劉鶴 王化建 劉坤 樊福杰曲阜師范大學(xué)工學(xué)院

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基于PLC的餅干包裝機(jī)的設(shè)計(jì)

劉鶴 王化建 劉坤 樊福杰
曲阜師范大學(xué)工學(xué)院

摘要：PLC控制步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中。本文介紹了餅干包裝機(jī)的設(shè)計(jì)，以及PLC在包裝機(jī)中的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)通過PLC來實(shí)現(xiàn)對包裝機(jī)皮帶的自動控制，并且通過PLC對步進(jìn)電機(jī)的控制達(dá)到餅干入盒的效果，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性比較高，成本較低，實(shí)用性很強(qiáng)，具有較高的通用性和應(yīng)用推廣價值。

關(guān)鍵詞：PLC 步進(jìn)電機(jī) 包裝機(jī) 組態(tài)

可編程控制器是一種能在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的數(shù)字運(yùn)算操作的裝置。PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可，而且應(yīng)用范圍越來越廣?，F(xiàn)在，PLC功能得到極大的提高，為了能更方便地控制步進(jìn)電機(jī)，許多PLC還內(nèi)置了脈沖輸出功能，及與其相對應(yīng)的控制指令，快捷有效地對步進(jìn)電機(jī)加以控制。本設(shè)計(jì)采用西門子公司CPU226晶體管輸出型PLC控制步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而控制包裝機(jī)的運(yùn)行速度，來達(dá)到餅干自動入盒的效果。

1　包裝機(jī)總體設(shè)計(jì)

現(xiàn)在，隨著技術(shù)的發(fā)展，餅干的生產(chǎn)效率越來越高，而餅干的包裝卻成了人們提高生產(chǎn)效率的一大難題，人工包裝或者半自動包裝機(jī)已經(jīng)很難滿足生產(chǎn)的需求。而我們設(shè)計(jì)的全自動包裝機(jī)操作方法簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)、價格低廉，能夠有效地解決包裝難度大的問題。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提升機(jī)：振動送料機(jī)將餅干振動并自由落體到提升機(jī)上，提升機(jī)上有餅干大小的方格，恰好可以將餅干留在機(jī)子斜面上并排成一排，這樣就可以將不規(guī)則的餅干排成一排，方便餅干的入盒。

理料傳送帶：從提升機(jī)過來的的餅干經(jīng)過理料傳送帶的整理，將會規(guī)則整齊。

加速傳送帶：將從理料傳送帶傳送過來的餅干通過加速拉開距離，這將有利于后面對餅干進(jìn)行計(jì)數(shù)。

開關(guān)傳送帶：這里的傳送帶前段有一個可以上下活動的開關(guān)，當(dāng)接收至UPLC傳送過來的信息時，可以向下轉(zhuǎn)動，停止向前送料，當(dāng)接收到入盒完畢的信號時，再恢復(fù)正常，繼續(xù)供料。

光電傳送帶：此傳送帶前端和后端各有個光控開關(guān)，用來對餅干進(jìn)行計(jì)數(shù)，到達(dá)設(shè)定數(shù)量后，發(fā)送信號來控制切換傳送帶的開關(guān)。

入盒傳送帶：將入盒的餅干帶離流水線。

提盒機(jī)：為餅干傳送線提供包裝盒，餅干將在這里入盒，并將入盒的餅干傳送到入盒傳送帶。

1.2 包裝機(jī)工藝流程

首先，將散裝的餅干放到振動盤上振動，餅干受到振動前進(jìn)并均勻地自由落體，將會落到提升機(jī)上。提升機(jī)上面有排列整齊且大小一致的的小格，將會帶著餅干向上運(yùn)動，由于小格的存在，餅干這時候已經(jīng)排列整齊。但由于餅干從提升機(jī)傳送到理料傳送帶上可能會發(fā)生細(xì)小的偏轉(zhuǎn)，所以用理料傳送帶加以整理，得到整齊劃一的餅干。提升機(jī)上會有20排小格，所以到達(dá)傳送帶上也是20排排列整齊的餅干。其次，由于后面需要光電檢測，所以需要餅干與餅干之間拉開間隔，當(dāng)餅干從理料傳感器被傳送到加速傳感器的時候，由于速度加快，所以餅干與餅干之間的距離將會被拉大，可以調(diào)整加速傳送帶的速度，來得到需要的餅干之間的距離。

然后，餅干將由加速傳送帶傳送到開關(guān)傳送帶上面，開關(guān)傳送帶前段設(shè)置開關(guān)，當(dāng)餅干到達(dá)一定的數(shù)值時，開關(guān)接收信號，開關(guān)打開，餅干落入下面，停止向前送料，當(dāng)餅干入盒完畢，開關(guān)接收信號后復(fù)合，繼續(xù)供料。光電傳送帶前端和后端各有一個光電開關(guān)來檢測餅干數(shù)量，由于餅干是整齊的，所以雖然有20排，但只需要監(jiān)測一排就可以。當(dāng)餅干從開關(guān)傳送帶傳送到光電傳送帶時，光電傳感器開始監(jiān)測，當(dāng)檢測的餅干達(dá)到需要數(shù)值時，前面的開關(guān)啟動，停止供料。當(dāng)餅干到達(dá)后面的光電傳感器時，也開始監(jiān)測計(jì)數(shù)，到達(dá)需要的數(shù)值，前面開關(guān)復(fù)合，繼續(xù)供料。

傳送帶將餅干向前傳送，到達(dá)提盒機(jī)。在前面工作人員擺好包裝盒。提盒機(jī)用PLC控制步進(jìn)電機(jī)來帶動，餅干入盒前的傳送帶也用PLC控制的步進(jìn)電機(jī)帶動，這樣就可以通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度，來調(diào)節(jié)餅干和包裝盒的速度，保證餅干恰好入盒。后面將詳述PLC對步進(jìn)電機(jī)的控制。

2　硬件設(shè)備組成

PLC：本設(shè)計(jì)采用西門子公司CPU226晶體管輸出型PLC。本次設(shè)計(jì)僅針對步進(jìn)電機(jī)的速度、方向、定位等控制，并不需要對步進(jìn)電機(jī)復(fù)雜的控制，所以選擇PLC進(jìn)行控制比較合理。而且PLC穩(wěn)定性較高，不受外界環(huán)境的影響，利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)也比較方便，有利于操作。

步進(jìn)電機(jī)：本設(shè)計(jì)采用深圳白山機(jī)電生產(chǎn)的兩相步進(jìn)電機(jī)。其型號分別為BSl 1 0HB1l5．06和BSll0HBl50．06，步距角均為1．8。，保持轉(zhuǎn)矩分別為12N·m和20N·nl。而驅(qū)動器均選擇DQ2722M。它的特點(diǎn)是電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，幾乎沒有震動和噪音，定位精度高。信號輸入接線方法選擇共陰極接線方法。

光電傳感器：本設(shè)計(jì)選擇德國SICK公司的產(chǎn)品，型號為WT-100．P1419。這個型號的光電傳感器可以分辨1mm的距離，需要檢測的餅干為4～5mm厚，完全符合要求。

3　PLC對傳送帶開關(guān)的控制

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)光電傳送帶前段的光電傳感器開始檢測，PLC開始計(jì)數(shù)。當(dāng)PLC計(jì)數(shù)達(dá)到要求時，開關(guān)傳感器開關(guān)打開，停止向前供料。同時，餅干到達(dá)后端，傳感器開始檢測，PLC開始計(jì)數(shù)。當(dāng)PLC計(jì)數(shù)達(dá)到要求，開關(guān)復(fù)合，繼續(xù)向前供料4 PLC對步進(jìn)電機(jī)的控制。

4　PLC控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)原理

本次設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制，包括整部運(yùn)行、快／慢速運(yùn)行和細(xì)分運(yùn)行、方向控制以及定位控制。通過改變PLC輸出脈沖頻率和個數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制要求和定位控制。至于方向控制，則可用PLC輸出信號作為驅(qū)動器方向電平的輸入信號?，F(xiàn)在選用的是兩相四線制的步進(jìn)電機(jī)，所以可以通過四線來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動方向。

通過以上分析，本次設(shè)計(jì)采用高速脈沖來輸出PTO的控制方法對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。高速脈沖輸出功能就是PLC的一些輸出端能輸出高速脈沖，從而可以利用高速脈沖驅(qū)動負(fù)載得到精確的控制。高速脈沖輸出有高速脈沖輸／出PTO（Pulse Train Output和寬度可調(diào)脈沖輸出PwM（PulseWidth Modulation）兩種方式。PTO能夠輸出占空比為50%的一串脈沖，用戶可以用來控制脈沖的個數(shù)和周期。模塊化的設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)要求，首先將軟件的主要結(jié)構(gòu)和流程框架分別用主程序、子程序等描述出來，并將各個框架之間的輸入輸出連接關(guān)系定義和調(diào)試好。此目的是為了減少程序復(fù)雜程度，簡化程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等操作的過程。

4.1 步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)

4.1.1 運(yùn)輸餅干傳送帶的步進(jìn)電機(jī)的速度設(shè)定

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將由步進(jìn)電機(jī)帶動的運(yùn)輸餅干進(jìn)盒的傳送帶設(shè)計(jì)為勻速運(yùn)動。這樣可以防止由加速或減速運(yùn)動帶來的傳送帶震動，避免引發(fā)餅干的不穩(wěn)定甚至滑動，從而保證餅干穩(wěn)定平穩(wěn)入盒。誣門子PLC的組態(tài)軟件STEP7-Micro／WIN提供了位置控制向?qū)?，可以幫助我們在幾分鐘?nèi)全部完成PTO／PWN或位控模塊的組態(tài)。該向?qū)Э梢陨晌豢刂噶睿梢岳眠@些位控指令在其應(yīng)用程序中對位置和速度進(jìn)行動態(tài)控制。使用STEP7一Micro／WIN位置控制向?qū)В梢詾镻TO操作來組態(tài)內(nèi)置輸出。選擇QO．0或QO．1，將其組態(tài)為PTO輸出。在位置控制向?qū)У膶υ捒蚶稂c(diǎn)擊“配置s7．200PLC內(nèi)置PTO／PWN操作”，在下拉對話框里點(diǎn)擊“線性脈沖串輸出（PT0）”。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，通過利用合適的脈沖數(shù)來控制傳送帶的速度或位置。

脈沖輸出向?qū)⒏鶕?jù)所選擇的配置生成項(xiàng)目件，主要有PTO0 CTRL、PTO0 RUN、PT00 MAN。編程用于步進(jìn)電機(jī)的PTO輸出將會調(diào)用PT00CTRL子程序（控制）；調(diào)用PT00 RUN子程序（運(yùn)行包絡(luò)）命令PLC在一個指定的包絡(luò)中執(zhí)行運(yùn)動操作，此包絡(luò)存儲在組態(tài)包絡(luò)表中。

4.1.2 提盒機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的速度設(shè)定

由于提盒機(jī)的速度要根據(jù)入盒餅干的速度設(shè)定，所以根據(jù)餅干入盒的速度，可以將步進(jìn)電機(jī)速度設(shè)置為快慢交替，當(dāng)餅干入盒時設(shè)置為慢速運(yùn)行，餅干入盒后到下一個餅干開始入盒前的間隙設(shè)置為快速運(yùn)行。這樣，就可以保證包裝盒及時到達(dá)預(yù)定位置，保證餅干勻速穩(wěn)定入盒。網(wǎng)絡(luò)2和網(wǎng)絡(luò)3分別調(diào)用的是子程序SB Ron SBR l，分別用來控制慢速運(yùn)行和快速運(yùn)行，使步進(jìn)電機(jī)能夠分別實(shí)現(xiàn)慢速運(yùn)行和快速運(yùn)行的效果，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)束語

隨著PLC的普及發(fā)展，使用PLC進(jìn)行工業(yè)控制的范圍已經(jīng)非常廣泛，應(yīng)用程度也越來越大。我們設(shè)計(jì)的基于PLC的餅干包裝機(jī)將大大提高餅干包裝的效率，提高產(chǎn)量，節(jié)省大量的人力物力，具有較高的實(shí)用性和應(yīng)用推廣價值。

參考文獻(xiàn)

［1］張華龍．S7．200SIMATICPLC完全精通教程［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013．

［2］王永華．現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)（第2版）［M］．北京：北京航天大學(xué)出版社，2008．2．

［3］梅麗鳳．電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

［4］宋伯生．PLC編程理論、算法及技巧［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

［5］徐智，杜逸鳴．基于西門子S7．200PLC控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］．三江學(xué)院雜志，2009（4）：34—37．