基于PLC高速全自动包装机的控制系统设计
辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对PLC进行编程。事实上PLC用于这种场合是最能显现出其经济性。当然我们不仅忽视了PLC的另一个优点，那就是其运行速度及可靠性和寿命远远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲，PLC最适合于需要大量中间继电器的场合。且PLC与其他工业控制系统比较具有许多优点：
（1)更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动； （2)程序可以复制，批量生产很容易； （3)电气硬件设计大大简化；
（4)由于PLC除有继电器功能外，尚有多种其它功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化；
（5)可靠性高；
（6)成本相对于继电控制而言稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，成本急骤上升，而PLC控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性；
（7)具有扩展单元或扩展模块，当需要较多1/0时可以方便地扩展。
因此，国外在注塑机、各种包装机上已经大量地采用了PLC来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。
我国包装机械目前控制部件大多还沿用继电器方式。如果能用PLC来取代的话，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化[6]。更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现，使机器在某种程度上实现智能化。通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用PLC控制系统。 1.6 本设计研究的主要内容
（1）对可编程控制系统的现状与发展趋势作一简单的介绍，明确背景知识与选型根据；分析PLC在包装机械上应用的可能性与前景。
（2）卷纸包装机各动作控制工艺的研究。了解卷纸包装机的工作过程及工艺要求。总结各机构的动作顺序，将其用流程图的形式表示出来，为实现高速全自动运动控制做准备。
（3）可编程控制器部分的设计，包括控制方案的选取与设计、I/0接口信号的确定、模块的选择，控制程序的设计与调试。 1.7 设计的安排
本设计共分六章。设计的第一章主要介绍了可编程控制器的现状及发展趋势及其在包装机械上应用的可能性及前景，分析了PLC控制系统与其他控制系统的区别，介绍了本课题的研究内容。第二章分析了卷纸包装机工艺流程和包装各动作的时序及包装机速度的影响因素及提高方法，设计了包装机控制系统的控制方案、运行方式及硬
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件的选择。第三章主要对硬件进行总体设计。第四章主要是对控制系统的供电线路及包装机各工位元件的设计。第五章主要是对包装过程的同步控制系统进行分析。第六章根据PLC原理用SIEMENS的STEP7设计了某些功能块的梯形图，并用S7-PLCSIM simulator
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2 卷纸包装机控制系统的总体设计
第一章介绍了可编程控制技术的一些概要情况，下面就具体结合卷纸包装机电
控系统的实际来看一下它的应用。这里需要说明的是，正如前面所提到的那样，可编程控制技术并非单纯是指PLC本身，而是包括其在内的一系列自动化控制产品和技术的应用。本系统在电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的配合需求，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的包装机设备。在设计控制系统之前，首先得了解其生产工艺。 2.1 卷纸包装机生产工艺论述
卷纸包装机主体作用是把来源卷纸库的卷纸按照每分钟60个的频率包装为满足要求的卫生卷筒纸。如图2.1-1所示是简易的工艺流程图。包装纸按照卷筒的形式安装在原料架上方，一旦上位机释放命令，放卷电机开始动作，放卷开始。放卷到规定长度（长度依靠色标来确定）时，通过色标信号向切纸机构发出指令。切纸机构用的是交流变频调速电机，带动一个凸轮旋转，进而带动切断刀上下进行运动，在凸轮上放置一个位置传感器，当凸轮转到某一固定位置时，切刀开始向上运动，二刀分离，当出现色标信号时，刀又开始向下进行运动。切刀向上和向下的工作频率可借助变频调速电机进行调整，操作简单方便。已经完成切割的纸片经过整理后放到纸片库中，等待推纸空心台送纸片。同时卷纸库的卷纸通过整理等待托盘推杆送卷纸球。包装过程依靠包装工艺盘及其辅助机构来实现。包装工艺盘一共有八个V形槽和三个加工工位，当包装纸与待包装的卷筒纸放到槽中之后，由工艺盘载着其开始转动，依次送到每个加工工位。工艺盘的转动是借助交流电机通过皮带传动带动的，每个加工工位的动作是借助顺序逻辑控制电磁阀带动执行机构动作的。工件先是从1号工位装入，然后在2号工位由夹钳机构完成前进，抓紧，旋转以及窝边的动作，同时依次向托盘与推纸空心台发出送纸球和送纸片信号，最终在3号工位处，已经包装好的产品由于重力作用自由落入到成品库中。
切纸 防卷 原包装纸 纸片库 工工工 纸片整理 托纸盘 纸片空心台 V型槽 位1 位2 位3
卷纸库 图2.1-1 卷纸包装工艺流程图
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图2.1-2包装过程各工位时序图
因为它是一个突出的顺序控制，最简便的方法是运用移位寄存器来运转。移位寄存器假设是一个8位的，一个V形槽与一个移位寄存器吻合，移位一次要120ms，2号工位给出上料指令时，纸片被推动于推纸空心台，纸球被托盘牵引并且用一样的速度向前推进当第一工位恰好工艺盘V形槽相吻合时，工艺盘不动，拖延时间在这个时间是150ms，守候纸片被放纸空心台压到时，到位行程开关，关闭，托盘到位行程开关，被托盘压到时，托盘不动，实现了送料目的，等到延时结束，齐头并进。存纸空心台与托盘向后运动，并且插纸板向前移动顶起纸球和工艺盘运动到2号工位的位置时，工艺盘不动，延时250ms指令，在这段时间内，当工艺盘不运作后插纸板也跟着停止运作，并且给出送料不过因为惯性会出现包装纸绕着纸球以一个很小的角度旋转，目的是让纸球被包装纸全部包起来，接着又向后运动，轴向移动的是夹钳机构，限位开关被接触到时，轴向移动就暂停，但是三个夹杆一起径向移动，握捞包装纸的两头，抓紧限位开关被打开时，经过90度变化后夹钳机构轴接着向前运动，完成窝边后，这个机构就向后运动。与3号工位位置吻合时，产品自动掉下，包装过程完成，过程反复进行，等到给出暂停指令。如图2.1-2所示，包装一个卫生卷纸只需880ms，由于扫描周期的存在，所以一分钟只能生产出60个产品。 2.2 控制方案的设计
根据卷纸包装生产工艺，卷纸包装机的控制系统主要包括放卷过程的控制，送料过程控制，同步控制，由于控制项目多，被控工序还都聚集在一块，所以选用集中控制系统这方案。集中控制系统如图2.2-1所示，可编程控制器特定I/0和每个被控制工序相通，所以被控对象中的状态，数据的转换不用另外开通信号线。PLC是一个控
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制设备，它在单独的控制系统的缺点是有局限性，攻破不了有难度的计算，实时图形，历史记录，显示汉字。打印报表等功能在PLC中无法实现。针对这些缺陷，上位机的辅助是我们的理想选择。上位机的功能是对数据的存贮、处理和输出，用图形或表格形式给现场用动态模拟图来表达、预判限值或报警信号，根据实时需要打印报表。
控制器
A B C
控制对象 控制对象 控制对象 图2.2-1集中控制系统 2.3 系统的运行模式
运行模式有四种分别是手动、单步、周期和自动。 （1）手动：每道工序都单独运作，按开关按钮即可控制。
（2）单步：按开始开关，运作一个工序，到位就停止。又按开始键，就是下一道工序的运作。
（3）周期：从第一道工序位置算起，按开始开关，程序自动实现一个来回的操作后返回到启始位置停止。
（4）自动：按开始开关，程序自动实现一个来回的操作后返回到启始位置又接着从第一步开始运行，自动调节。在自动模式时，如果按下复位开关，系统还是运行到第一步启齿的地方才暂停；如果按停止开关，运行就马上停止，这时候如果再按开始，系统就从这位置运行至启始处停止。从卷纸包装机的实际出发，自动运行和手动运行是我们最佳选择[7]。和运行模式的设计对比，停止运动的模式也要策划。正常停运，暂时停运和紧急停运是可编程控制器的三项停运方法。考虑控制系统需要，因为包装机运行模式是循环模式，当在操作完成或检测到停止运行信号或机器出现问题或突发事情时才停止，所以该系统应用硬件切断电源，让系统马上停车。
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