蘇州市職業(yè)大學(xué) 張?zhí)K新

基于S 7-3 0 0 P L C的自動(dòng)封口包裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蘇州市職業(yè)大學(xué) 張?zhí)K新

在食品、化妝品和醫(yī)療等高產(chǎn)量生產(chǎn)領(lǐng)域，要求其自動(dòng)封口包裝技術(shù)趨于高速、高效和高質(zhì)量。在自動(dòng)封口包裝過(guò)程中，其運(yùn)行速度和溫度的控制對(duì)于整個(gè)封裝過(guò)程起決定性作用。本文設(shè)計(jì)了一套基于S7-300 PLC的自動(dòng)封口包裝機(jī)控制系統(tǒng)套，硬件上，主控制器選用CPU 312, 溫度測(cè)量和信號(hào)的轉(zhuǎn)換選用K型鎳鉻-鎳硅熱電偶和模擬量輸入模塊SM331，變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)用于物品的傳輸，觸摸屏用于速度和溫度的監(jiān)控。軟件上，通過(guò)STEP7 5.2軟件對(duì)溫度PID控制、主程序啟動(dòng)控制、速度調(diào)節(jié)、溫度顯示和報(bào)警編程，通過(guò) PWM信號(hào)和變頻器對(duì)加熱器和電機(jī)進(jìn)行控制。結(jié)果表面，該系統(tǒng)對(duì)于運(yùn)送速度和溫度能夠較好地進(jìn)行控制。

封口包裝；CPU 312；熱電偶

引言

自動(dòng)封口包裝機(jī)是在包裝設(shè)備中最常用的設(shè)備之一，隨著時(shí)代的發(fā)展，它越來(lái)越受到人們的青睞，廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域、化妝品領(lǐng)域、服裝鞋革以及化工、電器、醫(yī)療、茶葉、乳品、飲料等其他領(lǐng)域。封口包裝機(jī)是指在包裝容器盛裝產(chǎn)品后，對(duì)容器進(jìn)行封口的機(jī)械。在產(chǎn)品裝入包裝容器后，為了使產(chǎn)品得以密封保存，保持產(chǎn)品質(zhì)量，避免產(chǎn)品流失，需要在封口包裝機(jī)上對(duì)包裝容器進(jìn)行封口。在封口包裝機(jī)工作過(guò)程中，對(duì)于運(yùn)行速度和溫度的控制尤為重要，直接影響到封口包裝的效果。

本文針對(duì)封口包裝機(jī)中速度和溫度能夠具有較好的控制效果，設(shè)計(jì)了一套基于S7-300 PLC的自動(dòng)封口包裝機(jī)控制系統(tǒng)，主控制器選用西門(mén)子S7-300的CPU 312，溫度采集和信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊由K型熱電偶和SM331模擬量輸入模塊構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)控制部分由變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成，加上電源和外部數(shù)字量輸入輸出模塊，再通過(guò)STEP7 5.2編程軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程，最終完成了自動(dòng)封口包裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.自動(dòng)封口包裝機(jī)概述

制作包裝容器的材料很多，如紙類(lèi)、塑料、玻璃、陶瓷、金屬和復(fù)合材料等，而包裝容器的形態(tài)及物理性能也各不相同，因此，所采用的封口形式及封口裝置也不一樣。一般按包裝材料的力學(xué)性能，可以分為柔性容器封口裝置和剛性容器封口裝置。柔性容器是指用柔性材料，如紙張、塑料薄膜、符合薄膜等制作的袋類(lèi)容器；剛性容器是指成型后其形狀不易改變的容器，其封口多用不同形式的蓋子，例如旋蓋封口機(jī)、滾紋封口機(jī)、卷邊封口機(jī)等。

封口包裝機(jī)的工藝：首先接通電源，電熱元件通電后加熱，上下加熱塊急劇升溫，溫度達(dá)到一定值，壓印機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)溫度PID控制系統(tǒng)輸出決定冷卻是否開(kāi)始冷卻；變頻器進(jìn)行控制的輸送帶啟動(dòng)，當(dāng)裝有物品的包裝放置在輸送帶上時(shí)，袋的封口部分被自動(dòng)裝入運(yùn)轉(zhuǎn)中的兩根封口袋之間，并被代入加熱區(qū)；熱量使薄膜受熱融軟，通過(guò)冷卻使薄膜溫度下降，再通過(guò)滾花輪滾壓出網(wǎng)狀花紋或音質(zhì)標(biāo)志，完成封口作業(yè)。在整個(gè)過(guò)程中，封口傳動(dòng)速度范圍為0～120m/min（±1%），溫度調(diào)節(jié)范圍為0～320℃（±2℃）。

2.自動(dòng)封口包裝機(jī)硬件

本文設(shè)計(jì)的硬件原理框圖如圖1所示，從圖中可以看出，其硬件主要包含S7-300系列的CPU312型號(hào)的PLC、PS307 2A電源模塊、DI8/DO8x24V/0.5A數(shù)字量輸入輸出模塊、MT6070iH2威紐觸摸屏、MM440變頻器三相異步電動(dòng)機(jī)和其他外部數(shù)字量模塊。該系統(tǒng)的輸入信號(hào)主要包含數(shù)字量、溫度和觸摸屏信號(hào)，通過(guò)輸入信號(hào)，再經(jīng)過(guò)PLC程序的控制，執(zhí)行輸出，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖1 硬件原理框圖

（1）PLC選型

本文使用的PLC是西門(mén)子公司的S7-300系列的CPU 312，該CPU含有32K的工作內(nèi)存，為用戶(hù)程序提供充分的空間，程序的裝載存儲(chǔ)器可以達(dá)到4 MB；處理每條二進(jìn)制指令非?？欤梢赃_(dá)到200-400ns；內(nèi)置10個(gè)數(shù)字量輸入和6個(gè)數(shù)字量輸出，最多可以擴(kuò)展256個(gè)數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)和64個(gè)模擬量輸入輸出點(diǎn)；同時(shí)內(nèi)置2個(gè)高速計(jì)數(shù)通道，內(nèi)置的3個(gè)高速計(jì)數(shù)器用于接收電機(jī)脈沖數(shù)的反饋，2個(gè)PWM輸出通道用于控制電機(jī)脈沖信號(hào)，同時(shí)還包含2個(gè)頻率檢測(cè)通道和PID調(diào)節(jié)功能。該P(yáng)LC的內(nèi)部特性、配置結(jié)構(gòu)和外部擴(kuò)展結(jié)構(gòu)等能夠滿(mǎn)足本文設(shè)計(jì)的要求，相應(yīng)的控制電源選擇PS307 2A模塊。

（2）IO設(shè)備選擇

①溫度采集和轉(zhuǎn)換模塊

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)中最普遍而重要的操作參數(shù)。一般利用物體的物理性質(zhì)隨溫度變化的特性來(lái)感知、測(cè)量溫度，按照傳感器是否與被測(cè)物體接觸，有接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩種方法。本文選用的K型鎳鉻-鎳硅熱電偶是一種接觸式測(cè)溫，以熱電效應(yīng)為原理的測(cè)溫元件，用兩種不同材料的偶絲或薄膜一端焊接而成，能夠?qū)囟刃盘?hào)轉(zhuǎn)換成電勢(shì)信號(hào)。對(duì)于信號(hào)的轉(zhuǎn)換，選用SM331模擬量輸入模塊，該模塊最多可以連接8路通道，每個(gè)通道的精度可以達(dá)到12位，該模塊可以直接連接溫度傳感器，省略溫度變送器，節(jié)約了硬件成本。

②其他IO設(shè)備

溫度及速度的顯示采用威綸MT6070iH2型號(hào)的觸摸屏，該觸摸屏內(nèi)置40MHzCPU，128內(nèi)存，屏幕尺寸7英寸，能顯示65536色TFT LCD,分辨率為800*480。本文選用固態(tài)繼電器控制外部電路的導(dǎo)通與關(guān)斷，本文選擇交流220V輸入、交流負(fù)載以及導(dǎo)軌式安裝固態(tài)繼電器。MM440變頻器三相異步電動(dòng)機(jī)組成運(yùn)動(dòng)控制模塊

3.自動(dòng)封口包裝機(jī)軟件

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含溫度PID控制、主程序啟動(dòng)控制、速度調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)程序和現(xiàn)實(shí)及報(bào)警共5個(gè)部分。

對(duì)于溫度PID控制部分，首先對(duì)SM331的屬性進(jìn)行設(shè)置，啟用激活測(cè)量，選擇TC-IL熱電偶，設(shè)置其分度號(hào)，同時(shí)選擇通道數(shù)及過(guò)濾器工作方式 。然后對(duì)于循環(huán)中斷OB，根據(jù)本文選用的CPU312，本文使用OB35循環(huán)中斷；CPU可以進(jìn)行處理用戶(hù)程序之前，必須首先執(zhí)行啟動(dòng)程序，通過(guò)對(duì)OB100進(jìn)行編程，用于指定循環(huán)程序的暖啟動(dòng)設(shè)置；最后在OB35中調(diào)用FB41，PLC每個(gè)100ms中斷并執(zhí)行PID控制程序。PLC讀取溫度信號(hào)與給定值比較，根據(jù)偏差大小通過(guò)控制器進(jìn)行 PID運(yùn)算，輸出PWM控制信號(hào)執(zhí)行固態(tài)繼電器和加熱器，從而控制加熱塊的溫度。

主程序中的啟動(dòng)控制部分，通過(guò)啟動(dòng)按鈕對(duì)主程序進(jìn)行啟動(dòng)。速度調(diào)節(jié)部分，通過(guò) 兩個(gè)按鈕對(duì)速度進(jìn)行增減控制，本文根據(jù)變頻器手冊(cè)，設(shè)置了0-7的數(shù)值對(duì)應(yīng)相應(yīng)的速度。溫度調(diào)節(jié)部分與速度調(diào)節(jié)方式相同，也是通過(guò)兩個(gè)按鈕進(jìn)行溫度的設(shè)置。溫度及速度的顯示采用威綸觸摸屏MT6070iH2，當(dāng)溫度超過(guò)400℃，程序進(jìn)入超溫報(bào)警，故障燈亮。

4.總結(jié)

本文首先闡述了自動(dòng)封口包裝機(jī)的廣泛應(yīng)用，然后對(duì)自動(dòng)封口包裝機(jī)的種類(lèi)和工藝進(jìn)行介紹，為了能夠更好地控制自動(dòng)封口包裝機(jī)的溫度和速度，本文設(shè)計(jì)了一套基于S7-300 PLC的自動(dòng)封口包裝機(jī)控制系統(tǒng)。在硬件上，選用S7-300系列的CPU 312為核心控制器，溫度采集和信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊由K型熱電偶和SM331模擬量輸入模塊構(gòu)成，變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制模塊，溫度及速度的顯示采用威綸觸摸屏MT6070iH2，再加上電源和外部數(shù)字量輸入輸出模塊。軟件上通過(guò)STEP7 5.2軟件編程，包含溫度PID控制、主程序啟動(dòng)控制、速度調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)程序和顯示、報(bào)警程序，最終能夠很好地控制溫度和速度。

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