基于西门子S7-1200PLC的自动包装机控制系统设计
摘要：中国是一个生产大国，而包装业又是一个以服务生产为主的生产企业，对于推动我国物流行业的发展起着至关重要的作用。当前，在构建现代流通体制的同时，物流业得到了快速的发展，现代科技在物流业中的运用日益广泛。
该包装机详尽阐述了PLC、光电感应、HMI等先进技术在包装机控制系统中的应用。对PLC控制系统的软硬件、触摸屏控制进行了分析研究与监控设计。本课题设计的自动包装机主要包含沿横向密封、沿纵向密封、供料以及电气控制系统。为了使其满足设计要求，将控制系统分为了手动和自动两个部分来提高生产效率。此包装机利用西门子1200来完成自动成型、装填、封口、剪切等工艺过程。最终能够使机器稳定、高效的生产。
关键词：、西门子1200、触摸屏、自动包装机、光电传感器。
Automatic packaging machine control system design based on PLC
Abstract: China is a large production country, and the packaging sector is a mainly service based production enterprise, which plays a vital role in promoting the development of China's logistics industry. At the present time, while building a modern circulation system, the logistics industry has been developing rapidly, and modern technology is being used more and more widely in the logistics industry.
The packaging machine elaborated the application of PLC, photoelectric induction, HMI and other advanced technologies in the packaging machine control system. The hardware and touch screen control of PLC control system are analyzed. The automatic packaging machine designed in this project mainly includes the transverse sealing, the longitudinal sealing, feeding and electrical control system to meet the design requirements. The control system is divided into manual and automatic parts to improve the production efficiency. This packaging machine uses PLC Siemens 1200 to complete the automatic bagging, filling, sealing and printing date. Finally can make the machine stable, efficient production.
Key words: PLC S7-1200, touch screen, automatic packaging machine, simulation.
目录
一、引言 1
1.1课题来源及研究意义 1
1.2国内外研究与发展概况 2
1.3本文的主要研究内容 5
第二章 系统总体设计方案 7
2.1本课题主要设计内容 7
2.2 基于PLC生产工艺概述 7
2.3生产过程总流程 9
第三章 系统硬件设计 11
3.1 PLC控制系统 11
3.2 可编程序控制器的设计原理 11
3.3传感器的选型 12
3.4电机和加热管的选型 13
3.5变频器的选型 15
3.6I/O点确定及配置 16
3.7 控制系统电气电路图 18
第四章 系统软件程序设计 19
4.1系统控制流程图 19
4.2梯形图程序设计 20
第五章 控制系统调试 22
5.1系统仿真及组态 22
5.2系统的总体运行流程 23
三、结论 28
五、致谢 30
六、附录 31
一、引言
1.1课题来源及研究意义
中国的电子商务已经成为了全球领先的国家，并且正在以一种令人瞠目结舌的步伐发展。当今社会，货物已经步入了全渠道流通的时代，企业的销售以线下和线上为主。如何更好地服务于顾客的需要，提高物流服务的反应能力，是物流服务中心面对的难题。因此，在配送中心选址、仓储规划、信息系统建设、配送路径优化和配送中心管理等方面，国内外学者展开了大量的研究。然而，学者们并没有关注到，作为物流主要功能的订单包装系统设计。在传统意义上，与产品设计和生产系统设计相比，包装设计属于次要位置，但却极大地影响了供应链的成本和绩效。
中国是一个生产大国，而包装业又是一个以服务生产为主的生产企业，对于推动我国物流行业的发展起着举足轻重的作用。要想与国家的经济迅速发展相匹配，加速包装行业的转型发展，就必须要加大对智能化包装设备的研发力度，并构建出一套具备强大的网络化功能和智能控制功能的完整的装备体系。
当前，物流中心的订货打包仍然依赖大量的人力资源，导致了其自动化程度不高、生产成本较高等问题，而随着“工业4.0”与《中国制造2025》的实施，如何实现订货打包过程的智能化成为今后的发展趋势。在经过了3次工业革命之后，随着大数据、物联网等技术的不断发展，以智能为主要特点的工业4.0正在悄悄地给我们的生活带来变化。以发展人工智能、建设智能化、建设智能化、科技化的物流、实施智能化的服务为核心战略。维维克·瓦德瓦曾经预测：人工智能与机械人，将会引发一场新的行业竞赛。“工业4.0”的到来，给中国带来了新的机会和新的挑战。2015年，国家出台了《中国制造2025》，要求企业在生产过程中达到智能化、自动化、自动化、大规模生产、大规模生产和大规模生产等目标。在2016年，中国的工业机器人密度只有68 ，比韩国（631)，新加坡（488)，比德国（309）还差，说明中国的生产智能程度还不够高。在中国，由于人口老化现象日益严重，随着青壮年工人数量的下降和人工费用的不断上涨，政府将会支持发展机器人工业，提高中国的智能制造能力。我国计划在2020年前，在其基础上，在其基础上，使其在其生产中的数量能够超过150个，在其生产中能够达到十万个，并能够在其上进行大规模的应用。显示了国家对其发展与应用的高度关注。目前，我国正积极推进“智能化”、“智能化”的发展，为实现多品种、多品种、全自动定单打包系统的工业化提供了条件。
随着包装技术的发展，从手工操作到自动操作，包装技术的技术含量不断提升。以箱子草为代表的一大类物流中心为例，其定单包装多为热收缩薄膜，成本高，能耗高，且所用聚乙烯薄膜难以生物降解，造成了环境污染。
因此，本论文所设计的自动包装系统，目的是要将传统的单位物料配送中心的热缩膜包装模式转变为自动包装，并实现包装流水线的全自动化，从而降低成本，提高效率，达到绿色发展的目的。通过调研发现，现在国内的电商快件盒的包装费用还不到一元钱。冉文学（2015）将单元物料界定为：“订单组成的最小度量单元，是直接面向客户的一个订购单位。本课题所提出的定货自动打包系统可为单位产品（如箱子草条、茶叶盒装、食品盒装等）提供更好的通用功能。此外，各物流中心所提供的订货和包件形态多样，如何有效地满足不同订货和包件的需求，并对其进行自动化选择，也是一个重要的课题。本文所研究的自动定单包裹系统使用了机器人来完成上盒和下盒的操作，从而使重要岗位的机器人可以代替人力进行工作，从而使物流中心的自动化程度得到了提高。
1.2国内外研究与发展概况
与其它行业的装备一样，包装机械的发展也是与一国的经济发展以及人民群众的生产生活质量密切相关的。总体上看，发达国家的包装技术比发展中国家的先进程度要高，而那些快速发展的国家，其包装技术也会有很大的进步。
四十年代，欧美各国首先在食品、火柴、香箱子等工业领域采用了这种机器，英国的“可可”、美国的“曲奇”就是这种机器的典型，它们都是这个时代最尖端的产品。在50年代，西方先进的工业社会中，包装业已基本实现了机械化。这一时代的封装机器，使用了大量的光电管，电子开关和其他电子元器件。从60年代起，自动控制系统在包装机中广泛的应用了多种新的电子器件，并将机械、电气、液压和气体等先进技术结合在一起。在这一阶段，更加高级的特殊的自动化包装线已开始涌现。在70年代，随着电脑技术的推广与推广，不论是单个包装设备，或是自动生产线，其自动控制水平都有了很大的提升。在这段时间里，美、德是第一批采用这种小规模 PLC的国家。因为 PLC是专为工业控制而开发的，它的普遍性很强，特别适用于大型的机器，可以大大地降低产品的成本，而且很容易使用和维修，从那以后，它就慢慢地走进了包装机器的控制范围。
自从建国以来，伴随着中国的经济发展，对包装的工业化和机械化的需求日益紧迫，包装机械也就逐步走上了工业化道路。最初的十年，是模仿苏联的产品，模仿他们的设计，模仿他们的产品，比如卷箱子包装，比如糖果包装，比如卷箱子包装。20世纪60-80年代，在轻工业和制药领域中，曾有过真空包装机、捆扎机等几种包装模式，但是，因为与国外的差距，以及技术的滞后，所以，对它们的控制，基本上都是通过强电式和机械装置来实现的。一直到80年代，随着改革开放的到来，我们的包装机械行业方兴未艾。在积极引入国际先进装备的同时，加大对国际先进装备的借鉴，对国内装备进行了技术改造与更新。
该产品具有快速更新、快速应用新技术、高卫生、高精度和模块化等特征。国内外许多高科技与科学研究结果，都将或多或少地运用与反映在包装机械上。
从1980年到现在，在自动包装行业中，已经出现很多的新兴的各种前言技术，比如微电子、激光、超声波、热管以及光电纤维等。这些技术的出现是为了提高生产效率，具有良好的可靠性；二是整合了资源，三是注重节约资源，提高利用效率；四是注重把各类高科技尽快运用到实际中去的循环发展；从而使这一行业的生产力得到更大的提升；五是在用工人数下降的情况下，产品产量上升的情况下，产品种类繁多，能够适应不同的需求。
美国的包装机主要是以体积庞大、速度快而著称，其产量与品种在全球都是首屈一指。就像美国的其它产业一样，它的包装机器也是以高、大、精、尖为主要特征，它的电脑与机器紧密相连，达到了很高的水平。美国的包装行业，从包装材料到工艺到设备，都是一套完整而又完整的工业体系，它的自动程序被大量地运用到很多高级的包装控制系统当中，它进入了一个将机电一体化，激光扫描，纳米等高科技相结合的新时代，是包装行业最具领导和最具竞争力的行业。未来，美国将把工业机器人和图像传感器等新技术，更多地用于包装工业，使其自动化程度、效率、规模和节能程度都得到了提高。
德国以其食物的包装机器而享誉世界，就像德国其它产业的产品。产品具有高速，高可靠性，高品质，自动化程度高，成品性好等优点，尤其是以液态充填流水线及大型制袋、充填及热封包装机为主，在国际上占有绝对优势。最近几年，有几家大公司在开发和生产这种设备，它集成了机械、电气、仪表、触摸屏和上位机控制，采用光电传感技术，PLC控制，安全装置齐全，还具有防静电保护。日本一种新兴的包装机器，在第二次世界大战之后，其经济得到了迅速的发展，并在70年代初赶上并赶上了国际领先的技术。它能够快速发展，很大程度上是因为日本善于引进和复制，能够在对国外技术进行吸收和消化之后，持续地进行创新，并且善于管理。日本工业以中小型企业居多，其产品多为中小型包装机械，具有占地面积小，精度高等特点。自90年代开始，由于采用了无极变频技术、光电传感器技术、实时数据采集和显示技术、人机接口技术等，使其在工业生产中的产值超过了工业总产值的50%。
意大利大部分的包装机都是用于食品工业，它们具有灵活多变，技术先进，外形美观，价格合理等特点。其中80%的商品被出口，并得到了全球的欢迎。
除了以上四个国家之外，瑞典和加拿大也是一个比较先进的国家。例如，美国安西思公司的封罐机，德国西特兹公司的啤酒机（多头、快、准），瑞典利乐 TETRAPAK公司的无菌包装机（造价低廉，维修方便，只有一人使用），等等。
近几年，全球对包装机的需求量以年均5.3%的增长率增长，到了2005年，全球包装机的总价值已达290亿美金。因此，在发展中国家和区域，其经济增长速度最快，因此，在那里，包装机械制造业将获得巨大的增长。到目前为止，我国已拥有6000多个从事研究与制造的公司，品种近2000个。根据数据显示，六千多个公司中，年营业额过一亿的不到十个，而过三千万的更是不到五十个。其中百分之八十到九十是私人及股份有限公司，只有百分之十到二十是合资企业及独资公司，而国营公司更是少之又少。因为公司的规模比较小，研发能力比较弱，以及缺乏足够的资金等因素，造成了每年有将近15%的公司转产、破产或者是新的公司0。大多数企业产品种类单一，只有少数企业能实现批量化生产，而且我国包装机械产品结构发展也很不平衡，饮料、草箱、食品等轻工设备占绝大多数，而化工、冶金、建材和食品加工行业所用的设备却很少。
最近几年，伴随着对科学技术的投资力度的加大，以及对其进行了更多的研究，以及对其进行了更多的研究，以及对其进行了更多的研究，使其与国际上的发展速度越来越快，越来越多的领域开始向国际上的先进水平靠拢。例如，由杭州中亚机器股份有限公司研制和具有知识产权的酸奶制杯子灌装线，其生产能力可达每小时40000个杯子；广州达意隆公司拥有独立的 PET吹瓶设备，年产33000瓶/天，现已经投入了生产，并初步形成了一条完整的生产链条；由中国包装与食品机械有限公司研制的一条高温灭菌流水线，现已面世，因其需求量大而受到广泛赞誉，并荣获了全国科学技术二次奖励。
随着社会经济的快速发展，科技水平的提高，社会生产力的的进步，人们越来越关心产品的质量问题，要求越来越苛刻。最近几年，随着各类小包装的产品日益受欢迎，因此，小尺寸的垂直颗粒、粉末和液体包装机的产量和销售量也在不断增加。该设备是80年代初期由外国引入的一种新型设备，它的名称是由于在生产中，物料的运动轨迹与物料的横向运动而产生的。由于其体积小，结构简单，操作方便，价格低廉，所以被越来越多地用于食物的包装。目前，我国各个工厂所生产的立式自动包装机，通常都包括了袋子成型、物料装填、供料裹膜、高温加热和割断等装置。虽然在机械传动方面会有所区别，但在电气方面却没有太大的区别，通常都包括 可编程控制器、智能温控表、变频器、HMI、光标传感器等电气设备。与传统的以继电器为主的控制系统比较，它有着显著的优点，极大地提升了设备的稳定性，而且它的操作界面简单，可以实现对温度、速度等参数的智能控制，实现从成型、装填、密封、割断的全自动包装，而且它的价格很便宜，在2万到五万之间，普通民众和小型企业都能够负担得起。
1.3本文的主要研究内容
以多品种产品为对象，对其进行了工艺流程设计、关键设备研制、实例模拟试验等方面的研究。
(一)设计多品种的定单和包件的自动化打包系统的工艺流程和工艺平面图。
(二)一种用于多品种产品定单和打包的自动化打包系统的设备和装备研制。它包含了自动包装系统所需的机器设备及后勤设备：多品种包装箱库，自动选择包装系统，自动装箱设备，自动运输设备及控制系统。
(三)把所开发的单位材料定单和包件自动化打包系统用于箱子草物流配送中心自动化打包，并以箱子为典型单位材料进行了实例研究。在此基础上，对自动打包系统进行了模拟试验，并对其进行了验证。
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