第3章 包装码垛自动生产线PLC控制系统设计

在包装过程中，自动完成称重、供袋、取袋、装袋、缝口、输送、金属检测、重量检测及码垛等多个动作，动作多，运动复杂，而所处工作环境恶劣(高温、振动、粉尘)，这就要求控制系统具有很高的可靠性、良好的节能措施、很强的故障诊断能力，确保生产的稳定运行。由于包装生产线的各种控制为开关量，而目前流行的PLC具有结构小巧、运行速度高、通用性好、可靠性高等特点，非常适合于工业现场的高温、振动、粉尘等恶劣环境下的开关控制。所以选用PLC作为控制系统的核心部件。本包装码垛自动生产线动作关系复杂，I/0点数较多，以开关量控制为主，选择日本三菱公司的FX2N系列PLC为控制核心部件。

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3.1 PLC的基本结构

PLC的类型繁多，但其结构和工作原理则大同小异，一般是由中央处理单元(CPU)、内存、输入/输出单元、编程器、电源等主要部分构成的。如果把PLC看作一个系统，外部的开关信号均为输入变量，它们经输入接口存到PLC内部的数据存储器中，而后经过逻辑运算或数据处理以输出变量的形式送到输出接口，从而控制输出设备。PLC的基本结构如图3-1所示。

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图3-1 PLC的基本结构

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3.2 PLC的主要组成部分

（1）中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、内存、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序内存中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

（2）内存

根据内存存储内容的不同，我们把内存分为：

系统程序内存：用来存放系统程序的内存。系统程序相当于计算机操作系统，主要包括检查程序、编译程序和监控程序，是PLC厂家根据选用的CPU的指令系统编写的，并固化到ROM里，用户不能修改其内容。

用户程序内存：用来存放用户根据控制要求编制的程序。不同类型的PLC，其存储容量也不一样。

数据存储器：用以存放PLC运行中的各种数据的内存。因为运行中数据不断变化，所以这种内存必须可擦写。

（3）输入/输出单元

输入/输出(I/0)单元是PLC与外部设备相互联系的窗口。输入单元接收现场设备向PLC提供的信号，例如由按钮、操作开关、限位开关、继电器触点、接近开关、拨码器等提供的开关量信号。这些信号经过输入电路的滤波、光电隔离、电平转换等处理，变成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将经过CPU处理的微弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各执行组件，如指示灯的亮灭，电动机启停和正反转，设备的转动、平移、升降，阀门的关闭等。

（4）电源部分

电源部件能将外部供电电源转换成供PLC的CPU、内存、I/0接口等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作。PLC中一般配有开关式稳压电源为内部电路供电。开关电源的输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。有的PLC能向外部提供24V的直流电源，可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。

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3.3 PLC的工作原理

PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是说PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段才能完成控制过程。

3.3.1 输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

3.3.2 用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其它输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或资料的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

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3.3.3 输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

3.4 PLC控制系统设计

3.4.1 包装码垛自动生产线工艺流程

包装码垛自动生产线可自动完成称重、供袋、取袋、装袋、缝口、输送、金属检测、重量检测及码垛等功能。全自动包装码垛生产线的机械系统主要包括全自动称重单元、包装单元、输送检测单元、码垛单元。其主要工艺流程如下:物料自储料斗进入包装秤的给料装置，通过粗、细给料，实现粗、细两级加料。当秤斗中的物料重量达到最终设定值时，称重终端发出停止加料信号，待空中的飞料全部落入秤斗后此次称重循环结束，此时电子包装秤等待装袋机的投料信号。当自动装袋机完成上袋后，发出讯号，使称重箱打开卸料翻门，向包装袋内投料，卸料后称重箱关闭翻门，装袋机张开夹袋器，包装袋通过夹口整形机和立袋输送机进入自动折边机，包装袋经折边后，进入缝口机，当设在缝口机旁边的光电开关检测到包装袋后，缝纫机开始工作，缝合包装袋，当包装袋离开缝纫机后，缝纫机停止，并自动切断缝合线。包装袋经过倒袋整形机进入金属检测机及重量复检机，如果检测不合格，在包装袋通过自动捡选机时将被剔除，而合格的包装袋则顺利通过自动捡选机，再经喷墨打印机、过渡输送机、缓停机等设备，将包装袋输送到码垛单元，由转位机根据码垛工艺要求将料袋依次按“2袋竖-3袋横”和“3袋横-2袋竖”循环做转位处理。这样包装袋便以2袋直或3袋横的形式进入编组机，最后由码垛机将包装袋堆码到托盘上，一般以码8层为一垛。码垛完成后，垛盘输送机将其输送出码垛区，停放在叉车区域垛盘输送机上。码垛机所使用的托盘由托盘仓和托盘输送机根据程序自动提供。包装码垛自动生产线工艺流程如图3-2所示。

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