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 1 前言

眾所周知，我國的自動(dòng)化水平正不斷提高，自動(dòng)控制技術(shù)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用變得越來越廣泛。包裝工業(yè)由來已久，在大致經(jīng)歷了手工稱量，繼電器控制，稱重儀表控制后，PLC控制技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用。
我國的包裝行業(yè)由三大塊組成。第一塊是以包裝原輔材料和包裝機(jī)械設(shè)備為主的包裝基礎(chǔ)工業(yè)，這一塊屬于資金密集型和技術(shù)密集型工業(yè)，具有相對較高的產(chǎn)業(yè)附加值，也有較高的行業(yè)進(jìn)入門檻和產(chǎn)業(yè)競爭障礙。第二塊是由紙、塑料、金屬、玻璃這四大包裝和包裝印刷組成的包裝制品制造業(yè)，這一大塊的企業(yè)基本上屬于勞動(dòng)密集型企業(yè)，是一般競爭性的加工行業(yè)，具有地理成本優(yōu)勢，進(jìn)入壁壘較低，生產(chǎn)附加值相對較低，但現(xiàn)在的市場競爭也非常激烈。第三塊是由包裝代理、研、管理機(jī)構(gòu)等包裝服務(wù)和包裝管理行業(yè)，這部分屬于知識(shí)密集型行業(yè)，附加值高，進(jìn)入門檻低，這類企業(yè)正在快速發(fā)展，但總體發(fā)展水平還不是很高，整個(gè)產(chǎn)業(yè)不夠規(guī)范。這三大塊的發(fā)展就構(gòu)成了我國包裝行業(yè)的整體發(fā)展。
包裝機(jī)械的最大特點(diǎn)是動(dòng)作復(fù)雜，頻繁，且有較多的執(zhí)行元件，在這種場合使用其他控制設(shè)備如繼電器控制邏輯必然需要大量的中間繼電器，而這些中間繼電器在用 PLC 控制的情況下，就可以對其內(nèi)部的輔助繼電器進(jìn)行編程后取代。
再從物理角度來闡述：前者需要具體的電氣元件來組合，而PLC 的內(nèi)部寄存器在 PLC 編程容量許可的范圍內(nèi)，可以不花費(fèi)額外的費(fèi)用來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯。包裝機(jī)的種類繁多，按產(chǎn)品狀態(tài)分，有液體、塊狀、散粒體包裝機(jī)；按包裝行業(yè)分，有食品、日用化工、紡織品等包裝機(jī)；按包裝工位分，有單工位、多工位包裝機(jī)；

按自動(dòng)化程度分，有半自動(dòng)、全自動(dòng)包裝機(jī)等。液體包裝機(jī)即包裝液體產(chǎn)品的包裝設(shè)備，諸如飲料灌裝機(jī)、乳品灌裝機(jī)、粘稠液態(tài)食品包裝機(jī)、液態(tài)清潔用品及個(gè)人護(hù)理品包裝機(jī)等等都屬于液體包裝機(jī)的范疇。塊狀包裝機(jī)即是包裝塊狀產(chǎn)品的包裝設(shè)備，現(xiàn)在市面上的肥皂，小蛋糕，面包等都使用這種設(shè)備，一般一次成形，快捷，方便。散粒體包裝機(jī)又可以分為顆粒包裝機(jī)和粉料包裝機(jī)。顆粒包裝機(jī)由于物料是顆粒型，流動(dòng)性好，易于控制，通常采

用重力式給料，包裝精度高、效果良好。粉料包裝機(jī)又叫粉料包裝秤，是針對肥料、化工、食品、制藥等行業(yè)粉料包裝而研制，可完全適用于 5-50Kg 粉狀物料的半自動(dòng)計(jì)量充填包裝；配套螺旋提升機(jī)、皮帶輸送機(jī)、封包裝置，人工套袋，自動(dòng)夾袋、計(jì)量、充填、落袋、輸送，人工輔助入封合工位，熱封內(nèi)袋或縫制外袋，完成半自動(dòng)包裝過程。由于粉料的特性，對粉料包裝機(jī)的要求大大提高，粉料由于流動(dòng)性差，容易結(jié)塊和堵塞管道，因此對于粉料包裝機(jī)的性能和包裝精度也有更高的要求。針對粉料包裝的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于 PLC 的粉料包裝機(jī)控制系統(tǒng)，提高粉料包裝的精度。
 

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)包裝系統(tǒng)由 PLC（西門子 S7-200），包裝機(jī)，數(shù)字稱重傳感器（三菱 F701），變頻器，伺服電機(jī)組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。PLC 接受數(shù)字稱重傳感器 F701 的重量達(dá)標(biāo)信號(hào)，從而控制變頻器。變頻器通過改變輸出頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變包裝機(jī)上輸料螺旋桿的轉(zhuǎn)動(dòng)速度來控制給料的快慢。從上述過程可以看出整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)

根據(jù)稱重式自動(dòng)定量粉料包裝機(jī)（針對粉狀物料的包裝）的控制操作要求，控制系統(tǒng)選用西門子 S7-200 系列 PLC，此系列的 PLC 具有結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化，可擴(kuò)展性強(qiáng)，指令集豐富等特點(diǎn)。所選 CPU 的型號(hào)為 CPU226AC/DC/REL，它提供 24個(gè)數(shù)字量輸入和 16 個(gè)數(shù)字量輸出，輸入/輸出接口電路均采

用了光耦合電路，對外界接口具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。并且 2 個(gè)RS485 通訊/編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議，MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力?？梢院芊奖愕嘏c外界進(jìn)行通信。且其采用的 CPU 可以很快地進(jìn)行 I/O 處理和擴(kuò)展，便于安裝。PLC 自動(dòng)循環(huán)掃描各個(gè)輸入輸出點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)程序所確定的邏輯關(guān)系刷新輸出點(diǎn)的狀態(tài)，通過變頻器來控制相應(yīng)的電機(jī)的動(dòng)作，從而完成工藝流程的自動(dòng)控制。選用三菱數(shù)字稱重傳感器 F701 是因?yàn)槠渚哂懈卟僮餍院土己玫臄?shù)據(jù)校準(zhǔn)功能，可以準(zhǔn)確地測量粉料重量。此外使用它的定量投料/排出控制功能可以控制料斗定量秤/打包稱量秤。它的時(shí)序控制功能和豐富的外部接口（SI/F,BCD 輸出,RS-232C,RS-485,D/A 轉(zhuǎn)換器等）可以方便地與 PC 或程序發(fā)生器等外部設(shè)備連接。其自檢功能可檢查內(nèi)部電路，發(fā)生異常報(bào)警，監(jiān)視 CPU 動(dòng)作，大大增加了可靠性，除此外數(shù)字模擬濾波功能也集成在其內(nèi)部。包裝機(jī)為粉料包裝機(jī)，粉料包裝機(jī)顧名思義是包裝粉料使用的，它包括的部件有出料斗，插板，給料門，卸料門，放料斗，卡帶機(jī)構(gòu)，傳料螺旋桿等，通過外部電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋桿輸送物料。
所選三菱變頻器具有最高水準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)性能，電機(jī)不論是否有編碼器都可得到高精度和高響應(yīng)的速度控制，甚至 V/F控制和先進(jìn)磁通矢量控制也可選用。長壽命元件和先進(jìn)的壽命診斷方式使變頻器壽命長達(dá) 10 年；除此外，還具有豐富的網(wǎng)絡(luò)功能，支持 CC-Link 通訊，RS-485 通訊，支持 SSCNT3,支持各種主要的網(wǎng)絡(luò)；產(chǎn)生的噪音低，操作方便。對于給料電機(jī)的選擇，我們考慮的主要是其功率。包裝產(chǎn)品主要針對小袋，電機(jī)功率我們選擇較小，控制在 1.1kw左右，再考慮室內(nèi)常溫?；覊m較大，單向運(yùn)行，啟動(dòng)頻繁電壓為 380v 的三相交流電源等特點(diǎn)，我們選擇三菱電機(jī)。 

3 控制系統(tǒng)

3.1 設(shè)計(jì)要求

該系統(tǒng)的主要控制為開關(guān)量控制，除了一個(gè)加料電機(jī)，其他的動(dòng)作都是由氣缸完成的，但整個(gè)系統(tǒng)都由 PLC 控制。系統(tǒng)啟動(dòng)后，包裝機(jī)卡帶夾緊包裝袋，同時(shí)數(shù)字稱重傳感器啟動(dòng)，去除包裝袋的皮重，然后內(nèi)部氣缸開啟給料門（在物料充足的情況下），外部伺服電機(jī)在 PLC 控制下以快檔驅(qū)動(dòng)給料螺旋桿給料，在稱重傳感器未達(dá)到設(shè)定的快加重量時(shí)，系統(tǒng)持續(xù)快速加料；當(dāng)物料重量達(dá)到稱重傳感器快加設(shè)定值時(shí)，傳感器給 PLC 一個(gè)快加料結(jié)束信號(hào)，PLC 控制變頻器輸出頻率改變伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速以慢檔加料，當(dāng)物料重量達(dá)到稱重傳感器慢加重量時(shí)，傳感器再給 PLC 一個(gè)慢加料結(jié)束信號(hào)，插板關(guān)閉并且控制電機(jī)停止，稱重儀表給出稱重結(jié)束信號(hào)后，卡帶松開包裝袋，整個(gè)過程完成。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

PLC 終端軟件采用梯形圖語言編寫，軟件采用 MicroWinV3.2。S7-200 系列的最大優(yōu)點(diǎn)在于其自由口的同通信模式，自由口通信是通過用戶程序控制 S7-200cpu 通信口的操作模式，利用自由模式可以實(shí)現(xiàn)用戶定義的通信協(xié)議，連接多種智能設(shè)備?？紤]到實(shí)際情況，在包裝機(jī)存料罐中設(shè)置下限位開關(guān)保證此次裝袋的物料充足。如遇緊急停車情況，在處理完事故后，可以通過手動(dòng)快加或慢加來實(shí)現(xiàn)過程的順利完成。以上是在實(shí)際情況下設(shè)計(jì)的相對完善的附加處理功能，以保證此次包裝過程實(shí)施順利。

本包裝機(jī)控制系統(tǒng)已在包裝工廠長期運(yùn)行，實(shí)踐證明，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，為企業(yè)節(jié)約了成本。在運(yùn)行期間系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定，包裝準(zhǔn)確度精良，產(chǎn)品銷量大大提高，用戶滿意度也大幅增加。
 

4 結(jié)語

控制技術(shù)的發(fā)展大大提高了生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中越來越重視自動(dòng)化水平的提高，本系統(tǒng)充分發(fā)揮了 PLC 在控制領(lǐng)域的優(yōu)越性，整個(gè)物料傳送工藝在一個(gè)完整的控制系統(tǒng)下完成，各個(gè)分工藝之間的協(xié)調(diào)和設(shè)計(jì)嚴(yán)密，確保生產(chǎn)在安全，高效的條件下進(jìn)行。

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