自动成品包装控制系统设计

摘要
近年来，随着经济水平的提高，我国的自动包装行业也迅猛发展，在粮食、化肥、饲料和轻工等行业中都有广泛应用，大大的提高了生产效率，节约了劳动力。

本文论述了尿素成品包装的整个运行过程，分析了各个部分的工作以及各部分之间的联系。

给出了实现有效状态的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。

系统由PLC、变频器、传感器、称重控制仪表、电磁阀构成，以CPU224为控制核心，外加一些扩展模块，完成了系统的给料、称量、包装以及传输等功能。

采用二次给料方式，既保证了加料速度，又保证了尿素的重量。

利用控制仪表自动清零的功能，系统有效的解决了称量不准确的问题。

本设计能够对尿素包装系统进行自动控制，提高产品的精确度，避免物料的浪费。

监控系统安装维护方便，运行稳定、可靠。

关键词：PLC；传感器；称重仪表；电磁阀
Abstract
In recent years, with the improvement of economic level, China's rapid development of automatic packaging industries, in food, fertilizer, feed and light industry and other industries have wide applications, which greatly improved the production efficiency, saves labor.
This paper discusses the whole operation process of urea product packaging, analysis of the various parts of the work as well as the link between the various parts of the.Gives the realization of the electrical design of the active state and the PLC control program design.Gives the realization of the electrical design of the active state and the PLC control program ing two times the feeding mode, both to ensure the feeding speed, and ensure that the urea weight. Using control instrument automatic reset function, the system solved the problem of inaccurate weighing.
The design of packaging systems to automatic control of urea to improve the accuracy of product and avoid the waste of materials. Monitoring system installation and maintenance easy, stable, and reliable.
Keywords：PLC；sensor；weighing instruments；solenoid valve
目录
第1章绪论 (1)
1.1引言 (1)
1.2 包装机械行业的现状及发展趋势 (1)
1.3 本设计所需完成的任务 (3)
第2章设计方案论证 (4)
2.1 概述 (4)
2.2设计方案论证 (4)
2.3 自动包装总体设计结构 (6)
2.4 自动成品包装工作过程 (7)
第3章硬件设计 (9)
3.1输入/输出量系统分析 (9)
3.2 PLC的选型 (10)
3.3 扩展模块的选型 (12)
3.3.1主机与模块的连接图 (13)
3.3.2主机与模块之间的编址 (13)
3.3.3 I/O地址分配 (14)
3.4系统硬件的选型 (15)
3.4.1称重仪表的选型 (15)
3.4.2称重传感器选型 (16)
3.4.3光电传感器的选取 (17)
3.4.4 变频器的选取 (18)
3.4.5执行器的选取 (20)
3.4.6电机的选取 (22)
3.4.7按钮的选取 (23)
3.4.8指示灯的选取 (25)
3.4.9通信协议的选取 (26)
3.5电器控制系统原理图 (28)
3.6 PLC与模块外部接线图 (30)
第４章系统软件设计 (31)
4.1 包装生产线工艺流程 (31)
4.2 程序控制逻辑 (32)
4.3 缝包流程图的设计 (33)
4.4 传输流程图设计 (34)
4.5 PID算法 (34)
4.6 系统梯形图设计 (36)
第5章总结 (46)
参考文献 (47)
致谢 (48)
附录Ⅰ (49)
附录Ⅱ (56)
第1章绪论
1.1引言
随着科学技术的迅猛发展，生产力水平的不断提高，人们对降低劳动强度、改善工作环境同时重视起来。

石油化工、化肥、粮食等行业对包装质量和劳动效率的要求也日益提高，从而促进了这些企业的现代化改造。

而传统的人工包装由于其生产效率低下而成为这些行业产量和包装质量提高的巨大障碍，已不能满足现代化大生产的需要。

用户为了便于产品的运输和存储，对包装要求更加严格，包装已成为企业升级和获得经济效益的关键因素，因此尽快提高产品的包装质量，是这些行业的迫切任务之一，也是用户对这些行业的要求。

国际上日本NEWLONG、英国BL、美国ORY等公司掌握了包装先进技术。

目前国内全自动包装控制设备主要依靠进口，国产设备生产厂家较少，市场呼吁国产化的全自动包装生产线。

在新的世纪, 随着我国各项事业的蓬勃发展以及知识经济所面临的机遇和挑战, 包装控制机械必将发挥越来越重要的作用, 为国民生产产生不可估量的经济效益。

1.2 包装机械行业的现状及发展趋势
（1）我国包装机械行业现状
我国包装机械工业是改革开放以后才发展起来的，由于起步较晚，大部分设备都是通过引进国外设备，进而消化吸收研制出来的，很长时间都没有形成一个独立的行业，20世纪80年代初，我国政府发布的机械产品目录还没有包装机械这一门类。

70年代中期以前，我国商品包装的技术和设备相当落后，大多数食品企业都采用作坊式生产、手工包装和散装销售，仅有糖果、烟草等几个领域采用机械包装，但是设备结构简单，技术落后。

行业从无到有，从小到大，逐步发展壮大，经过20多年的努力，我们在依靠自己力量的同时，积极吸收国外的先进技术，包装机械工业在包装机械化、自动化方面已取得了世人瞩目的进步，初步形成了包装机械研究、设计及制造的独立体系，设备在数量、品种、水平等方面均有较大发展，成为了我国机械工业十大支柱产业之一，堪称“朝阳工业”。

同时，在全国行业广大企业、科研单位技术人员及行业行业工作者的共同努力之下，新技术、新产品日益涌现并转化为生产力。

但是，我们离国际水平还存在很大一段距离，尤其是在包装设备科技含量上
的差距更大，这使得我国在建材工业、粮食加工工业、冶金、化工等需要包装活动的行业不能摆脱繁重的体力劳动，因而这些行业劳动生产率低下、生产成品高、产品质量不稳定、物料浪费严重，能源耗费高，严重困扰这些行业的发展。

（2）目前我国包装机械行业发展的共性问题
产品质量差距：产品质量是关键，我国的包装设备基本是由国外引进消化吸收的，外观相似，但用起来却大不一样。

产品技术差距：目前国外的发展趋势是智能化，远程操作与控制，尽管我国已经开始研制，但与国外先进技术水平相比还存在很大差距。

产品品种差异：目前我国包装设备1700多种，而国外有3000多种，差距主要表现在较高水平和高超水平产品上，低水平的产品差距不大。

虽然存在这些问题，但根据全国包装工业统计年报显示，我国包装工业总体发展情况正常，发展速度较快，结构调整出现一定变化，包装工业整体实力得到进一步增强。

高起点企业少，低水平重复多：由于我国包装机械行业存在国有、集体、私营等不同性质的企业，在资金、设备、技术力量上相差悬殊，起点也高低不同。

总体趋势是高起点的较少，大多数企业在低水平设备上徘徊。

比如较为简单的自动封口机，一个地区就有近百家企业在生产，规模都不大，近二十年都没有多大变化，只是由于实行了专业化生产而使生产成本大大降低了。

低水平重复生产造成的严重后果是扰乱市场、技术倒退、企业自杀、行业受损等。

低价竞争严重，利润空间小：一些出口企业发现国外市场的一些商机时往往一哄而上，为了争抢客户而不顾一切地降低价格，不但无利可图，还有可能导致国外将我们的产品作为反“倾销”调查对象。

一些包装机械的生产企业很多低价竞争造成偷工减料，降低钢号，以致耐磨损、耐腐蚀性能大大降低。

有的企业只是在别人后面跟进，看什么设备好做，别人在什么设备上赚钱就仿造什么设备，以致引起市场混乱。

尽管市场需求较大，但由于同一地区大量重复生产，造成低价激烈竞争，利润空间较小。

3、国外包装机械行业现状
在上世纪50至70年代，电子技术和合成化工的迅速发展，对包装机械产生了很大的影响，出现了一系列以采用合成材料为包装材料的新包装工艺及设备。

如机电密切结合的高速化自动包装机，调整操作方便的多功能包装机和劳动生产率极高的自动包装线的大量出现，使包装机械在生产业机械中成为瞩目的一个领域。

日本在那个时期的包装机械每年平均增长率达20％，进入稳定发展的80年代，增长率仍然高于10％。

80年代，各发达国家为了维护本国包装机械市场扩大出口能力，积极采用其他领域的新技术(如微电子、激光、热管、新材料等)，80年代成为开创包装机械新局面的关键性年代。

欧美国家的包装机械生产，以大、
中型企业为主，以联合经营的方式，扩大在国际市场上的竞争实力。

欧美制造厂在经营上重视展览会上成交和销售，在发展方针上，不太注重本公司产品的品种，而是注重增加在原有品种的基础上继续研究改进性能。

日本的包装机械制造厂则以中小企业为主。

日本最拿手的是微电子技术，用它来控制包装机，达到安全性高、无人操作、高生产率，大大提高了国际市场竞争能力。

美国、德国、日本、意大利是世界上包装机械四强。

综上所述，包装设备是包装行业最重要的配套设备，与人们的生活息息相关，并对国民经济整体结构的发展起着重要的作用。

可以说，只有有人类的存在，就必然有包装机械行业的存在。

目前，人类的科学技术水平人以非常迅速的速度发展着，包装机械工业必定会随着科技的不断进步而持续发展，众所瞩目，包装行业是一个前景非常乐观的行业，新兴的包装机械设备和技术拥有广阔的市场发展空间。

1.3 本设计所需完成的任务
本次尿素成品包装控制系统的设计主要包括：辅料斗、给料装置、称重仪表、下料斗，夹袋装置等若干单元。

尿素经由辅料斗进入料斗，由粗细加料门流入计量称重斗，当达到设计计量值后，加料过程完毕。

计量斗有两只，可分别进行交替称重。

装料时，将自动包装袋套在夹带口上，触发接近开关，夹袋气缸动作，将包装袋夹紧，称重完毕尿素由计量斗交替经下料斗落入包装袋内，随后夹袋气缸收缩，包装袋落下至输送机上，输送到折边缝包单元。

而计量称重部分又进入下一个循环过程。

第2章设计方案论证
2.1 概述
成品包装控制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。

该系统由机械系统(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。

成品包装控制生产线主要应用于化工、粮食、食品及医药等行业中的粉、粒、块状物料的全自动包装。

包装生产线部分实现自动给料、定量称重、供袋、装袋、夹口整形、折边缝口、输送等功能。

2.2设计方案论证
方案1：采用单片机作为核心部件的包装系统。

单片机内部资源比较丰富、性能全面、通用性强、可履盖多种应用需求。

单片机的用途很广泛，外加简单的接口电路及编制不同的应用程序就可实现不同的功能，因而小到家用电器、电子仪器仪表，大到机器设备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。

本设计以AT89S52为核心部件，外加称重传感器、信号的采集部分、A/D以及转换控制信号的输出等组成。

系统框图如图2.1所示。

图2.1 以单片机为核心的系统框图
方案2：采用PLC作为核心部件的智能化仪器。

基于PLC控制器系统，信号处理时间短，速度快。

PLC经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护，更能满足各个领域大、中型工业控制项目。

系统框图如图2.2所示。

图2.2 以PLC为核心的包装系统框图
方案比较
1、不同厂家的PLC有相同的工作原理、类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进。

这正是PLC获得广泛应用的基础。

而单片机应用系统则是功能千差万别，质量参差不齐，学习、使用和维护都很困难。

2、对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高、可靠性好、手尾少，但成本较高。

3、对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。

最好的方法是单片机系统嵌入PLC的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障，效益也就有保证。

通过以上比较，本次设计为以PLC（可编程控制器）为控制核心的（颗粒型固体物料）称重式自动定量包装系统。

称重式自动包装系统是一个复杂而完整的系统，包括很多的包装工序，其中对物料的自动定量是包装过程的关键，因此本次设计主要侧重物料的自动定量过程，包装封口等包装工序设计。

综上所述本设计采用PLC控制方案设计。

2.3 自动包装总体设计结构
尿素自动定量称重包装工艺如图2.1所示。

其中成品尿素来自散货堆放车间，成品尿素运至包装车间进行包装作业，包装作业完成后，由皮带传输至车皮内。

总体框图如图2.3所示。

图 2.3 自动定量称重包装工艺流程
在生产流程中，除套袋卸料为人工作业外，所有工位均为机械化作业。

尿素包装工艺流程是进行设备选型和机组布局的依据。

2.4 自动成品包装工作过程
图2.4 尿素包装生产线工艺流程图
1、给料工位
给料工位由可移动料斗和辅料斗组成。

由耙料小车将成品尿素装入可移动的料斗，然后可移动的料斗沿一条直线往复运动，将其中的尿素下落到辅料斗中。

为安全起见，辅料斗中的尿素到达一定高度时，向控制系统发送“物料超量”信号。

若控制系统收到“物料超量”信号，则可移动的料斗停止向辅料斗内加料。

2、称重工位
自动定量称重包装称是包装生产线的关键设备之一。

称重工位主要由粗细给料装置、计量称、下料斗组成。

计量称安装在辅料斗的下面，分A、B两个称量斗，由辅料斗下来的尿素经过粗细给料装置自由分配到两个称量斗内，先到达预设值的称量斗进料口关闭，若两个称量斗同时到达预设值，则A优先，当检测到套袋完成信号则卸料口的电磁阀动作，卸料口的气缸动作把称量斗内的尿素卸入
袋中。

卸料完毕后卸料口闭合，同时向控制系统发送“卸料结束”信号。

称斗上装有两个称重传感器，称斗的质量信号直接由该传感器组转换成为之对应的电压信号，把处理后的信号送入称重控制仪表进行数据处理，当达到与预定值时，控制仪表输出信号给PLC，PLC控制粗细加料门的气缸停止进料，然后PLC控制开下料斗门。

系统采用二级给料方式，先把粗细给料口都打开，用短时间加入额定重量的90%-95%。

然后细给料，细给料流量小，为额定重量的5%-10%。

这样即可保证速度，又可以保证精度。

3、输送工位
称重完之后，装完尿素的包装袋落下，输送工位的气缸动作，加紧袋体及袋口，将其传送至折边缝包单元。

4、折边缝包工位
折边机有一个弧度，物料运送至折边机处，袋口自动卷过来，然后送至缝包机处，缝包机两侧各有一个传感器，传感器1检测到包装袋过来，缝包机就开始工作，当传感器2检测到信号消失后，缝包机停止工作，同时给控制系统一个“缝包完”信号。

若控制系统接收到“缝包完”信号，紧接着给切线电磁阀一个信号，延时一段时间后，使包装线拉直，切线气缸动作，将包装线切断。

5、传输工位
缝包之后，到达传输工位，此处有一个带有弧度的距离袋口有20公分的斜杠，物料到达此处时碰到斜杠自然倒下，再经过一个90度的带有旋转轴的弯道将包装好的尿素顺长输送到皮带上，最后运送到站台装车。

在包装过程中，自动完成称重、装袋、缝口、输送等多个动作，动作多，运动复杂，而所处工作环境恶劣(高温、振动、粉尘)，这就要求控制系统具有很高的可靠性、良好的节能措施、很强的故障诊断能力，确保生产的稳定运行。

由于包装生产线的各种控制为开关量，而目前流行的PLC具有结构小巧、运行速度高、通用性好、可靠性高等特点，非常适合于工业现场的高温、振动、粉尘等恶劣环境下的开关控制。

所以选用PLC作为控制系统的核心部件。

本设计自动包装自动生产线动作关系复杂，I/O点数较多，以开关量控制为主，选择德国西门子公司的PLC为控制核心部件。

第3章硬件设计
3.1输入/输出量系统分析
在包装过程中，完成称重、夹袋、装袋、缝口、输送等多个动作，动作多，运动复杂，而所处工作环境恶劣(高温、振动、粉尘)，这就要求控制系统具有很高的可靠性、良好的节能措施、很强的故障诊断能力，确保生产的稳定运行。

由于包装生产线的各种控制为开关量，而目前流行的PLC具有结构小巧、运行速度高、通用性好、可靠性高等特点，非常适合于工业现场的高温、振动、粉尘等恶劣环境下的开关控制。

所以选用PLC作为控制系统的核心部件。

本包装自动生产线动作关系复杂，I/O点数较多，以开关量控制为主，根据系统控制要求，本设计是两条生产线控制。

本设计输入点数为13个，输出点数为15点。

本系统输入输出信号如表3.1所示。

表3.1 输出输入信号分析
3.2 PLC的选型
可编程序控制器(Programmable Controller)简称PLC，为了避免同个人计算机（Personal Computer，简称PC）混淆，现在一般将可编程序控制器简称为PLC （Programmable Logic Controller）。

PLC从诞生至今已有30多年，发展势头异常迅猛，已经成为当代工业自动化领域中的支柱产品之一。

特别是随着计算机技术和通信技术的发展，PLC的应用领域逐步扩大，应用前景十分看好。

严格地讲，至今对PLC没有最终的定义。

PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。

其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。

目前国内使用的PLC以国外产品居多。

美国是PLC的发源地，以大中型机为主，功能完备，单机价格高，GE公司、MODICON公司、AB公司是其代表。

日本的PLC以中小型机为主，价格便宜，典型代表为OMRON公司、三菱（MITSUBISHI）公司的产品。

德国SIEMENS公司的产品以可靠性高著称，其主要产品有S5、S7两个系列，包括了从大型机到小型机各个型号，在国内使用广泛。

本设计选用S7-200为控制核心，其许多功能达到大中型PLC水平，而价格和小型PLC一样受到广泛关注，特别是S7-200 CPU22*系列PLC由于它具有多功能模块和人机界面可供选择，所以系统集成非常方便，并且很容易组成PLC网络。

使得在完成控制系统的设计时更加简便，速度更快，具有极强的通信能力，几乎可以完成任何功能的控制任务。

通过综合考虑尿素成品包装控制系统的多方面要求以及对输入输出点的确定。

本设计采用S7-CPU224CN(6ES7 214-1BD23-0XB8)，采用继电器输出方式，输出电流为2A。

本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。

CPU供电方式有两种，直流24V和交流220V。

输出方式包括晶体管输出方式和继电器输出方式。

主机集成有24V直流电源，用于传感器和执行机构供电。

13K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID控制器。

1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

I/O端子排可很容易地整体拆卸。

是具有较强控制能力的控制器。

CPU224的具体实物图如图3.1所示：
图3.1 CPU224的具体实物图
图3.2是CPU224的输入输出单元的接线图。

14个数字输入量是I0.0—I1.5，每个外部输入的开关信号均由个输入端子接入，M接地，L+端子作为输入的公共端提供24V传感器电源，可以作为传感器的电源输出，也可以作为输入端的检测电源使用。

十个数字输出量为Q0.0—Q1.1，每个负载的一端与输出点相连，另一端经电源与公共端相连，输出端的L1提供220V电源。

3.3 扩展模块的选型
当CPU的I/O点数不够时或需要进行特殊功能控制时，就要进行I/O扩展。

I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。

不同的CPU有不同的扩展范围，主要受到CPU功能的限制。

由于本设计有13个输入信号，15个输出信号。

而CPU224只具有14输入/10输出的数字量信号，故不能满足本设计的要求，需要扩展输入/输出模块，所以选用1个8点DC输入EM222（6ES7 223-1BH22-0XA8）模块。

EM222的外部输入和主机一样。

需要将L端接到主机L+端，M端接主机M端。

输入电路的电源也可由外部供给，有的可以由内部供给。

外部供给能提高输出继电器的寿命。

扩展模块EM222的技术参数：
输出特性：8点输出
输出电压：最小输出电压24V DC
输出电压：允许范围20.4－28.8V DC，额定值24V DC
输出电流：0.75 A
额定负载电压L+/L1：24VDC
其实物图如图3.3所示：
图3.3 EM222扩展模块实物图
扩展模块EM222的外部接线端子如图3.4所示：
图3.4 EM222的外部接线端子图
3.3.1主机与模块的连接图
本设计主机为CPU224XP与扩展模块EM222之间的连接，它们的连接方式如图3.5所示。

3.3.2主机与模块之间的编址
主机与各模块的I/O编址如表3.2所示：
表3.2 I/O编址
3.3.3 I/O地址分配
PLC及扩展模块的CPU224主机提供的本机I/O地址是固定的，编址方法是同种类型的输入或输出点的模块在链中按主机的位置而递增，其他类型模块的有无以及所在的位置不影响本类型模块的编号。

本设计的地址分配如下表3.3所示：
表3.3 I/O地址分配
3.4系统硬件的选型
3.4.1称重仪表的选型
称重仪表采用日本UNIPULSE F800重量控制显示器,F800具有自校和监视等功能以保证自动称量系统的可靠性。

由于采用三次给料控制、自动落差修正和排料控制，F800型称量控制器是一种能达到更高精确度的有效仪器。

F800采用的RS232C和RS485的通信接口、并行式BCD码输入/输出接口、模拟输出、特制的PLC接口等选择方式。

F800中采用标准的SI/F双线式串行接口。

能方便地与任何一种型号的打印机、远程显示器和定值仪器进行通信，也可选择SI/FⅡ型接口把多个指示器和多台打印机、显示器和转换器连接，一个这种的高速环路可连接多达20台设备。

称重仪表组成框图和工作原理如图3.6所示：
图3.6 称重仪表组成框图
重量当前值取自称重传感器，并将其转换为0～5V的直流电压信号，传给F800的模拟输入口，PLC则根据程序向电磁阀输出信号，使气缸动作，控制物料的进出，从而控制料斗内物料的重量。

F800具体的性能指标如下表3.4所示：
表3.4 F800的性能指标：。