基于三菱PLC码垛生产线运动控制系统设计
摘要：本文所设计的全自动包装码垛生产线主要由自动定量包装机、自动上袋机组、封口系统、倒袋机、金属检测机、重量检验机、检选机、喷墨打印机、码垛机等单元组成。通过可编程序控制器对整个生产线的工作过程进行自动控制，对运行过程中出现的故障或供料不足，供袋不及时、出垛不及时等，进行声光报警。该设备具有操作简单，运行可靠，维修方便等优点。
1前言
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、改善工作环境同时重视起来。石油化工、化肥、粮食等行业对包装质量和劳动效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存储，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。国际上日本NEWLONG、英国BL、美国ORY等公司掌握了包装先进技术。目前国内全自动包装码垛设备主要依靠进口，国产设备生产厂家较少，市场呼吁国产化的全自动包装生产线。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,包装码垛机械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。
包装码垛生产线是机电仪一体化高技术产品，适用于化工、粮食、食品及医药等行业。它可实现对粉、粒、块状物料（如塑料、化肥、合成橡胶、粮食等）的称重、供袋、装袋、折边、封袋、倒袋整形、金属检测、重量复检、批号打印、转位编组、码垛、托盘和垛盘的输送等作业全部实现自动化。通过可编程序控制器，对整个生产线的工作过程进行自动控制，对运行过程中出现的故障或供料不足，供袋不及时、出垛不及时等，进行声光报警。该设备具有操作简单，运行可靠，维修方便等优点。包装码垛生产线简单地讲，它是由包装机械和码垛机械组成的，其中的主要部分还是包装机械，码垛机械是从包装生产线上分离出来而发展起来。
2包装码垛自动生产线系统组成
包装码垛自动生产线主要应用于化工、粮食、食品及医药等行业中的粉、粒、块状物料的全自动包装码垛。包装码垛自动生产线可分为包装部分和码垛部分。包装部分实现定量称重、自动供袋、装袋、夹口整形、折边缝口、金属检测、重量复检等功能。码垛部分实现转位编组、推袋压袋、码垛及托盘的提供和垛盘的输送等功能。
1、电子称重机是包装机起始部机，其作用是完成物料的定值称重、投料等作业。
2、自动供袋机是由供袋器、吸袋器、袋子传送器、接袋器、取袋器等部件组成。全自动包装供袋工作是由供袋机械自动完成，操作人员只要将空袋子按要求码放到上袋机的备用仓中就可以了。
3、自动装袋机是由过渡料斗、取袋开袋夹送装置、翻门缩口装置、机架等构成。过渡料斗是装袋机联接电子称重机的过渡装置，它可以存储一袋物料，提高电子称重机的称重速度，减小物料落差，降低粉尘产生量，利于除尘，同时保证物料顺利地导入装袋机并防止装袋机产生的振动传递到电子称重机上。
4、转位输送机:将送来的料袋进行变换方位的设备。
5、编组机是是将转位输送机送来的料袋按码垛要求实现2-3编组和3-2编组，即垛型每层为二袋竖、三袋横或三袋横、二袋竖并交替进行。
6、推袋压袋、分层、升降机,推袋机将编号的料袋推至缓冲区,并在分层码垛时整形压平，推到分层机，分层机将料袋投放到升降机上的托盘,完成一层料袋的码垛。
7、托盘仓:是存储一定量的托盘,并自动完成托盘输送过程的部分。
3控制系统硬件设计
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/O点数较多，以开关量控制为主，所以选择日本三菱公司的FX2N系列PLC为控制核心部件。
3.1PLC控制系统硬件设计
PLC控制系统示全包装生产线的核心部分，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。由于包装生产线的各种控制为开关量，动作关系复杂，I/0点数较多，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、FX2N扩展单元、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)。
②FX2N系列PLC输入输出扩展方法，FX2N系列PLC是由电源、CPU、输入输出和程序存储器组成的单元型可编程控制器。其主机称为基本单元，为主机备有可扩充输入输出点数的“扩展单元(电源I/0)和扩展模块(I/0)”，此外，还可以连接特殊扩展设备，用于特殊控制。
在组织FX2N系列时，须考虑下述各点：
输入输出总点数控制在256点以内，其中输入点数和输出点数均不能超过184点；DC24V电源和DC5V电源的容量，基本单元和扩展单元内部装有电源，可以对扩展模块供给DC24V电源，对特殊模块供给DC5V电源，因此扩展模块和特殊模块的耗电量应该控制在基本单元及扩展单元的电源范围以内；
对于FX2N基本单元，外接特殊单元和特殊模块的数量，最多不超过8台。关于输入输出序号的编号问题，FX2N系列PLC使用如下的编号方法:
（1）输入继电器(X)、输出继电器(Y)的序号是由基本单元开始，按连接顺序分配八进制数码。
（2）特殊扩展设备和PLC使用PLC的FROM和T0指令进行数据信息交换，但是输入输出继电器不占序号。
3.2控制系统电气原理图
系统供电电源采用三相四线制上机供电。供电电源等级为AC380±5％，50Hz。上电源经总的低压断路器QF0为整机供电。其中QFl给包装部分电机M1.1～M10.1提供电源，QF2给码垛部分电机M11.1～M20.1提供电源，QF3给检测电机M21.1～M25.1提供电源，QF4为打印机、金检、重量复检的执行电机M26.1~M30.1提供电源。普通电机的主回路包括交流接触器和热继电器，制动电机还包括制动单元的辅助回路。
整机的接地保护与系统的接地保护网相联接。图1为电气控制系统主电路图。
图1为电气控制系统主电路图
4控制系统软件设计
图2包装码垛生产线工艺流程图
5系统抗干扰措施
PLC系统中混入输入、输出的干扰，或感应电压，容易引起错误的输入信号，从而引起错误的控制信号。为了使控制器稳定地工作，提高整体控制系统的可靠性，在控制系统采取一些有效的抗干扰措施是非常必要的。
5.1抗电源干扰
（1）使用隔离变压器使用隔离变压器将屏蔽层良好地接地，对抑制电网中的干扰信号有良好的效果。为了改善隔离变压器的抗干扰效果，必须注意两点:一是屏蔽层要良好接地，二是次级连接线要使用双绞线。双绞线能减少电源线间干扰。
（2）使用滤波器使用滤波器代替隔离变压器，在一定的频率范围内有一定的抗电网干扰作用，惯用的方法是既使用滤波器，同时使用隔离变压器。连接方法如图3所示。
图3滤波器和隔离变压器同时用的系统
（3）分离供电系统将控制器、I/O通道和其他设备的供电分离开来，也有助于抗电网干扰。
本系统采用分离供电系统措施，PLC控制器远离供电系统。
5.2防I/O信号干扰
防止输入信号的干扰除采用滤波器及使控制器良好接地来抑制干扰外，下面介绍几种抗输入干扰措施。
（1）在输入端有感性负荷时，为了防止反冲击感应电势，在负荷两端并接电容C和电阻R(为交流输入信号时)，或并接续流二极管VD(为直流输入信号)。交流输入方式时，C、R的选择要适当，才能起到较好的效果，一般参考值为:负荷容量在20VA以下一般选用0.1μF
147比较适宜。如果与输入信号并接的电感性负荷较大时，使用继电器中转效果更好。
（2）防感应电压的措施在感应电压大的场合，如果可能的话，改交流输入为直流输入;在输入端并接浪涌吸收器(浪涌吸收器的作用是防止瞬间高压损坏设备);在长距离配线和大电流场合，感应电压大，可用继电器转换。
6结论
包装码垛自动生产线包括机械、电控、气动等系统，虽然设备复杂，但操作却很简单。设有多个操作盘或触摸屏，可进行自动/手动操作切换，在手动操作时可对单一部机或动作进行控制。操作盘面上均有多个状态显示窗口和故障显示窗口，以便于操作人员了解设备所处的状态。
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