1自动包装生产线控制系统系统方案设计

1.1自动包装生产线控制系统设计要求

本次设计为自动包装生产线控制系统，其自动包装生产线装置图如图1.1所示。

图1.1 设计系统装置图

该系统要求按下系统启动按钮，置箱机将待装料的箱子放在传送带上的同时，该系统能自动的由振动该料机通过漏斗下料到秤体，条件满足时秤体翻转并

卸料到箱子中，且自动控制传送带的运行，能精确的按照要求的精度在称重范围内进行下列的一系列操作：

1）启动传送带电机，并且由外置的数字显示框将要称量的重量通过指令置入SQ1 1＃ 2＃

PLC的数据寄存器中。

2）启动系统的同时，设计的两个光电系统也同时开始工作了。当第一个光电传感器测得箱子到达时，表示有箱子就位信号，电机就停下来，由于箱子的惯性滑行使得箱子还要往前运行一段距离，但要是箱子滑行使得光电传感器也同时得电，说明箱子已经越过了漏斗口下料的最边缘位置，那么就要报警（光报警），报警后再由人工来进行调校传送带系统。一定要使漏斗口下料时是装在箱子里而不是传送带上。

3）在传送带运行的同时，由微型振动给料机振动下料，下料是装在一个可以通过电机来拉动它翻转的秤体中（秤体连接有称重传感器），将称重传感器测得的mV级的电压信号通过设计的放大电路，放大为PLC的模拟量输入模块需要的电压信号（－10～＋10），模块进行A／D变换后，与预先通过BCD拨盘置入的重量相比较，直到当它们重量相等时，振动给料机就会停止下料，并且秤体翻转通过一个漏斗下料到箱子里。

4）在振动给料机下料的同时，需要监视这个过程，这样既方便调试，又能直观的看到下料情况。我们采用七段数码管来显示。首先是数字显示框显示，等延时一段时间后，才开始显示从振动给料机下料时测得的公斤数。

5）由于要将称重得到的数值与数字显示框预值数相比较，要选用模拟量输入模块，才能将测得的模拟量变换为数字量来实现这个过程。

6）在控制秤体翻转的过程中，不管是秤体下料完毕还是回转复位都得精确定位，我们设置了行程开关。当秤体翻转下料完毕后，立即回转复位，同时传送带也开启，继续由振动给料机下料，并一直循环下去。

1.2 自动包装生产线控制系统设计方案比较及论证

1.2.1继电器与可编程控制器的方案比较论证

1）控制方式

继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。

PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。

2）控制速度

继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，

机械触点有抖动现象。

PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。

3）延时控制

继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。

PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。

所以，与继电器控制系统相比，PLC有如下优势：

○1功能强，性能价格比高：一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可篇程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

○2硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强：可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

○3可靠性高，抗干扰能力强：传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

○4系统的设计、安装、调试工作量少 ：PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通

过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

○5编程方法简单：梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。

○6维修工作量少，维修方便：PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC 上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

○7体积小，能耗低：对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。

1.2.2 PLC经验设计法和顺序控制法的方案比较论证

1）经验设计法

经验设计法类似于通常设计继电器电路图的方法，即在一些典型电路的基础上，根据被告控对象对控制系统的具体要求，不断地修改和完善梯形图。这种方法没有普遍的规律可遵循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果不是惟一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系。当设计一个较为复杂的系统时，由于需要考虑很多的因素。在梯形图的分析中会非常困难，而且还很容易遗漏一些应该考虑的问题。固经验设计法一般用于较简单的梯形图的设计。

2）顺序控制设计法

顺序控制，就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动控制地有秩序地进

行操作。它具有简单、规范、通用的特点。其一般设计步骤为：○1根据系统的工艺过程画出顺序功能图；○2根据顺序功能图画出梯形图。

顺序功能图主要由步、有向连线、转换条件和动作（命令）组成。

步的划分使代表各步的编程元件的状态与各输出量的状态之间有着极为简单的逻辑关系。

有向连线表示步的活动状态的进展方向。

转换条件即为后续步为活动步的条件，通常用一条与有向连线相垂直的短线来表示。

动作即为命令，表示为每一步要实现的结果。

3）举列论证

下面我以本次课程设计中一小部分修改进的过程为例对经验设计法与顺序控制设计法进行一个简单的比较。设传送带从起点运行在光电1#检测到信号时传送带电机停止，传送带依靠惯性在定点位置停下，料斗下料5S后传送带继续运行，当光电2#检测到信号时传送带电机停止转动。其中图1.2为该例的装置图，图1.3为经验法所设计的程序图，图1.4为利用顺序控制法所设计的程序图。

图1.2 小系统装置图

图1.3 经验法程序图

图1.4 顺序控制法程序图

西华大学毕业设计说明书\n2 自动包装生产线控制系统分析\n2.1 自动包装生产线控制系统功能分析\n系统具有自动和手动功能，本次设计过程中以自动运行为默认运行方式。该 控制系统主要含传送带的运行、 振动机给料、 传感器称重、 箱子就位、 称体翻转、 报警的功能。其中，电机 M1 用于带动传送带及箱子的运行，用于控制箱子的位 置。电机 M2 作为振动机的动力部分，用于下料并由重量传感器进行称重。当所 下物料与设定值相同，且箱子位于规定位置时。实现称体翻转将物料加入箱子中 的过程。若箱子装料之前箱子位置超出装料区域，则灯光闪烁报警。\n\n2.2 自动包装生产线控制系统工艺流程图\n自动包装生产线控制系统工艺流程图如图 2.1 所示。\n\n7\n\n\r\n

西华大学毕业设计说明书\n\n图 2.1 工艺流程图\n\n8\n\n\r\n

西华大学毕业设计说明书\n系统启动后， 程序首先进行称体位置的就位控制， 并进行自动或手动的选择。 当无选择时，系统按默认方式（自动）运行。当在自动方式下运行时，启动运行 开关电机开始运转传送带带动 BOX 转动。与此同时，系统进行振动给料机的下 料控制。传送带在运行过程中也要进行 BOX 的就位与系统报警判断。当光电 1 检测到 BOX 就位时停止传送带的运行。BOX 依靠惯性继续前进，当光电 2 检测 到 BOX 越位时启动报警器并停止系统的运行。在振动给料机下料的过程中，我 们利用称重传感器进行重量的比较。当给料机下料重量达到设计值时，停止振动 给料机的下料工作。若 BOX 在下料位置停止，且称重达标时我们进行称体的翻 转动作并对 BOX 进行装料。完成装料后小车继续运行。完成整个自动生产线的 过程。若为系统按手动方式运行，则直接进入手动控制。\n\n2.3 自动包装生产线控制输入控制信息分析\n根据系统的功能需要，本系统的输入信号主要分为以下几类启动退出按钮、 系统控制按钮、物料重量输入端、行程开关、光电传感器输入信号、重量传感器 输入信号。 其中启动按钮用于启动自动包装系统开始工作；退出按钮用于结束包装系 统；系统控制按钮主要用来控制系统的每一步动作；物料重量输入端用于将所需 的物料重量信号传入 PLC；行程开关是为了检测秤体的状态是翻转或已经复位； 光电传感器用来检测纸盒位置； 重量传感器则是用来检测物料是否已经达到所需 重量。输入信号表 2.1 所示。\n表 2.1 输入信号表\n\n9\n\n\r\n

西华大学毕业设计说明书\n2.4 自动包装生产线控制输出控制信息分析\n根据系统的功能需要，本系统的输出信号主要有 7 个，主要是传送带运行控 制信号 Y0，振动给料机给料控制信号 Y1，指示灯 1#提示控制信号 Y2，秤体下 翻控制信号 Y3，称体复位控制信号 Y4，报警控制信号 Y5，称体称得显示控制 信号 Y6。其 PLC 输出信号列表如表 2.2 所示。\n表 2.2 PLC 输出信号表\n\n10\n\n\r\n

西华大学毕业设计说明书\n3 控制系统硬件设计\nPLC 硬件线路图如图 3.1 所示。\n\n图 3.1 PLC 硬件线路图\n\n11\n\n\r\n

西华大学毕业设计说明书\n4 控制系统软件设计\n4.1 控制流程图设计\n设计步骤如下所示： 1）系统启动后，先利用程序进行称体位置的就位控制。 2）进行自动或手动的选择。当无选择时，系统按自动方式运行。 3）当在自动方式下运行时，启动运行开关电机开始运转传送带带动 BOX 转动。与此同时，系统进行振动给料机的下料控制。传送带在运行过程 中也要进行 BOX 的就位与系统报警判断。当光电 1 检测到 BOX 就位时 停止传送带的运行。BOX 依靠惯性继续前进，当光电 2 检测到 BOX 越 位时启动报警器并停止系统的运行。在振动给料机下料的过程中，我们 利用称重传感器进行重量的比较。当给料机下料重量达到设计值时，停 止振动给料机的下料工作。 BOX 在下料位置停止， 若 且称重达标时我们 进行称体的翻转动作并对 BOX 进行装料。 完成装料后小车继续运行。 完 成整个自动生产线的过程。 4）在手动方式下运行时，系统自动进入手动控制过程。\n\n4.2 中间元件表\nPLC 编程程序中所使用的中间元件如表 4.1 表示。\n表 4.1 中间元件表 名称 辅助继电器 1 辅助继电器 2 辅助继电器 3 辅助继电器 4 数据寄存器 数据寄存器 地址 M0 M1 M9 M10 D100 D11 作用 协助启动、停止按钮实现整个系统的运行与停止。 协助辅助继电器 M0 在手动运行过程中实现系统的停止作用。 存放比较结果。当称重物料比设定值小时置 1。 存放比较结果。当称重物料与设定值相等时置 1。 用于存放 A/D 模块处理后的数据及物料重量。 用于存放与设定重量相关联的数据。\n\n12\n\n\r\n

4.3编程平台的介绍

GX Developer是三菱PLC的编程软件。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、 ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。

GX Developer的特点：

○1软件的共通化 GX Developer能够制作Q系列，QnA系列，A系列（包括运动控制（SCPU））,FX系列的数据,能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。 此外，选择FX系列的情况下，还能变换成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文档。

○2利用Windows的优越性，使操作性飞跃上升能够将Excel,Word等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。

○3程序的标准化

○4能够简单设定和其他站点的链接 由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。

○5能够用各种方法和可编程控制器CPU连接

○6丰富的调试功能

4.4控制程序设计

4.4.1 STL指令简介

STL指令是步进梯形指令（Step Ladder Instruction）的简称。FX系列PLC 中的RET就是STL指令的复位指令。利用这两条指令，可以很方便地编制顺序控制梯形图程序。它使编程者可以生成流程和工作与顺序功能图非常接近的程序。从而可以节约编程的时间并减少编程错误。

在STL指令中，S0~S9用于初始步，S10~S19用于自动返回原点。STL触点驱动的电路块有三个功能，即负载的驱动、指定转换条件和指定转换目标。具体情况如图4.1所示。

图4.1 顺序功能图

STL触点一行般是与左侧母线的常开触点，当某一步为活动步时，对应的STL 触点接通，它的右边的电路被告处理，直到下一步被告激活。当该步后顺的转换条件满足时，转换实现，即后续步对应的状态继电器被告SET或OUT指令置位，后续步变为活动步，同时与原活动步对应的状态继电器被告系统程序自动复位，原活动步对应的STL触点断开。

STL指令的优点：

（1）在转换实现时，对前级步的状态继电器和由它驱动的输出继电器的复位是由系统程序完成的，因此用STL指令设计的程序最短。

（2）STL触点具有与主控指令相同的特点，即LD点移到了STL触点的右端，对于选择序列的分支对就的指明转换条件和转换目标的并联电路的设计，是很方便的。用STN指令设计复杂系统的梯形图时，更能显示其优越性。

（3）与条件跳步指令（CJ）指令类似，CPU不执行处于断开状态的STL触点驱动的电路块中的指令，在没有并行序列时，同时只有一个STL触点接通，因此使用STL指令可以显著地缩短用户程序的执行时间，提高PLC的输入、输出响应速度。，使操作保持OFF的指令。

（4）对于不用STL指令的编程方法，一般不允许出现双线圈，即同一编程元件的线圈不能在两处或多处出现，唯一例外是允许同一元件的线圈分别在跳步相反的跳步区内各出现一次。在用这些编程方法设计输出电路时，应仔细观察顺序功能图，对那些在两步或多步中为ON的输出继电器，应将各有关步对应的编程元件的常开触点并联后，驱动相应输出继电器的线圈。当顺序功能图的步数很多、输出继电器也很多时，设计输出电路的工作量是很大的，稍有不慎就会出错。

4.4.2 所示基本指令

LD（Load）:电路开始的常开触点对应的指令，可以用于X、Y、M、C和S。

LDI（Load Inverse）:电路开始的常闭触点对应的指令，可以用于X、Y、M、

T、C和S。

AND（And）:常开触点串联连接指令。

ANDI（And Inverse）：常闭触点串联连接指令。

OR（Or）：常开触点并联连接指令。

SET : 置位指令，使操作保持ON的指令。

RST：复位指令进栈指令。用于储存电路中有分支处的逻辑运算结果，以便以后处理有线圈的去路时可以调用该运算结果。

MRD（Read）：读栈指令。用于读取存储在堆栈最上层的电路中分支点处的运算结果。读数后堆栈内的数据不会上下移动。

MPP（Pop）:出栈指令。调用并去掉存储在堆栈最上层的电路中分支点对应的运算结果。

CALL(Sub Routine Call)：子程序调用指令。

SRET（Sub Routine Return）：子程序返回指令。

MOV (Move)：传送指令。将数据传送到指定目标。

FMOV(Fill Move)：多点传送指令。将单个元件中的数据传送到指定目标地址开始的n个元件中。

CMP（Compare）：比较指令。比较源操作数[S1]和[S2]，比较的结果送到目标操作数[D]中去。

4.4.3 程序设计

本次课程设计涉及两个主要过程即自动控制、手动控制。其主程序图4,2所示。

1）主程序

图4.2 控制系统主程序

0～3：控制系统的启动与停止。

4～14：控制系统的自动与手动切换。当程序启动后，若无手动指示系统按默认运行方式跳转到自动程序继续运行，若X11按下系统进入手动运行模式。

15～16：为主程序的返回与结束指令。

17～111：为控制系统的子程序，完成系统的自动运行。

112～130：为控制系统的子程序，完成系统的手动运行。

系统自动程序如图4.3所示，完成系统的自动运行。

图4.3 自动运行程序

17～20：利用运行开关进入子程序的初始步。

21～25：系统自动复位前级步S0并进入后续步S20、S25。

26～31：传送带运行，当光电1#检测到信号时复位前级步S20，并进入后续步S21。

32～37：传送带停止运行，指示灯1亮。BOX靠惯性前进。若此时光电2#检测到信号。则复位前级步并自动进入后续步。

38～42：报警输出Y2有效，系统报警。

43～87：完成物料称重过程。

88～93：BOX就位且物料称重完成，进入步S27。

94～101：称体翻转向BOX装料。当遇到行程开关2（X12）时，装料完成。系统进入步S28。

102～110：称体上翻，并回到初始步S0。

111：完成子程序的返回。

3）控制系统子程序2

控制系统子程序2完成系统的手动运行，其程序图如图4.4所示。

图4.4 手动运行程序

112～124：系统进入手动过程。当传送带运行按钮置位时，Y0有效电机运转。当传传送带停止按钮置位时，电机停止运转。当装料按钮（X10）置位时，称体下翻完成装料。当行程开关1（X12）有效，行程开关2 (X13)有效时，称体完成复位动作。

125：子程序返回。

4.5程序的仿真调试

4.5.1 编程平台的仿真调试功能

编程平台的仿真调试就是利用仿真平台对程序中所涉及的输入变量、辅助继电器、数据寄存器进行置位或赋值操作并观察各个输出变量的变化，用以监测整个程序的控制效果，并不断调试程序以达到控制目的。

4.5.2 程序调试

步骤：1）编写程序完成后按下F4对程序进行变换；

2）点击“梯形图逻辑测试起动\\结束”按钮。将所编写的程序写入软

PLC中，界面中会出现“LADDER LOGIC TEST TOOL”窗口；

3）选择“LADDER LOGIC TEST TOOL”窗口中的“菜单起动”

——“继电器内存监视”。

4）进入“DEVICE MEMERY MONITOR”界面，选择“软元件”选

项。并按自动包装生产线的过程及会出现的状况对名软元件进行置位或赋值

操作，并观察程序运行的效果。

5）当程序未能实现预期效果时，则点击“梯形图逻辑测试起动\\结束”按键，退出仿真模式。单击“写入模式”继续进行程序的修改。

仿真图如图4.1所示。

5 监控系统软件设计

5.1 易控（INSPEC）组态软件介绍

易控（INSPEC）是一套通用的监控和数据采集（SCADA）软件，亦称人机界面（HMI/MMI）软件，俗称组态软件。易控以功能强大、性能稳定、图形精美、易学易用、开发高效、扩展容易等优点为自动化系统提供了理想的监控解决方案。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。

5.2上位机监控画面的组态设计

根据设计任务要求，在上位机监控画面中我们需要设计的图有振动给料机、称重漏斗、包装箱、传送带、数码管显示器、数字输入框、指示灯、按钮等图。其监控界面如图5.1所示。

图5.1 上位机监控画面下载本文