒料包装机是一种用途十分广泛的机械设备，它的研制成功可以提高劳动生产率，促进国内化工、粮食等产业生产线的自动化，因此，颗粒料包装机具有很强的实用价值。 我国包装机械工业由于起步较晚，大部分设备都是通过引进设备消化吸收研制出来的。 为了提高颗粒料物品包装的效率，研究和设计颗粒料包装机已迫在眉睫。 包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。 在这种场合使用继电 器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用 PLC控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。 从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是 PLC 的内部寄存器，在PLC 编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。 一般的 PLC 都有上百点内部辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部电器，足山东大学自学考试毕业设计（本科） 5 可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对 PLC 进行编程。 事实上 PLC用于这种场合是最能显现出其经济性。 当然我们不仅忽视了 PLC 的另一个优点，那就是其运行速度及 可靠性和寿命远远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲， PLC 最适合于需要大量中间继电器的场合 [1]。 因此，国外在注塑机、各种包装机上已经大量地采用了 PLC 来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。 我国包装机械目前控制部件大多还沿用继电器方式。 如果能用 PLC 来取代的话，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化。 更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现，使机器在某种程度上实现智能化。 通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用 PLC控制系统。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 6 第 2 章 颗粒料包装机控制系统的总体设计 颗粒料包装机生产工艺概述 颗粒料包装机主要功能是将颗粒料物品以一定的速率包装成为蝌蚪状。 被包装的颗粒直 径最大为 4mm，平均为 3mm，且被包装的颗粒的硬度大。 各加工工位的动作是通过顺序逻辑控制电磁阀，以压缩空气、气体推动气缸，从而带动机械结构移动来实现的。 颗粒料包装机的简单工艺流程为：送纸 —— 压纸切纸 —— 下料填充 —— 封口。 具体的工作过程如下：包装纸以卷筒的形状放在原料架上，当开始动作时，送纸电磁阀 控制送纸，短气缸运动。 完成一段小的空行程。 分料电磁阀控制颗粒箱转动进行分料动作。 同时抽真空电磁阀通电，直到关机抽真空电磁阀才断电。 送料架运动一段位移以后，当碰到传感器时，压纸电磁阀和送纸架上抽真空电磁阀得电，压纸电磁阀控制送纸架上的气缸使之将纸压紧，为送纸架托着纸带做准备。 送纸架上抽真空电磁阀控制送纸架前端的抽气管使纸的前端紧贴在送纸架上。 这样前吸后夹地将纸带往前送，此时颗粒箱仍然顺（逆）时钟转动，送纸架继续往前运动，碰到传感器时压纸电磁阀和送纸架上抽真空电磁阀断开，同时抽真空电磁阀得电，使纸带吸紧在切纸板 上，使之不会随送纸架的返回而折叠。 送纸架返回碰到传感器时送纸二电磁阀失电，送纸动作结束。 送纸架返回碰到传感器时裁纸压纸电磁阀通电，气缸作用，切纸板往下运动，海绵垫板压紧纸带然后在刀片的作用下将纸带裁成边长为 50mm 28mm、夹角为65 度的菱型纸片。 当切纸板往下运动碰到传感器时，切纸板返向运动，碰到切纸板上位传感器时，切纸电磁阀断电切纸运动结束。 当切纸板上位传感器采集到信号时，插纸电磁阀得电气缸动作使插纸杆向下运动，进行插纸下料动作，插纸下料运动由两个气 缸为其提供动力，插纸长气缸下降（插纸一）以后有个短暂的停留时间，在这个短暂的停留时间里分料板要完成错位动作实现下料，此时料斗阀门电磁阀得电料斗阀门打开，颗粒沿着中空的插纸杆下滑到冲压成 U 型的纸盆内。 然后在插纸短气缸继续向下运动（插纸二）到目标位置时才开始往上返回到原位。 当颗粒填充完毕以后，料斗阀门闭合且插纸杆继续向上运动，当插纸杆碰到上位传感器时，插纸杆动作结束。 当插纸杆碰到上位传感器时，封口电磁阀得电开始封口 动作，封紧程度由电接点压力表控制，达到预设压力则锁纸板返回，碰到传感器则停止运动。 此时包扎好的成 品在自重的作用下掉到收集箱内，完成了整个包装过程。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 7 可编程控制系统设计 利用 PLC 可以构成单机控制系统，集中控制系统，分散型控制系统和远程I/O 控制系统。 由于颗粒料包装机控制对象较多，有送纸过程中的过程中的同步控制，压纸裁纸、下料过程中的位置控制，所谓过程中的压力控制，且被控对象比较集中，因此我们采取集中控制系统方案。 每个被控制对象与可编程控制器指定 I/O 相连接，因此各被控对象之间的数据、状态的变换不需要另外设置专门的信号线路。 该控制系统多用于控制对象所处的地理位置比较接近，且相互之间的动作有一定 联系的场合。 单主机控制方式，对主机要求较高，危险相对集中。 远程 I/O 控制系统的控制结构比较独特，类似于集中控制系统，又具有分散型控制系统的特点，经常用于控制规模中等，控制对象比较分散、工程费用较低的场合。 PLC 作为一种控制设备，无法进行复杂运算，无法显示各种实时图形和保存大量历史数据，也不能显示汉字和打印汉字报表，没有良好的界面。 这些不足，我们选用人机界面来弥补。 人机界面完成监测数据的存贮、处理与输出，以图形或表格形式对现场进行动态模拟显示、分析限值或报警信息，驱动打印机实时打印各种图表。 为提高 PLC 及 系统的抗干扰能力，在硬件配置与安装上，交流电源使用双层隔离，输入信号光电隔离，远离强电布线，模拟量信号和脉冲信号采用屏蔽线传递，采用放射性一点接地等措施，消除或减弱共模和瞬变干扰。 系统的运行方式 运行方式分为手动、单步、周期及自动等四种操作方式。 ：各工步都可单独点动，按钮释放即停止运行； ：按下启动按钮，运行一个工步，到位即停。 再按启动，则进入下一工步的运行； ：从初始位置开始，按启动按钮，程序自动完成一个周期的动作后返回到第一步开始位置停止； ：按启动按钮，程序 完成一个周期的动作后又接着从第一步开始运行，自动循环。 在自动方式下，中途若按下复位按钮，则系统要继续运行到第一步开始位置才停止；若按下停止按钮，则运行立即停止，此时若再按启动，系统即从该位置运行到第一步开始处停止。 根据颗粒料包装机的实际运行情况，本系统采用自动运行和手动运行两种方式。 与运行方式的设计相对应，还必须考虑停止运行方式的设计。 可编程控制器山东大学自学考试毕业设计（本科） 8 的停运方式有正常停运，暂时停运和紧急停运三种。 根据控制系统要求，由于包装机运行期间采用循环工作方式，只有在工作结束或接收到操作人员的停止运行指令或设备出现故障或 异常情况时才停止，因此本系统采用硬件切断电源，使系统立即停车。 包装机控制功能要求：手动运行可以用按钮对包装机的各个部分进行单独控制，主要用于故障恢复与检修全自动运行按下启动按钮，系统即可连续、协调、周期性地循环完成各包装动作，直到系统接收到停止运行信号。 PLC 控制系统硬件总体设计 总体结构关系 本系统采用 PLC 和人机界面两级控制的结构。 PLC 负责按钮、光电开关和电接点压力表信号的输入，以及发出信号去控制各个气缸、继电器、真空泵等电气元件，进而控制各部分的运行，同时控制相应指示灯的显示。 人机界面用来进行参数的修改与设定、全自动控制、在线监视、传送信息等工作。 人机界面通过串行口与 PLC 相连，进行相互通信，所以人机界面是通过发出命令去控制 PLC 的运行以达到进行全自动控制的目的。 控制系统主要器件的选择 颗粒料包装机控 制系统主要器件包括人机界面、 PLC 等。 它们的选择都是以在保证功能的前提下尽可能地选择可靠性高和使用方便的产品为依据， PLC 的 选型具体情况如下： 在进行这项工作之前，需要对控制对象和控制任务进行统计和分析。 然后确定系统的规模、机型和配值。 据统计，初步确定该包装机控制系统 有， 20 个开关量输入， 13 个开关量输出。 根据对上述控制任务的分析，本项目选择了三菱公司的中小型 PLC系统 FX1N系列，它能满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛。 FX1N 系列是最多可控制 128 点的普及型微型 PLC。 除了可以扩展 输入输出，还具有模拟量控制和通讯链接功能的等扩展性。 所以 ， FX1N 系 列可以广泛应用于一般的顺序控制。 FX1N 系列 PLC 的特点： 1. 定位控制功能是标准配置； 2. 使用关键字功能保护程序 ； 3. 内置不用电池的 EEPROM 存 储器，无须维护 [17] ； 4. 内置 RUN/STOP 开关 ，运转 /停止执行简便； 山东大学自学考试毕业设计（本科） 9 5. 设备不停机时更改程序 ； 6. 特别适于高速处理； 而 FX1N 系列 PLC 控制规模为 24～ 128 点（基本单元： 24/40/60 点）特点有： 集成化 CPU、电源、输入输出合为一体。 通过使用显示模块和功能扩展板，可以非常简便地进行系统升级。 另外，也可以扩展输入输出和特殊模块。 运算高速化 基本指令： ～ ；应用指令：数 ～数 100μs/指令。 存储器规格大 内置 8000 步 EEPROM 存贮器 无需电池，维护轻松 软元件范围丰富 辅助继电器： 1536 点，定时器： 256 点，计数器： 235 点，数据寄存器： 8000点。 综上所述我们选用三菱公司的 FX1N 系列的 PLC，根据 PLC 选型对端口预留5%～ 10%的余量，我们选用 PLC 为 ： 表 PLC 型号表 型号 主机输入点 主机输出点 电源 FX1N40MR001 24 16 AC100240V 山东大学自学考试毕业设计（本科） 10 第 3 章 包装机机构的设计计算以及电气元器件的选择 各机构的结构设计 设计 要求 包装机的全部动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，采用薄页纸卷筒包装材料作为包装材料。 纸供送结构要求包装机以一定的速度送到指定的位置，中间必须保证送至过程的连续，保证定位切断准确，所切出来的纸的形状完整无误差。 送纸的速度由气缸来决定一般为 3m/s。 同时还要求。