基于TIA Portal 的多功能茶叶包装机PLC控制系统设计
摘要 我国很久以前到现在都是一个茶叶大国。近年来，中国的茶业行业发展迅猛，散装茶叶包装耗时耗力且要求高。我会以茶叶包装机一体机为对象进行探究，对其主要的关键构件进行设计，建立茶叶包装一体机的机构模型并设计其控制系统。具体工作内容如下：设定茶叶包装一体机的设计方案（功能及其优化、工作循环）、茶叶包装一体机的关键构件的设计（主要执行构件建模设计及改善）、设计茶叶包装一体机的控制系统（PLC S7-1500、HMI）和MCD联调。本文依据市场上茶叶包装一体机的结构及现状，采用UG建模、TIA Portal控制和MCD联调进行具体模拟，进行优化，使得其不会出现损坏包装的现象，提升了包装的精美及速率，更提高了每包茶叶的质量精度。提高了茶叶包装的效率，降低了茶叶包装的成本，为茶叶市场的进一步发展提供了竞争力。
关键词：茶叶包装一体机 UG建模设计 PLC控制系统 MCD联调 精度优化
Multi-function Tea Packing Machine Control System based on TIA Portal
Abstract China is a big tea country from a long time ago to now. In recent years, China's tea industry has developed rapidly. Bulk tea packaging is time-consuming, labor-intensive and demanding. I will take the tea packaging machine as the object to explore and design its main key components, and establishes the mechanism model of the integrated tea packaging machine and designs its control system. The specific work content is as follows: Set the design scheme of tea packaging all-in-one machine (function and optimization, work cycle), the design of key components of tea packaging all-in-one machine (main implementation components modeling and improvement), design the control system of tea packaging all-in-one machine (PLC S7-1500, HMI) and MCD joint adjustment. According to the structure and current situation of tea packaging machine in the market, UG modeling, TIA Portal control and MCD joint tuning are used to conduct specific simulation and optimization, so that it will not damage the packaging phenomenon, improve the elegance and speed of packaging, and improve the quality accuracy of each package of tea. It improves the efficiency of tea packaging, reduces the cost of tea packaging, and provides competitiveness for the further development of tea market.
Keywords: Tea packaging integrated machine;UG modeling design;PLC control system; precision optimization
目录
第一章 绪论 1
1.1选题的背景及意义 1
1.2包装机的结构及功能 1
1.3国内外研究现状 2
1.4研究内容的技术路线 4
第二章 多功能茶叶包装机的总体设计 5
2.1茶叶包装机的基本要求 5
2.2 多功能茶叶包装机的设计 5
2.2.1包装方案的选择 5
2.2.2包装流程单设计 6
2.2.3循环时间设定 7
2.3机器总体结构 8
2.4本章小结 9
第三章 茶叶包装一体机主要执行机构设计 10
3.1横封装置设计 10
3.1.1热封形式 10
3.1.2横封装置 10
3.2纵封装置 11
3.3计量装置 12
3.4包装材料供送装置 13
3.5本章小结 14
第四章 多功能茶叶包装一体机控制系统 15
4.1包装机控制系统的要求 15
4.2硬件系统的设计 16
4.2.1 I/O地址分配 16
4.2.2硬件选择 16
4.3控制系统程序设计 17
4.3.1控制系统流程图 17
4.3.2梯形图设计 18
4.3.3控制系统HMI界面设计 23
4.4本章小结 24
第五章 MCD-TIA联调 25
5.1有关MCD 25
5.2 MCD运动仿真的建立 25
5.2.1 MCD刚体及运动副设定 25
5.2.2 传感器和执行器设定 26
5.2.3 仿真序列及顺序的设定 27
5.3 MCD和TIA联调 27
5.3.1仿真序列信号 27
5.3.2 PLCSIM Advanced 设定 28
5.3.3 信号映射 29
5.4本章小结 30
第六章 总结与展望 31
6.1总结 31
6.2展望 31
致 谢 32
参考文献： 33
第一章 绪论
1.1选题的背景及意义
茶文化是中国古今文化的一个重要形成，它有着很长的历史，它有着软化心血管、消炎、抗菌、杀毒、预防龋齿、提神醒脑、清热消毒等一系列的功能。而茶叶的包装，是销售茶叶的重要环节，为了节约原料，为了节约成本，为了满足顾客的需求，为了保证产品的精美，茶叶的包装也是一个必须要提升的环节。目前，我国的茶叶包装在世界包装行业中虽不算弱势，但与世界上最先进的几个国家相比，仍然存在着较大的差距。所以我认为很有必要对包装业进行一定的改善，尤其是包装一体机的设计及包装过程的优化，这对包装业也是一个很重要的升级过程。
目前的包装方式有两种，一种是纵向封头的两端封边的一种，另一种是纵向封的两端封边的折边。通过对比，不难看出，对茶叶等物料的挤压变形要求较低，有利于节约包装材料，减少对环境的污染。另外，还可以通过充气，增加茶叶的容积，增加茶叶的容量，在一定程度上减小了挤压变形的影响，使得茶叶的外形更加丰满和美观。针对我国茶叶包装机的配套产品数量较少、精度较低、难以适应市场需求等问题，急需开发一种结构精密、运行稳定、速度快、构成简单、操作简便、方便维修的新型茶叶包装设备。随着茶叶产量和消费水平的不断提升，茶叶的包装成为整个过程中必不可少的环节，因此，一套完整的包装管理系统显得尤为重要。这一技术在市场营销、环境保护等方面都有着重大的作用，因此有着巨大的发展空间。从目前市场上的包装机械结构来看，国内仍处于仿造复制阶段，自主研发能力较差。所以，开发和优化包装包装设备，不仅能推动茶叶行业的发展，还能带动其它高精度、低消耗的包装，起着引领作用。
1.2包装机的结构及功能
与人工参与的流水线包装不同，茶叶包装一题机相比较之就有点复杂，这主要是由于没有人为的操纵，其要求较高，各种机构需要自动的形成精密的配合完成包装、进料、封口、切断等一系列工作。可以简单地将包装机分为以下几个部分：
（1）包装材料整理与供送系统 包装材料的张紧使得包装袋有个美观的形状并使产品可以顺利地装进包装袋内。包装袋的输送的精确，使得以下每一步的工序有精确的定位。
（2）被包装物品的计量与供送系统 茶叶的称重计量在包装过程中是最关键的一环，影响到每袋茶叶质量误差精度。
（3）主传送机构 负责包装袋、茶叶的输送，从一个装置输送到另一个装置，使得整个机器连贯地、快速地运转起来。
（4）封口装置 对已经装入茶叶的包装进行纵封及横封，考虑到包装使用材料及温度对封口的影响，需专门地对封口装置进行设计。
（5）切断装置 将两个包装袋分开的装置，需要设法节约动力的消耗。
（6）控制系统 当环境以及包装材料等因素变化时，可以通过控制系统根据包装机械的生产要求，在控制面板上进行简单的设置，来应对发生的这一系列的变化。
（7）动力装置 给上述各装置所需要的动能、热能提供动力，完成一系列的运作。
1.3国内外研究现状
国内：
古往今来，我国都是茶叶的故乡，是制造茶叶的大国。近些年来，中国的茶叶制造发展迅速，茶叶包装也自然而然成为了一项不可缺少的工作流程。我国国内的包装行业起步相对来说较晚，在二十世纪五十年代包装自动化甚至几乎没有任何可见成果，但是考虑到茶叶的不宜贮藏及如何售卖，又必须在包装以及包装自动化及简约化上进行提高改善。二十世纪八十年代，社会经济的发展使得茶叶包装也得到了很大的重视，茶叶包装行业也成为了机械制造行业中的一个不可或缺的部分，茶叶包装形式近些年以来也是新颖而简约。但是，不难发现我国包装机械的进口额远超出口，且占总出口额的95%，而出口额相反却不到总产值的5%，这就和发达国家就有着相当的差距。虽然国家于2010年上半年颁布了《限制商品过度包装要求食品和化妆品》GB23350-2009新的有关标准。但仍就没有改变包装及包装行业的颓势，各种华而不实、包装过程繁琐、耗费大的问题仍然存在。
目前，国内已有约4000家包装机械制造商，但其发展状况并不尽如人意。大部分的公司，都还处在起步阶段，缺乏一个创新的生产基地。我国现有的包装机械种类不足1400个，设备设备较少；高精度、高自动化、大容量的包装设备也不多见，无法适应目前的市场需要。洛阳南峰机械设备制造有限公司从事茶叶袋泡茶包装机研究开发近30年，是国内少有的一家具有完整的生产设备，具有丰富的经验，并制定了要求高且可能高于国家水平的它们自己的企业标准，属于这个行业市场的带头人。
TIA PORTAL是 SIMENS开发的一款自动化系统，它能实现工程项目的自动化、高效的编写、在线诊断、远程操作和故障预警，大大节省了花费和提高了生产速率，是未来机械自动化的发展趋势所向。
国外：
相反国外，虽然包装业发展一样没有经历太多时间，但是西方国家科技发达，开始时间早于我们太多，在20世纪50年代就得到很多探究和进步。德国、意大利、美国等一系列包装自动化程度高的国家，在包装这一行业相对成熟，不难看出，对包装机械迅速发展需求最强烈的是我们发展中国家。
在欧美等成熟的包装行业中， PCI凭借着先进的技术和庞大的市场份额，预计欧美两国的包装市场将保持每年1.5%的年均增长，到2012年将达到106亿欧元，这在当今世界上是一个相当快的速度，处于相当高的水平。欧美区域是全球最大的包装机械制造来源地，德国在全球市场占有22%的份额，处于世界第一的位置，紧随其后的是意大利，占了近16%，它们都是全球最重要的包装机械出口地，也占据了全世界市场相当重要的一部分。
参考文献：
[1] 庞昭． 国产袋泡茶叶包装机的现状与发展[J]． 中国包装工业， 2005， （06）：19-20．
[2] 王廷娟． 中国包装机械自动化的现状研究[J]． 硅谷， 2011， （18）： 6-11．
[3] 丰会萍, 胡亚南, 闫琛钰, 李明辉. 基于TIA Portal的多功能茶叶包装机控制系统设计[D]. 食品机械, 2017, （7）: 85-88.
[4] 闫琛钰. 多功能茶叶包装机的设计研究[D]. 陕西科技大学, 2017.
[5] 贺宇红. 日本包装机械行业现状及未来发展趋势[J]. 中国包装, 2005, (05): 35.
[6] 何南至. 中国食品和包装机械行业现状及发展趋势[J]. 包装世界, 2003, (06): 31-35.
[7] 杨桂府. 高速小颗粒包装机的设计与实验[J]. 食品工业, 2020, 41(09): 235-238.
[8] 韩华, 李娜. 基于PLC的颗粒包装机称量系统设计[J]. 包装工程, 2021, 42(17): 249-254.
[8] 陈云霞, 李松青. 颗粒食品包装机热封温度控制系统设计[J]. 食品工业, 2021, 42(11): 252-254.
[9] 韩华,李娜.基于PLC的颗粒包装机称量系统设计[J].包装工程,2021,42(17):249-254.
[10] 张晓春． 茶叶制袋充填包装机关键技术研究[D] ．合肥： 中国科学技术大学，2012．
[11] Salih H , Abdelwahab H , Abdallah A . Automation design for a syrup production line using Siemens PLC S7-1200 and TIA Portal software[C]// International Conference on Communication. IEEE, 2017.
[12] Wanniarachchi D N , Gunawardhana S D , Gawarammana M , et al. Development of a Bulk Tea Packaging System[C]// 2020 From Innovation to Impact (FITI). 2020.
[13] Wong C P , Clegg D B , Kumar A H , et al. Package Sealing and Encapsulation[M]. Springer US, 1997.
[14] Abueejela Y M , Algitta A A , Mustafa S , et al. Automated Packaging Machine Using PLC. 2015.
