粉料自动包装生产线封袋系统统.docx
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粉料自动包装生产线封袋系统统
分类号:
UDC:
密级:
编号:
学位论文
粉料自动包装生产线自动控制系统设计--封袋系统
论文作者姓名:
申请学位专业:
自动化(工业)
申请学位类别:
工学学士
指导教师姓名(职称):
(讲师)
论文提交日期:
2012年06月12日
粉料自动包装生产线自动控制系统设计--封袋系统
摘要
本设计以粉料包装线的自动控制为背景,在对生产工艺进行了工位分割的基础上,完成了控制系统总体方案设计,并以PLC为主控制器对封袋单元进行了自动控制的硬件、软件详细设计以及软件调试。
本文就缝纫机单元的袋子到位检测、缝纫机封袋及气刀切割缝纫线的自动控制为特例加以说明。
该控制系统通过传感器检测信号,经PLC计算形成控制信号,最后由执行机构完成相应动作,实现自动封袋、重量复检、金属检测以及自动剔除等功能。
所设计的系统具有操作简单,运行可靠,维修方便,性价比高等优点。
根据用户需要还可以跟打印机等外部设备相连打印产品信息,也可以和上位机或触摸屏相连对该生产线实现实时监控、远程诊断和网络化管理。
关键词:
自动包装;可编程控制器;自动控制系统
Powderautomaticpackagingproductionlineautomaticcontrolsystemdesignofbagsealingsystem
Abstract
Designedinthispapertotheautomaticcontrolofthepowderpackagingline,thestationsplitthebasisoftheproductionprocess,completedtheoveralldesignofcontrolsystemandinPLC-basedcontroller,theenvelopesystemofautomaticcontroldetaileddesignofthehardwareandsoftware.
Formacontrolsignalthroughthesensordetectionsignal,thecontrolsystembyPLCcalculation,andfinallybytheimplementingagenciestocompletetheappropriateactiontoachievetheautomaticenvelope,weightre-examination,metaldetection,andautomaticeliminationandotherfeatures.Thedesignedsystemhasasimple,reliableoperation,convenientmaintenance,highcost.Accordingtouserneedscanalsobewiththeprintersandotherexternaldevicesconnectedtotheprintproductinformationcanalsokeepupwiththebitmachineortouchscreenconnectedtotheproductionlinetoachievereal-timemonitoring,remotediagnosticsandnetworkmanagement
KeyWords:
Automaticpackaging;programmablelogiccontroller:
automaticcontrolsystem
目录
论文总页数:
19页
1引言1
1.1粉料自动包装生产线国内外发展现状1
1.2可编程控制器的产生、应用现状和发展趋势1
1.2.1可编程控制器的产生1
1.2.2可编程控制器的应用现状2
1.2.3可编程控制器的发展趋势2
1.3包装码垛自动生产线的发展、应用现状及发展趋势3
1.3.1包装码垛自动生产线的应用现状3
1.3.2包装码垛自动生产线的发展趋势3
1.4传统包装生产线存在的问题及改进方向3
1.4.1传统包装生产线存在的问题4
1.4.2传统包装生产线的改进方向4
2包装线封袋系统工艺及工位分割4
2.1概述4
2.2工艺简介5
2.3工位分割5
2.3系统功能6
3总体方案设计6
3.1总体方案选择6
3.2I/O分配6
3.3硬件选型7
3.3.1PLC选型7
3.3.2传感器选型8
3.3.3控制元件选择8
3.3.4元器件清单9
3.4控制系统接线图9
4软件设计与调试11
4.1程序控制逻辑11
4.1.1封袋逻辑11
4.1.2金属检测重量复检逻辑11
4.2程序设计12
4.3程序调试12
结论15
参考文献16
致谢17
声明18
附录19
1引言
1.1粉料自动包装生产线国内外发展现状
粉料自动包装码垛生产线是集机、电、仪于一体的高科技产品[1]。
粉料自动包装生产线具有高效、高合格率、自动化程度高、成本低等特点,主要应用于化工、食品及医药等方面,可以实现颗粒料(粮食、化肥等)、粉粒料(水泥)的称重、送袋、装袋、折边、封袋、倒袋整形、金属检测、重量复检等作业的全自动化。
包装生产线通过传感器检测信号,PLC逻辑运算产生控制信号,再通过PLC输出通道控制中继器、电磁阀、接触器等设备来控制执行机构,从而实现粉料自动包装。
此外,多个PLC还可以通过总线进行通信,实现各个工序的联合控制。
粉料自动包装生产线是建立在不断发展的机电控制[2]基础上的,经过几十年的发展,国外的粉料自动包装生产线相关技术已经非常娴熟。
像日本纽朗公司的DS-9工业缝纫机能实现全自动封袋;瑞士苏黎世的梅特勒-托利多集团研发的重量复检称能够完成对重量超差包装袋的自动识别与剔除。
然而我国全自动包装线70年代初才开始起步研究,目前国内包装生产线的自动化程度依旧不够高,跟国外还有一段差距。
但从总体上看,我国包装行业经过近30年的摸索,已经取得初步成果。
像迅捷机械公司的DXL-2型定量包装机,该机是人工协助上袋,自动称重、夹袋、充填,经输送带传递进行自动封口或缝包;东莞善安金属检测设备有限公司生产的SA-509皮带机专用金属探测机,主要应用于食品、玩具、服装、制鞋、化工、皮革、针织等行业检测产品或原料在生产加工过程中混入的金属杂质。
这些公司的发展为以后我国实现全自动化包装生产线奠定了坚实的基础。
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
上世纪60年代末期,由于市场的需要,工业生产开始从大批量、少品种的生产方式转变为小批量、多品种的生产方式。
这种生产方式在汽车生产中得到更充分的体现,而当时汽车组装生产线的控制是采用继电器控制系统的。
这种控制系统体积大,耗电多,特别是改变生产程序很困难。
为了改变这种状况,1968年,美国通用汽车公司对外公开招标,要求用新的电气控制装置取代继电器控制系统,以便适应迅速改变生产程序的要求。
该公司为新的控制系统提出10项指标:
1、编程方便,可现场修改程序;
2、维修方便,采用插件式结构;
3、可靠性高于继电器控制装置;
4、体积小于继电器控制盘;
5、数据可直接送入管理计算机;
6、成本可与继电器控制盘竞争;
7、输入可为市电;
8、输出可为市电,容量要求在2A以上,可直接驱动接触器等;
9、扩展时原系统改变最少;
10、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。
1969年美国的数字设备公司(DEC)研制成了第一台可编程控制器PDP-14,并在通用公司的汽车生产线上首次应用成功,开创了可编程控制器的新纪元。
可编程控制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。
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。
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,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/O接口,因此,伴随着新产品、新技术的不断涌现,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。
1.2.3可编程控制器的发展趋势
近年来,随着微电子技术、计算机技术和通信技术的快速发展,PLC的结构和功能不断改进,应用范围迅速扩大。
目前,PLC主要有以下发展趋势:
1.高速度、大存储量方向发展为提高处理能力,要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前大中型PLC的速度可达0.2ms/k步左右。
各大公司都把PLC的扫描速度作为一个很重要的竞争指标。
2.向多品种方向发展目前中小型PLC比较普遍,超小型PLC的需求日趋增多。
为适应市场的多种需要,今后PLC发展要向多品种方向,特别是向超大型和超小型两个方向发展。
据统计,小型PLC的基本特点是价格低廉、经济可靠,适用于设备的单机控制,便于“机电仪”一体化。
随着应用范围的不断扩大和网络及其他功能的不断加强,从控制能力上,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合:
从产品的配套能力上,生产出了各种人机界面单元、通信单元,促进了大型及超大型PLC的发展。
3.编程语言多样化PLC系统结构不断发展的同时,编程软件也在不断发展。
编程语言朝着多种编程语言的方向发展。
尽管大多数PLC采用继电器梯形图语言(Ru0,但是新的编程语言还是不断出现,现在有部分PLC已采用高级语言(如BASIC、C及汇编语言等)。
4.发展智能模块是以微处理器为基础的功能部件。
它可以与PLC的主CPU并行工作,占用主CPU的时间很少,有利于提高PLC的扫描速度。
发展智能模块可进一步提高PLC处理信息的能力和控制功能。
1.3包装码垛自动生产线的发展、应用现状及发展趋势
1.3.1包装码垛自动生产线的应用现状
从专业化程度看,目前国内包装设备厂专业化程度还不高,57%的企业是兼业生产,仅上海、山东、江苏、辽宁、浙江、广东等省市专业厂较多。
很久以来,包装生产线只做到把物料包装好为止,至于后续的搬运工作,则完全由搬运工人来完成。
造成这种局面有多方面的原因,但主要是由于我国生产力水平较低,劳动力便宜,科研人才缺乏造成的。
随着知识经济时代的到来,这种局面必将会被打破。
总的来说,我国包装设备制造工业经近20年的努力,在数量、质量、水平方面均有较大的进展,为我国建立一个门类齐全、技术先进、水平相当、独立完善的包装设备生产系统奠定了坚实的基础。
但要想在未来的国际竞争中占有一席之地,还必须要找出自身缺点和不足,特别是要找出与北美、日本、西欧等国家的差距。
纵观20余年的发展,不难发现我国包装机械行业中存在的某些明显不足之处。
1.3.2包装码垛自动生产线的发展趋势
码垛系统将发挥越来越重要的作用在自动化生产线的终端,产品以每小时数吨以至数十吨的速度源源而来,必须及时处理。
这相当于每小时要称量、包装、堆码数十袋以至上千袋货物,如此繁重、精确的工作,已经不是人力所能胜任。
因此,码垛系统是自动化生产线的重要组成部分,处理不当往往会变成生产线的瓶颈环节”“。
而码垛系统要适应目前生产发展的需求,就必须采用模块化结构。
采用模块化结构不仅可以最大限度的满足不同用户的使用要求,还可以简化设备的设计与制造,缩短生产周期,降低成本。
1.4传统包装生产线存在的问题及改进方向
1.4.1传统包装生产线存在的问题
纵观近三十年的发展,不难发现我国包装行业中存在的某些不足之处[3],主要有以下几点:
1、生产效率低,能耗高。
由于没有实现高度自动化控制导致缝袋,重量复检等环节需要人工操作。
从而降低了生产效率,提高了产品成本。
较好的产品小时生产能力仅是国外先进水平的1/2。
2、全自动化程度还不够高。
尽管科学技术日新月异的变化,但是包装生产线还不能完全脱离人的参与。
例如在封袋环节还需要人工控制袋子通过缝纫机完成封袋。
3、可靠性和稳定性普遍存在问题。
各企业为了提高产量大部分生产线都是人停机不停的工作状态。
如何保证生产线在恶劣环境下还能正常、高速、稳定、长时间运转是一个很大的问题。
4、同一条包装线不能实现包装产品的多元化。
比如不同的产品需要不同的包装袋以及不同的包装规格。
同时国内的包装袋质量较差。
5、产品防护问题未能引起重视,为了操作人员的安全,设备安全所采取的措施较少。
1.4.2传统包装生产线的改进方向
为了满足各行各业对商品的包装要求,创造一个良好的工作环境,降低劳动强度。
包装生产线必须适应不断发展的包装需求。
同时针对以上传统包装行业普遍存在的问题,传统包装生产线应该从以下几方面进行改进:
1、大量采用传感器、微电子、远红外等高新技术,利用微型计算机的处理。
迅速提高包装生产线的自动化程度。
从而达到简化产品结构,减少人工操作,提高包装质量的效果。
2、促进单机高速化,同时注意提高系统效率高速化。
其主要途径是在提高自动化水平的同时不断改进结构。
与此同时,还将更多的注意力投向提高整个包装系统的生产效率上,使高速化向深层次发展,使包装系统更加经济合理。
3、大力发展专业机,同时积极研制通用机。
完成对不同产品不同规格的包装。
达到同一条生产线能完成多种产品的包装。
4、大力开发辅助设备,促进连续化包装生产线的发展。
2包装线封袋系统工艺及工位分割
2.1概述
本课题所设计的包装码垛自动生产线是一个典型的机电一体化系统。
所谓的机电一体化系统是指在系统的主功能、信息处理功能和控制功能等方面引进了电子技术,并把机械装置、执行部件、计算机等电子设备以及软件等有机结合而构成的系统,即机械、执行、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配下,以系统的观点进行组合而形成的一种新型机械系统。
机电一体化系统由机械系统(机构)、电子信息处理系统(计算机)、动力系统(动力源)、传感检测系统(传感器)、执行元件系统(如电机)等五大子系统组成。
其五种内部功能即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。
机电一体化系统的一大特点是由于机电一体化系统的微电子装置取代了人对机械的绝大部分的控制功能,并加以延伸和扩大,克服了人体能力的不足和弱点。
另一大特点是节省能源和材料消耗。
其主要特征是自动化操作。
2.2工艺简介
封袋单元是一个能自主完成包装袋到位检测、封袋、切割封袋包装线线的系统。
包含光电传感器,缝纫机,切割气刀三部分。
具体工艺流程如下:
首先前位光电开关检测袋子是否到达封口机位置,如果到了,缝纫机开始缝袋。
当后位光电开关检测到袋子缝纫机停止工作,同时气刀切割缝线。
当包装袋进入重量复检单元,复检机检测包装袋的重量是否在设定值范围之内,当包装袋存在重量超差时,拣选机发出声光报警同时收到剔除包装袋的信号。
重量复检单元后面跟着是金属检测单元,当包装袋被检测到含有金属时发出声光报警同时拣选机收到信号,当包装袋到达剔除单元时。
拣选机根据收到的信号完成剔除动作。
其流程图如图1所示。
图1封袋部分流程图
2.3工位分割
工位分割按照传感器——执行器——动作实现分解,下面是封袋部分的详细工位分割:
卸料开关——大板子汽缸——大板子汽缸伸出
大板子限位开关——大板子汽缸——大板子汽缸保持
大板子限位开关——小夹子汽缸——小夹子合拢
小夹子限位开关——小夹子汽缸——小夹子分开
小夹子限位开关——大板子汽缸——大板子收回
前位光电开关——缝纫机电机——电机转动封袋
后位光电开关——汽缸——气刀动作切线、缝纫机停止工作
拣选机上限位开关——垂直汽缸——拣选机停止上升
剔除位置压力开关——垂直汽缸——拣选机下降
拣选机下限位开关——垂直汽缸——垂直汽缸停止下降
比较器开关闭合——拣选机电机——拣选机动作剔除包装袋
金属检测传感器闭合——拣选机电机——拣选机动作剔除包装袋
2.3系统功能
1、检测与控制功能系统通过各种传感器自动检测位置及是否回归起始原点的状况,由PLC根据所测的各种位置信号来控制执行装置的启动、运行和停止。
系统实时检测供电电源情况,由PLC控制在电源严重过压或欠压时停机。
2、显示报警功能当系统出现下列情况之一时,均同时进行声、光报警:
DC24V掉电(各种传感器的供电电源);执行装置未回到原点位置时进行启动。
3、灵活的操作过程包装码垛自动生产线的操作过程有两种:
自动操作/手动操作。
将自动/手动的切换开关打到“手动”状态时,可以按下操作面板上相应的点动开关实现点动操作;打到“自动”状态时,则根据相应的控制程序进行自动且连续的作业。
3总体方案设计
3.1总体方案选择
粉料自动包装生产线是一个典型的机电一体化系统。
本文针对生产线的封袋系统作自动控制设计。
自动控制系统的硬件配置包含传感检测元件[4](光电开关、霍尔开关等)、中央处理单元(PLC)、控制元件(电磁阀、交流接触器、中间继电器等)和执行元件(电机、气缸)四个部分。
传感器检测来的信号通过可编程控制器控制相应的控制原件控制执行器实现相应的动作。
其系统结构如图2所示。
图2系统结构框图
3.2I/O分配
FX2N-32MR基本单元的输入、输出点各16个,根据系统的需要,PLC的I/O分配如表1所示。
表1PLCI/O分配表
输入(I)
输出(O)
名称
接口
名称
接口
卸料传感器
X0
大板子拍袋
Y0
大板限位开关
X1
小夹子赶出空气
Y3
小夹子限位开关
X2
大板子恢复
Y1
金属传感器
X4
缝纫机工作
Y7
光电接近开关(前)
X5
气动切割刀切割
Y4
光电接近开关(后)
X6
拣选机汽缸上升
Y5
拣选机压力传感器
X7
拣选机剔除含有金属的料包
Y13
拣选机上位限位开关
X12
拣选机剔除重量超差的料包
Y17
比较器信号
X11
拣选机汽缸下降
Y6
拣选机下位限位开关
X13
卸料口下面的压力传感器
X10
拣选机左边压力传感器
X14
拣选机右边压力传感器
X15
3.3硬件选型
3.3.1PLC选型
在对包装生产线封袋部分的设计时。
考虑到封袋部分机械机构动作复杂,控制精度要求高,对控制器的稳定性可靠性要求较高。
同时要求控制器要有较强的控制能力、较大的灵活性以及较强的抗干扰能力,而PLC[5]具有抗干扰能力强,能直接和现场部分单元部件直接连接。
可靠性强,操作与维修十分方便。
因此本设计采用可编程控制器作为主控制器。
目前国内的控制器市场主要被德国SIEMENS公司、日本的富士公司、OMRON公司和三菱公司、美国的GE公司和MODICON公司占据。
国内台达等公司生产的PLC也逐步的崭露头角。
本设计采用日本三菱公司生产的FX2N-32MR型PLC,选用AC电源,DC24V信号电源输入,继电器输出。
其可靠性,抗干扰能力经济性等均符合本设计。
3.3.2传感器选型
结合第2.2节对工位的分割现需要检测包装袋是否到达缝纫机位置以及包装袋是否到达气刀切割缝纫线位置。
检测此类信号可以选择光电接近开关或者电容式接近开关。
由于此距离检测需要电容式接近开关具有较大的截面积不便现场安装所以选择光电开关。
结合表2选用对射型光电开关,本设计选用上海光川工控设备有限公司EG-F-NK-T型光电开关。
使用DC24V电源供电,NPN常开型。
表2光电开关检测方式对比
光电开关检测方式
检测距离
稳定性
优势
精度
响应速度
对射型
几厘米到数十米
较稳定
动作稳定度高
较高
快
扩散发射型
几厘米到数米
跟检测物体表面形状有关
便于安装调整
低
居中
回归反色型
几厘米到数米
跟检测物体表面形状有关
布线光轴调整方便
低
居中
在重量复检单元,需要检测包装袋的重量并且与已经设定好的重量值进行比较确定包装袋是否存在重量超差,要求称重传感器具有响应速度快,精度高等特性。
为了满足这些要求。
本设计选用上海聚人电子科技有限公司RSL15微型称重传感器,最大称重100Kg,精度正负20g。
称重传感器依靠比较器供电。
比较器工作电源为DC24V,比较器输出信号是开关量信号可以直接跟PLC相连。
在金属检测单元,由于只需要检测包装袋是否含有金属,普通电感式接近开关检测距离只能达到数毫米到数十毫米,欧姆龙公司的TL-L100-7型金属传感器。
其检测距离可达到100mm。
远远高于普通的金属传感器。
该传感器使用DC24V电源供电,本设计选用常开型。
3.3.3控制元件选择
由于本设计所选择的执行器有汽缸[6],电机。
所以只要控制好气缸的电磁阀,以及电机的交流接触器,就可以控制实现气缸的伸缩,电机的正反转。
根据经济型,可靠性,安全性,稳定性的要求,本设计选用电磁阀和交流接触器以及中间继电器均为DC24V供电。
气缸电磁阀选用日本SMC公司SY3000系列二位五通单/双电控电磁阀,消耗功率0.5W,电流约20mA;交流接触器选用人民电器集团CJ12-100型接触器,额定电压380V,额定电流100A,吸持功率为9W;中间继电器选用OMRON公司G4A-1A-E-DC24V型,1对常开触点,20A/30VDC触电负载。
3.3.4元器件清单
系统所需元器件如表3如示。
表3元器件清单
名称
型号
数量(只)
光电开关
EG-F-NK-T
2
压力开关
MS-PS
6
按钮开关
1
PLC
FX2N-32MR
1
交流接触器
CJ12-100
3
气缸电磁阀
SY3000
7
中间继电器
G4A-1A-E-DC24V
11
金属传感器
OmronTL-L100-7
2
称重传感器
RSL15
1
3.4控制系统接线图
本系统的PLC采用AC220V电源,电机采用AC380V电源。
PLC输出口与执行元件之间采用中间继电器隔离,以保证PLC输出触点的安全。
电机与电源之间用热继电器隔离。
下面就以封袋单元的具体工位分割连接各元器件。
前光电开关——缝纫机——封袋。
后光电开关——电机、汽缸——电机停转、气刀切割缝纫线。
封袋单元输入接线图如图3所示,输出控制接线图如图4所示。
图3封袋单元传感器输入接线图
图4封袋单元输出控制接线图
在封袋单元接线图3中,前位光电开关检测到包装袋时置1并通过X0通道传送给PLC。
此信号经过PLC计算处理产生控制信号并由Y3通道输出使中间继电器触点闭合。
中间继电器触点闭合后交流接触器触点
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