基于PLC的饼干包装机的设计

2016-06-17刘鹤王化建刘坤樊福杰曲阜师范大学工学院

数码世界 2016年5期

刘鹤王化建刘坤樊福杰曲阜师范大学工学院

基于PLC的饼干包装机的设计

刘鹤王化建刘坤樊福杰
曲阜师范大学工学院

摘要：PLC控制步进电机广泛应用于工业控制中。本文介绍了饼干包装机的设计，以及PLC在包装机中的应用。本设计通过PLC来实现对包装机皮带的自动控制，并且通过PLC对步进电机的控制达到饼干入盒的效果，结构简单，可靠性比较高，成本较低，实用性很强，具有较高的通用性和应用推广价值。

关键词：PLC 步进电机包装机组态

可编程控制器是一种能在工业环境下应用的数字运算操作的装置。PLC在工业控制领域的应用已经得到了广泛认可，而且应用范围越来越广。现在，PLC功能得到极大的提高，为了能更方便地控制步进电机，许多PLC还内置了脉冲输出功能，及与其相对应的控制指令，快捷有效地对步进电机加以控制。本设计采用西门子公司CPU226晶体管输出型PLC控制步进电机，进而控制包装机的运行速度，来达到饼干自动入盒的效果。

1　包装机总体设计

现在，随着技术的发展，饼干的生产效率越来越高，而饼干的包装却成了人们提高生产效率的一大难题，人工包装或者半自动包装机已经很难满足生产的需求。而我们设计的全自动包装机操作方法简单、稳定性强、价格低廉，能够有效地解决包装难度大的问题。

1.1 结构设计

提升机：振动送料机将饼干振动并自由落体到提升机上，提升机上有饼干大小的方格，恰好可以将饼干留在机子斜面上并排成一排，这样就可以将不规则的饼干排成一排，方便饼干的入盒。

理料传送带：从提升机过来的的饼干经过理料传送带的整理，将会规则整齐。

加速传送带：将从理料传送带传送过来的饼干通过加速拉开距离，这将有利于后面对饼干进行计数。

开关传送带：这里的传送带前段有一个可以上下活动的开关，当接收至UPLC传送过来的信息时，可以向下转动，停止向前送料，当接收到入盒完毕的信号时，再恢复正常，继续供料。

光电传送带：此传送带前端和后端各有个光控开关，用来对饼干进行计数，到达设定数量后，发送信号来控制切换传送带的开关。

入盒传送带：将入盒的饼干带离流水线。

提盒机：为饼干传送线提供包装盒，饼干将在这里入盒，并将入盒的饼干传送到入盒传送带。

1.2 包装机工艺流程

首先，将散装的饼干放到振动盘上振动，饼干受到振动前进并均匀地自由落体，将会落到提升机上。提升机上面有排列整齐且大小一致的的小格，将会带着饼干向上运动，由于小格的存在，饼干这时候已经排列整齐。但由于饼干从提升机传送到理料传送带上可能会发生细小的偏转，所以用理料传送带加以整理，得到整齐划一的饼干。提升机上会有20排小格，所以到达传送带上也是20排排列整齐的饼干。其次，由于后面需要光电检测，所以需要饼干与饼干之间拉开间隔，当饼干从理料传感器被传送到加速传感器的时候，由于速度加快，所以饼干与饼干之间的距离将会被拉大，可以调整加速传送带的速度，来得到需要的饼干之间的距离。

然后，饼干将由加速传送带传送到开关传送带上面，开关传送带前段设置开关，当饼干到达一定的数值时，开关接收信号，开关打开，饼干落入下面，停止向前送料，当饼干入盒完毕，开关接收信号后复合，继续供料。光电传送带前端和后端各有一个光电开关来检测饼干数量，由于饼干是整齐的，所以虽然有20排，但只需要监测一排就可以。当饼干从开关传送带传送到光电传送带时，光电传感器开始监测，当检测的饼干达到需要数值时，前面的开关启动，停止供料。当饼干到达后面的光电传感器时，也开始监测计数，到达需要的数值，前面开关复合，继续供料。

传送带将饼干向前传送，到达提盒机。在前面工作人员摆好包装盒。提盒机用PLC控制步进电机来带动，饼干入盒前的传送带也用PLC控制的步进电机带动，这样就可以通过调节步进电机的速度，来调节饼干和包装盒的速度，保证饼干恰好入盒。后面将详述PLC对步进电机的控制。

2　硬件设备组成

PLC：本设计采用西门子公司CPU226晶体管输出型PLC。本次设计仅针对步进电机的速度、方向、定位等控制，并不需要对步进电机复杂的控制，所以选择PLC进行控制比较合理。而且PLC稳定性较高，不受外界环境的影响，利用PLC控制步进电机也比较方便，有利于操作。

步进电机：本设计采用深圳白山机电生产的两相步进电机。其型号分别为BSl 1 0HB1l5．06和BSll0HBl50．06，步距角均为1．8。，保持转矩分别为12N·m和20N·nl。而驱动器均选择DQ2722M。它的特点是电机运行稳定，几乎没有震动和噪音，定位精度高。信号输入接线方法选择共阴极接线方法。

光电传感器：本设计选择德国SICK公司的产品，型号为WT-100．P1419。这个型号的光电传感器可以分辨1mm的距离，需要检测的饼干为4～5mm厚，完全符合要求。

3　PLC对传送带开关的控制

根据设计要求，当光电传送带前段的光电传感器开始检测，PLC开始计数。当PLC计数达到要求时，开关传感器开关打开，停止向前供料。同时，饼干到达后端，传感器开始检测，PLC开始计数。当PLC计数达到要求，开关复合，继续向前供料4 PLC对步进电机的控制。

4　PLC控制步进电机的设计原理

本次设计要求实现步进电机的速度控制，包括整部运行、快／慢速运行和细分运行、方向控制以及定位控制。通过改变PLC输出脉冲频率和个数的控制，实现步进电机的速度控制要求和定位控制。至于方向控制，则可用PLC输出信号作为驱动器方向电平的输入信号。现在选用的是两相四线制的步进电机，所以可以通过四线来调节转动方向。

通过以上分析，本次设计采用高速脉冲来输出PTO的控制方法对步进电机进行控制。高速脉冲输出功能就是PLC的一些输出端能输出高速脉冲，从而可以利用高速脉冲驱动负载得到精确的控制。高速脉冲输出有高速脉冲输／出PTO（Pulse Train Output和宽度可调脉冲输出PwM（PulseWidth Modulation）两种方式。PTO能够输出占空比为50%的一串脉冲，用户可以用来控制脉冲的个数和周期。模块化的设计是根据设计要求，首先将软件的主要结构和流程框架分别用主程序、子程序等描述出来，并将各个框架之间的输入输出连接关系定义和调试好。此目的是为了减少程序复杂程度，简化程序设计、调试和维护等操作的过程。

4.1 步进电机程序设计

4.1.1 运输饼干传送带的步进电机的速度设定

根据设计要求，将由步进电机带动的运输饼干进盒的传送带设计为匀速运动。这样可以防止由加速或减速运动带来的传送带震动，避免引发饼干的不稳定甚至滑动，从而保证饼干稳定平稳入盒。诬门子PLC的组态软件STEP7-Micro／WIN提供了位置控制向导，可以帮助我们在几分钟内全部完成PTO／PWN或位控模块的组态。该向导可以生成位控指令，可以利用这些位控指令在其应用程序中对位置和速度进行动态控制。使用STEP7一Micro／WIN位置控制向导，可以为PTO操作来组态内置输出。选择QO．0或QO．1，将其组态为PTO输出。在位置控制向导的对话框里点击“配置s7．200PLC内置PTO／PWN操作”，在下拉对话框里点击“线性脉冲串输出（PT0）”。根据设计需求，通过利用合适的脉冲数来控制传送带的速度或位置。

脉冲输出向导将根据所选择的配置生成项目件，主要有PTO0 CTRL、PTO0 RUN、PT00 MAN。编程用于步进电机的PTO输出将会调用PT00CTRL子程序（控制）；调用PT00 RUN子程序（运行包络）命令PLC在一个指定的包络中执行运动操作，此包络存储在组态包络表中。

4.1.2 提盒机的步进电机的速度设定

由于提盒机的速度要根据入盒饼干的速度设定，所以根据饼干入盒的速度，可以将步进电机速度设置为快慢交替，当饼干入盒时设置为慢速运行，饼干入盒后到下一个饼干开始入盒前的间隙设置为快速运行。这样，就可以保证包装盒及时到达预定位置，保证饼干匀速稳定入盒。网络2和网络3分别调用的是子程序SB Ron SBR l，分别用来控制慢速运行和快速运行，使步进电机能够分别实现慢速运行和快速运行的效果，达到设计要求。