基于PLC的全自动包装码垛生产线控制系统设计

基于ＰＬＣ的全自动包装码垛生产线控制系统设计

刘　轩，朱明靖，郁　炜

摘　要：在当今自动化程度越来越高的工业生产当中，包装码垛生产线的全自动化技术一直是一个较难解决的问题。大多数工厂只能完成部分自动化包装码垛，无法实现整条流水线的全自动化生产。本设计课题研究的内容及重点主要集中在两个方面，首先基于编程控制器（ＰＬＣ），实现了整条生产包装码垛流水线的一体化操作，其次是实现了人机界面控制，利用ＭＣＧＳ组态软件环境与ＰＬＣ的连接通信，实现了整条生产流水线的全自动控制。本设计设备具有操作简易，运行可靠性较高以及方便维护等优点。关键词：ＰＬＣ　；包装码垛生产线；　控制系统

（衢州学院，浙江 衢州 324000）

基金项目：２０１８国家级大学生创新创业训练计划项目。

作者简介：刘轩（１９９７－），男，浙江衢州人，研究方向：电气工程及其自动化。

当今生产工业的飞速发展离不开自动化控制的普及。在全国施行“机器换人”的政策形势之下，浙江省更是在近几年大力推行该项政策，并运用于各大机械和制造等行业中。如今PLC 在工业生产中所占比例越来越高，它高速的计算力与稳定性极大地提高了生产力，创造了不可低估的效益。在新的发展形势下，全自动化包装码垛生产线技术将变得越来越重要，可为国家的工业生产带来不可低估的利处。而建立基于PLC 为基础技术的包装码垛生产线，不仅成本低，其控制系统操作简易，而且自动化程度相对较高，从而可以大大地改变从前生产效率低下的困境。

１　包装码垛生产线的机电一体化系统

包装码垛全自动生产线主要分为机电与传感器两个部分。机电部分又由气动及真空系统与光电检测系统组成。传感器部分由光电开关与金属检测传感器组成。其系统组成结构如图1

所示：

图１　机电一体化系统

１．１　气动及真空系统

气压传动是近几十年被广泛应用的一种传动方式，压缩空气作为其介质用于能量传递。气压元件具有结构简单，易加工，寿命长，维护方便的特点，用空气做介质，来源简单方便，用后直接排放，不污染环境。在本课题设计的全自动化包装码垛生产线装置中，气动装置主要用于电子自动称重机、装袋等环节中，具有重要的协调控制作用。

真空系统由真空泵、PLC 程序控制系统、储气罐、检测器、真空阀门、境外过滤总成组成。其中真空泵是真空系统的最重要的部分，也是密封环节最为关键的组成部分。这个部分不仅提供真空动力源，还控制真空部分线路的通断控制。检测器在真空防漏与真空压力方面承担检测功能，在检测阶段结束后发出相应的装卸料信号。１．２　光电检测系统

光电检测系统主要由光源、光学通路、光电元件和单

片机四部分组成。光电检测电路把被计数的产品物体变化变成电信号，由显示计数电路计数，再由数码显示管显示，并产生相应的电信号给PLC。同时该系统也可以检测杂质，实现码垛装置的自动控制，自动报警等功能。１．３　光电开关

本系统选用了型号为E3JK-DS30M1光电开关。主要利用其发射光束后在产品上产生的漫反射，发射器与接收器构成的单个信号接收时间不同，产生开关状态变化，从而产生单个计数信号。１．４　金属检测传感器

本系统选用了型号为SN04-N 金属检测传感器。利用无触点式开关，由振荡器以及放大器组成振荡起振，在感应开关前方产生一个交变磁场。利用金属本身性质，使得金属内部在振荡时产生涡流，进而吸收了传感器所产生的振荡能量，时振荡幅度减小甚至停振使得开关达到反转。再由整形放大器将其转换成二进制的开关电路信号，此时检测完成。

２　包装码垛生产线的ＰＬＣ系统设计

本系统的生产线机械部分主要为：全自动称重、自动包装、传送检测以及包装码垛单元。２．１　主要工艺流程

物料储存罐利用物料斗将物料送入给料装置，当称重传感器达到预设重量时，称重单元给出停止供料信号，当前次称重环节结束，与此同时包装部分收到来自称重单元的传输信号。称重完成后的信号同时会传送给自动装袋部分，在接受到输入信号之后，控制卸料门的电机开始运行。打开卸料门，让称重完成的物料倒入提前预备好的物料袋。当物料倒入完毕后，卸料门电机反向运行，关闭打开的卸料门。与此同时，装料完毕的包装袋经过推袋机械动作，将袋口推送到封口装置下。封口装置利用光电开关进行校准，当物料袋到达预定位置后，缝口机械装置开始动作。缝纫完成后，由自动切线机完成缝纫线的切断，物料袋继续向前运输。在这之后，物料袋还会经过两个检测装置，分别为金属、重量复查。在金属检测和重量检测两个环节中，当有任何一个环节检测不合格，对应的物料袋将由传送带上的剔除装置进行剔除。合格的包装袋继续通过，之后在传送带上被传送到码垛单元，由码垛单元中的机械臂完成自动码垛。码垛工艺按照“2袋竖一3袋横”和“3袋横-2袋竖”循环做转位处理，一般以8层为一垛。当码垛完成后，将有叉车送出玛多曲。码垛装置的托盘及托盘仓和相应的托盘传送机都由实际程序自动供应。(下转第190页)

保了两级计划的有效串接。

对于项目执行，也制定在线报工，分级调整的策略，以实现项目计划点检的自主化和计划的严肃性。 

３．３　规划项目计划的逐级预警

SAP系统不具备主动提示功能，与公司常用通讯软件腾讯通（TXT）建立接口，实现订单项目计划任务的主动提醒功能。同时，针对工作任务等级不同，超期情况不同等情况，设置不同的分级预警机制。实现了由任务负责人、分专项主管、部门经理、项目经理、部门领导、PMO、公司领导等6级预警等级及对应的机制。

３．４　设计项目异常的在线处置流程

规划了项目异常、项目风险在项目管理模块下进行管理，同时考虑SAP系统的文档管理和流程功能较弱，于是明确与BPM（流程管理系统）进行串接，以实现在sap系统中发起，BPM系统中处置、记录。并将计划反馈至sap 中进行预警管理。

３．５　规划项目驱动生产

打通项目管理模块与生产计划模块，实现项目驱动生产。特别在科研项目中，通过科研试制模块下挂物料驱动生产，使科研费用自动归集。同时，在小批试制里，通过下挂物料驱动生产，为项目组驱动生产带来便利，也为后续的成本归集奠定基础。

除以上重点外，对项目结构搭建、项目发运、项目关闭等也进行了蓝图规划。４　信息化实现及运行优化

在以上蓝图基础上，以SAP既有模块为基础，进行个性化、接口、报表开发。通过单点测试，串接测试等多次，多维度测试，实现系统满足预期蓝图设计需求。并通过操

作手册编制、上机培训、考试等方式，实现相关人员掌握

系统操作要领，独立操作。

系统上线后，选择3个项目上线运行，验证系统实际运行情况。通过验证，基本实现了预期蓝图的功能，根据

使用人提供的意见，对部分预期功能进行了调整，如预期

项目全部工作任务上线管理，但由于运行了预警功能，使

用人反馈提醒和提示太多，报工任务繁多，无法体现重点。调整为对重点任务、关键路径上的任务、里程碑任务进行

上线管理和预警。

５　实施效果

（1）实现了全生命周期的项目管理信息化，实现了科研项目与订单项目的融合管理。为企业后续的管理融合和

升级预留空间。

（2）实现了项目计划的在线管理，兼具预警提醒功能，强化了计划的严肃性，提高了项目计划执行效果。

（3）首创项目异常、风险BPM流程与SAP系统融合，实现项目异常、风险过程数据的积累，有利于知识管理。

实现了项目驱动生产，提高了项目投产的效率和自主

性，有效归集项目成本。

（上接第188页）

２．２　程序控制逻辑

（1）全自动称重控制逻辑。当物料开始倒入称重漏斗时称重仪器开始记录重量，达到预设重量值时，物料挡板

关闭，称重仪器传输模拟信号给PLC，PLC接收到重量达标模拟信号时传输运作信号给传送带控制电机，电机运动，

物料进入自动装袋装置，进行装袋封口，随后接触到传送

带进行运输。传输电机运作信号只需要一次，之后便进入

运行状态，直到接收到PLC给出的停止信号。

（2）杂质检测控制逻辑。当物料袋通过金属检测传感器，如果发现袋中含有杂质物体，检测传感器亮红灯并发

出警报。含有杂质物料袋将由自动捡选机器控制传送带上

的挡板进行剔除。合格的物料袋会继续前进运输到下一个

环节。 

（3）码垛系统控制逻辑。在杂质检测传感器之后装设光电门，每有一个合格物料袋通过，传感器给PLC一个输

入信号，PLC计数。码垛要求按照“2竖—3横”进行码垛，每垛8层。PLC计数控制，2个竖放，再3个控制机械爪放置物料袋前旋转90°。当8层堆叠达到时，PLC输出一个

换垛信号给推送机器，开始新的码垛堆。

３　ＭＣＧＳ人机交互

本系统选用了昆仑通态公司TPC7062Ti型号的MCGS组态软件。本组态软件采用的是嵌入版，具有操作方便、功

能完备、可视性好、可维护性高等特点。并能提供形象生

动的模拟实物动画画面：利用图形及实物仿真图，为实际操作员提供相应的实时信息，可使工人远程控制流水线，远离恶劣工作环境。

该人机交互界面可以实现对整条包装码垛流水线的实时监控，包括监控物料倒斗，设定倒斗质量，各传感器工作状态检测，光电开关计数等。在操作界面设定预设值后系统就可开始工作。当物料经过金属检测传感器并检出杂质时，传感器亮灯警报。光电计数开关在传送带部分与码垛机械臂运行部分，用于对物料数量进行检测。

该人机交互界面，可以实现即时数据收发与修改，使该系统的控制变得更加简便，提高生产效率。

４　结语

该设计是基于PLC的全自动包装码垛生产线控制系统设计，PLC控制技术在该设计中是重要的核心。其中实现全自动控制是本设计的重点要求，为了完成这个目的，在基于PLC技术的基础上，结合了现场总线以及各类机电一体化技术。从而完成了设计的全自动包装码垛生产线的工艺过程及其动作流程。与此同时，完成了生产线控制系统的硬件和软件设计以及调试，让该系统能够按照预期的目

标正常地运作。

参　考　文　献

［１］张万忠．可编程控制器入门与应用实例［Ｍ］．北京：中国电力出 版社，２００５．

［２］李全利．可编程序控制器及其网络系统的综合应用技术［Ｍ］．北 京：机械工业出版社，２００５．

［３］杨有粮．基于ＰＬＣ双传式清污机自动控制系统［Ｊ］．给水排水， ２００５．