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基于PLC的全自動包裝碼垛生產線控制系統設計
發布時間：2019-08-12 19:07:00 |來源：中國知網
隨著現代工業自動化技術的不斷發展，企業 中的生產機械設備逐步成為集機、電、儀于一體 的綜合體，人工手動工作已逐漸被高度自動化控制所取[1-4]。食鹽、糧食、化肥等顆粒物料的包 裝、運輸以及庫房碼垛離不開自動化包裝機械。 目前，由于先進的全自動包裝技術主要掌握在少數發達國家手里，國內全自動包裝碼垛設備主要依賴進口，國外設備成本較高，維修困難，各種先進技術被壟斷，對此國內對全自動包裝生產線國產化的呼聲越來越高。隨著我國經濟的不斷發展，人工包裝的低效率與生產量的不斷提高之間的矛盾日益激化，因此對包裝碼垛自動生產線的研究具有重大的經濟意義與現實意義[5-9]。
全自動包裝碼垛生產線是集機、電、氣于一體的高技術機械設備，它主要應用于食鹽、糧食、化肥以及醫藥等行業中的粉、粒等物料的全自動包裝，即對包裝過程中的稱重、供袋、取袋、送袋、折邊、封袋、編碼打印、產品檢測、產品傳送、碼垛、托盤和垛盤的輸送等工作過程全部實現自動化[10-12]。
可編程控制器（PLC）因其具有抗干擾能力強、可擴展性強、可靠性高、可編程能力強等優點，因此在環境相對惡劣的工業控制領域中得到 了廣泛應用[13- 16]?；诖吮疚奶岢隽艘环N基于PLC的全自動包裝碼垛生產線控制系統，采用西門S7-300和維綸MT8150iE觸摸屏作為控制系統的核心，二者相互配合共同完成整個生產線的自動控制與監控。
1 全自動包裝碼垛生產線工藝流程
全自動包裝碼垛產線基本組成如圖1所示。
全自動包裝碼垛生產線能夠自動完成稱重、供 袋、取袋、裝袋、封口、輸送、重量復檢以及碼垛等工作任務。包裝碼垛生產線中主要機械系統包括自動稱重秤系統、倒袋系統、輸送系統、重量復檢系統、剔除系統、碼垛系統、托盤輸送系統、控制系統等。工藝流程可總結為：物料從自稱重系統的料斗進入包裝秤的給料裝置中，通過粗料和細料供給系統完成粗料和細料的混合完成物料的混配。當自動稱重系統中的壓力傳感器檢測到物料重量與目標重量相同時，則傳感器將信號傳送到PLC中，PLC發出停止加料命令加料系統停止加料，整個加料稱重循環完成，此時稱重機等待下一次稱重加料信號。當自動裝袋機完成上袋后，傳感器檢測到信號后稱重箱中的卸料翻門打開，物料落入包裝袋中，卸料完成后翻門被關閉，包裝袋經過折邊機進行自動折邊，折邊成后包裝袋被運送到縫口機，分包裝袋一旦被縫口機中的傳感器檢測到，縫口機邊開始進行縫合包裝袋口，縫合完成后自動將縫合線割斷。包裝 完成后，產品經過輸送機被輸送到重量復檢統，對包裝質量進行最后的檢查，當復檢系統檢測到包裝質量不合格時，包裝袋經過自動剔除系統被剔除，而符合標準的包裝袋將以此通過噴墨打印機等設備，最后到達碼垛機系統中，碼垛機器人按照移動的排列方式進行自動擺放，在完成碼垛任務后。全自動包裝碼垛生產線整個流程如圖2所示。
2 控制系統硬件設計
在全自動碼垛包裝過程中，稱重、供袋、取 袋、裝袋、輸送以及縫合等多個動作均是自動完 成，工作過程中動作較多且復雜，工作環境也較為惡劣。而基于 PLC 的全自動包裝碼垛生產線 控制系統具有結構簡單、運行速度快、穩定性高、 可擴展性強等優點，比較適合本文所研究的生產 線所處的工作環境條件。根據生產線的工藝流 程，該控制系統應該滿足以下幾個要求： （1）各工序能夠協調控制，使自動化生產線 穩定、可靠高速運行
（2）程序的可變性強，能夠根據不同作業要 求隨時對運行程序進行調整。
（3）實時性高，動態響應性能好，能夠隨時對 各種傳感器信號進行采集并及時反饋。
（4）高可靠性、安全性和穩定性。
（5）理性化的人機界面，便于工人操作以及 監控。
（6）硬件結構緊湊，且具有后期擴展性。 根據包裝工藝流程，本文采用了“HMI+PLC”的控制模式，控制系統整體框圖如圖 3 所示。
PLC可編程控制器作為觸摸屏與各信號傳感器之 間的橋梁，將觸摸屏與各個信號緊密連接起來。 因此觸摸屏、PLC、I/O
輸入輸出模塊等組合在一 起便構成了全自動包裝碼垛生產線控制系統。
2.1 觸摸屏
觸摸屏，簡稱 HMI，是控制包裝機的直接媒 介。由于該生產線的工作環境復雜惡劣，為了保證設備能夠在復雜的工作環境中穩定可靠運行，同時考慮到其實用性和成本等特點，該控制系統中上位機選用威綸MT8150iE系列觸摸屏。通過該觸摸屏可實現包裝速度、傳送帶速度等參數的輸入，并實時對生產線目前的生產狀態等信息進行顯示。MT8150iE系列觸摸屏具有多個串口（RS-232/RS-485）可同時與下位機實現通訊，擁有400 MHz的32位 RISC處理速度、輸入電源為24VDC，能夠實現1分鐘的500VAC超高耐壓。
2.2 PLC
針對控制系統主要實現功能，選擇模塊式的 PLC，主要組成單元有CPU模塊、電源模塊、基本 I/O 模塊。對控制系統進行擴展時，只需要在原 系統上增加相應的功能模塊，就可以完成功能的 添加，設計成本低、效率高。 PLC作為整個控制系統的核心，包裝生產線工作過程中動作多且復雜，而生產線中的 I/O點數較多，綜合分析該系統選擇西門子PLC S7-300 系列該款PLC功能多、運算速度快，能夠根據生產線不同需求進行組合配置。在分析整個包裝碼垛流水線工藝流程的基礎上，選擇
S7-300系列 中的 CPU315-2DP，該生產線中主要包括自動包裝系統和自動碼垛系統兩大部分，根據包裝流程 的動作分析，包裝和碼垛部分總共需要約60個輸 入點和50個輸出點，選擇輸入模塊 SM321，數字 輸出模塊SM322。
3 控制系統軟件設計
3.1 上位機軟件設計
上位機觸摸屏程序能夠實現操作人員與PLC 之間的交流，實現不同人機界面之間的切換，以 及不同的操作不同的按鍵控制
PLC 中不同的程序運行。觸摸屏能夠對包裝碼垛生產線的運行信息、報警信息以及控制信號以文字或者圖像的形式，直觀形象的展示給用戶。觸摸屏程序結構設計好壞不僅僅影響人機界面美觀性，對整個系統的穩定可靠運行同樣具有重要影響。 MT8150iE 系列觸摸屏通過 EasyBuilder8000 編程軟件進行離線模擬和在線模擬，極大的方便了程序的調試。該觸摸屏軟件程序中主要包括主控界面、參數設置界面以及監控三大部分。主控界面中主要包括啟動、停止、自動模式以及手動模式，控制畫面如圖4所示。
參數設置界面圖5所示
報警畫面中主要顯示生產線中的報警信息，主要包括倉物料報警、加料不足、加料過重、秤門未關、放料失敗、總重量超重、手加料不足、手加料過多等等。結合報警畫面中的信息，生產線的工作人員可以及時發現故障并排除故障，保證生產線的生產正常進行。
3.2 下位機部分程序設計
全自動包裝碼垛生產線中的邏輯控制程序 主要包括以下幾個模塊：自動供袋子程序、自動取袋子程序、自動裝袋子程序、拆邊縫口子程、倒袋輸送子程序、重量檢測剔除子程序以及碼垛分層子程序。在此處給出了自動取袋子程序控制流程圖。袋子由供袋輥子傳送到托板上，當傳感器檢測到袋子時，袋子便會被吸盤吸住。此時橫進裝置處于生產線取袋位置，當限位開關檢測到信號時，則停止下降，此時磕頭裝置就會傾斜，真空電磁閥啟動，袋子被吸盤吸住，吸袋后磕頭裝置豎起，斜托盤上升完成取袋操作，再進行上述重復動作。自動取袋流程圖如圖6所示。
4 結語
為了提高包裝碼垛生產線的自動化程度，提高企業生產效率，降低工人勞動強度，提出了一種基于PLC的全自動包裝碼垛生產線控制系統。上位機采用S7-300系列CPU315-2DP與數字輸入SM321、數字輸出SM322等模塊相組合的方式實現對包裝生產線全自動控制，上位機采用維綸MT8150iE觸摸屏對整個包裝生產線的運行 狀態進行監測與控制，在完成硬件選型的基礎上，對控制系統主程序以及人機交互界面進行了軟件編程。該控制系統穩定性強、成本低以及可編程能力強，大大提高了包裝、運輸以及碼垛效率，顯著提高了企業自動化程度。
作者：李蓉娟、吳新偉
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