基于PLC的包裝機控制系統(tǒng)設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上基于PLC的包裝機控制系統(tǒng)設計摘 要包裝機是一種隨著電氣控制設備，尤其是電子計算機的迅猛發(fā)展之后產物。由于其動作步驟復雜，在包裝機控制系統(tǒng)中應用可編程序控制器能簡化系統(tǒng)的設計并提高系統(tǒng)的工作效率和可靠性。本次設計用到的核心期間是可編程控制器(Programmable Logical Controller)簡稱PLC，是60年代末發(fā)明的工業(yè)控制器件，是美國數(shù)字公司(DEC)為美國通用公司(GM)研制開發(fā)并成功應用于汽車生產線上，可編程控制器自此誕生。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，PLC軟硬件水平與規(guī)模也發(fā)生了質與量的變化，其控制技術也朝著智能化方向不斷發(fā)展，同時推動了先進制

2、造技術的相應發(fā)展?，F(xiàn)代PLC已經成為真正的工業(yè)控制設備。在這篇文章中以包裝機的控制系統(tǒng)為例。首先介紹了SIMATIC S7-200的特性特點、程序設計方法和編程方法，程序設計方法和編程方法包括經驗設計法、順序控制設計法和STL(Step Ladder Instruction)步進梯形指令，然后詳細具體地分析和介紹了包裝機控制系統(tǒng)的組成、電氣特征和程序。最后介紹了應用個人計算機來向可編程序控制器中輸入程序。所使用的軟件是西門子公司的STEP 7 Micro/WIN32IN SP6。關鍵字：包裝機；可編程序控制器；步進梯形指令；個人計算機專心-專注-專業(yè)The Design Of Control

3、System Of Packaging MachineBased On PLCAbstractThe packaging machine is a kind of with the electrical control equipment, especially the rapid development of electronic computer after product. Because of the complex action steps, design and application of the programmable controller can simplify the

4、system in the packing machine control system and improve the system efficiency and reliability.The core during the use of the design of the programmable controller(Programmable Logical Controller) referred to as PLC, is an industrial control device invention at the end of the 60's, is American d

5、igital company (DEC) is America General Company (GM) developed application development and in car production line, the programmable controller was born. With the rapid development of computer technology, PLC hardware and software level and scale change of quality and quantity, the control technology

6、 and intelligent development, and promote the development of advanced manufacturing technology. PLC has become modern industrial control equipment real.In this article the packaging machine controls system as an example. At first it introduces the characteristics, SIMATIC S7-200 programming methods

7、and programming method, program design and programming methods including empirical design method, sequential control design method and STL (Step Ladder Instruction) step ladder instruction, and then a detailed and specific analysis and introduces the composition, electrical characteristics and progr

8、am control system of packaging machine. At last we introduce the application of personal computer to a programmable controller input program. The software used is Siemens Company STEP 7 Micro/WIN32 SP6.Keywords:packing machine; programmable controller; step ladder instruction; personal computer.目錄插圖

9、清單插表清單第1章 緒論1.1 PLC在包裝機中應用的概述 隨著電氣控制設備，尤其是電子計算機的迅猛發(fā)展，工業(yè)生產自動化控制技術也發(fā)生了深刻的變化，不斷涌現(xiàn)出對落后的操作機械和復雜生產系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制。以適應現(xiàn)代生產的需要，在我國包裝機的種類很多，但大部分的包裝機是由手工操作或是開關型液壓控制系統(tǒng)完成，打包的勞動強度大，打包的落后狀態(tài)直接影響產品質量。PLC在包裝機控制系統(tǒng)中的應用具有十分重要的意義，與以往復雜的繼電器控制系統(tǒng)相比，其功能強、性能價格比高、硬件配套齊全、用戶使用方便，適應性強、無觸點免配線、可靠性高、抗干擾能力強、維護工作量小、維修方便。大大提高了包裝機的精度、可靠性、靈活性和

10、工作效率，為各種智能型儀表提供了可靠的技術基礎1。從而降低了包裝機的生產成本。解決了包裝機繼電器控制系統(tǒng)以往采用眾多的電器元件，邏輯布線復雜，接點多，故障率高，設備運行可靠性差的缺陷，所以可編程序控制器非常適合應用于各種機床設備的控制系統(tǒng)中。有著廣泛的應用前景。 包裝機的最大特點是動作復雜、頻繁，且有較多的執(zhí)行元件。在這種場合使用繼電器控制邏輯必然需要大量的中間繼電器，而這些中間繼電器在用PLC控制的情況下，就可以對其內部的輔助繼電器進行編程后來取代。從物理介質方面來講，前者是要用具體的電氣元件來組合，而后者只是PLC的內部寄存器，在PLC編程容量許可的范圍內，可以不花費額外的費用來實現(xiàn)復雜的

11、控制邏輯。一般的PLC都有上百點內部輔助繼電器甚至更多，且還有多種專用的內部電器，足可以應付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是對PLC進行編程。 近些年來PLC(Programmable Logic Controller)技術的普及以及各種智能型儀表可靠的技術基礎，使PLC在包裝機控制系統(tǒng)方面得到了廣泛的應用，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。與工控機和單片機相比，可編程控制器應用廣泛，使包裝機控制系統(tǒng)的開發(fā)更加簡單、周期更短、使用更可靠、維護更簡便。大大的提高了經濟效益。舊機床電氣控制部分大多采用繼電器控制，這種控制方法中采用眾多的電器元件，邏輯布線復雜，接點多，故障率高，設備運行可靠性差

12、。用PLC能有效地解決這些問題。在我國包裝機的種類很多，但大部分的包裝機是由手工操作或是開關型液壓控制系統(tǒng)完成，打包的勞動強度大，打包的落后狀態(tài)直接影響產品質量。所以自動包裝機的研究需要很迫切。自動包裝機是現(xiàn)代高速線材生產線特有的設備，它集機械、電氣、液壓控制為一體，動作準確，為現(xiàn)代化的線材生產線構筑了一道靚麗的風景線。 可編程控制器PLC（Programmable Logic Controller）在包裝機控制系統(tǒng)中的應用具有十分重要的意義，與以往復雜的繼電器控制系統(tǒng)相比，其功能強、性能價格比高、硬件配套齊全、用戶使用方便，適應性強、無觸點免配線、可靠性高、抗干擾能力強、維護工作量小、維修方

13、便。大大提高了包裝機的精度、可靠性、靈活性和工作效率，為各種智能型儀表提供了可靠的技術基礎。從而降低了包裝機的生產成本。解決了包裝機繼電器控制系統(tǒng)以往采用眾多的電器元件，邏輯布線復雜，接點多，故障率高，設備運行可靠性差的缺陷，所以可編程序控制器非常適合應用于各種機床設備的控制系統(tǒng)中。有著廣泛的應用前景，對包裝機控制系統(tǒng)的研究對提升我國包裝設備的自主創(chuàng)新、提高國際競爭力、促進工業(yè)化發(fā)展、提升產品質量具有著重要的影響。 1.2 PLC控制系統(tǒng)與其它工業(yè)控制系統(tǒng)的比較在現(xiàn)代工業(yè)設備及自動化項目中，我們會遇到大量的開關量、脈沖量及模擬量等控制裝置。如電機的啟動與停止，電磁閥的開閉，工件的位置、速度、加

14、速度的測定，產品的計數(shù)以及溫度、壓力、流量等物理量的設定和控制等等。傳統(tǒng)的工業(yè)自動控制主要是由繼電器或分離的電子線路來實現(xiàn)的。這種控制方式雖然造價便宜，但卻存在許多致命的弱點:只適用于簡單的邏輯控制，僅適用某種控制項目，缺乏通用性，一旦要實現(xiàn)改動或者優(yōu)化，只能通過硬件的重新組合來實現(xiàn)。目前，工業(yè)界比較有代表性的控制方式主要有以下幾個類別:繼電器控制系統(tǒng)，單片機控制系統(tǒng)，微型計算機系統(tǒng)，集散型控制系統(tǒng)。 1.2.1 PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較繼電器控制是采用硬接線邏輯，利用繼電器觸點的串、并聯(lián)及時間繼電器的延遲動作來組成控制邏輯，其缺點是一個系統(tǒng)一旦確定就很難輕易再改動。如果要在現(xiàn)場做

15、一些更改和擴展更是難以實行。而PLC是利用其內部的存儲器以數(shù)據形式將控制邏輯存儲起來的，所以只要改變PLC內存儲器的內容，也就可以實現(xiàn)更改控制邏輯的目的。對于PLC來講，只要用PLC配備的編程器在現(xiàn)場就可以完成更改。至于PLC對外部的聯(lián)系，只有1/0點，只要輸入輸出對象不變，就無須對硬接線作任何改動。繼電器控制邏輯是依靠觸點的機械動作來實現(xiàn)的。工作頻率很低。一次動作一般為數(shù)十毫秒。對于復雜的控制，使用的繼電器越多，反應就越慢。而PLC是以微型計算機為基礎的控制裝置，其運行速度為每個指令步數(shù)十微秒(對于高速PLC則是5微秒以下)。并且內部有嚴格的同步，所以不會出現(xiàn)抖動的問題。對于限時控制，繼電器

16、是利用時間繼電器的延時動作來實現(xiàn)的。由于時間繼電器是利用空氣阻力，半導體延時電路來實現(xiàn)延時的，所以其定時精度低，調整不方便。且環(huán)境溫度變化等因素都會對定時精度有直接的影響。而PLC則是由晶體振蕩器所產生的脈沖經多次分頻后得到的時基脈沖進行計數(shù)來定時的，定時范圍一般為0.1秒，也有0.01秒的，精度一般高于10毫秒，只要根據需要由編程器送入時間常數(shù)即可實現(xiàn)定時時間的設定或更改。由于PLC的定時是對時基脈沖進行計數(shù)來實現(xiàn)的，所以如果是對外脈沖進行計數(shù)，就成為計數(shù)器。現(xiàn)代的PLC一般都具有定時器和計數(shù)器功能。從可靠性和可維護性方面來看，繼電器控制邏輯由于使用了大量的機械觸點，連接線也多，觸點開閉時產

17、生的電弧會使觸點損壞，動作時的機械振動還可能使接線松動，所以可靠性和可維護性都較差。而PLC則采用了無觸點的電子電路來替代繼電器觸點，確切地說是用存貯器內的數(shù)據來代替觸點，因此不存在上述缺點。而且體積小、功耗小、壽命長、可靠性高、還具有監(jiān)控功能和自檢功能，使程序的運行過程成為透明。PLC一般還具有步進控制指令，可以進行步進控制，而繼電器邏輯就比較困難。繼電器邏輯只能對開關量進行控制。而PLC除了具有開關量控制功能外，有些功能較全的 PLC還具有A/D, D/A轉換裝置，可以用來對模擬量進行控制。但是目前在成本方面PLC還比繼電器貴，一般進口產品每個110點為人民幣80元左右;國產一般點1/O為

18、60元左右。1.2.2 PLC控制系統(tǒng)與單片機控制系統(tǒng)比較雖然單片機的配置較微機系統(tǒng)簡單，成本也較易接受，但它仍然不是為工業(yè)控制而設計的。同樣存在著編程難、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍較差，成本高等缺點。盡管其有較強的數(shù)據處理能力，但工業(yè)控制都為開關量控制，所以其長處仍得不到發(fā)揮。單片機與PLC的比較:在很大程度上，單片機是專為工業(yè)控制而設計的。因此，它具有較好的環(huán)境適應性。事實上，現(xiàn)代PLC的核心就是單片微處理器。用單片機作控制部件在成本方面具有優(yōu)勢。但是不可否認，從單片機到工業(yè)控制裝置之間畢竟有一個硬件開發(fā)和軟件開發(fā)的過程。雖然PLC也有必不可少的軟件開發(fā)過程，但兩者所用的語言

19、差別很大，單片機主要使用匯編語言開發(fā)軟件。而PLC用專用的指令系統(tǒng)來編程的。前者復雜而易出錯，開發(fā)周期長。后者簡便易學，現(xiàn)場就可以開發(fā)調試。單片機控制系統(tǒng)僅適用于較簡單的自動化項目。硬件上主要受CPU、內存容量及1/O接口的限制;軟件上主要受限于與CPU類型有關的編程語言。一般說來單片機或單片機系統(tǒng)的應用只是為某個特定的產品服務的。其通用性、兼容性和擴展性都相當差。 1.2.3 PLC控制系統(tǒng)與集散型控制系統(tǒng)的比較PLC是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的。而集散控制系統(tǒng)DCS (Distribution Control System)是由回路儀表控制系統(tǒng)發(fā)展起來的分布式控制系統(tǒng)，它在模擬量處理，

20、回路調節(jié)等方面有一定的優(yōu)勢。PLC隨著微電子技術、計算機技術和通信技術的發(fā)展，無論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯(lián)網通信上，都有很大的提高。并開始與小型計算機聯(lián)成網絡，構成了以PLC為重要部件的分布式控制系統(tǒng)。隨著網絡通信功能的不斷增強，PLC與PLC及計算機的互聯(lián)，可以形成大規(guī)模的控制系統(tǒng)，在數(shù)據高速公路上(Data Highway)掛接在線通用計算機，實現(xiàn)在線組態(tài)、編程和下裝，進行在線監(jiān)控整個生產過程，這樣就己經具備了集散控制系統(tǒng)的形態(tài)，加上PLC價格和可靠性優(yōu)勢，使之可與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)相互競爭。由于以上的原因，可以預見隨著PLC成本的下降和機器要求的提高，將很快在大部分場合取代繼電

21、器控制屏。無論是與傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制邏輯相比，還是與現(xiàn)代的微型計算機系統(tǒng)乃至專用于控制的單片機相比，在工業(yè)控制方面PLC都具有明顯的優(yōu)越性。尤其是對生產流水線、動作復雜的單機，比起前述幾種控制手段來具有壽命長、可靠性高、對環(huán)境無特殊要求、開發(fā)費用低、周期短、無需專門的計算機軟、硬件知識就可在短期內掌握，功能擴展方便，成本可為一般用戶所接受等優(yōu)點，是現(xiàn)代機電一體化產品控制裝置的理想選擇。1.2.4 PLC控制系統(tǒng)與工業(yè)計算機控制系統(tǒng)比較PLC是專為工業(yè)控制所設計的。而微型計算機是為科學計算、數(shù)據處理等而設計的，盡管兩者在技術上都采用了計算機技術，但由于使用對象和環(huán)境的不同，PLC較之微機系

22、統(tǒng)具有面向工業(yè)控制、抗干擾能力強、適應工程現(xiàn)場的溫度、濕度環(huán)境、輸入、輸出一一般采用“光一電”隔離技術，并配備有可承受較大負載的繼電器或可控硅(也有用晶體管)輸出部件，一般可以直接驅動小型電機等負載。此外，使用面向工業(yè)控制的專用語言而使編程及修改方便。并有較完善的監(jiān)控功能。而微機系統(tǒng)則不具備上述特點，一般對運行環(huán)境要求苛刻，使用高級語言編程，要求使用者有相當水平的計算機硬件和軟件知識。此外，微機系統(tǒng)的外設配備較多，有些對工業(yè)控制并非必須。因此PLC顯然較微機系統(tǒng)更適合于工業(yè)控制2。1.3 發(fā)達國家包裝技術水平的發(fā)展趨勢上世紀50至70年代，電子技術和合成化工的迅速發(fā)展，對包裝機產生了巨大的影響

23、，出現(xiàn)了一系列以采用合成材料為包裝材料的新包裝工藝及設備。各發(fā)達國家為了維護本國包裝機市場，擴大出口能力，積極采用其他領域的新技術（如微電子、激光、熱管、新材料等），成為開創(chuàng)包裝機新局面的關鍵性年代。歐、美等國家的包裝機生產，以大、中型企業(yè)為主，以聯(lián)合經營的方式擴大在國際市場上的競爭實力。歐美制造廠在經營上，重視展覽會上的成交和銷售；在發(fā)展方針上，不太注重本公司產品的品種，而是注重增加在原有品種的基礎上繼續(xù)研究改進性能。日本的包裝機制造廠則以中小企業(yè)為主，最拿手的是微電子技術，用它來控制包裝機，能做到安全性高、無人操作、高生產率，大大提高了國際市場競爭能力。美國、德國、日本是世界上包裝機技術最

24、成熟的國家。美國美國是世界上包裝機發(fā)展歷史較長的國家，早已形成了獨立完整的包裝機體系，其品種和產量均居世界之首。其產品以高、大、精、尖產品居多?，F(xiàn)有包裝機制造企業(yè)700多家，1996年全美包裝機產值為439億美元，90年代以來，美國包裝機市場以6左右的年均速度增長，據預測，2000年美國包裝機市場規(guī)模將達到50億美元，2005年將達到68億美元。新型機械產品中以成型、填充、封口三種機械的增長最快，裹包機和薄膜包裝機占整個市場份額的15，厚紙盒封盒包裝機在市場占有率中居第二位。美國的包裝機制造廠大部分附屬于大包裝材料廠，銷售也完全依賴母公司。這是因為包裝材料的產值一般是包裝機的20倍左右，機械產

25、業(yè)與材料產業(yè)結合，自然獲得了強大的資本后盾。而包裝機常常與包裝材料一起進行系統(tǒng)化的銷售，從而保證了其產品技術領先的地位。過去美國包裝機業(yè)是由小規(guī)模、家族式生產所構成，技術也甚為散亂，各自競爭。到今天，包裝機業(yè)務越來越多是由專業(yè)經理人員經營，建造的機械不單供應龐大的美國市場，也出口到全世界。美國的包裝機與計算機緊密結合，實現(xiàn)了機電一體化控制。據世界包裝機協(xié)會總會（COPAMA）表示，1997年全球的包裝機銷售額為180億美元，其中美國制造商占了50億美元，約為總數(shù)的28。據最近統(tǒng)計信息表明，美國包裝機占美國產業(yè)機械總值的1強，1995后美國包裝機產值402億美元，產業(yè)機械產值為3536億美元，比

26、例為11；1996年此項比例為12。美國國內包裝機市場規(guī)模在世界上也是名稱前茅。1992年為438億美元，1998年為483億美元。美國包裝機出口額也較大，1998年美國對中國的包裝出口額為3578萬美元，與1992年的641萬美元相比，增長了401倍。中國已成為繼加拿大、墨西哥、日本、英國、德國之后，美國包裝機的第6大出口市場。日本日本與美國、德國相比，起步雖較晚，且包裝設備經歷了引進一消化一發(fā)展的研究過程，吸收國外的長處，并加以改進，目前已成為世界上僅次于美國的包裝機生產國。60年代以前，生產廠家不足60家，只能包裝糖果、香煙等。6070年代，是日本包裝機工業(yè)起步階段，產值增長非常高。包機

27、由1960的38億日元劇增到1970年的560億日元。7080年代，增長速度雖不如60年代那么高，但年均增長率仍達13。8090年代，是日本包裝機穩(wěn)定增長的階段，將微電子技術成功地應用于包裝機的控制，以后又將光導纖維技術、工業(yè)機械人技術、模塊技術應用于包裝機，達到安全性高、無人操作、高生產率的水平，大大提高了其國際市場競爭力。日本的包裝機制造廠以中小企業(yè)為主，包裝機的品種齊全，產品品種近500種，規(guī)格有700多個。其中，包裝機以中小型單機為主，具有體積小、精密度高、易安裝、操作方便、自動化程度高等優(yōu)點。90年代以來，已將變頻調整、光電追蹤、無觸點電子開關、動態(tài)數(shù)據顯示等技術運用在包裝機中。19

28、92年產值達4670億日本，近幾年有所下降，1995年為4280億日元，1996年回升到4400億日元。亞洲是日本包裝機的主要出口市場。1996年日本對亞洲的包機出口額為221億日元，比上一年增加22。占出口總額的比例，也由1994年底的59、1995年的60提高到1996年的65。從90年代以來，日本對中國的包機出口額連年大幅增長，由1991年的128億日元分別增加到1993年的404億日元和1995年的594億日元，1996年又增加了14億日元。自1995年起，中國取代美國而成為日本包裝機的最大出口國。1996年，日本對中國的包裝機出口額為734億日元，占出口總額的216。也就是說，日本出

29、口的5臺包裝機中就有一臺是銷往中國的。德國德國的包裝設備在計量、制造、技術性能等方面居領先地位，特別是啤酒、飲料灌裝設備具有高速、成套、自動化程度高、可靠性好等特點，享譽全球。如Harassing、Bache、Rove-ma等大公司生產的集機、電、液及微機控制于一體，采用光電感應，靠光標控制袋長，并配有防靜電裝置3。其中袋包裝機速度達160袋分鐘，大型自動包機UPM600的最大包裝容積達80L，制袋尺寸達800mm×1200mm。并能集制袋、稱重、充填、抽真空、封口等工序在一臺單機上完成。Teach Co.（茶葉包裝公司）生產出世界上最高速的茶葉包裝機，其速度達350袋分鐘?？梢姙榱?/p>

30、使我國的包裝設備在當今激烈的國際競爭當中占有一席位置，我國必須在這方面加大科技投入，積極培養(yǎng)具有良好創(chuàng)新能力的人才設計隊伍，擺脫我國在某些大型號、高精密包裝設備長期依賴國外進口的現(xiàn)狀，研發(fā)出具有我國自主知識產權的先進包裝設備。1.4 我國包裝機的現(xiàn)狀及與國際水平的差距1.4.1 我國包裝機的現(xiàn)狀我國的包裝機產品較發(fā)達國家的差距主要表現(xiàn)在：控制技術和產品可靠性方面較差，且技術更新的速度太慢，新技術、新材料、新工藝推廣的范圍太.。整體水平比發(fā)達國家要落后20年，現(xiàn)在我國包裝機產品中僅有5左右能夠達到發(fā)達國家90年代初期的水平，還有20 的產品僅能和國外80年代的產品相比，其余60左右僅能達到國外7

31、0年代的水平。我國早在50年代中期就有少數(shù)工廠生產包裝機，5060年代，我國包裝機如煙草加工、制糖、制鹽、釀酒等行業(yè)水平很低。改革開放初期，引進了一批食品機械和包裝機，具有一定的促進作用。80年代后期，隨著國民經濟的突飛猛進，市場對包裝機的需求日趨擴大。在此間期，我國的一大批機床、通用機械、農機行業(yè)的企業(yè)開始轉產從事包裝機的生產。據1986年不完全統(tǒng)計，當時僅有縣以上包裝機企業(yè)1062年，工業(yè)總產值278億元。進入90年代，全行業(yè)實現(xiàn)了高速發(fā)展，年平均增長率達30。據中國食品和包裝機工業(yè)協(xié)會1994年統(tǒng)計，當時我國包裝機生產廠家有1540家，包裝機行業(yè)總產值為2556億元，包裝機的產量總數(shù)臺，

32、其中，包裝容器制造機械17112臺，直接包裝機臺，包裝裝潢印刷機械10508臺，輔助包裝機7493臺。據中國包裝總公司計劃部第三次全國工業(yè)普查資料表明，1995年包裝機總產量為臺，其中，包裝容器制造機械29514臺，直接包裝機臺，專用包裝機4771臺。1997年底，全國增加至1600余家從事包裝機的生產廠家；同時，從事包裝機研究及開發(fā)的科研院所達75個，另有21所高等院校從事包機械專業(yè)的教學和科研工作。我國進口額較大并增長幅度較大的有紙漿、紙或紙板的制造和整理機械，其次是包裝或包裝機器，各種容器的裝封、貼標簽機器，其他干燥器等。1.4.2 包裝技術方面的差距我國的包裝工業(yè)過去長期處于一種生產力

33、水平低下、主體技術不高、規(guī)模過小、游離分散生產、企業(yè)管理水平不高、國家投入不足的狀況，大部分企業(yè)仍然處于需要技術改造、技術創(chuàng)新、提高產品質量、加強現(xiàn)代化管理以及體制轉軌的關鍵時期。包裝行業(yè)的結構調整、技術升級、產品換代、規(guī)模效益以及布局合理、經營體制的轉換等，仍是新世紀的大大重要課題。 我國包裝機產品與發(fā)達國家相比，其差距主要表現(xiàn)在：控制技術和產品可靠性方面較差，且技術更新的速度太慢，新技術、新材料、新工藝推廣的范圍太窄。從整體水平上看，比發(fā)達國家要落后20年，現(xiàn)在我國包裝機產品中僅有5左右能夠達到發(fā)達國家90年代初期的水平，還有20的產品僅能和國外80年代的產品相比，其余60左右僅能達到國外

34、70年代的水平。我國的包機在產品的開發(fā)、性能、質量、可靠性、價格、服務等方面與進口產品在競爭中處于劣勢，抵擋不了進口產品在競爭中處于劣勢，抵擋不了進口產品的大量涌入。進口設備中，一般是技術含量高或大型設備，大都是國內不能制造或達不到使用技術要求的。包裝機進出口比例相差太大，以1998年為例：包裝機進出口總額148億美元，進口總額144億美元，比1997年增長213，出口僅為045億美元，比1997年還下降89，進口約為出口的近33倍。我國出口的大多是低檔次、低附加值或勞動密集型產品，而進口產品都是大型成套設備和高技術含量的產品4。 1.4.3 包裝機品種的差距目前國外包裝機產品的品種大約有23

35、00多種，成套數(shù)量多，并且不斷有新技術、新產品出現(xiàn)。國外的包裝機產品一方面向高精度、大型化發(fā)展，另一方面向多功能方向發(fā)展。如意大利ILAPAK公司的小劑量顆粒包裝機采用機械轉鼓式計量，連續(xù)式封合并裁切，一機多工位，包裝速度可達120袋分鐘，其控制系統(tǒng)采用微機和可編程控制器。與發(fā)達國家相比，我國包裝機產品品種及配套數(shù)量少，只有1300多種5。缺少高精度和大型化包裝機產品，在鋼制兩片罐成型設備、高精度電子計量裝置、高速電阻焊機、大型中空容器成型機械等方面仍屬空白。 第2章 包裝機控制系統(tǒng)的總體設計2.1 PLC控制系統(tǒng)的總體在設計2.1.1 設計的基本原則在應用PLC組成應用系統(tǒng)時，首先應明確應用

36、系統(tǒng)設計的基本原則，以及設計的一般步驟。任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象（生產設備或生產過程）的工藝要求，以提高生產效率和產品質量6。因此在設計PLC控制系統(tǒng)時，應遵循以下基本原則：(1) 最大限度地滿足被控對象的要求。設計前，應深入現(xiàn)場進行調查研究，搜集資料，并與相關部分的設計人員和實際操作人員密切配合，共同擬定控制方案，協(xié)同解決設計中出現(xiàn)的各種問題。(2) 在保證控制系統(tǒng)安全、可靠的前提下，力求控制系統(tǒng)簡單、經濟，使用及維護方便，滿足控制要求。(3) 考慮到生產的發(fā)展，工藝的改進以及系統(tǒng)的擴充，在選擇可編程控制器的CPU模版及I/O模塊時，應適當?shù)牧粲杏嗔俊?.1.2 設計的基本內

37、容 PLC控制系統(tǒng)是由PLC與用戶輸入、輸出設備連接而成的。因此，PLC控制系統(tǒng)的設計應包括以下基本內容：(1) 確定系統(tǒng)運行方式與控制方式。PLC可構成各式各樣的控制系統(tǒng)，如單機控制系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)等。在進行應用系統(tǒng)的設計時，要確定系統(tǒng)的結構形式。(2) 選擇輸入設備（按鈕、操作開關、限位開關、傳感器等）、輸出設備（繼電器、接觸器、信號燈等執(zhí)行元件）以及由輸出設備驅動的控制對象（電動機、電磁閥等）。(3) PLC的選擇。PLC是控制系統(tǒng)的核心部分，正確選擇PLC對于保證整個控制系統(tǒng)的技術經濟指標起著重要的作用。選擇PLC應包括機型選擇、容量選擇、I/O模塊選擇、電源模塊選擇等。(4) 分配

38、I/O點，繪制I/O連接圖，必要時還需設計控制柜。(5) 設計控制程序?？刂瞥绦蚴钦麄€系統(tǒng)的工作軟件，是保證系統(tǒng)正常、安全、可靠的關鍵。因此控制系統(tǒng)的程序應經過反復的調試、修改，直到滿足控制要求為止7。2.1.3 設計的基本步驟設計PLC控制一般步驟如圖2-1所示。圖2-1 設計PLC控制系統(tǒng)的一般步驟 (1) 根據生產的工藝過程要求分析控制要求。如需要完成的動作（動作順序、動作條件、必須的保護和聯(lián)鎖等）、操作方案（手動、自動、連續(xù)、單周期、單步等）。(2) 根據控制要求確定系統(tǒng)控制方案。(3) 根據系統(tǒng)構成方案和工藝要求確定系統(tǒng)運行方式。(4) 根據控制要求確定所需的用戶輸入、輸出設備，并確

39、定PLC的I/O點數(shù)。(5) 選擇PLC。分配I/O點，設計I/O連接圖。(6) 進行PLC的程序設計，同時可進行控制柜的設計和現(xiàn)場施工。(7) 聯(lián)機調試。如果不滿足要求，再返回修改程序或檢查接線，直到滿足要求為止。(8) 編輯技術文件，投入使用。 總之，一項PLC應用系統(tǒng)設計包括硬件設計和應用控制軟件設計兩大部分8。其中硬件設計主要是選型設計和外圍電路的常規(guī)設計，應用軟件的設計則是依據控制要求和PLC指令系統(tǒng)進行。2.2 PLC控制系統(tǒng)硬件設計方法2.2.1 系統(tǒng)硬件設計的依據目前用于工業(yè)控制的可編程序控制種類繁多，性能各異。在實際工程應用中如何進行系統(tǒng)硬件設計，機型選擇時應考慮哪些性能指標

40、和怎樣選擇各種控制/信號模板，都是比較重要的問題。系統(tǒng)硬件設計必須根據控制對象而定，應包括控制對象的工藝要求、設備狀況、控制功能、I/O點數(shù)，并據此構成比較先進的控制系統(tǒng)。1. 工藝要求 工藝要求是系統(tǒng)設計的主要依據，也是控制系統(tǒng)所要實現(xiàn)的最終目的，所以在進行系統(tǒng)設計之前，必須了解清楚控制對象的工藝要求。不同的控制對象，其工藝要求也不相同。如果要實現(xiàn)的是單體設備控制，其工藝要求相對簡單；如果實現(xiàn)的是整個車間或全廠的控制，其工藝要求就會比較復雜。2. 設備狀況 了解了工藝要求之后還要掌握控制對象的設備狀況，設備狀況應滿足整個工藝要求。對控制系統(tǒng)來講，設備又是具體的控制對象，只有掌握了設備狀況，對

41、控制系統(tǒng)的設計才有了基本的依據。在實際應用中，既有新產品或新的生產線控制系統(tǒng)的設計，又有老系統(tǒng)的改造設計。3. 控制功能 根據工藝要求和設備狀況就可以提出控制系統(tǒng)應實現(xiàn)的控制功能?？刂乒δ芤彩强刂葡到y(tǒng)設計的重要依據。只有掌握了要實現(xiàn)的控制功能，才能據此設計系統(tǒng)的類型、規(guī)模、機型、模塊、軟件等內容。4. I/O點數(shù)和種類 根據工藝要求、設備狀況和控制功能，可以對系統(tǒng)硬件設計形成一個初步的方案。但要進行詳細設計，則要對系統(tǒng)的I/O點數(shù)和種類有一個精確的統(tǒng)計，以便確定系統(tǒng)的規(guī)模、機型、和配置9。2.2.2 機型的選擇依據1. CPU的功能 CPU的功能是可編程控制器最重要的性能指標，也是機型選擇時首

42、要考慮的問題。實際上CPU存儲器的性能、中間標志、計數(shù)器和計時器的能力，影響速度和軟件都屬于CPU的功能。2. I/O點數(shù) I/O點數(shù)是可編程控制器的一個簡單明了的性能參數(shù)，也是應用設計的最直接的參數(shù)。3. 影響速度 對于以數(shù)字量控制為主的工程項目，可編程控制器的影響速度都可以滿足實際需要，不必給予特殊的考慮，對于模擬量控制的系統(tǒng)，特別是具有較多閉環(huán)控制的系統(tǒng)，要求根據實際需要來選擇可編程控制器?？刂茖ο笮盘栕兓i肚快則響應速度快。4. 指令系統(tǒng) 由于可編程控制器應用的廣泛性，各種機型所具備的指令系統(tǒng)也不完全相同。從工程應用角度看，有些場合僅需要邏輯運算，有些場合需要復雜的算術運算，而有一些特

43、殊場合還需要專用指令功能。從可編程控制器本省來看，各個廠家的指令差異較大，但從整體上來說，指令系統(tǒng)都是面向工程人員的語言，其差異主要表現(xiàn)在指令的表達方式和指令的完整性上。5. 機型選擇的其他考慮 毫無疑問，高性能的機型必然需要較高的價格。在考慮滿足需要的性能后，還要根據工程的投資狀況開確定選型10。無論什么樣的設備，投入生產后都要具有一定數(shù)量的備件。在系統(tǒng)硬件設計時，對于一個工廠來說應盡量與原有設備統(tǒng)一機型，這樣就可以減少備件的種類和資金。選擇機型時還要考慮有可靠的技術支持。第3章 包裝機控制系統(tǒng)的硬件設計3.1 PLC的選型3.1.1 S7系列PLC的概述可編程序控制器（PLC）是一種以微機

44、處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其實質是一種工業(yè)控制用的專用計算機。德國西門子S7系列的PLC可以分為小型PLC S7-200，中型PLC S7-300，大型PLC S7-400。可編程控制器的主要特點有：(1) 可靠性高，抗干擾能力強。這往往是用戶選擇控制裝置的首要條件。PLC生產廠家在硬件和軟件上采取了一系列抗干擾措施，使它直接安裝于工業(yè)現(xiàn)場而穩(wěn)定可靠的工作。而且為了適應特殊場合的需要，有的PLC生產商還采用了冗余設計和差異設計，進一步提高了可靠性。(2) 適應性強，應用靈活。由于PLC產品均成系列化生產，品種齊全，多數(shù)采用模塊式硬件結構，組合和擴展方便，用戶可根據自己的需要靈活選用，

45、以滿足系統(tǒng)大小不同及功能繁簡各異的控制系統(tǒng)要求。(3) 編程方便，易于使用。PLC的編程可采用與繼電器電路極為相似的梯形圖語言，直觀易懂，深受現(xiàn)場電氣技術人員的歡迎。近年來又發(fā)展了面向對象的順序流程圖語言（Sequential Function Chart），也稱功能圖，使編程更簡單方便。(4) 控制系統(tǒng)設計、安裝、調試方便。PLC中含有大量的相當于中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等的“軟元件”。又用程序（軟接線）代替硬接線，安裝接線工作量少。設計人員只要有PLC就可以進行控制系統(tǒng)的設計并可在實驗室進行模擬調試。(5) 維修方便，維修工作量小。PLC有完善的自診斷、履歷情報存儲及監(jiān)視功能。PLC

46、對其內部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、異常狀態(tài)和I/O點的狀態(tài)均有顯示。工作人員通過它可以查出故障原因，便于迅速處理。(6) 功能完善。除了基本的邏輯控制、定時、計數(shù)、算術運算等功能外，配合特殊功能模塊還可以實現(xiàn)點位控制、PID運算、過程控制、數(shù)字控制等功能，為方便工廠管理又可與上位機通信，通過遠程模塊還可以控制遠方設備。其中S7-200系列PLC是德國西門子公司生產的一種超小型PLC,超小型是指其功能具有大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC的價格一樣?？梢詥螜C運行，也可以輸入/輸出擴展。它結構小巧，可靠性高，運行速度快，繼承和發(fā)揮了它在大、中型PLC領域的技術優(yōu)勢，又極豐富的指令集，具有強大的多

47、種集成功能和實時特性，配有功能豐富的擴展模塊，性能價格比非常高。因此，它一經推出，即受到了廣泛的關注11。特別是S7-200CPU22*系列PLC(它是21*系列的替代產品），由于它具有多種功能模塊和人機界面可供選擇，可以很容易的組成PLC網絡。同時具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得S7-22*系列PLC來完成控制系統(tǒng)的設計時更加簡單，系統(tǒng)的集成非常方便，幾乎可以完成任何功能的控制任務。S7-200硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式加積木式，即主機中包含一定數(shù)量的I/O輸入輸出，同時還可以擴展各種功能模塊。1.基本單元 基本單元有時又稱作CPU模塊，也有的稱之為主機或本機。包括CPU、存儲器

48、、基本輸入輸出點和電源等，使PLC的主要部分。它實際上就是一個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨的完成一定的控制任務。2.擴展單元 主機I/O數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時，用戶可以根據需要擴展各種I/O模塊，所能連接的擴展單元的數(shù)量和實際所能使用的I/O點數(shù)是多種因素共同決定的。3.特殊功能模塊 當需要完成某些特殊功能的控制任務時，可與SIMATIC S7-200主機相連，已完成某種特殊的控制任務而特制的一種裝置。4.相關設備 相關設備是為了充分和方便的利用SIMATIC S7-200系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)和使用的一些設備，主要有編程設備、人際操作界面和網絡設備等。5.工業(yè)軟件 工業(yè)軟件是為更好的管

49、理和使用這些設備而開發(fā)的與之相配套的程序，它主要有標準工具、工程工具、運行軟件和人機接口等幾大類構成。3.1.2 包裝機的基本動作和工藝要求 自動生產線上的包裝單元原理圖如3-1所示：在包裝單元上有5個執(zhí)行元件，分別是氣缸A、氣缸B、吸盤C、氣缸D、無桿氣缸E。 圖3-1 包裝機包裝單元原理圖 包裝機的運行控制方式要求：單循環(huán)、連續(xù)循環(huán)、停止、緊急停止、復位。根據工藝要求它們動作的順序為：啟動開關后，A、B氣缸同時伸出且吸盤C吸料，氣缸到位后，A、B氣缸同時退回，到位后，吸盤C放料，B氣缸伸出到位后，E無桿氣缸下移，到位后，D氣缸伸出，到位后，D氣缸回到初始位置，E無桿氣缸上移后，B氣缸返回，

50、完成一個循環(huán)?？赏ㄟ^控制開關來選擇單動或連動，起動停止開關，系統(tǒng)應完成當前的循環(huán)并停止在初始位置。起動急停開關后，所有電磁鐵均不帶電。消除急停后，起動復位開關，復位的順序為氣缸A退回去,無桿氣缸E回到初始位置，氣缸B返回。包裝機設計的動作流程圖如圖3-2所示：圖3-2 包裝機動作流程圖3.1.3 CPU型號的選擇SIMATIC S7-200的CPU模塊包括一個中央處理單元、電源以及數(shù)字I/O點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。CPU負責執(zhí)行程序，以便對工業(yè)自動化控制任務或過程進行控制。輸入部分則輸出控制信號，控制工業(yè)過程中的設備。下圖3-3為S7-200西門子PLC的實物圖：圖3-3 S

51、7-200西門子PLC實物圖從CPU的模塊來看，S7-200系列小型可編程控制器發(fā)展至今，經歷了兩代：第一代產品的CPU模塊為CPU 21*,主機都可進行擴展，它具有四種不同結構配置的CPU單元，既CPU 212,CPU 214,CPU 215和CPU 216，這里對第一代PLC產品不再具體介紹。第二代產品的CPU模塊為CPU 22*，是在本世紀初投放市場的。其速度快，具有極強的通訊能力。它具有四種不同結構配置的CPU單元。（1）CPU 221 CPU 221具有6輸入/4輸出，共計10個點的I/O，無擴展能力，有6KB程序和數(shù)據存儲空間。還具有4個獨立的30kHz高數(shù)計數(shù)器，2路獨立的20k

52、Hz高數(shù)脈沖輸出端，一個RS-485通訊/編程端口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由通訊方式。非常適合小點數(shù)的控制系統(tǒng)。（2）CPU 222 CPU 222除了具有CPU 221的功能外，其不同在于：它有8輸入/6輸出，共計14點I/O，可以擴展8路模擬量和最多64個I/O,因此使更廣泛的全功能控制器。（3）CPU 224 它在CPU 222的基礎上使主機的輸入輸出點數(shù)增為24點，最大可擴展為168點數(shù)字量或者35點模擬量的輸入和輸出；存儲量也進一步增加，還增加了一些數(shù)學指令和高數(shù)計數(shù)器的數(shù)量，具有較強的控制能力。（4）CPU 226 這種模塊在CPU 224的基礎上功能又進一步增強，

53、主機輸入和輸出點增加到40點，最大可擴展為248點數(shù)字量和35點模擬量；增加了通訊口的數(shù)量，通訊能力大大增強；它可用于點數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。根據控制點數(shù)來計算，可以選用CPU-226這個型號的CPU。如表3-1所示是CPU 226的技術參數(shù)。表3-1 CPU226的技術參數(shù)技術參數(shù)說明本機數(shù)字輸入二十四路 數(shù)字量輸入本機數(shù)字輸出十六路 數(shù)字量輸入高速計數(shù)器（32位值）6個高速計數(shù)器脈沖輸出2個，20kHz脈沖速率模擬電位器1個，8位分辨率時間中斷2個，1ms分辨率邊沿中斷4個上升沿和/或4個下降沿可選擇的輸入濾波器時間7個，范圍0.2ms-12.8ms3.2 包裝機控制系統(tǒng)設

54、計的硬件設計3.2.1 控制系統(tǒng)的I/O分配 本設計中的可編程控制器的輸入/輸出繼電器地址編排詳見下表所示。其中輸入信號有14個，輸出信號有8個，為了便于擴展所以選用的是西門子公司S7-200 CPU226型可編程序控制器。此可編程序控制器輸入為24個口、輸出為16個口，完全滿足對控制器的要求。表3-2 包裝機包裝單元的I/O分配輸入 序號 地址電器符號狀態(tài)功能說明1I0.01B1NO氣缸A后終端傳感器2I0.11B2NO氣缸A前終端傳感器3I0.42B1NO氣缸B后終端傳感器4I0.32B2NO氣缸B前終端傳感器5I0.53BNO真空壓力開關6I1.44B1NO氣缸D后終端傳感器7I1.54

55、B2NO氣缸D前終端傳感器8I1.65B1NO氣缸E下終端傳感器9I1.75B2NO氣缸E上終端傳感器10I1.0SB0NO單循環(huán)開關11I1.1SB1NO連續(xù)循環(huán)開關12I0.7SB2NC停止開關13I0.2SB3NC急停開關14I1.2SB4NO復位開關輸出15Q0.11Y1* *使氣缸A伸出的電磁鐵16Q0.01Y2* *使氣缸A退回的電磁鐵17Q0.22Y1* *使氣缸B伸出的電磁鐵18Q0.32Y2* *使氣缸B退回的電磁鐵19Q0.43Y1* *使吸盤吸料的電磁鐵20Q0.64Y1* *使氣缸D伸出的電磁鐵21Q0.55Y1* *使氣缸E下移的電磁鐵22Q1.05Y2* *使氣缸E

56、上移的電磁鐵3.2.2 控制系統(tǒng)的硬件連接圖 根據表3-2中所給出的I/O配置連接自動單元的硬件主接線圖如圖3-4所示： 圖3-4 S2-200 PLC的硬件連接圖連接硬件接線后便可以進行程序梯形圖的設計了，之后還需要在電腦上安裝編程所需要的專用軟件 STEP7-Micro/WIN32。本次設計的整個流程圖如下圖3-5所示：圖3-5 工藝要求設計的流程圖第4章 包裝機控制系統(tǒng)的軟件設計4.1 STEP7-Micro/WIN32編程軟件介紹4.1.1 STEP7-Micro/WIN32編程軟件介紹STEP7-Micro/WIN32是西門子公司專為SIMATIC S7-200系列可編程序控制器研制開發(fā)的編程軟件，它是基于Windows的應用軟件，它支持Windows95、Windows98、Windows NT和Windows7使用環(huán)境，它功能強大，既可用于開發(fā)用戶程序，又可實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)12。下面將介紹該軟件的安裝、基本功能以及如何應用編程軟件進行編程、調試和運行監(jiān)控等內容。使用STEP7-Micro/WIN32軟件3.0以上版本時，應具有以下設備：（1）一臺PC機，CPU為80586或更高的處理器，內存大于16M；（2）一根連接串行通