切袋机PLC控制系统设计_带图纸
切袋机PLC控制系统设计学院机械工程学院[20191210110449]
摘 要
我国切袋机生产企业过去主要以生产小型手动切袋机为主，它们生产效率低，生产成本高，而一些精良设备还是需要从国外进口，例如日本，欧美国家等。近几年，随着国内经济的稳定持续的发展，国内市场对切袋机设备的需求量也在不断增长。在现实社会中，一个企业的生存很大一部分是看该企业的生产效率高不高，一个生产效率不高的企业势必会被淘汰，因而提高产品质量和劳动生产率，降低生产成本是一个企业必走的道路。然而以前的设备就被淘汰了，本课题便是结合社会生产实际，设计一款新型的切袋机满足现代社会的需求。
而本课题主要是结合社会生产实际，本设计系统体现了由PLC控制并能自动供袋，通过触摸屏用户可以自己设定与生产相关参数并且能够实现实时监控，控制器和电机控制切袋速度与走袋精度，进而实现了整机的自动控制，提高了劳动生产率，使得生产产品的质量也得到了改善。
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关键字:切袋机步进电机可编程控制器（PLC)人机界面（HMI）
目 录
1.绪论 1
1.1 课题研究的目的和意义 1
1.2 切袋机控制技术的发展与现状 1
1.3 PLC与HMI技术在切袋机上的应用的可能性与前景 2
2.PLC及控制技术 4
2.1 PLC控制概述 4
2.2 PLC的主要功能 5
2.3 PLC的应用 6
2.4 PLC控制系统设计的基本内容 7
3.切袋机控制系统总体设计 8
3.1 电气系统的设计要求 8
3.2 切袋机生产工艺概述 8
3.3 电气系统主要器件的初步选型 10
3.4 切袋机电气系统的硬件要求 11
3.4.1 PLC及控制线路 11
3.4.2 电气元件选择 11
4.切袋机控制系统的软件设计 16
4.1 HMI与PLC间的相关参数 16
4.2 PLC程序设计 16
4.2.1 PLC的I/O分配 16
4.2.2 PLC流程设计 16
4.2.3 PLC编程 17
4.3 HMI界面设计 20
4.3.1 HMI和PLC的通信建立 20
4.3.2 HMI主界面设计 22
结语 24
参考文献 25
致谢 26
附录 27
1 绪 论
1.1 课题研究的目的和意义
切袋机主要应用在轻工、机械与包装等行业中，可切断各种惧热材料编织的编织袋，通过对编织袋进行定长切断，后续再加工成各种塑料包装袋。以往的切袋机都是利用人工测量和计量，并且由人工手动或机械切断，这样便存在生产效率较低、测量精度不高等诸多问题，因而如何实现编织袋的自动供袋、定量与切断，提高编织袋的生产效率是一个亟需解决的具有现实意义的重要课题。
对于这样的情况，本文设计了一台由可编程控制器（PLC）作为控制器，并且能自动送料的切袋机，它由人机界面(HMI)设定工艺参数并进行监控，控制器和步进电机控制切袋速度和走袋精度，实现了切袋机的自动控制，提高了生产者的生产率和产品质量。
1.2 切袋机控制技术的发展与现状
随着国内制造业的兴盛以及先进科学技术的发展，切袋机的应用也日益广泛，但与国外相比，国产的机器设备还是存在一定差距的，这也是我们需要改进的地方。在设备的自动化控制部分，国产的切袋机依然停留在中等偏下的水平上，虽说国产设备在控制器运用上已经非常普遍，价格也比较低，但国内切袋机厂家在对它的使用深度上远远落后于国外的发达国家，国产设备绝大多数还停留在粗线条水平上，还没有深入领会切袋机控制系统的严密性和合理性。国内市场上一些老旧切袋机形状图，如图1.1所示。
图1.1 国内老式切袋机形状图
目前，切袋机的种类主要有三大类：手动切袋机、半自动切袋机、全自动切袋机。由走袋压辊、进袋压辊、切袋装置、进袋控制线路、袋切割控制线路等组成了本设计的主要系统部分。图1.2所示为较为新型的切袋机。
图1.2 新型切袋机
老式的切袋机一般都是以继电器—接触器控制与微电脑控制为主，驱动设备主要采用普通异步电动机，并且大量使用手动按钮操作和普通仪表指示。尽管近些年来在先进控制技术方面的应用取得了很好的发展，在机械设备上也逐步应用了伺服控制器和变频器控制，但基本上还是局部的改进。目前看来，国产设备在其系统控制方面仍然未有先进性，其在精度与可靠性等方面依然得不到保证。本设计利用PLC作为切袋机的主控制系统的方案，是在相对增加较少成本的情况下，不论是从系统控制方面，仍然是从掌握方面和对先进技术的利用性上来看，都将会有着显著的提升。
伴随着计算机技术在工业控制领域应用，国产切袋机在控制系统方面必将也会有一个全面提升，操作人性化、维护方便、高效节能是切袋机今后的发展趋势。
1.3 PLC及HMI技术在切袋机上应用的可能性与前景
可编程控制器（PLC）具有相对普通计算机控制更为简单的编程语言和更为可靠的硬件设备，编程相对简单，操作容易，维修方便，而且不容易发生在操作和编程方面的错误，是实现工业中机电一体化的理想控制器。目前，在国内外的许多行业中都已用到PLC，例如冶金、造纸、食品工业、发电系统、机器人、轻工业等。其主要应用类型也有几大类，概略上能够分为过程控制、运动控制、数据处理和联网通信等方面，使得工厂在自动化配置系统方面的应用得到了满足。
切袋机由PLC作为其的控制系统，改变了传统的手工操作，很大一方面减少了对人力和物力的需求，降低了企业的生产成本，同时也提高了企业的生产效率，改变了市场对产品紧缺的现状。从以往的小规模生产到如今的大规模批量生产，这一切都离不开控制技术和自动化技术的高速发展。步进电机作为切袋机的动力元件，大大增强了切袋机的走袋精度。步进电机是一种由电脉冲 信号控制的动力元件，它转化的角位移 或线位移 是根据其接收到的电脉冲信号而定的。在并非过载的前提下，都是由脉冲信号的频率 和脉冲数来决定机电转动的速率、截止的位置，而负载的变化对其并无影响。可以通过控制步进电机脉冲数进而控制角位移量，从而达到准确定位置的目的 ；同时也可以通过改变脉冲频率 来控制电机转动的速度和加速度，从而达到改变电机转动速度的目的。
可编程控制器（PLC）在经历了几十年的发展，如今已经被广泛的应用在工业生产当中。它的连接不需要过多的活动元器件和其它电子元器件，而连接线的减少更有利于故障的排除，并且在维修方面节省了大量的时间。PLC有众多突出的长处，比如断电自我保护、电源故障诊断、数据保护和恢复，很大程度上提高了控制系统可靠性。可编程控制器（PLC）是为工业生产过程而专门设计的控制设备，容易操作，用户极易上手。与一般计算机控制相比较，其拥有更为简洁的编程语言和更为可行的硬件设备，编程更为简单，操作容易，维修方便，而且不容易在操作和编程方面发生错误。现代社会发展的主流将会被以PLC为控制核心的自动化控制系统所取代。
自动切袋机要求能够自动进料、切断，可以设定自动控制方式，并要求编织袋的切袋长度、切袋袋数、进给速度等参数。尽管控制系统中没有许多的输入、输出信号，但是相对复杂的逻辑控制方式由PLC实现就会变得相对简单，利用HMI与PLC之间的联网通信，降低对继电器、指示器等的使用，使得系统组成和电气硬件设备在使用上很大程度上得到了简化，进而用户操作变得更加简洁化和人性化。
综上所述，研究基于PLC为控制核心的切袋机的应用更加切合实际而有意义。通过对一系列问题的解析，有机的将理论与实践相结合在一起，达到学以致用的目的。
2 PLC及控制技术
2.1 PLC控制概述
在上个世纪六十年代末，有一种控制器被发明，在经历了几十年后的今天，它得到了人们的认可和广泛使用，这便是可编程控制器的来由。其英文全称是Programmable Logic Controller，人们为了方便记忆便将其简称为PLC。IEC（国际电工委员会）对可编程控制器作了一个这样的定义：“PLC是为在工业环境下的应用而专门设计的一种运算操作控制系统。其内部拥有可编程的存储器，是专门用来执行顺序控制、定时、计数和数学运算等一系列操作指令。各种类型的机械和相关的生产过程是通过用户事先输入的程序由可编程的存储器进行运算后输出相应的动作进而控制的。PLC及其相关设备的设计都应该遵循能够与其工业控制系统形成一个整体，便于扩充其功能的原则。”
中央处理器、存储器、输入/输出器件以及电源等组成了PLC的硬件部分，结构图如下图2.1。
图2.1 PLC硬件结构图
PLC是经过CPU的周期循环扫描并且选用集中采样和输出的方法继而来完成写入的流程。当CPU运行时，原输入寄存器状态中的内容首先会被清理，然后自我诊断、自检CPU及I/O组件等一系列动作才会被执行，确认其运作正常后，开始周期循环扫描。循环扫描分为三个阶段，如图2.2所示。
图2.2 循环扫描的三个阶段
(1) 输入处理阶段。扫描全部PLC输入端，依次地读取所有输入状态和数据并写入输入状态寄存器状态表内。
(2) 程序处理阶段。扫描用户写入流程，按梯形图输入的次序（从左到右，从上到下）逐步扫描，并按照相关的I/O状态和相关数据进行逻辑和算术运算，运行的结果将会被写入输出寄存器状态表内。
(3) 输出处理阶段。当所有指令都扫描处理完毕时，输出锁存会自动锁存输出状态表中的所有的输出继电器的通（“1”）/继（“0”）状态，并使输出设备做出相关的反应。
PLC以其简单易懂、操作容易、占用空间较小、通用性强、可靠程度较高、使用寿命长等优点，被广泛应用在工业控制领域。
2.2 PLC的主要功能
(1) 定时/计数控制功能。是指由PLC提供的定时器、计数器指令来实现对某种控制操作的定时或计数，以代替时间继电器和计数继电器的使用。
(2) A/D与D/A转换功能。A/D与D/A转换功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。
(3) 扩展功能。扩展功能是指通过外接其它输入/输出扩展模块从而增添PLC的输入/输出点数，也可以利用增加其它相关的智能单元及一些特殊单元来提升PLC的相对控制能力。
(4) 远程I/O功能。远程I/O功能是指利用I/O单元把分布在远处的其它相关设备与PLC主机相连接，并接收输入和输出信号，从而实现PLC的远程控制。
(5) 通信联网功能。通信联网功能是指利用PLC间的相互通信、PLC与上位机之间的连接等，进行对远程I/O控制或数据间的相互交换，从而完成庞大规模系统的繁杂控制。
(6) 监控功能。监控功能是指体系各部分的进程由PLC自主监督，当体系中出现了异常情况时PLC自主进行报警和记录，甚至在有些情况下PLC会自动中止运转；也可以在线调整和修改控制程序中的定时器、计数器等预设值或强制I/O的状态。
(7) 数据处理功能。它是指用户在输入程序后，PLC可以自主进行相关数据的传递、对比、转换等，在完成后自动进行编码和译码等操作。
2.3 PLC的应用
不仅钢铁、机械制造、汽车、建材等制造业应用PLC，其它相关行业也都广泛用到PLC，例如发电厂、石油的开采、化工、轻纺产业等行业。其主要的使用分为如下几种。
(1) 开关量逻辑控制。以往的继电器电路被其所取代，通过开关量逻辑的应用进而使得逻辑控制和顺序控制得以实现，不仅单台机器设备可用其控制，同样也可用在多机控制及自动化流水线。如印刷机、组合机床、包装生产线等。
(2) 工业过程控制。在工业生产过程中，会存在一些持续变动的量，比方温度、压力、流量、液体位置和速率等，这些持续变动的量即为模拟量。这些模拟量通过PLC内部相应的转换模块及其它的控制算法流程处理，进而实现闭环控制。被广泛的应用于许多领域，例如冶金制造、化工、石油的开采控制等。
(3) 活动控制。在圆周运动或者直线运动中也广泛用到了PLC。对其运动进行控制，一般会使用与此相关的专用运动控制模块。在各种机械、机器人等控制场合中被广泛使用。
摘 要
我国切袋机生产企业过去主要以生产小型手动切袋机为主，它们生产效率低，生产成本高，而一些精良设备还是需要从国外进口，例如日本，欧美国家等。近几年，随着国内经济的稳定持续的发展，国内市场对切袋机设备的需求量也在不断增长。在现实社会中，一个企业的生存很大一部分是看该企业的生产效率高不高，一个生产效率不高的企业势必会被淘汰，因而提高产品质量和劳动生产率，降低生产成本是一个企业必走的道路。然而以前的设备就被淘汰了，本课题便是结合社会生产实际，设计一款新型的切袋机满足现代社会的需求。
而本课题主要是结合社会生产实际，本设计系统体现了由PLC控制并能自动供袋，通过触摸屏用户可以自己设定与生产相关参数并且能够实现实时监控，控制器和电机控制切袋速度与走袋精度，进而实现了整机的自动控制，提高了劳动生产率，使得生产产品的质量也得到了改善。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:切袋机步进电机可编程控制器（PLC)人机界面（HMI）
目 录
1.绪论 1
1.1 课题研究的目的和意义 1
1.2 切袋机控制技术的发展与现状 1
1.3 PLC与HMI技术在切袋机上的应用的可能性与前景 2
2.PLC及控制技术 4
2.1 PLC控制概述 4
2.2 PLC的主要功能 5
2.3 PLC的应用 6
2.4 PLC控制系统设计的基本内容 7
3.切袋机控制系统总体设计 8
3.1 电气系统的设计要求 8
3.2 切袋机生产工艺概述 8
3.3 电气系统主要器件的初步选型 10
3.4 切袋机电气系统的硬件要求 11
3.4.1 PLC及控制线路 11
3.4.2 电气元件选择 11
4.切袋机控制系统的软件设计 16
4.1 HMI与PLC间的相关参数 16
4.2 PLC程序设计 16
4.2.1 PLC的I/O分配 16
4.2.2 PLC流程设计 16
4.2.3 PLC编程 17
4.3 HMI界面设计 20
4.3.1 HMI和PLC的通信建立 20
4.3.2 HMI主界面设计 22
结语 24
参考文献 25
致谢 26
附录 27
1 绪 论
1.1 课题研究的目的和意义
切袋机主要应用在轻工、机械与包装等行业中，可切断各种惧热材料编织的编织袋，通过对编织袋进行定长切断，后续再加工成各种塑料包装袋。以往的切袋机都是利用人工测量和计量，并且由人工手动或机械切断，这样便存在生产效率较低、测量精度不高等诸多问题，因而如何实现编织袋的自动供袋、定量与切断，提高编织袋的生产效率是一个亟需解决的具有现实意义的重要课题。
对于这样的情况，本文设计了一台由可编程控制器（PLC）作为控制器，并且能自动送料的切袋机，它由人机界面(HMI)设定工艺参数并进行监控，控制器和步进电机控制切袋速度和走袋精度，实现了切袋机的自动控制，提高了生产者的生产率和产品质量。
1.2 切袋机控制技术的发展与现状
随着国内制造业的兴盛以及先进科学技术的发展，切袋机的应用也日益广泛，但与国外相比，国产的机器设备还是存在一定差距的，这也是我们需要改进的地方。在设备的自动化控制部分，国产的切袋机依然停留在中等偏下的水平上，虽说国产设备在控制器运用上已经非常普遍，价格也比较低，但国内切袋机厂家在对它的使用深度上远远落后于国外的发达国家，国产设备绝大多数还停留在粗线条水平上，还没有深入领会切袋机控制系统的严密性和合理性。国内市场上一些老旧切袋机形状图，如图1.1所示。
图1.1 国内老式切袋机形状图
目前，切袋机的种类主要有三大类：手动切袋机、半自动切袋机、全自动切袋机。由走袋压辊、进袋压辊、切袋装置、进袋控制线路、袋切割控制线路等组成了本设计的主要系统部分。图1.2所示为较为新型的切袋机。
图1.2 新型切袋机
老式的切袋机一般都是以继电器—接触器控制与微电脑控制为主，驱动设备主要采用普通异步电动机，并且大量使用手动按钮操作和普通仪表指示。尽管近些年来在先进控制技术方面的应用取得了很好的发展，在机械设备上也逐步应用了伺服控制器和变频器控制，但基本上还是局部的改进。目前看来，国产设备在其系统控制方面仍然未有先进性，其在精度与可靠性等方面依然得不到保证。本设计利用PLC作为切袋机的主控制系统的方案，是在相对增加较少成本的情况下，不论是从系统控制方面，仍然是从掌握方面和对先进技术的利用性上来看，都将会有着显著的提升。
伴随着计算机技术在工业控制领域应用，国产切袋机在控制系统方面必将也会有一个全面提升，操作人性化、维护方便、高效节能是切袋机今后的发展趋势。
1.3 PLC及HMI技术在切袋机上应用的可能性与前景
可编程控制器（PLC）具有相对普通计算机控制更为简单的编程语言和更为可靠的硬件设备，编程相对简单，操作容易，维修方便，而且不容易发生在操作和编程方面的错误，是实现工业中机电一体化的理想控制器。目前，在国内外的许多行业中都已用到PLC，例如冶金、造纸、食品工业、发电系统、机器人、轻工业等。其主要应用类型也有几大类，概略上能够分为过程控制、运动控制、数据处理和联网通信等方面，使得工厂在自动化配置系统方面的应用得到了满足。
切袋机由PLC作为其的控制系统，改变了传统的手工操作，很大一方面减少了对人力和物力的需求，降低了企业的生产成本，同时也提高了企业的生产效率，改变了市场对产品紧缺的现状。从以往的小规模生产到如今的大规模批量生产，这一切都离不开控制技术和自动化技术的高速发展。步进电机作为切袋机的动力元件，大大增强了切袋机的走袋精度。步进电机
可编程控制器（PLC）在经历了几十年的发展，如今已经被广泛的应用在工业生产当中。它的连接不需要过多的活动元器件和其它电子元器件，而连接线的减少更有利于故障的排除，并且在维修方面节省了大量的时间。PLC有众多突出的长处，比如断电自我保护、电源故障诊断、数据保护和恢复，很大程度上提高了控制系统可靠性。可编程控制器（PLC）是为工业生产过程而专门设计的控制设备，容易操作，用户极易上手。与一般计算机控制相比较，其拥有更为简洁的编程语言和更为可行的硬件设备，编程更为简单，操作容易，维修方便，而且不容易在操作和编程方面发生错误。现代社会发展的主流将会被以PLC为控制核心的自动化控制系统所取代。
自动切袋机要求能够自动进料、切断，可以设定自动控制方式，并要求编织袋的切袋长度、切袋袋数、进给速度等参数。尽管控制系统中没有许多的输入、输出信号，但是相对复杂的逻辑控制方式由PLC实现就会变得相对简单，利用HMI与PLC之间的联网通信，降低对继电器、指示器等的使用，使得系统组成和电气硬件设备在使用上很大程度上得到了简化，进而用户操作变得更加简洁化和人性化。
综上所述，研究基于PLC为控制核心的切袋机的应用更加切合实际而有意义。通过对一系列问题的解析，有机的将理论与实践相结合在一起，达到学以致用的目的。
2 PLC及控制技术
2.1 PLC控制概述
在上个世纪六十年代末，有一种控制器被发明，在经历了几十年后的今天，它得到了人们的认可和广泛使用，这便是可编程控制器的来由。其英文全称是Programmable Logic Controller，人们为了方便记忆便将其简称为PLC。IEC（国际电工委员会）对可编程控制器作了一个这样的定义：“PLC是为在工业环境下的应用而专门设计的一种运算操作控制系统。其内部拥有可编程的存储器，是专门用来执行顺序控制、定时、计数和数学运算等一系列操作指令。各种类型的机械和相关的生产过程是通过用户事先输入的程序由可编程的存储器进行运算后输出相应的动作进而控制的。PLC及其相关设备的设计都应该遵循能够与其工业控制系统形成一个整体，便于扩充其功能的原则。”
中央处理器、存储器、输入/输出器件以及电源等组成了PLC的硬件部分，结构图如下图2.1。
图2.1 PLC硬件结构图
PLC是经过CPU的周期循环扫描并且选用集中采样和输出的方法继而来完成写入的流程。当CPU运行时，原输入寄存器状态中的内容首先会被清理，然后自我诊断、自检CPU及I/O组件等一系列动作才会被执行，确认其运作正常后，开始周期循环扫描。循环扫描分为三个阶段，如图2.2所示。
图2.2 循环扫描的三个阶段
(1) 输入处理阶段。扫描全部PLC输入端，依次地读取所有输入状态和数据并写入输入状态寄存器状态表内。
(2) 程序处理阶段。扫描用户写入流程，按梯形图输入的次序（从左到右，从上到下）逐步扫描，并按照相关的I/O状态和相关数据进行逻辑和算术运算，运行的结果将会被写入输出寄存器状态表内。
(3) 输出处理阶段。当所有指令都扫描处理完毕时，输出锁存会自动锁存输出状态表中的所有的输出继电器的通（“1”）/继（“0”）状态，并使输出设备做出相关的反应。
PLC以其简单易懂、操作容易、占用空间较小、通用性强、可靠程度较高、使用寿命长等优点，被广泛应用在工业控制领域。
2.2 PLC的主要功能
(1) 定时/计数控制功能。是指由PLC提供的定时器、计数器指令来实现对某种控制操作的定时或计数，以代替时间继电器和计数继电器的使用。
(2) A/D与D/A转换功能。A/D与D/A转换功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。
(3) 扩展功能。扩展功能是指通过外接其它输入/输出扩展模块从而增添PLC的输入/输出点数，也可以利用增加其它相关的智能单元及一些特殊单元来提升PLC的相对控制能力。
(4) 远程I/O功能。远程I/O功能是指利用I/O单元把分布在远处的其它相关设备与PLC主机相连接，并接收输入和输出信号，从而实现PLC的远程控制。
(5) 通信联网功能。通信联网功能是指利用PLC间的相互通信、PLC与上位机之间的连接等，进行对远程I/O控制或数据间的相互交换，从而完成庞大规模系统的繁杂控制。
(6) 监控功能。监控功能是指体系各部分的进程由PLC自主监督，当体系中出现了异常情况时PLC自主进行报警和记录，甚至在有些情况下PLC会自动中止运转；也可以在线调整和修改控制程序中的定时器、计数器等预设值或强制I/O的状态。
(7) 数据处理功能。它是指用户在输入程序后，PLC可以自主进行相关数据的传递、对比、转换等，在完成后自动进行编码和译码等操作。
2.3 PLC的应用
不仅钢铁、机械制造、汽车、建材等制造业应用PLC，其它相关行业也都广泛用到PLC，例如发电厂、石油的开采、化工、轻纺产业等行业。其主要的使用分为如下几种。
(1) 开关量逻辑控制。以往的继电器电路被其所取代，通过开关量逻辑的应用进而使得逻辑控制和顺序控制得以实现，不仅单台机器设备可用其控制，同样也可用在多机控制及自动化流水线。如印刷机、组合机床、包装生产线等。
(2) 工业过程控制。在工业生产过程中，会存在一些持续变动的量，比方温度、压力、流量、液体位置和速率等，这些持续变动的量即为模拟量。这些模拟量通过PLC内部相应的转换模块及其它的控制算法流程处理，进而实现闭环控制。被广泛的应用于许多领域，例如冶金制造、化工、石油的开采控制等。
(3) 活动控制。在圆周运动或者直线运动中也广泛用到了PLC。对其运动进行控制，一般会使用与此相关的专用运动控制模块。在各种机械、机器人等控制场合中被广泛使用。
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