包装机电气系统设计与制作

目录
引言 (1)
1绪论 (2)
1.1课题研究背景 (2)
1.2国内外食品包装机的研究状况及发展趋势 (3)
1.2.1国产食品包装机的发展情况 (3)
1.2.2国外食品包装机的发展状况 (4)
1.3课题研究的目的及意义 (5)
2立式食品包装机电气控制方案设计 (6)
2.1立式食品包装机的工艺流程 (6)
2.1.1结构原理图 (6)
2.1.2系统工作循环过程 (6)
2.2系统设计主要任务 (7)
2.3设计要求 (8)
2.4方案设计 (8)
3立式食品包装机电气控制系统主回路的设计 (9)
3.1包装机主电路设计 (9)
3.2主要电器设备计算及选型 (9)
3.2.1立式食品包装机的主要电器设备 (9)
3.2.2主电机电气控制线路设计及设备选择 (17)
3.2.3打码机电气控制线路设计及设备选择 (18)
3.2.4加热器电气控制线路设计及设备选择 (19)
3.2.5三相电源线路和控制线路设计及设备选择 (20)
3.5.2三相电源线路主要设备的计算和选择 (21)
4立式食品包装机电气系统控制系统设计 (23)
4.1可编程控制器（PLC） (23)
4.1.1 PLC的构成及各部件的功能 (23)
4.2AD模块FX2N-4AD (24)
4.3电源电压欠压和过压保护的实现 (27)
4.3.1电压变送器 (27)
4.3.2欠压、过压、过流保护的实现 (27)
4.4过流保护 (29)
4.4.1电流变送器及电流互感器 (29)
4.4.2过流保护梯形图 (30)
4.5温度自动控制 (30)
4.5.1温度传感器 (30)
4.5.2温度自动控制梯形图 (31)
4.6计数器与显示模块设计 (32)
4.6.1 LED数码管 (32)
4.6.2计数器与显示模块的设计 (33)
4.7立式食品包装机电气控制PLC程序设计 (34)
5安装与调试 (35)
5.1安装要求 (35)
5.2安装前准备工作 (35)
5.3安装 (36)
5.4线路检查与调试 (37)
6结论 (40)
谢辞 (41)
参考文献 (42)
附录1 (43)
附录2 (44)
附录3 (45)
附录4 (47)
引言
包装行业是直接为提高人民生活质量服务的新兴行业。

随着社会的发展、人民生活水平的提高，人们对产品的包装质量提出了越来越高的要求。

其中，与人民生活密切相关的粉粒状物料，如食盐、味精等日用食品，麦片等营养食品，都要精确的定量包装。

这些物料如果用手工定量包装，劳动强度大，速度慢，经济效益差。

此外手工包装往往不能满足卫生要求。

因此，需要采用包装机械。

包装机械是现代包装工业的基本设备。

包装机械是使产品包装实现机械化、自动化的根本保证。

它能够大幅度地提高生产效率；降低劳动强度，改善劳动条件；保护环境，节约原材料，降低产品成本；有利于被包装产品的卫生，提高产品包装质量，增强市场销售的竞争力；由于包装机械的计量准确，产品包装的外形美观、整齐、统一、封口严密，提高了产品包装的质量，增强了产品销售的竞争力，可获得较高的经济效益；延长产品的保质期，方便产品的流通。

包装机械保证包装产品质量高、生产效率高、品种多、生产环境好、生产成本低、环境污染小，因而获得较强的市场竞争能力，带来巨大的社会效益和经济效益。

近年来随着食品市场需求的不断变更，我国食品包装机械得到了飞速发展，包装机械向机电一体化、智能化、自动化方面发展。

当前包装机械的设计和制造水平也在不断提高，特别是自动控制技术、检测传感技术和电子技术的发展，促进了包装机械的控制系统发生了巨大变化，变频调速技术、可编程序控制技术、温度控制技术等在包装机械中的应用越来越广泛，使包装机械向着高效率、高自动化和高质量的方向发展。

1绪论
自动制袋充填食品包装机采用卷筒式包装材料，在机上实现自动制袋、充填、封口、打印、计数等全部包装工序。

适用于粉状、颗粒、块状、流体及胶体状物料的包装，特别以小食品、颗粒冲剂、速溶食品的包装应用最为广泛。

按总体布局分为立式和卧式两大类。

下面我们以食品包装中应用最多的立式连续制袋三边封口包装机了解食品包装的发展过程。

1.1课题研究背景
我国食品工业发展迅速，“十五”期间发展速度达到18%-21%。

食品包装机械形成行业已20 多年，相对于食品工业，还是一个新行业。

这20多年来又是世界技术发展最快的时期，新技术不断在行业上应用。

而国内行业的基础薄弱，技术及科研力量不足，其发展相对滞后，在某种程度上拖了食品和包装工业的后腿。

总体发展虽然较快，但食品及包装工业发展更快。

2005 年，食品和包装机械工业总产值约为620 亿元，而国内市场需求达到850亿元，预计到2010年，国内行业总产值可达到1300亿元（现价），而市场需求可能达到2000亿元。

这个市场的空间将会引来国外设备填补。

“十一五”规划的目标是要缩小这个空间，为食品工业赶上世界先进水平，为“包装大国”向“包装强国”迈进，提供先进的技术装备，让进口设备在国内市场上只起到拾遗补缺的作用。

这就要求国内食品和包装机械的年发展速度超过18%，新产品产值率达到25%。

目前，世界经济发达国家对包装机械的研发十分重视，集机、电、光、声、磁为一体的高新技术产品不断涌现。

生产高效率化、资源高利用化、产品节能化、新技术实用化和科研成果商业化，已成为世界各国包装机械发展的趋势；这也是我国包装机械业的发展方向。

对于我国的包装机械生产企业，并不是求大求全，而应是求精求专。

美国、日本、意大利的包装机械生产企业大部分规模不大，但专业化程度很高，这是值得我们借鉴的。

当前我国食品和包装机械的一个突出问题是新产品开发周期长、模仿多、创新少，这不仅与设计人员的技术水平有关，也和相关行业的发展有关。

国际先进的作法是运用仿真技术，由计算机自动合成三维模型，将过去曾经发生过的生产线故障数据输入计算机，即可演示实际工况，在用户面前根据需要进行修改。

计算机合成速度快，修改工作迅速方便，如果用户的某些要求达不到，计算机也会告诉你，免除以后的纠纷。

由计算机完成的仿真技术，缩短了包装机械（生产线）的设计周期，客户的满意度也大大提高。

随着中国经济高速发展以及人们生活质量的提高，国内对于微波食品、休闲食品及冷冻食品等方便食品的需求量不断增加，这将直接带动相关食品包装的需求，令国内食品与包装机械业可在较长时间内维持增长。

同时，消费者对食品及其包装要求正在不断提高。

目前，食品包装机械的研发正朝
着高速、多功能化及控制智能化的方向发展，以适应市场需求。

为满足交货期的要求和降低工艺流通成本的需要，未来食品包装机械要求能够进行高速生产。

同时对一些产品，还要求包装机械和生产机械相衔接，还可采用连续工作或多头工作方式。

此外，还必须降低废品率及故障率，使正常的生产率得以提高，发展趋势是使包装机械进一步智能化。

现代消费者追求食品口味的丰富性，食品生产趋向于多品种、小批量。

与此相应，具有多种切换功能，能适应多种包装材料和模具更换的包装机才能够适应市场的需求。

为使包装机械具有良好的柔性和灵活性，提高自动化程度，须大量采用微电脑技术、模块技术和单元组合形式。

例如，德国生产的制袋真空包装机，可集制袋、称重、充填、抽真空、封口等多种功能于一体，方便快捷。

目前，国内食品厂的大部分包装工作，特别是较复杂的包装物品的排列、装配等工作基本上是人工操作，这可能造成被包装产品的污染。

这种状况极需得到改变。

今后，工业机器人、微电子、电脑、智能型和图像传感技术也将会得到越来越广泛应用,促使包装机械日趋自动化。

1.2国内外食品包装机的研究状况及发展趋势
1.2.1国产食品包装机的发展情况
改革开放以来，食品包装机械行业通过引进、消化、吸收和自主创新，已经生产出了可以替代进口的灌装机、制袋充填封口包装机、热收缩包装机、贴标机、打码机、喷码机、真空包装机、多功能枕式糖果包装机、高速PET吹瓶机等。

如今我国的食品包装技术正在成为一项跨学科的系统工程，一批国产品牌的食品包装机械已经达到或正在努力赶超世界先进水平。

包装材料的国产化使国产制袋充填封口机的技术也逐渐成熟起来，其中卧式和立式自动制袋装填封口包装机在包括饼干在内的食品包装上立下了汗马功劳。

制袋充填封口包装机的发展经历了从单边封到两边、三边或者四边封，控制技术从初级到高级的发展过程。

现在的国产制袋机性能已经比较稳定，自动化程度有了不断的提高。

如配备了光电检测系统，实现光标的准确定位，保证了包装封口和剪切工序的精度。

为了防止含水多的饼干氧化变质，在食品包装机上还增添了充气的功能，通过注入氮气或者二氧化碳和氮气的混合气体，防止了微生物的生长，这些气调包装技术显著地提高了饼干类点心的保质期。

国产的制袋、充填、封口包装机还在糕点类的食品如蛋糕、年糕、桃酥、月饼以及颗粒、片状食品包装中得到了推广应用。

为了满足我国品种繁多的食品包装的需求，30年来，包装行业相继开发出了包装托盘的半自动热收缩包装机；包装液体食品的液体食品软包装机；包装颗粒食品的颗粒包装机；包装酱状食品的酱状包装机；包装药品、保健食品的泡罩包装机；包装油炸膨
化食品和油炸土豆片的真空包装机和充氮包装机以及吸塑包装机等。

食品包装机械行业初步形成了品种多、门类比较齐全的行业格局。

特别是最近10年，伴随世界食品包装机械技术水平的不断提高，中国的食品包装机械行业通过借鉴国际先进技术，对现有的包装机械进行技术升级和创新，促使国产包装机械又上了一个档次。

比如立式袋成型充填封口设备改变了单一品种和单一功能，实现了在同一台设备上除了可以完成包装成型、物料的充填封口等工序外，还可以完成液体、黏稠流体、粉体、颗粒状等多种类食品物料的包装。

在计量和充填装置方面，各种计量和充填技术得到了应用。

如根据物料的性质，分别采用称重法计量和充填、螺杆法计量和充填、容杯法计量和充填、记数法计量和充填、液体法计量和灌装。

为了提高不规则物料的充填精度，近年来计算机技术在固体计量充填包装机上得到了推广，组合式定量充填包装技术即电脑组合秤的应用大大的提高了充填速度和充填精度。

1.2.2国外食品包装机的发展状况
国外食品包装机械设备的技术水平普遍比较高。

微电脑广泛用于生产过程的自动控制。

国外包装机械采用计算机控制工序和加工程式化，并配备各种参数计量装置，使包装、计量检测一机完成。

设备材质好，生产中卫生和质量有保证。

设备一般都采用不锈钢制造，并十分重视空瓶、实瓶和自动检验设备的原地高速、高效清洗等，以保证产品质量达到高度卫生。

国外的食品包装与分装新方法有：小型商用集装箱和塑料薄膜食品包装。

小型商用集装箱是一种便于食品用机械装御、搬运和仓储的装货箱子。

它的特点是有统一的规格标准，以适应机械与自动化的需要，同时又便于食品的出入库，便于清点箱内货物的数量。

有足够的强度，可以反复周转使用，并能保证食品的安全。

塑料薄膜食品包装。

在国外，随着塑料机械工业的发展，塑料薄膜作为内包装应用日广，除常见的塑料薄膜袋外，最近又有以下几种新的塑料薄膜包装方法：热缩包装。

热缩薄膜一般很薄，透明度好，顾客可以直接观察食品。

例如可以包装一只冻鸡，一袋冻肉，一袋冻鱼等。

热缩包装除具有运销方便，透明度好，外观好看，包装牢固，减少包装体积，保持清洁等优点外，其所用的包装机械设备也比较简单。

目前，在国外这种包装方法很流行。

充气包装。

在热缩包装内，充以惰性气体，这样可以抑制细菌繁殖，延长食品的保存期限。

真空包装。

用塑料薄膜将食品包好并封口后，再把里边的空气用真空泵抽出。

这样可以防虫，防腐，防潮，使食品不易变质。

自动化真空包装机已在国外广泛使用。

国际上包装和食品机械的发展是以大客户的要求为目标，带动相关机械的发展。

大客户的要求主要体现在以下方面：
一是对生产效率要求越高越好。

这样可以降低产品的成本，满足交货期。

高速包装机要求与前道工序要有相关衔接，不需搬运环节，包括控制衔接，整个生产线按生产及包装工序排列要做到倒序启动，顺序停机。

如冷灌装生产线，从塑料原料自动上线到饮料灌装及大包装码垛全部自动在封闭车间内进行。

二是可适应产品的更新变化。

包装机械要具有很高的柔性和灵活性，生产线允许在一定的尺寸范围内包装物大小可以变化。

因为产品的生命周期远短于设备使用寿命，变更产品及包装不至于更换昂贵的包装生产线。

三是设备常见故障迅速排除。

解决方案预先输入电脑，当设备出现常见的故障时可以自行诊断，亦可实行远程诊断并排除故障。

四是要求具有自动识别功能。

一方面，可以实现自动识别包装材料的厚度、硬度、反弹力等，通过电脑反馈到机械手调整动作幅度，保证不反弹；另一方面，让各种不同的产品，如形状各异的巧克力或点心等，装到同一盒中，其排列是有规律的。

生产线传递的产品是无序的，可用探头扫描，确定不同形状的物料位置，再反馈到不同的机械手，它会准确无误地将物品按准确的位置及方向放入托盘中，快速而且准确，排除人工操作的视觉及手指的疲劳。

五是可以尽量减少环境污染。

减少包括噪声、粉尘污染，并尽量减少废弃物，在食品加工过程中尤为重要。

食品原料在加工时不仅收获主要产品，如玉米加工，产品除了玉米淀粉外，还有玉米油、色拉油、人造黄油、葡萄糖、玉米蛋白及饲料，以及污水处理等生产全过程，均为自动化。

没有废弃物、没有污染，其价值已大大超过玉米淀粉的价值。

1.3课题研究的目的及意义
食品包装中应用最多的是立式包装机。

整机包括几大部分：传动系统、包装材料供送系统、袋成型装置、纵封装置、横封及切断装置、物料供给装置以及监测装置等。

据调查，我国现有制袋-充填-封口食品包装机存在以下主要问题：
（1）包装精度低。

目前我国此类包装机械的包装精度（计量精度）均在±2％～±3％之间，有的还在±3%以上，而国外同类设备的包装精度都在±1％以下，而且稳定可靠。

（2）包装速度低。

目前国产包装机的包装速度，小袋包装在60～120袋／分之间，包装速度超过80袋/分时包装质量将下降；中袋包装为35～60袋/分。

国外设备的包装速度已达到小袋包装为1200袋／分，中袋包装为160袋／分。

（3）封口质量难以保证。

（4）包装机的横封机构运动形式的不合理，将导致封口质量问题。

我国现有一些包装机采用纵横封加热装置一体或传送袋与纵封一体，此封口形式工作速度低，封口质量差；
本文设计了立式食品包装机的电气控制系统，希望可以实现提高生产效率、降低劳动强度、操作控制方便、降低产品成本、实现包装的外形整齐统一、封口严密、适应现代社会的快节奏等，对实现包装机的自动化具有重要的实践意义。

2立式食品包装机电气控制方案设计
2.1 立式食品包装机的工艺流程
2.1.1结构原理图
主电机作为整台机器的动力源，带动拉膜机构，传送装置，袋成型装置等，横封和纵封机构由横封纵封电机带动。

打印功能由油墨打码机实现。

2.1.2系统工作循环过程
当系统进入正常工作状态时，主电机带动拉膜机构，传送装置，卷膜包装材料通过导向辊经成型器对折后，纵封电机带动热封器进行纵缝连续封合。

于此同时，计量装置将计量好的物料充填入袋，然后纵封电机停转，最后由横封电机带动横封辊完成横封和切断成单个成品袋。

完成一次包装，系统循环工作。

图2-2 一次包装流程图
2.2 系统设计主要任务
设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。

硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。

并且把这些元器件焊接在一块电路板上。

它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。

软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。

本文利用PLC控制立式食品包装机电气控制系统。

设计过程中最关键的两个部分：系统硬件的设计和控制软件的编写。

这也是在设计过程中需要解决的最关键的问题。

（1）硬件问题
包装机控制系统的硬件主要有3大部分，即主电路及主电路控制部分、温度检测及显示部分和成品数量统计及显示部分。

主电路部分由电机及其相关的低压控制电器组成，由PLC对低压控制电器进行控制。

温度检测部分主要由温度传感器及温度变送器组成，它对封合温度进行控制，并将当前温度显示出来。

硬件的设计需要PLC、传感器及电机的相关知识。

在解决这一问题的过程中，需要查阅大量资料，结合所学知识，向老师获取帮助。

（2）软件问题
软件设计主要包括温度自动控制和电压、电流监测。

温度自动控制程序是将传感器输入的温度模拟量通过PLC的AD模块转换成数字量，送入PLC与预设值比较，然后控制加热电路的通断。

电压监测程序要通过电压变送器输入当前的三相电压，与预设值比较，
保证电路的正常工作；电流监测程序要通过电流变送器输入当前主电机的电流值，与预设值比较，保证主电机免于过热而损坏。

要对程序进行多次调试，分块编程。

对各个子程序块所解决的问题要相当明确。

最后在制作完成硬件电路板后要调试出设计要求的功能。

2.3设计要求
具体要实现的功能为：
(1) 系统运行在正常工作状态时，食品包装好后统计并显示成品的数量。

(2) 系统运行在正常工作状态时，封口温度能控制在预定范围，并显示当前温度值。

(3) 当系统电压低于0.75倍额定电压时，系统应迅速切断总电源开关。

(4) 当系统电压高于1.15倍额定电压时，系统应迅速切断总电源开关。

(5) 当主电机电路电流高于1.05倍额定电流时，系统应迅速切断主电机电路。

2.4方案设计
本设计按下面思路展开：
根据设计要实现的基本功能，大致可分为信号输入，信号控制，信号处理这三个部分。

(1) 温度信号输入部分通过温度传感器来检测封口温度，并由温度变送器将温度信号转化成标准的电压或电流等模拟量；电压信号输入部分通过电压变送器来监测线路电压，并转化成标准的电压或电流等模拟量；电流信号输入部分通过电流变送器来监测主电机电流，并转化成标准的电压或电流等模拟量。

(2) 信号控制部分是通过PLC控制方式实现对设计要求的准确操作。

(3) 信号处理部分是通过数码管显示温度和成品数量来实现控制部分的要求。

为了能够实现上述功能，输入部分可选用-40℃～350℃的温度传感器、0～500V的电压变送器以及0～5A的穿孔穿芯一体化电流变送器；控制部分选用PLC来实现精确控制；用数码管输出显示。

因此，总的设计思路为：当系统正常运行时，通过光电开关检测有无卷膜包装材料，若连续检测不到，则PLC控制报警动作，并显示当前已包装完成成品数量；封口温度通过温度变送器将当前温度输入PLC的AD模块转换成数字量，然后送人PLC与预设值比较，当加热到预设上限值停止加热，低于温度下限值则加热，并显示当前温度；系统电压通过电压变送器输入PLC的AD模块转换成数字量与PLC内预设值比较，当系统电压大于1.15倍额定电压或小于0.75倍额定电压时断开总电源；主电机电流通过电流变送器输入PLC的AD模块转换成数字量与PLC内预设值比较，当电流大于1.05倍的额定电流时断开主电机电路。

3立式食品包装机电气控制系统主回路的设计
3.1包装机主电路设计
根据要求：主电机有过载保护和短路保护功能；电源有欠压保护和过压保护功能；当电源电压（线电压）小于0.75U N时,要求控制系统产生欠压保护；当电源电压（线电压）大于1.15U N时，要求电气控制系统产生过压保护。

同时要求显示温度和成品计数。

从而主电路设计如下：
图3-1 立式食品包装机电气控制系统主电路原理图
3 .2主要电器设备计算及选型
3.2.1立式食品包装机的主要电器设备
(1)主电动机的选择
电动机（Motors）是把电能转换成机械能的设备，分布于各个用户处，电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。

YCT系列电磁调速电动机是一种控制简单的交流调速电动机，由Y系列三相异步电动机，涡流离合器(又称电磁转差离合器或滑差离合器)和测速发电机组成，通常与JD 系列、TKZ系列控制器(或其他控制装置)组成一套具有测速负反馈系统的交流无级调速驱动装置，能在比较宽广的转速范围内进行平滑的无级调速。

它的结构和原理将在下面
的章节介绍。

我国生产的Y系列三相异步电机具有高效、节能、性能好、振动小、噪声低、寿命长、可靠性高、维护方便、起动转矩大等优点。

Y系列电动机应用于无特殊要求的机械设备、农业机械、食品机械、风机、水泵、机床、拌搅机、空气压缩机等。

Y系列电机容量在4KW以上的都是三角形联结，额定电压为380V，起动时，先将定子绕组接成星形，这时加在每相绕组上的电压是电源电压除以3(约等于220V)。

电机起动后，再改接到三角形联结，此时电机端电压为额定值。

电机起动时接成星形，起动电流只有原来三角形联结的1/3。

但起动转矩也相应降低，因为电机的转矩与所加的电压的平方成正比，所以起动时接成星形，起动转矩也只有原来三角形联结的1/3。

但对Y系列电机而言，因为它的起动转矩大，其平均值为额定转矩的1.96倍，故采用星-三角起动不仅适用与轻载起动的场合，也可用于较重负载起动的场合。

如果Y系列电机容量大于4KW时，应当采用星-三角减压起动方法。

如果Y系列电机容量小于4KW时，则应该用直接启动。

表3-1 电机的型号参数：
功率
（千瓦）（KW）型号
电流
380V（A）
转速转/分
（r/min）
效率%
（n）
功率因
素
（COS）
同步转速1500转/分(4极)50 Hz
0.55 Y801-4 1.5 1390 73 0.76 2.4 6 2.3
0.75 Y802-4 2.0 1390 74.5 0.76 2.3 6 2.3
1.1 Y90S-4
2.7 1400 78 0.78 2.3 6.5 2.3
1.5 Y90L-4 3.7 1400 79 0.79
2.3 6.5 2.3
2.2 Y100L1-4 5.0 1420 81 0.82 2.2 7.0 2.3
3 Y100L2-
4 6.8 1420 82.
5 0.81 2.2 7.0 2.3
4 Y112M-4 8.8 1440 84.
5 0.82 2.2 7.0 2.3
5.5 Y132S-4 11.6 1440 85.5 0.84 2.2 7.0 2.3 7.5 Y132M-4 15.4 1440 85.5 0.84 2.2 7.0 2.3 11 Y160M-4 22.6 1460 88 0.84 2.2 7.0 2.3 15 Y160L-4 30.3 1460 88.5 0.85 2.2 7.0 2.3 18.5 Y180M-4 35.9 1470 91 0.86 2.0 7.0 2.2 22 Y180L-4 42.5 1470 91.5 0.86 2.0 7.0 2.2 30 Y200L-4 5
6.8 1470 92.2 0.87 2.0
7.0 2.2 37 Y225S-4 69.8 1480 91.8 0.87 1.9 7.0 2.2 45 Y225M-4 84.2 1480 92.3 0.88 1.9 7.0 2.2。