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1、 全自动包装机 PLC 控制系统改造摘 要可编程控制器 PLC 作为控制系统的核心装置，功能强大、性能稳定可靠。在现代工业自动化生产中得到了广泛的应用。取得了理想的控制效果。本论文以东莞佳鸣机械制造有限公司开发的高速全自动卷纸包装机控制系统为背景，理论与实践相结合，详细阐述了集 PLC 技术，变频器技术，光电位感应技术，通信技术于一体的先进控制技术在该包装机控制系统中的应用。论文主要内容如下：概述了可编程控制器 PLC 的现状及其在包装机械上应用的可能性和前景；通过对卷纸包装机生产工艺流程的了解，统计其输入输出 I/O 点，然后进行 PLC 选型，硬件组态的设计；详细分析了包装纸放卷过程中的受
2、力 尤其是张力 情况，并建立了数学模型，利用自适应控制原理实现了送料过程中的张力控制；在卷纸包装机中，卷纸和包装纸要求能同时到达工位，这就产生了送料过程中的同步控制问题，在同步控制中，我们在卷纸供送系统的驱动轴上安装一个半圆形金属片，在侧面装上接近开关探头，通过判断每次光电传感器检测到色标时接近开关的输出状态，就能知道包装纸供送系统是滞后还是超前于卷纸供送系统，从而使伺服电机正、反转或不动，实现了送料过程中的同步控制；卷纸的包装是一个典型的顺序控制，因此我们利用一个移位寄存器，使工艺盘的每一个 V 形槽对应一个二进制位，通过移位寄存器的移动，实现了包装过程的程序控制；利用 Siemens 公司
3、的编程软件 Step7、软件 WinCC 及其通信功能设计了包装过程以完成数据的采集并控制输出设备安全、高速、高效地运行，实现了该包装过程的监视功能。并且经过了严格的测试，在实验室的模拟运行中，取得了良好的控制效果。使该机无论从功能上还是效率上都获得了质的提高。关键词：包装机； PLC； 控制 Automatic packaging machine PLCcontrol systemAbstractAuthor : YuanZhenNanTutor :WenHongChangThis thesis mainly discussed the design of contrnl system of
4、 roll packing.As the kermel device control system, PLC is widely used in modern industrial production and do well in this field.This thesis takes the control system of the high-speed full-automatic roll packing machine that was developed Dongguan Jiaming Machine Manufacturing Limited Company as a ba
5、ckground. We apply the advanced control technique in the packing machine control system such as the technique of PLC, the inverter technique, light electricity technique and so on. By using these techniques, we realized tension control, Synchronous control in transmitting process and packing process
6、 program control. To complete the data of collecting and control the output equipments ments to work safely, high speed and efficiently, we designed the PLC correspondence network by using the WinCC, a supervise contrnl and configuration software of the company of Siemens, and its communication func
7、tion, to realize the surveillance function of the packing process.The machine got the exaltation of the quality whether the function or the efficiency, basically came to the international advanced level in the late of 90s,realized well the control request that the company put forward.This control sy
8、stem is well running in the lab.Keywords：Packing machine；PLC；Control目录1 绪论 11.1 全自动包装机 PLC 控制的目的及意义11.2 包装机控制系统的现状与分析 11.3 本文的设计任务22 自动卷纸包装机控制系统的总体设计 32.1 自动卷纸包装机生产工艺概述 32.2 卷纸包装机速度影响的分析和提高 52.3 可编程控制系统控制方案的设计62.4 系统的运行方式72.5 控制系统硬件总体设计 82.6 本章小结153 电控系统电路及各功能模块的设计163.1 供电线路163.2 主要控制功能模块的设计173.3 包装
9、纸分切机调节原理分析193.4 送料过程中的同步控制 243.5 本章小结274 软件设计及仿真 28总 结32谢 辞33参考文献341、绪论1.1 全自动包装机 PLC 控制的目的及意义卫生卷纸是人们生活中的必须品，随着人们对纸质品用量的增加，对卫生纸的需求也越来越大，且对卫生纸的安全性，方便性要求也越来越高。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。目前，该类包装机多半为进口产品，价格昂贵。为此，我以东莞佳鸣机械制造有限公司的卷纸包装机控制系统为题材，论PLC 在高速全自动的应用。1.2 包装机控制系统的现状与分析包装机械的最大
10、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。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。且
11、PLC 与其他工业控制系统比较具有许多优点：（1）更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动；（2）程序可以复制，批量生产很容易；（3）电气硬件设计大大简化；（4）由于 PLC 除有继电器功能外，尚有多种其它功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化；（5）可靠性高；（6）成本相对于继电控制而言稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，成本急骤上升，而 PLC 控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性；（7）具有扩展单元或扩展模块，当需要较多 I/0 时可以方便地扩展。因此，国外在注塑机、各种包装机上已经大量地采用了 PLC
12、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。1.3 本文的设计任务（1）对可编程控制系统的现状与发展趋势作一简单的介绍，明确背景知识与选型根据；分析 PLC 在包装机械上应用的可能性与前景。（2）卷纸包装机各动作控制工艺的研究。了解卷纸包装机的工作过程及工艺要求。总结各机构的动作顺序，将其用流程图的形式表示出来，为实
13、现高速全自动运动控制做准备。（3）可编程控制器部分的设计，包括控制方案的选取与设计、I/0 接口信号的确定、模块的选择，控制程序的设计。（4）工控机软件的设计。2、自动卷纸包装机控制系统的总体设计第一章介绍了可编程控制技术的一些概要情况，下面就具体结合卷纸包装机电控系统的实际来看一下它的应用。这里需要说明的是，正如前面所提到的那样，可编程控制技术并非单纯是指 PLC 本身，而是包括其在内的一系列自动化控制产品和技术的应用。本系统在电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的配合需求，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性
14、高且易于使用的包装机设备。在设计控制系统之前，首先得了解其生产工艺。2.1 自动卷纸包装机生产工艺概述纸包装机主要功能是将来自卷纸库的卷纸以每分钟 60 个的速率包装成合格的卫生卷筒纸。简单的工艺流程如图 2-1 所示：图 2-1 卷纸包装工艺流程图包装纸以卷筒的形式放在原料架上，当上位机发出命令时，放卷电机动作，开始放卷。放卷到一定长度 长度由色标来检测 时，通过色标信号向切纸机构发出指令。切纸机构采用交流变频调速电机，带动一个凸轮旋转，以带动切断刀上下运动，在凸轮上安装一个位置传感器，当凸轮转到某一位置时，切刀向上运动，二刀分离，当有色标信号时，刀又向下运动。切刀上、下的工作频率可由变频调
15、速电机来调整，操作简便。切好的纸片经整理后放入纸片库中，等待推纸空心台送纸片。同时卷纸库的卷纸经过整理等待托盘推杆送卷纸球。包装过程通过包装工艺盘及其辅助机构来实现。包装工艺盘共有八个 V 形槽三个加工工位，当包装纸和待包装的卷筒纸放入槽中后，由工艺盘载着其转动，依次送入各加工工位。工艺盘的转动是由交流电机通过皮带传动带动的，各加工工位的动作是通过顺序逻辑控制电磁阀进而带动执行机构动作的。工件从 1 号工位装入;在 2 号工位由夹钳机构完成前进，抓紧，旋转，窝边的动作，同时分别向托盘和推纸空心台发出送纸球和送纸片信号;在 3 号工位，包装好的产品由于重力作用落入成品库。 图 2-2 包装各动作
16、时序图由于这是一个典型的顺序控制，利用移位寄存器操作最为方便。设定一个8 位移位寄存器，每位移位寄存器相应于一个 V 形槽，每 120ms 移位一次，控制相应的操作。当到 2 号工位时发出上料信号，推纸空心台推动纸片 其总的上升时间大于 490ms 小于 640ms ，托盘推动纸球 其总的上升时间略小于 640ms 同时以相同的速度前进，当工艺盘 V 形槽到达第一工位时，工艺盘停止，在此延时 150ms，待放纸空心台压到纸片到位行程开关，停止，托盘压到托盘到位行程开关，托盘停止，完成了上料操作，当延时到，托盘和放纸空心台后退，同时，插纸板前进，托住纸球与工艺盘一同运动。当到达 2 号工位时，工艺盘停止，延时 250ms,同时发出上料信号，在此时段内，插纸板在工艺盘停止后也相继停止，但由于惯性，会使包装纸带着纸球旋转一个较小的角度，使包装纸能完全包住纸球，然后再后退，同时夹钳机构轴向运动，碰到限位开关时，轴向运动停止，而三个夹杆同时径向运动，抓紧包装纸的两端，当碰到抓紧限位开关时，夹钳机构轴旋转 90 度
