基于PLC的袋装水泥自动称重包装系统

编号

毕 业 设 计（论文）

题目 基于PLC 的袋装水泥自动称重包装系统

二级学院 电子信息与自动化学院

专 业 电气工程及其自动化

班 级

学生姓名 学号

指导教师 职称

时 间 2012年6月5号

目 录

摘 要 . ................................................................. III ABSTRACT . .................................................................. IV

1 绪论 . ..................................................................... 5

1.1研究背景与意义 ........................................................ 5

1.2国家对水泥包装的标准和要求 ............................................ 6

1.3水泥自动称量包装系统的现状与发展趋势 .................................. 7

1.4 PLC 在包装系统上应用的可能性和前景 . .................................... 7

1.5项目研究的主要内容 .................................................... 8

2 水泥自动称量包装机械系统 . ................................................. 9

2.1概述 .................................................................. 9

2.2 水泥自动称量包装控制系统设计 .......................................... 9

2.2.1自动称重系统 . ...................................................... 9

2.2.2自动包装系统 . ..................................................... 14

2.2.3气动及真空系统 . ................................................... 17

3 水泥自动称量包装生产线电气控制系统设计 . .................................. 19

3.1 PLC 概述 . ............................................................. 19

3.1.1 PLC的基本结构 . ................................................... 19

3.1.2 PLC的功能特点 . ................................................... 20

3.2 PLC 控制系统硬件设计 . ................................................. 20

3.3电气设备控制 ......................................................... 28

3.4 PLC 控制系统软件设计 . ................................................. 34

3.4.1 水泥自动称量包装控制系统程序流程 ................................. 34

3.4.2 程序控制逻辑 ..................................................... 35

3.4.3 PLC 控制系统程序设计 ............................................. 38

4 总结与展望 . .............................................................. 39

参考文献 . .................................................................. 41

致谢 . ...................................................................... 43

附录 . ...................................................................... 44

摘 要

随着城乡建设步伐的加快，国家在基础设施方面投资的增加，水泥的需求日益增大，这对水泥包装系统的要求，尤其是在计量精度、自动化程度和包装环境方面的要求越来越高。我国现阶段虽然有些水泥生产企业对水泥包装工艺和包装设备进行了改造，但其自动化程度和包装的计量精度仍然不高。然而大多数中小水泥生产企业，其水泥包装仍然采用传统的包装工艺和生产设备，其自动化程度和包装的计量精度可想而知。自动化程度低、计量精度差，工作人员劳动强度大，生产效率低。这严重影响了水泥生产企业的效益和信誉。旧的水泥包装系统已远远不能适应新的要求，需要研制一种自动化程度高、计量精度高、价格低的新型水泥包装系统。据此，本文提出了一套具有自动称重、自动包装的新型水泥自动称量包装控制系统的设计方案。

本文首先对水泥自动称量包装系统的工作流程进行了分析，给出了设计方案，在设计方案中选用日本三菱公司的Fx2N 系列PLC 作为系统的主控制器，完成了硬件电路和水泥自动称量包装系统的梯形图程序的设计，实现自动称重、自动供袋、自动取袋、自动装袋、自动缝口的控制功能，最后对全文进行了总结，提出了今后的工作要求。

关键词：水泥；包装系统；PLC

Abstract

With the accelerated pace of urban and rural construction, the increase in national investment in infrastructure, the demand for cement is increasing, cement packaging system requirements, especially in increasingly high demand in the measurement accuracy, the degree of automation and packaging environment. Our country at this stage although some cement manufacturers for cement packaging process and packaging equipment has been transformed, but its degree of automation and packaging of the measurement accuracy is still not high. However, most small and medium-sized cement manufacturers, cement packaging still uses the traditional packaging technology and equipment, the degree of automation and packaging of the measurement accuracy can be imagined. Low degree of automation, measurement accuracy is poor, labor intensity, low production efficiency. This has seriously affected the effectiveness and credibility of the cement production enterprises. The old cement packing system has far to meet the new requirements, the need to develop a high degree of automation, high accuracy, low price of a new cement packing system. Accordingly, this paper proposes a new cement Automatic weighing packaging design of the control system with automatic weighing, automatic packaging.

The cement Automatic weighing packaging system workflow analysis, given the design, selection of Japan's Mitsubishi FX2N series PLC as the master controller, the hardware circuit and automatic weighing of cement in the design the design of the ladder program of the packaging system, automatic weighing, automatic for the bags, automatic take bags, automatic bagging the control functions, and finally the full text of a summary and future work requirements.

Key word: Cement; Packs the system; PLC

1 绪论

1.1研究背景与意义【1】

近年来我国经济发展迅速，人民生活水平逐步提高，城乡建设步伐加快，国家在基础设施方面的投资日益增大。随着城乡建设步伐的加快，国家在基础设施方面投资的增加，水泥的需求量日益增大，对水泥包装的要求, 尤其是对计量精度和包装环境的要求越来越高。因为这涉及到水泥生产企业和消费者的利益，如果水泥包装精度不高，误差太大，如果误差为正，这严重影响了水泥生产企业的利益，如果误差为负，这又影响了消费者的利益, 因此要求水泥包装的计量精度要高。国家在这方面也制定了相关标准。

众所周知水泥厂的生产环境是十分恶劣的，工人在这里工作受到的最大危害是粉尘污染，如果水泥粉尘被吸如，进入呼吸道和肺，会严重影响到身体的健康，而日益增大的水泥需求量提高了水泥厂工作人员的劳动强度，如果控制的自动化程度不高，既增加了工作人员的劳动强度，又使生产效率低下。

我国现阶段虽然有些水泥生产企业对水泥包装工艺和包装设备进行了改造，但其自动化程度和包装的计量精度仍然不高。然而大多数中小水泥生产企业，其水泥包装仍然采用传统的包装工艺和生产设备，其自动化程度和包装的计量精度可想而知。自动化程度低、计量精度差，工作人员劳动强度大，生产效率低。这严重影响了水泥生产企业的效益和信誉。传统的控制方式是分散控制，包装工艺上的各设备都单独启动和停止。开停设备比较烦琐，又不利于监控。传统的计量系统是采用机械称计量系统，机械称计量系统计量精度低，容易受干扰，误差大，调整非常麻烦。而一些相对比较新的计量系统，由于所选元件可靠性不高，或者设计上的一些不足导致误差也比较大，因为水泥厂的粉尘污染、高温、强电磁干扰等因素，使计量系统的计量精度和可靠性受到严峻挑战。要想计量系统具有高精度、低误差、高可靠性，在硬件选型设计和软件设计时必须考虑到各种影响因素。

总的来看，我国水泥生产企业目前所使用的水泥自动称量包装系统存在的主要问题有：（1）计量精度差；（2）自动化程度低；（3）可靠性差。

为了解决目前存在的主要问题，需深入了解水泥包装过程中的各种不利因

素，在设计时充分考虑到这些不利因素，找到解决这些问题的办法。通过控制算法的改进，和仿真工具的仿真以及现场实际实验，力保研究设计出来的产品满足生产要求。在一定程度上解决当前水泥包装中的一些突出问题。

1.2国家对水泥包装的标准和要求【2】

包装要求：水泥可以袋装或散装，袋装水泥每袋净含量 50kg，且不得少于标志质量的 98％；随机抽取 20 袋 总质 量不得少于 1000kg。其他包装形式由供需双方协商确定，但有关袋装质量要求，必须符合上述原则规定。

水泥包装袋应符合 GB 9774 的规定：

（1）无复膜塑编布内套纸制成的水泥袋不适合于水泥包装，从现在起停止使用．

（2）各种水泥包装复合袋如有内村纸，则必须使用标准纸袋纸，不得使用再生纸。

（3）水泥纸袋必须由4层以上标准纸袋纸制成，“三标一再”水泥纸袋停止生产。

（4）鉴于现有水泥包装用袋一般不适用于高温，应取消适用温度120℃这一档次，制定新的水泥最高灌装温度标准。

（5）糊口袋与缝口袋相比具有较好的力学性能，是提倡袋型．应将糊口袋尺寸规格列入标准．

（6）将水泥包装袋牢固度合格指标提高到8次，一等品指标提高到12次，优质品指标提高到16次。另外，还决定将水泥生产质量监测由原来在水泥厂内取样改为在用户施工现场取样。

标志要求：水泥袋上应清楚标明：产品名称，代号，净含量，强度等级，生产许可证编号，生产者名称和地址，出 厂编号，执行标准号，包装年、月、日。掺火山灰质混合材料的普通水泥还应标上“掺火山灰”字样。包装袋两侧应印有水泥名称和强度等级，硅酸盐水泥和普通水泥的印刷采用红色。散装运输时应提交与袋装标志相同内容的卡片。

运输与贮存要求： 水泥在运输与贮存时不得受潮和混入杂物，不同品种和强度等级的水泥应分别贮运，不得混杂。

1.3水泥自动称量包装系统的现状与发展趋势【3】

经过多年的发展，我国的水泥包装系统经历了从手动到半自动到自动的发展历程，现阶段我国自行研制的新型水泥包装系统已逐步应用于生产，新型的水泥包装系统无论是在机械结构还是在电控上都有较大的改进。虽然新型的水泥包装系统在性能方面有了很大改进，但鉴于水泥厂的环境包括粉尘污染、高温、强电磁干扰等因素的影响。新型水泥包装系统在计量方面仍差强人意。与国外生产的水泥包装系统仍有很大差距。新型的水泥包装系统采用的计量装置是单片机为CPU 的采样控制电路和拉力传感器组合而成，虽然较以前有很大提高，但是在设计时有可能考虑的因素较少，计量精度不算太高。在控制方面新型的水泥包装系统仍是采用传统的控制方式，因此在控制方面存在很多不足之处，如不能电机调速，电机不能调速的后果是操作员不能根据实际情况和自己的要求调节转速，这样影响了水泥包装的精度和效率。在可靠性方面，由于采用传统的控制方式，可靠性不高，需经常进行维修，这样就严重影响了水泥包装的效率。其他方面，如机械结构设计不尽合理等。这些因素都是影响水泥包装的效率和误差的因素。高效率，高精度计量是检验水泥包装系统性能的重要标准。未来水泥包装系统的发

【4】 展趋势是高度自动化，高的计量精度，高效率，高可靠性。

1.4 PLC在包装系统上应用的可能性和前景【5】

包装系统的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC 控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是PLC 的内部寄存器，在PLC 编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的PLC 都有上百点内部辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对PLC 进行编程。事实上PLC 用于这种场合是最能显现出其经济性。当然我们不仅忽视了PLC 的另一个优点，那就是其运行速度及可靠性和寿命远远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲，PLC 最适合于需要大量中间继电器的场合。且PLC 与其他工业控制系统比较具有许多点:

1) 更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动;

2) 程序可以复制，批量生产很容易;

3) 电气硬件设计大大简化;

4) 由于PLC 除有继电器功能外，尚有多种其它功能，可以实现继电器无法实现

的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化;

5) 可靠性高;

6) 成本相对于继电控制而言稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增

加，成本急骤上升，而PLC 控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性;

7) 具有扩展单元或扩展模块，当需要较多I/O时可以方便地扩展。

因此，国外在注塑机、各种包装系统上已经大量地采用了PLC 来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。我国包装系统目前控制部件大多还沿用继电器方式。如果能用PLC 来取代，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化。更重要的是可以使来无法实现的某些功能得以实现，使机器在某种程度上实现智能化。

通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用PLC 控制系统。

1.5项目研究的主要内容

1. 比较在用水泥自动称量、包装等设备。研究设备动作及相关性。

2. 研究水泥自动称量、包装工艺过程，从而改进系统的工作过程及工艺要求。

3. 确定各机构的动作顺序，将其用流程图的形式表示出来，实现高速全自动运

动控制。

4. 设计设备的电器控制原理，分配PLC 的接口，绘制接口电器原理图。

5. 编制控制程序。

2 水泥自动称量包装机械系统

2.1概述

出厂水泥有两种形式：包装和散装。而袋装水泥具有易于堆垛和储存，不同品种、等级的水泥易于标记，可分类存放和便于计量等优点。因此在水泥生产企业得以广泛采用，水泥包装成为水泥生产企业生产中重要的组成部分。

2.2 水泥自动称量包装控制系统设计【6】

水泥自动称量包装系统是由称量和装袋、缝口传送三大系统组成：一是由供料部分、称重部分与卸料部分组成的自动称量系统；二是由供袋装置、装袋装置组成的自动装袋系统；三是由传送装置、封口装置组成的自动缝口传送系统。其中二，三系统合称为自动包装系统，自动包装系统以下水平方向的设备，主要有封口机、皮带输送机等组成自动化生产线。其工作流程如下：水泥称量系统→水泥装袋系统→缝口、皮带输送机。

图1 水泥自动包装系统工艺设备

2.2.1自动称重系统

供料部分分为储料斗和重力供料装置。储料斗用于存储需要灌装的物料，重力供料装置主要是向称量料斗中提供物料。称重部分即称量斗，它通过和称重仪相连，测量物料重量。卸料部分用来完成标准重量物料的卸料装袋过程。如图2

所示，为该系统组成图。

1 2 3 4 5 6 7

8

1——储料斗 2——斜板 3——给料门 4——称重传感器 5——称重斗 6——卸料门 7——放料斗 8——卡带机构

图2 水泥自动称量系统部分

图3 水泥自动称重系统结构框图

供料部分：用储料斗储存散装水泥，用两个电机控制的闸板分别代表大小给料门，控制大小给料门的开启和关闭，在重力作用下，散装水泥自动从储料斗中下落到称重斗中。

称重部分：用称重斗接收从储料斗中下落下来的散装水泥，称量斗用称重传感器与电子称重仪相连，当称量斗中的水泥重量发生变化，称重仪表的数码显示则发生相应变化，从而实现水泥的精确称量。

卸料部分：用电机控制的闸板代表卸料门，控制卸料门的开启和关闭，当称重仪表上边显示到要求给定的水泥重量之后，卸料门打开，水泥从称重斗中落入放料斗中，进行缓冲和沉淀，同时，卡带机构控制了水泥装袋的速度，防止水泥入袋过快，产生灰尘。污染环境。

水泥自动称重系统的设备动作过程如下：

当储料斗中物料足够，在重力的作用下进入重力供料装置，完全打开料门进

入大给料状态。当到达给定大给料重量时，关闭给料门，留一条狭缝，进入小给料状态。当到达给定小给料重量时，完全关闭给料门，经过一定的空中落料，卸料门打开，物料进入放料斗，再落入袋内，完成一个包装循环。

自动称重系统实现了散装水泥的称量过程。 1） 电子称重仪【7】

本设备采用英展EX2005电子称重仪，可实现与PLC 的连接，将数码显示的称重数值作为PLC 的输入信号，实现某一环节的快捷操作。

灵活的计量模式，可独立完成简易之系统，或连接PLC 达成一复杂之系统，具有补投料之功能，泄料手/ 自动操作，可设定批次循环次数，重量及次数累计

直流式电源：采 DC12V~24V 直流式电源设计，可使用在防爆系统中。 ● 六位数红色 LED 显示 (字高 16mm)，可显“kg ”、“g ”、“t ”、“lb ”等重

量单位；并可做毛重/净重/累计重量/累计次数之切换显示。

● 从一般秤重到控制系统，应用范围广泛：包含六种重量比较模式、补投

料、泄料操作 (手动或自动) 、批次循环次数、重量及次数累计等模式。 ● 灵活的校正方式：可做一般 2 点校正或 5 点线性校正，并可直接输入

或读出电压值 mV/V，不需实际重量之负载，便于维护。 选 配

OP-2-1 BCD并列输出接口 (Open Collector 输出) OP-2-2 BCD并列输出接口 (TTL 输出)

OP-03 16 Bits Analog电流/电压输出接口 (0 ~ 20 mA) OP-04 控制I/O (4I / 4O) + Setpoint In (BCD code) OP-04E Relay输出接口 (4I / 4O) OP-04C Hi, Lo, OK 输入接口 (BCD code) OP-04F Setpoint In 输出接口 (BCD code) OP-05 控制I/O (8I / 8O) OP-05E Relay输出接口 (8I / 8O)

英展

EX2005

前面板

后面板 图4 电子称重仪

2）料门控制

大给料门、小给料门、卸料门是由电动机控制的开合机械装置。 2.2.2自动包装系统

自动包装系统包含自动装袋系统和自动缝口传送系统，自动装袋系统由供袋装置和袋装置构成，供袋装置主要由气缸，可滑动连杆真空吸盘，装袋活塞、载物活塞、以及光电传感器等组成。装袋装置是由气缸，可滑动连杆真空吸盘，光电传感器等组成。传送、缝口装置是由板式给料机、自动封袋机组成。自动包装系统设备如图5所示

1、卸料口 2、气动真空吸盘（左边固定、右边可以活动） 3、送袋臂气缸 4、推袋气缸 5、顶袋气缸 14、起袋气缸 15、载物活塞上升气缸 6、装袋活塞 7、载物活塞 8、板式给料机

9、封口机 10、下料口袋有无光电传感器 11、载物活塞上到位光电传感器 12、载物活塞下到位光电传感器 13、动吸盘袋吸起传感器

图5 水泥自动包装系统部分

图6 自动包装系统结构

供袋装置：装袋活塞主要储存袋子，并可以在气缸的作用下活动。可滑动连杆真空吸盘由一对定吸盘和动吸盘构成，主要用于取袋吸起和打开袋口。载物活塞则是推起袋子进行水泥下料装袋，并运送水泥下放至水平位置。该装置还包含了多个气缸，气缸辅助完成一系列动作，包括装袋活塞动作，吸盘吸起袋动作，送袋臂动作，载物活塞动作以及推送包装袋到达皮带轮上的动作。同时，光电传感器对袋吸起进行到位检测。

装袋装置：光电传感器进行两个位置检测，包括卸料口下袋有无检测和载物活塞上升到位检测。当检测卸料口下有袋之后，卸料门打开，装料开始。

传送、缝口装置：皮带轮带动袋装水泥传送至封口机下进行封口。 自动包装系统设备动作过程如下：

推袋气缸推动装袋活塞至可动真空吸盘处，带有真空吸盘的吸袋器从供袋活塞中把包装袋吸住，然后向上提升到位后，与另一带有真空吸盘的吸袋器汇合，两吸盘同时抽气，一侧可滑动的真空吸盘背离，从而使包装袋打开，进而通过气缸动作推动载物活塞，把包装袋推送到料斗口下，此时光电传感器检测到有袋信号输入，卸料门电机启动，打开卸料门，当一袋水泥完全进入包装袋后，载物台气缸动作，载物台在重力作用下自动回落至指定位置后，推袋气缸动作，将水泥袋推送至传送带，当传送至某一位置时，缝口机进行自动缝口。

本系统实现了散装水泥的装料、缝口、运送的过程。 2.2.3气动及真空系统

（1）气动系统【8】-【9】

气源处理装置由排水过滤器、减压阀、油雾器组成。排水过滤器将压缩空气中的赃物和水分滤出，由减压阀把空气压力降到预定压力，然后供给电磁阀和气缸。油雾器中的润滑油由压缩空气顺空气流动方向带到需润滑的电磁阀和气缸。减压阀带有压力表，调整空气压力可由压力表直接读出。

气源处理装置简图如图所示。

图7 气源处理装置简图

气路系统由基本回路构成，基本回路由电磁阀、气缸、管路、调速器、消音器组成。电磁阀控制气体通断及执行机构换向。气缸是执行机构的基本元件，承担负载、输出力及转矩。调速器用来调节气缸的运动速度，以满足负载的不同速度要求。消音器用来排除排气噪声，保护环境。

基本回路简图如图所示。

图8 基本回路简图 （2）真空系统【10】

真空系统由真空泵、真空管路等组成。它是包装机的主要部分之一，其主要功能是吸袋及开袋等。真空泵是真空系统的心脏，提供真空能源。

3 水泥自动称量包装生产线电气控制系统设计

3.1 PLC概述【11】-【15】

在包装过程中，自动完成称重、供袋、取袋、装袋、输送等多个动作，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。 3.1.1 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)、存储器、输入/输出单元、编程器、电源等主要部分构成的，如图3所示。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。

图9 PLC的基本结构

3.1.2 PLC的功能特点

可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点：

1、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID 回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC 和DCS 等，实现生产过程的综合自动化。

2、使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。

3、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型

3.2 PLC控制系统硬件设计【16】-【19】

PLC 控制系统是水泥自动包装称量的核心部位，而在包装过程中，动作多，运动复杂，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。由于包装的各种控制为开关量，动作关系复杂，I/O点数多，选择日本三菱公司的FX2N 系列PLC 。该系列PLC 为模块式结构，可以根据控制系统的需要灵活地组合成最佳的配置。

(1)硬件配置

硬件配置包括Fx2N 基本单元、限位开关、检测元件(光电开关、接近开关、真空开关等) 、人机操作界面(按钮、指示灯等) 、控制元件(交流接触器、变频器、电磁阀等) 以及执行元件(电机和气缸等)

(2)分配输入/输出点

一般输入点与输入信号、输出点与输出控制是一一对应的。分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。Fx2N 型PLC 的输入/输出通道号采用自由配置、固定通道方式。输入输出继电器可自由选择，与输入点对应的即为输入继电器，与输出点对应的即为输出继电器。水泥自动称量包装控制系统输入输出接口如表所示。

表1 PLC自动包装系统输入端点化表

表2 PLC自动包装系统输出端点化表

图10 PLC接口线路原理图1

图11 PLC接口线路原理图2

图13 PLC接口线路原理图3

图14 PLC接口线路原理图4

图15 PLC接口线路原理图5

3.3电气设备控制【20】

PLC 是智能控制器，若要实现设备的动作，必须做相应的电气设备控制与PLC 配合使用，下面给出6台电机的电气控制原理图，如图所示。

L N

（a ） （b ）

图16 1号电机电气原理图 （a ） 主电路；（b ）控制电路

1号电机主要用来控制大给料门开关。

按下SB1，交流接触器KM1的吸引线圈通电，接触器主触头闭合，电机接通电源直接启动，电机正转，大给料门开启。

按下SB2，交流接触器KM2的吸引线圈通电，接触器主触头闭合，电机接通电源直接启动，电机反转，大给料门关闭。

（a ） （b ）

图17 2号电机电气原理图 （a ）主电路；（b ）控制电路

2号电机主要用来控制小给料门开关。

按下SB3，交流接触器KM3的吸引线圈通电，接触器主触头闭合，电机接通电源直接启动，电机正转，小给料门开启。

按下SB4，交流接触器KM4的吸引线圈通电，接触器主触头闭合，电机接通电源直接启动，电机反转，小给料门关闭。

（a ） （b ）

图18 3号电机电气原理图 （a ）主电路；（b ）控制电路

3号电机主要用来控制卸料门开关。

按下SB5，交流接触器KM5的吸引线圈通电，接触器主触头闭合，电机接通电源直接启动，电机正转，卸料门开启。

按下SB6，交流接触器KM6的吸引线圈通电，接触器主触头闭合，电机接通电源直接启动，电机反转，卸料门关闭。

（a ） （b ）

图19 4号电机电气原理图

（a ）主电路；（b ）控制电路 4号电机主要用来控制空压机的启停。

当继电器KA7闭合之后，交流接触器KM7的吸引线圈通电，接触器主触头闭合，电动机接通电源直接启动，空压机开始运行。

当继电器KA7断开之后，交流接触器KM7的吸引线圈失电，接触器主触头常开，电动机断开电源停止，空压机停止。

（a ） （b ）

图20 5号电机电气原理图

（a ）主电路；（b ）控制电路 5号电机主要用来控制抽气机1的启停。

当继电器KA8闭合之后，交流接触器KM7的吸引线圈通电，接触器主触头闭合，电动机接通电源直接启动，抽气机1开始运行。

当继电器KA7断开之后，交流接触器KM7的吸引线圈失电，接触器主触头常开，电动机断开电源停止，抽气机1停止。

（a ） （b ）

图21 6号电机电气原理图

（a ）主电路；（b ）控制电路 6号电机主要用来控制抽气机2的启停。

当继电器KA8闭合之后，交流接触器KM7的吸引线圈通电，接触器主触头闭合，电动机接通电源直接启动，抽气机2开始运行。

当继电器KA7断开之后，交流接触器KM7的吸引线圈失电，接触器主触头常开，电动机断开电源停止，抽气机2停止。

3.4 PLC控制系统软件设计

3.4.1 水泥自动称量包装控制系统程序流程

水泥自动称量包装系统可自动完成装袋、称重、缝口、输送等功能。水泥自动称量包装控制系统主要包括全自动称重单元、包装单元。通过反复实验调节大小放料门的流量保证2分钟内完成一袋水泥的包装，又本设计要求重量误差在正负0.5kg 内，故使小放料门的滞后环节流体为0.5kg 。水泥自动称量包装工艺流程如图所示。

图22 水泥自动称量包装工艺流程图

其主要工艺流程如下:通过大、小给料，实现大、小两级加料，物料自水泥出料斗输出口进入电子称重仪的称量斗内。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，给料门全部关闭。当载物活塞完成上袋后发出讯号，使卸料门打开，向包装袋内投料，卸料后卸料门关闭，发出信号，载物活塞在重力作用下自动回落，水泥袋回到水平位置，推袋气缸推送其进入皮带传送带上，进行缝口，缝口结束后，皮带传送带输送离开。

3.4.2 程序控制逻辑

（1）自动称量部分控制逻辑，流程图如下所示。

图23 自动称量部分程序流程图

按下启动按钮，大放料门电机启动，在大放料门全开行程开关的作用下，大放料门正转全部打开。当称重仪称重达到40kg 时，由于称重仪与PLC 端口连接，40kg 信号输入PLC ，大放料门在半开行程开关作用下，留下一条狭缝，同时，小放料门电机启动，在小放料门全开行程开关的作用下，小放料门正转全部打开。当称重仪称重达到48kg 时，48kg 信号输入PLC ，此时，大放料门将全部关闭，小放料门继续放料。当称重仪称重达到49.5kg 时，49.5kg 信号输入PLC ，小放料门电机反转，小放料门在全闭行程开关作用下，完全关闭，放料称重结束。

（2）自动装袋部分控制逻辑，流程图如图所示。

图24 装袋部分程序流程图

当动吸盘到位发出信号，顶袋气缸动作，将装袋活塞顶起至动吸盘底下与

之接触，此时，包装到位信号发出，抽气机1运行，使动吸盘开始吸附包装袋，

延时两秒，起袋气缸动作，动吸盘旋转，将包装袋吸起，此时包装袋由水平变成垂直，包装袋的遮挡将动吸盘袋吸起光电传感器触发，动吸盘袋吸起信号产生，送袋臂气缸动作，推送动吸盘与定吸盘汇合，产生动定吸盘汇合信号，抽气机2也开始运行，延时两秒，动吸盘在送袋气缸的作用下，与定吸盘分离，将包装袋袋口拉开，动吸盘袋撑开信号产生，载物活塞上升气缸动作，将载物活塞向上推送，包装袋落到载物活塞上，一直上升遮挡下料口袋有无检测光电传感器，此时，在光电传感器的检测下，发现有包装袋之后，卸料门打开，开始放料。这个过程实现了卸料供袋的过程。其中，主要由电磁阀控制的气缸完成的一系列的动作，共有4个位置检测，同时，光电传感器的检测为此过程的顺利实现提供了方便。 （3）缝口、传送部分控制逻辑，流程图如图所示

图25 缝口、传送部分程序流程图

推袋气缸向包装线传送带方向移动，推袋气缸到位，为送袋操作做好准备。 当推袋气缸向包装线传送带方向移动时，同时把装满水泥的袋子送到输送带上，进行缝袋口操作。这样完成送袋操作，此后重复上述各种操作。

3.4.3 PLC 控制系统程序设计

水泥自动称量包装控制系统是基于PLC 集成控制的系统，根据本节叙述的内容中的系统整体控制流程图及系统的输入和输出信号，来编制PLC 的梯形图。PLC 采用循环扫描方式，按梯形图从上而下，从左而右的先后顺序予以执行。下面给出的是程序的梯形图，使用西门子全系列编程软件编辑，编程方式是梯形图，见附录。

4 总结与展望

在本次水泥自动称量包装控制系统的研制设计中，低成本、高可靠性、可扩展和模块化为主要设计原则。本包装系统解决了传统的包装系统的效率低、可靠性低等缺点。在水泥自动称量包装控制系统采用PLC 替代原来的继电器，提高了控制的可靠性和自动化程度，文章中给出了水泥自动称量包装控制系统具体控制电路、硬件和软件设计。

在本课题设计工作中，除了锻炼了自己的能力外，也积累了不少经验，现总结如下:

(1)掌握了PLC 控制原理及编程方式，设计了水泥自动称量包装控制系统的工艺过程及动作流程。

(2)完成了水泥自动称量包装控制系统硬件和软件的设计，使系统能够按预期的目标正常地运行。

(3)全部程序均采用模块化设计思想，程序的注释和文档也比较充足，不仅在设计时使结构清晰，易于检查和修改。而且为以后软件的维护和改进提供了方便。

(4)对系统的可靠性进行了充分的考虑，加入了各种保护措施，尽量消除了各种可能的事故隐患。

本设计对水泥自动称量包装控制系统只是做了一些初步工作，目前水泥自动称量包装控制系统功能还很不完善，还有许多问题尚待解决，如:

(1)实时监控现场情况有待于进一步加强。在下一步改进中可以引入CUD 摄像头，将现场情形直接显示到显示器上，这样就可以降低工人操作的复杂性，并使界面更加漂亮直观。

(2)控制系统中的故障诊断和故障处理应进一步完善。设计中采用了热继电器，变频器及电机等也都有过热恢复，拟在以后的设计中加入声音报警功能，即当变频器或电机过热时，程序利用蜂鸣器发出尖锐的声音提醒操作员有故障发生，达到提高反应速度、降低故障危险性的目的。

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。在新的世纪，随着我国各项事业的蓬勃发展以及知

识经济所面临的机遇和挑战，水泥自动称量包装控制系统必将发挥越来越重要的作用，为国民生产产生不可估量的经济效益。我国目前对水泥自动称量包装控制系统的应用己经越来越明显的重视，随着业内人士的更多了解，相信会有更广泛的前景

本系统设计完成后，进行了多次模拟实验，并且根据现场调试的情况进行修改。系统在投入运行后，性能稳定可靠，满足各项工艺要求，生产效率和产品质量均有所提高，完成了机械和电器控制系统的一体化要求，可广泛应用于食品包装等行业。

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致谢

课题研究和本文撰写是在导师钱微的悉心关怀和精心指导下完成的。课题选定、方案确立、设计实现，以及对文章的逐字审定，无不倾注了导师的巨大心血和辛劳，在毕业论文研究阶段，钱老师给了我精心的指导和耐心的帮助。导师那渊博的学识、开阔的思路、严谨的作风、大胆创新及求实精神，使我深受影响并受益非浅。

由于选择自主创业，我的主要心思和精力调整不过来，起步晚，动手迟，老师给我布置的该做的许多工作都没有好好做，受到了钱老师的严厉批评，但是钱老师并没有对我一味批评，而是更加耐心细心地帮助我整理各个环节的论文工作，包括设备工艺流程，电气原理图，PLC 控制编程等，甚至陪着我一起熬夜到凌晨几点，我也痛定思痛，沉下心来按照老师的要求，一步一个脚印，最终完成了这篇粗糙的毕业论文，我很是愧疚，没有做到一个学生该做的本份。

通过这次与钱老师的深入接触，钱老师求实的治学态度和严谨的科研作风，是我在今后工作学习中的榜样。在论文即将完成之际，向我尊敬的导师表示衷心的感谢并致以最崇高的敬意。

四年的大学生活也即将结束了。在这段难忘的学习和生活过程中，我接受了许多老师的悉心教育和同学的极大帮助。我所取得的成绩都与老师的教诲和同学们的帮助分不开的，在此对所有曾经给予我关心和帮助的老师和同学们以及参考文献的作者表示诚挚的谢意。

感谢为我毕业论文评阅的各位老师！

最后，衷心地感谢各位老师在百忙之中参加我论文的评审工作！

附录