1、上海工程技术大学毕业设计（论文） 饮料箱自动码垛机 plc 控制回路设计 目 录 摘要 . 1 0 引言 . 2 0.1 西门子 S7-200smart 硬件介绍软件应用 . 2 1 饮料箱自动码垛机结构原理 . 5 1.1 工艺流程 . 5 2 方案设计 . 6 2.1 控制方案 . 6 2.2 伺服系统 . 6 2.2.1 伺服系统简介 . 6 2.2.2 伺服系统应用使用 . 7 2.3 气动系统及吸盘 . 8 2.3.1 气动系统 . 8 2.3.2 真空吸盘 . 9 2.4 步进电机 . 9 2.5 脉冲输出控制（ PTO 方式输出） . 10 2.6 PLC 控制系统一般设计步骤
2、. 12 3 电气接线图（按 I/0 分配表进行连接） . 14 4 软件设计 . 15 4.1 I/O 分配 . 15 上海工程技术大学毕业设计（论文） 饮料箱自动码垛机 plc 控制回路设计 4.2 程序 . 16 5 结论 . 35 6 参考文献 . 37 上海工程技术大学毕业设计（论文） 饮料箱自动码垛机 plc 控制回路设计 1 传统的机械设备与产品多以机械为主，是电气、液压和气动控制的机械设备，随着工业水平的不断发展，机械设备已逐步的由手动控制改为自动控制，设备本身也发展成为机电一体化的综合体，可编程控制器（ PLC）是以微处理器为核心，综合计算机、自动化技术和通讯技术发展起来的一
3、种新型工业自动控制装置。 经过 30 多年的发展，目前可编程控制器已经成为自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）首位。其广泛的深度和广度成为衡量一盒国家工业自动化程度高低的标志。 关键词： 可编程控制器 (PLC)，控制系统 上海工程技术大学毕业设计（论文） 饮料箱自动码垛机 plc 控制回路设计 2 饮料箱自动码垛机 plc 控制回路设计 马宫世君 164612237 0 引言 随着科学技术的迅猛发展，生产力水平的不断提高，人们对降低劳动强度、改善工作环境日益重视起来。石油化工、化肥、粮食、港口等行业对包装质量和劳动效
4、率的要求也日益提高，从而促进了这些企业的现代化改造。而传统的人工包装由于其生产效率低下而成为这些行业产量和包装质量提高的巨大障碍，已不能满足现代化大生产的需要。用户为了便于产品的运输和储存，对包装要求更加严格，包装已成为企业升级和获得经济效益的关键因素，因此尽快提高产品的包装质量，是这些行业的迫切任务之一，也是用户对这些行业的要求。目前国内全自动码垛设备主要靠进口，国产设备生产厂家较少，市场呼吁国产化的全自动包装码垛生产线。我国人工包装的低效率与产量的提升之间的矛盾日益突出，因此对包装码垛自动生产的研究有重 大的经济意义和现实意义。 0.1 西门子 S7-200smart 硬件介绍软件应用 提
5、供不同类型、 I/O 点数丰富的 CPU 模块，单体 I/O 点数最高可达60 点，可满足大部分小型自动化设备的控制需求。另外， CPU 模块配备标准型和经济型供用户选择，对于不同的应用需求，产品配置更加灵活，最大限度的控制成本。 新颖的信号板设计可扩展通信端口、数字量通道、模拟量通道。在不额外占用电控柜空间的前提下，信号板扩展能更加贴合用户的实际配置，提升产品的利用率，同时降低用户的扩展成本。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 饮料箱自动码垛机 plc 控制回路设计 3 配备西门子专用高速处理器芯片，基本指令执 行时间可达 0.15 s ，在同级别小型 PLC 中遥遥领先。一颗强有力的“芯”
6、，能让使用者在应对繁琐的程序逻辑，复杂的工艺要求时表现的从容不迫。 CPU 模块本体标配以太网接口，集成了强大的以太网通信功能。一根普通的网线即可将程序下载到 PLC 中，方便快捷，省去了专用编程电缆。通过以太网接口还可与其它 CPU 模块、触摸屏、计算机进行通信，轻松组网。 CPU 模块本体最多集成 3 路高速脉冲输出，频率高达 100 kHz，支持PWM/PTO 输出方式以及多种运动模式，可自由设置运动包络。配以方便易用的向导设置功能， 快速实现设备调速、定位等功能。 本机集成 Micro SD 卡插槽，使用市面上通用的 Micro SD 卡即可实现程序的更新和 PLC 固件升级，极大地方
7、便了客户工程师对最终用户的服务支持，也省去了因 PLC 固件升级返厂服务的不便。 在继承西门子编程软件强大功能的基础上，融入了更多的人性化设计，如新颖的带状式菜单、全移动式界面窗口、方便的程序注释功能、强大的密码保护等。在体验强大功能的同时，大幅提高开发效率，缩短产品上市时间。 标准型晶体管输出 CPU 模块， ST40/S T60 提供 3 轴 100 kHz 高速脉冲输 出，支持 PWM（脉宽调制）和 PTO 脉冲输出 在 PWM 方式中，输出脉冲的周期是固定的，脉冲的宽度或占空比由程序来调节，可以调节电机速度、阀门开度等 在 PTO 方式（运动控制）中，输出脉冲可以组态为多种工作模式，上
8、海工程技术大学毕业设计（论文） 饮料箱自动码垛机 plc 控制回路设计 4 包括自动寻找原点，可实现对步进电机或伺服电机的控制，达到调速和定位的目的 CPU 本体上的 Q0.0， Q0.1 和 Q0.3 可组态为 PWM 输出或高速脉冲输出，均可通过向导设置完成上述功能 SIMATIC S7-200 SMART 可编程控制器， SIMATIC SMART LINE 触摸屏和 SINAMICS V20 变频器完美整合，为 OEM 客户带来高性价比的小型自动化解决方案，满足客户对于人机交互、控制、驱动等功能的全方位需求。 STEP 7- Micro/WIN SMAR T 是专门为 S7-200 S
9、MAR T 开发的编程软件，能在 Windows XP SP3/Windows 7 上运行，支持 LAD、 FBD、 STL 语言。安装文件小于 100 MB。在沿用 STEP 7- Micro/WIN 优秀编程理念的同时，更多的人性化设计使编程更容易上手，项目开发更加高效。 用户可根据工艺需求自定义变量名，并且直 接通过变量名进行调用， 完全享受高级编程语言的便利。根据实现的功能，特殊功能寄存器调用后自动命名，更加便捷。 STEP 7- Micro/WIN SMART 提供了完善的注释功能，能为程序块、编程网络、变量添加注释，大幅提高程序的可读性。当鼠标移动到指令块时，自动显示各管脚支持的数
10、据类型。 在 STEP 7- Micro/WIN SMART 状态图中，可监测 PLC 每一路输入 / 输出通道的当前值，同时可对每路通道进行强制输入操作来检验程序逻辑的正确性。 状态监测值既能通过数值形式，也能通过比较直观的波形图来显 示，二者可相互切换。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 饮料箱自动码垛机 plc 控制回路设计 5 另外，对 PID 和运动控制操作， S TEP 7- Micro/WIN SMART 通过专门的操作面板可对设备运行状态进行监控。 在 PLC 编程中，一般将多次反复执行的相同任务编写成一个子程序，将来可以直接调用。使用子程序可以更好地组织程序结构，便于调试和阅
11、读。 STEP 7- Micro/WIN SMART 提供便利的指令库功能，将子程序转化成指令块，与普通指令块一样，直接拖拽到编程界面就能完成调用。指令库功能提供了密码保护功能，防止库文件被随意查看或修改。 另外，西门子公司提供了大量 完成各种功能的指令库，均可轻松添加到软件中。 1 饮料箱自动码垛机结构原理 1.1 工艺流程 码垛机是将已装入容器的纸箱，按一定排列码放在托盘、栈板（木质、塑胶）上，进行自动堆码，然后推出，便于运至仓库储存。本设备采用西门子 S7-200SMART 控制，可实现 3 轴脉冲同步输出，同步电机控制机械手运动，可自由设置原点。方便客户操作，应用。可实现精准化作业。真
12、空吸盘操作进行提取物品，吸盘成本低，已更换。实现智能化操作管理，简便、易掌握。可大大地减少劳动力和降低劳动强度。码垛机是 输送机 输送来的料袋、纸箱或是其它包装材料按照客户工艺要求的工作方式自动堆叠成垛，并将成垛的物料进行输送的设备。 机器是将从上一道工位完成包装的饮料箱进行码垛。当上一工位完成工作时，饮料箱进入本工位，由本工位光电传感器进行检测，检测信号反馈给 PLC， PLC 程序进行码垛操作。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 饮料箱自动码垛机 plc 控制回路设计 6 2 方案设计 2.1 控制方案 按下启动键，工作开始，机械手从原位等待，传感器收到信号 时，等待 3 秒，机械手下降，
13、下降到指定点，真空机进行工作，吸盘吸紧物品，为保证吸盘吸紧，吸盘动作后延迟 3 秒进行下一动作。机械手上升，然后移动到指定地点放下物品，机械手归位完成一次码垛。每完成 5 次需要重新按下启动键再进行码垛，完成 5 次码垛，报警灯亮起，示意码垛完成。需要清理货仓。同时机械手要求可以手动控制操作。手动操作时有方向选择按钮以及相应指示灯亮起。机械手运动由 XYZ 轴步进电机控制。 2.2 伺服系统 2.2.1 伺服系统简介 伺服系统（ servo mechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够 跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠 脉冲 来定位，基本上可以这样
14、理解，伺服电机接收到 1 个脉冲，就会旋转 1 个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲 给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到 0.001mm。直流伺服 电机 分为有刷和无刷电机。 有刷电机 成本低，结构简单，启动 转矩 大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生 电磁 干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和 民上海工程技术大学
15、毕业设计（论文） 饮料箱自动码垛机 plc 控制回路设计 7 用场合。 无刷 电机 体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和 异步电机 ，目前 运动控制 中一般都用同步电机，它的 功率 范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的 U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转
16、动，同时电机自带的编码器反馈 信号 给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整 转子 转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。 2.2.2 伺服系统应用使用 伺服系统（ servomechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能 够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出
17、的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。在很多情况下，伺上海工程技术大学毕业设计（论文） 饮料箱自动码垛机 plc 控制回路设计 8 服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。伺服系统最初用于国防军工 , 如火炮的控制 , 船舰、飞机的自动驾驶 ,导弹发射等 ,后来逐渐推广到国民经济的许多部门 ,如自动机床、无线跟踪控制等。 伺服系统是指利用某一部件 (如控制杆 )的作用能使系统所处的状态到达或接近某一预定值 ,并能将所需状态 (所需值 )和实际
18、状态加以比较 ,依照它们的差别 (有时是这一差别的变化率 )来调节控制部件的自动控制系统。 1、以小功率指令信号去控制大功率负载； 2、在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动； 3、使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。 2.3 气动系统及吸盘 2.3.1 气动系统 气动技术与其他的传动和控制方式（如 机械 方式、电气方式、电子方式、 液压 方式）相比，优点如下： 1、气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低、故使用安全。 2、工作介质是取之不尽的空气、空气本身不花钱。排气处理简单，不 污染环境，成本低。 3、输出力以及工作速度的调节非常容易。气动的动作速度一般为
