基于PLC的全自动包装码垛生产线控制系统设计

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来源：中国知网更新时间：2019-08-12 19:07:00点击次数：12636次

随着现代工业自动化技术的不断发展，企业中的生产机械设备逐步成为集机、电、仪于一体的综合体，人工手动工作已逐渐被高度自动化控制所取[1-4]。食盐、粮食、化肥等颗粒物料的包装、运输以及库房码垛离不开自动化包装机械。目前，由于先进的全自动包装技术主要掌握在少数发达国家手里，国内全自动包装码垛设备主要依赖进口，国外设备成本较高，维修困难，各种先进技术被垄断，对此国内对全自动包装生产线国产化的呼声越来越高。随着我国经济的不断发展，人工包装的低效率与生产量的不断提高之间的矛盾日益激化，因此对包装码垛自动生产线的研究具有重大的经济意义与现实意义[5-9]。

全自动包装码垛生产线是集机、电、气于一体的高技术机械设备，它主要应用于食盐、粮食、化肥以及医药等行业中的粉、粒等物料的全自动包装，即对包装过程中的称重、供袋、取袋、送袋、折边、封袋、编码打印、产品检测、产品传送、码垛、托盘和垛盘的输送等工作过程全部实现自动化[10-12]。

可编程控制器（PLC）因其具有抗干扰能力强、可扩展性强、可靠性高、可编程能力强等优点，因此在环境相对恶劣的工业控制领域中得到了广泛应用[13- 16]。基于此本文提出了一种基于PLC的全自动包装码垛生产线控制系统，采用西门S7-300和维纶MT8150iE触摸屏作为控制系统的核心，二者相互配合共同完成整个生产线的自动控制与监控。

1 全自动包装码垛生产线工艺流程

全自动包装码垛产线基本组成如图1所示。

全自动包装码垛生产线能够自动完成称重、供袋、取袋、装袋、封口、输送、重量复检以及码垛等工作任务。包装码垛生产线中主要机械系统包括自动称重秤系统、倒袋系统、输送系统、重量复检系统、剔除系统、码垛系统、托盘输送系统、控制系统等。工艺流程可总结为：物料从自称重系统的料斗进入包装秤的给料装置中，通过粗料和细料供给系统完成粗料和细料的混合完成物料的混配。当自动称重系统中的压力传感器检测到物料重量与目标重量相同时，则传感器将信号传送到PLC中，PLC发出停止加料命令加料系统停止加料，整个加料称重循环完成，此时称重机等待下一次称重加料信号。当自动装袋机完成上袋后，传感器检测到信号后称重箱中的卸料翻门打开，物料落入包装袋中，卸料完成后翻门被关闭，包装袋经过折边机进行自动折边，折边成后包装袋被运送到缝口机，分包装袋一旦被缝口机中的传感器检测到，缝口机边开始进行缝合包装袋口，缝合完成后自动将缝合线割断。包装完成后，产品经过输送机被输送到重量复检统，对包装质量进行最后的检查，当复检系统检测到包装质量不合格时，包装袋经过自动剔除系统被剔除，而符合标准的包装袋将以此通过喷墨打印机等设备，最后到达码垛机系统中，码垛机器人按照移动的排列方式进行自动摆放，在完成码垛任务后。全自动包装码垛生产线整个流程如图2所示。全自动包装机流程图

2 控制系统硬件设计

在全自动码垛包装过程中，称重、供袋、取袋、装袋、输送以及缝合等多个动作均是自动完成，工作过程中动作较多且复杂，工作环境也较为恶劣。而基于 PLC 的全自动包装码垛生产线控制系统具有结构简单、运行速度快、稳定性高、可扩展性强等优点，比较适合本文所研究的生产线所处的工作环境条件。根据生产线的工艺流程，该控制系统应该满足以下几个要求：（1）各工序能够协调控制，使自动化生产线稳定、可靠高速运行

（2）程序的可变性强，能够根据不同作业要求随时对运行程序进行调整。

（3）实时性高，动态响应性能好，能够随时对各种传感器信号进行采集并及时反馈。

（4）高可靠性、安全性和稳定性。

（5）理性化的人机界面，便于工人操作以及监控。

（6）硬件结构紧凑，且具有后期扩展性。根据包装工艺流程，本文采用了“HMI+PLC”的控制模式，控制系统整体框图如图 3 所示。

PLC可编程控制器作为触摸屏与各信号传感器之间的桥梁，将触摸屏与各个信号紧密连接起来。因此触摸屏、PLC、I/O

输入输出模块等组合在一起便构成了全自动包装码垛生产线控制系统。

2.1 触摸屏

触摸屏，简称 HMI，是控制包装机的直接媒介。由于该生产线的工作环境复杂恶劣，为了保证设备能够在复杂的工作环境中稳定可靠运行，同时考虑到其实用性和成本等特点，该控制系统中上位机选用威纶MT8150iE系列触摸屏。通过该触摸屏可实现包装速度、传送带速度等参数的输入，并实时对生产线目前的生产状态等信息进行显示。MT8150iE系列触摸屏具有多个串口（RS-232/RS-485）可同时与下位机实现通讯，拥有400 MHz的32位 RISC处理速度、输入电源为24VDC，能够实现1分钟的500VAC超高耐压。

2.2 PLC

针对控制系统主要实现功能，选择模块式的 PLC，主要组成单元有CPU模块、电源模块、基本 I/O 模块。对控制系统进行扩展时，只需要在原系统上增加相应的功能模块，就可以完成功能的添加，设计成本低、效率高。 PLC作为整个控制系统的核心，包装生产线工作过程中动作多且复杂，而生产线中的 I/O点数较多，综合分析该系统选择西门子PLC S7-300 系列该款PLC功能多、运算速度快，能够根据生产线不同需求进行组合配置。在分析整个包装码垛流水线工艺流程的基础上，选择

S7-300系列中的 CPU315-2DP，该生产线中主要包括自动包装系统和自动码垛系统两大部分，根据包装流程的动作分析，包装和码垛部分总共需要约60个输入点和50个输出点，选择输入模块 SM321，数字输出模块SM322。

3 控制系统软件设计

3.1 上位机软件设计

上位机触摸屏程序能够实现操作人员与PLC 之间的交流，实现不同人机界面之间的切换，以及不同的操作不同的按键控制

PLC 中不同的程序运行。触摸屏能够对包装码垛生产线的运行信息、报警信息以及控制信号以文字或者图像的形式，直观形象的展示给用户。触摸屏程序结构设计好坏不仅仅影响人机界面美观性，对整个系统的稳定可靠运行同样具有重要影响。 MT8150iE 系列触摸屏通过 EasyBuilder8000 编程软件进行离线模拟和在线模拟，极大的方便了程序的调试。该触摸屏软件程序中主要包括主控界面、参数设置界面以及监控三大部分。主控界面中主要包括启动、停止、自动模式以及手动模式，控制画面如图4所示。

参数设置界面图5所示

触屏包装秤参数设置界面

报警画面中主要显示生产线中的报警信息，主要包括仓物料报警、加料不足、加料过重、秤门未关、放料失败、总重量超重、手加料不足、手加料过多等等。结合报警画面中的信息，生产线的工作人员可以及时发现故障并排除故障，保证生产线的生产正常进行。

3.2 下位机部分程序设计

全自动包装码垛生产线中的逻辑控制程序主要包括以下几个模块：自动供袋子程序、自动取袋子程序、自动装袋子程序、拆边缝口子程、倒袋输送子程序、重量检测剔除子程序以及码垛分层子程序。在此处给出了自动取袋子程序控制流程图。袋子由供袋辊子传送到托板上，当传感器检测到袋子时，袋子便会被吸盘吸住。此时横进装置处于生产线取袋位置，当限位开关检测到信号时，则停止下降，此时磕头装置就会倾斜，真空电磁阀启动，袋子被吸盘吸住，吸袋后磕头装置竖起，斜托盘上升完成取袋操作，再进行上述重复动作。自动取袋流程图如图6所示。

4 结语

为了提高包装码垛生产线的自动化程度，提高企业生产效率，降低工人劳动强度，提出了一种基于PLC的全自动包装码垛生产线控制系统。上位机采用S7-300系列CPU315-2DP与数字输入SM321、数字输出SM322等模块相组合的方式实现对包装生产线全自动控制，上位机采用维纶MT8150iE触摸屏对整个包装生产线的运行状态进行监测与控制，在完成硬件选型的基础上，对控制系统主程序以及人机交互界面进行了软件编程。该控制系统稳定性强、成本低以及可编程能力强，大大提高了包装、运输以及码垛效率，显著提高了企业自动化程度。

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（此文关键词：全自动包装秤，全自动包装机，全自动定量包装秤，全自动包装码垛生产线，全自动包装机码垛生产线）

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