柑橘包裝機控制系統(tǒng)設(shè)計.docVIP

濟南大學畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計題 目 柑橘包裝機控制系統(tǒng)設(shè)計 學 院 專 業(yè) 班 級 學 生 學 號 指導(dǎo)教師 二 年 月 日- 2 -畢業(yè)設(shè)計摘 要本論文對柑橘包裝機控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，論文主要完成了控制部分的設(shè)計、傳動部分的設(shè)計以及柑橘包裝機控制系統(tǒng)的設(shè)計。同時本論文針對柑橘包裝機的總體結(jié)構(gòu)特點，對于柑橘包裝機的工藝進行了工藝設(shè)計，進而對控制方案進行了設(shè)計，并對控制系統(tǒng)方案進行分析選擇，之后對整個控制系統(tǒng)點了進行了設(shè)計，結(jié)合控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)特點以及柑橘包裝機的控制要求對其做了進一步的控制電路設(shè)計。結(jié)合PLC的特點，對其進行選型，并且也選擇通過串行接口對其控制方式做了進一步的分析，之后對傳動的調(diào)速系統(tǒng)做了說明。結(jié)合柑橘包裝的工藝流程，以及柑橘自動包裝的流程用流程圖的形式表示出來?？刂撇糠种饕鶕?jù)系統(tǒng)控制的要求選好輸入輸出接口并且選出合適的PLC，并且對此型號的PLC接口做出了說明，選出合適的電氣元件，設(shè)計出包裝過程的控制電路，以及電路主回路的設(shè)計。傳動部分選用鏈傳動的形式，通過鏈傳動實現(xiàn)主動軸和次動軸之間的傳動。機械本體的設(shè)計是計算選好電動機的型號，進而較好的包裝整個柑橘包裝機控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，并包確?？刂葡到y(tǒng)本身的可靠性得到提高。關(guān)鍵詞：包裝機；PLC；變頻器；控制系統(tǒng)ABSTRACTIn this paper, the control system of citrus packaging machine is designed. The design of the control part, the design of the transmission part and the design of the control system of the citrus packaging machine are mainly completed. At the same time, according to the overall structural characteristics of the citrus packaging machine, the process design of the citrus packaging machine was carried out, and the control scheme was designed. The control system was analyzed and selected, and then the whole control system was designed , Combined with the control system of the circuit structure characteristics and citrus packaging machine control requirements to do a further control circuit design. Combined with the characteristics of PLC, its selection, and also through the serial interface to control its way to do a further analysis, after the transmission speed system to do a description. The process of combining citrus packaging, as well as the process of automatic packaging of citrus, is expressed in the form of a flow chart. The control part mainly selects the input and output interface according to the requirements of the system control and selects the appropriate PLC, and explains the PLC interface of the model, selects the appropriate electrical components, designs the control circuit of the packaging process, Circuit design. Transmission part of the choice of chain drive in the form of chain drive to achieve between the active shaft and the transmission between the axis. The design of the mechanical body is to calculate the type of motor selected, and thus the packaging of the entire citrus packaging machine control system stability, and ensure that the control system itself to improve the reliability.Key words: packaging machine; PLC; inverter; control system目 錄摘 要IABSTRACTII1 前言11.1 課題研究的意義11.2 國內(nèi)外研究狀況11.3課題研究意義21.4設(shè)計內(nèi)容研究22 方案總體設(shè)計32.1 驅(qū)動系統(tǒng)的方案32.2 包裝方法的選擇42.3 柑橘包裝機的工藝設(shè)計42.3.1 柑橘包裝機工藝流程的設(shè)計42.3.2 包裝生產(chǎn)線的布局52.3.3 柑橘包裝流水線的基本結(jié)構(gòu)62.3.4 生產(chǎn)流程72.4控制方案設(shè)計82.4.1控制系統(tǒng)的方案分析82.4.2控制方案選擇93 柑橘包裝機結(jié)構(gòu)設(shè)計113.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計113.2 機械結(jié)構(gòu)各部件選型124 柑橘包裝機控制系統(tǒng)的電路設(shè)計144.1 柑橘包裝機的控制要求144.2 主電路的設(shè)計144.3 控制電路的設(shè)計154.3.1 電氣元件的選擇154.3.2 輸入信息的分析164.3.3 輸出信號的分析174.3.3 輸出信號的分析174.3.4 傳感器的選擇174.3.5 變頻器的接線184.4 PLC的簡介及選型184.4.1PLC編程簡介184.4.2PLC選型194.5串口通信204.5.1串口通訊簡介及方式204.5.2串口通訊程序214.6控制電路設(shè)計214.7 傳送帶調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計224.7.1電機選擇224.7.2控制系統(tǒng)確認234.8 梯形圖235 結(jié) 論25參 考 文 獻26致 謝28- 28 -1 前言1.1 課題研究的意義隨著社會的發(fā)展，人們對于食品衛(wèi)生的要求越來越高，并且產(chǎn)品生產(chǎn)正在向縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)質(zhì)量等方向發(fā)展。在柑橘包裝的過程中，柑橘包裝機是最后一個工序，也是非常重要的一道工序。生產(chǎn)要求該系統(tǒng)具有精確，控制可靠，符合衛(wèi)生要求等特點，這些要求是人工操作難以實現(xiàn)的。一條質(zhì)量好，技術(shù)先進，設(shè)計合理的包裝機控制系統(tǒng)，不僅能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品占領(lǐng)市場，又可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，節(jié)約人力物力提高經(jīng)濟效益。提高柑橘包裝機的流水線的自動化生產(chǎn)，是擺在我們眼前的一大課題。1.2 國內(nèi)外研究狀況中國柑橘裝備制造業(yè)是伴隨中國柑橘生產(chǎn)銷售量的迅速發(fā)展而成長起來的產(chǎn)業(yè)。到80年代，國內(nèi)包裝生產(chǎn)線的廠家有幾十個，但是制造水平和設(shè)備性能遠遠不如發(fā)達一些發(fā)達國家。在1987年，我國從西歐、東歐、日本等國家引進了200多條包裝生產(chǎn)線。通過對國外技術(shù)的學習，到90年代已經(jīng)可以生產(chǎn)柑橘包裝生產(chǎn)設(shè)備。從整體上看，我國柑橘、飲料機械制造業(yè)的發(fā)展仍然保持較穩(wěn)定的增長幅度。新產(chǎn)品的自行研發(fā)、自行設(shè)計已經(jīng)成為目前行業(yè)發(fā)展的主流，使用新工藝強化了機電一體化，南京輕機率先推出了新型電子閥包裝機。重慶輕機設(shè)計研發(fā)了新型燭式過濾機。國外的柑橘包裝生產(chǎn)線發(fā)展水平較為完善，機電一體化、管理與控制相結(jié)合是當前柑橘包裝生產(chǎn)線發(fā)展的最重要的一個趨勢。如美國的HiranWaller 公司、德國的Gerrokaise公司和日本的小森機械公司都實現(xiàn)了對柑橘包裝生產(chǎn)線的全面計算機控制與管理1-3。 PLC可以很好地實現(xiàn)對生產(chǎn)流水線的控制，并且可以用于柑橘的包裝流水線中。PLC控制具有可靠性強，變成簡單等優(yōu)點，所以被廣泛地用于流水線的控制。PLC在問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，在美國，德國，日本等工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)成為重要的產(chǎn)業(yè)之一，世界總銷量額不斷上升，生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)，品種不斷翻新，產(chǎn)值產(chǎn)量大幅度上升從而導(dǎo)致價格不斷下降。使用到自動化系統(tǒng)中PLC，有些集中安裝在控制室，有些安裝到生產(chǎn)現(xiàn)場和各種電機設(shè)備中，這些PLC大多處在強電電路和強電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中4。PLC的編程語言呈現(xiàn)多樣化，在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時，PLC的編程語言也越來越豐富，功能也不斷提高。1.3課題研究意義通過對目前國內(nèi)外的發(fā)展狀況來看，自動控制生產(chǎn)對于物料輸送機包裝系統(tǒng)提出了更多、更高的要求，輸送的物料體積更大，重量更重，對于送料的頻率要求更高，人力為主的傳統(tǒng)送料系統(tǒng)不能滿足現(xiàn)在發(fā)展的要求，所以更需要實現(xiàn)包裝機的快速準確的完成包裝過程的自動化控制。相對于人力運輸而言，自動控制系統(tǒng)更加靈活簡便，更加能夠適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境。可編程控制器控制的柑橘包裝機，作為工廠車間的主要的包裝機械，它具有很多優(yōu)點。比如說使用方便、自動化控制性好、無人操作、維修簡單等等，因而包裝機廣泛在各種機械場所里面使用，例如：工廠車間等，它對提高機械生產(chǎn)效率有著極其重要的意義。在自動化的生產(chǎn)線中，PLC控制的電動包裝機是自動化生產(chǎn)的重要組成部分，本身也有很多優(yōu)點，比如說縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、減少工人的勞動量、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點。通過可編程控制器實現(xiàn)包裝的自動化控制能夠使包裝控制更加簡便。包裝機的控制系統(tǒng)是通過PLC控制的設(shè)計，是基于世界對于PLC開發(fā)應(yīng)用潮流的現(xiàn)狀把PLC控制用于生產(chǎn)實踐。PLC處理非常復(fù)雜的現(xiàn)代化生產(chǎn)，給工人提供了額外的時間，集中構(gòu)建他們的范圍知識和核心附加值技術(shù)，這將大大提高工廠的競爭力。1.4設(shè)計內(nèi)容研究本課題的研究內(nèi)容是采用先進的控制技術(shù)，設(shè)計柑橘包裝機的控制系統(tǒng)，通過可編程控制器實現(xiàn)對流水線的自動化生產(chǎn)過程的控制。將傳感器、變頻器、可編程控制器結(jié)合起來，保證柑橘的質(zhì)量的情況下按照柑橘的包裝工藝進行包裝。要求可編程控制器能夠控制傳送帶的速度，與包裝速度相一致，保證電動機在合適的情況下啟停。通過傳感器檢測是否裝滿，并且做出警報，將不合格的包裝產(chǎn)品剔除；將包裝合格的箱子傳送給下一道工藝。通過對流水線功能的分析，得出流水線的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的計算，得出機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計數(shù)據(jù)，從而設(shè)計出一條可以實現(xiàn)柑橘傳送的流水線。流水線中包括鏈傳動，滾子，電機，支架，支撐板等。 2 方案總體設(shè)計2.1 驅(qū)動系統(tǒng)的方案 驅(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)生成機械手的重要部分，按照采用的不同的動力方式，可分為以下四種類型：(1)氣壓傳動 氣壓傳動是將空氣壓縮后，用其壓力來驅(qū)動機構(gòu)運動的一種方式。其特點是：輸出的力大、容易保養(yǎng)、動作較快、結(jié)構(gòu)簡單等，但是由于空氣可以壓縮的特點10，工作速度的穩(wěn)定性較差、沖擊力大、定位精度一般、抓取力小。(2)液壓傳動液壓傳動是以油液壓縮的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的一種方式。其特點10為：輸出的力大、傳動穩(wěn)定、構(gòu)造緊密、動作較快、抓取力大。但是這種機械手對密封性的要求很高、不易于保養(yǎng)與維護、容易受到液體本身屬性的影響，不宜在高溫或者低溫的環(huán)境下工作、油的泄漏會導(dǎo)致對其工作性能產(chǎn)生很大的影響、油液過濾要求非常嚴格，成本高。(3)機械驅(qū)動 是由常見的機械機構(gòu)來驅(qū)動的一種方式，一般是工作主機上的專用機械手10，動力來自工作主機。這種驅(qū)動方式的主要好處是：運動精確，動作的頻率大，定位精度高，但是結(jié)構(gòu)較大，保養(yǎng)需求高。(4)電氣驅(qū)動 是由電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的驅(qū)動方式。其特點為：行程長，定位精度高，易于維護、使用方便、節(jié)能環(huán)保、動作迅速。但是其技術(shù)還不夠成熟、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本也較高。 驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分,在本設(shè)計中，機械手需要完成定位、夾緊、定長送料等動作，而機械手定位所需要的精度較低，機械手定長送料則需要有較高精度。 考慮到機械手的工作環(huán)境以及各驅(qū)動的特點，對于機械手的橫向與垂直方向運動我們采用氣壓驅(qū)動方式。而在加工中心中氣缸對鋁塑型材的定位一般有兩種方案：擺動氣缸與定位螺釘組合定位2，氣缸活塞桿被不同長度的定位螺釘限制，達到定位的目的；利用伺服氣缸定位，利用電-氣比例閥將控制器的電信號轉(zhuǎn)化為伺服氣缸的壓力信號，可以實現(xiàn)任一點定位。前者價格便宜，但可操作性差且精度不高，后者定位靈活且精度較高，動作迅速，但是花費較大。綜合考慮以上兩種方案，為了實現(xiàn)機械手對任一點的定位，本設(shè)計選用伺服氣缸定位。 而機械手對型材的定長送料11我們采用電氣驅(qū)動方式，這里也有兩種可選擇方案：步進電動機12；伺服電動機。前者屬于開環(huán)控制易出現(xiàn)失步且響應(yīng)較慢，應(yīng)用在本設(shè)計中要加裝檢測裝置，后者屬于半閉環(huán)控制，響應(yīng)快，精度高，但是成本較高。綜合考慮兩種方案，為了實現(xiàn)機械手對送料長度的精確控制，本設(shè)計選用伺服電動機。 2.2 包裝方法的選擇每種水果的包裝都有其相應(yīng)的包裝特點以及包裝方法，針對柑橘我們需要制定特定的包裝方法。因為柑橘是球型，所以對于碰撞或者是擠壓非常敏感的，在包裝的時候我們需要特別注意。常用的包裝方法有以下幾種：常壓包裝法：常壓法也叫純重力法，即在常壓下，包裝箱依靠自重進入包裝箱內(nèi)，這種此方法適合不含有氣體飲料的包裝。等壓包裝法：這種方法就是先將瓶內(nèi)充氣，使箱子內(nèi)壓力和儲酒灌達到平衡，然后利用柑橘的重力流入包裝箱內(nèi)，等壓包裝法適用于含有氣體的飲料。真空包裝法：是將箱子內(nèi)通入的氣壓降為負壓，柑橘由于大氣壓強被壓入箱內(nèi)。壓力包裝法：利用外部的機械壓力將柑橘填充到箱子內(nèi)，這種方法使用于比較粘稠的物料。綜上所述，在本次設(shè)計中我們使用等壓包裝法。2.3 柑橘包裝機的工藝設(shè)計 2.3.1 柑橘包裝機工藝流程的設(shè)計本次設(shè)計的工藝流程是：首先進行紙箱供應(yīng)，同時進行洗瓶（殺菌處理），空瓶檢測，然后進行包裝，包裝結(jié)束之后進行壓蓋、殺菌、貼標、裝箱。輸送紙箱處理貼標袋子整理裝袋檢測柑橘套袋廢品剔除套袋完成完成包裝包裝檢測裝箱碼垛圖2.1 柑橘包裝控制流程包裝的工藝是：（a）先將包裝袋準備到指定位置。（b）用進行裝袋。（c）再次進行裝袋完成，檢測裝袋情況，包裝檢測，貼標簽。（d）裝箱。柑橘放入裝袋機之后由裝袋機構(gòu)將干凈的袋子送出并將柑橘包裝好，經(jīng)傳送帶將箱子送入全自動包裝機，包裝完畢后，經(jīng)輸送鏈送入貼標機貼標，一般要貼頸標和身標箱子直接通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)進行碼垛。最后，產(chǎn)品進入裝箱機械。2.3.2 包裝生產(chǎn)線的布局生產(chǎn)線采用一字型布置。一字型布置車間建成長方形，裝箱從車間的一端輸入，經(jīng)過整理箱子，輸送，位置對正，貼標，裝箱，碼垛之后從另一端輸出1。這種形式的優(yōu)點是：箱子與柑橘之間有包裝袋隔離分開，柑橘不會有污染；包裝保持其潮濕區(qū)與成品的干燥區(qū)分開，可以使包裝好的柑橘較能保持干燥。圖2.2 生產(chǎn)線布局圖2.3 包裝流水線示意圖2.3.3 柑橘包裝流水線的基本結(jié)構(gòu)此流水線由主傳送帶、傳送帶、推動裝置、光電傳感器等組成。其中電動機的啟動和停止，包裝裝置啟動和停止，紙箱位置的推動、產(chǎn)品檢測、電動機的減速都是由可編程控制器控制的。同時，流水線由傳感器實時監(jiān)控，保障生產(chǎn)效率。裝好的箱子會進入到指定位置，當有不合格包裝出現(xiàn)的時候，檢測傳感器會發(fā)給PLC一個信號，并且開啟次品推動裝置以及次品傳送帶，并且警報器亮起，次品分離出后，主傳送帶恢復(fù)運行。包裝流水線示意圖如圖2.3所示圖2.4 生產(chǎn)流程圖2.3.4 生產(chǎn)流程本次設(shè)計的生產(chǎn)流程為：主傳送電動機轉(zhuǎn)動，使傳送帶以0.5米/秒的速度運行，當光電傳感器檢測到紙箱時，包裝電機開啟，開始包裝，包裝持續(xù)時間為5秒，包裝結(jié)束后檢測器檢測紙箱位置是否符合要求，若不符合要求，傳送帶開啟轉(zhuǎn)動，紙箱推送閥開啟，警報燈亮，手動取下不合格產(chǎn)品；若符合要求，主傳送帶電機啟動，光電傳感器檢測紙箱是否到位，若到為住傳送到電機開始減速，測速傳感器檢測速度是否達到0.1米/秒，如果沒有達到，繼續(xù)減速，如果達到要求速度，開始貼標的流程。生產(chǎn)流程如圖2.4所示：2.4控制方案設(shè)計2.4.1控制系統(tǒng)的方案分析 在工業(yè)控制中，一般是在能實現(xiàn)要求功能的前提下遵循“穩(wěn)定、便捷”的原則來選擇控制方案。目前在工業(yè)生產(chǎn)中對包裝機的控制方式主要有接觸器繼電器、可編程控制器（PLC）、單片機三種。(1)接觸器繼電器控制該控制系統(tǒng)包括按鈕、繼電器和接觸器等，這些電氣元件成本比較低，但是它們的機械動作壽命有限。因為這種控制方式16機械觸點多，接線比較復(fù)雜，當加工要求改變時，需要改變其控制邏輯關(guān)系，要改變相應(yīng)的線路，有時要改變大量的硬件接線，甚至重新進行線路設(shè)計，耗費很多的人力和時間。并且其容易出現(xiàn)故障，動作的控制精度低。(2)可編程控制器（PLC）控制PLC是專門為工業(yè)自動化設(shè)計的一種新型的工業(yè)控制器16，其具有良好的通用性及擴展性、包括豐富的運算指令，并且它的體積很小、易于安裝而且其具有較高的可靠性、很強的抗干擾能力，非常適合用于環(huán)境較惡劣的工作場合，當輸送機在輸送過程中起動作流程和加工方式改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。(3)單片機控制目前單片機具有成本較低，設(shè)計靈活，方便調(diào)用子程序，減少工作量等優(yōu)，在一般的控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛。但是其缺點很明顯，如系統(tǒng)硬件電路設(shè)計相當復(fù)雜，且系統(tǒng)無法抵抗較大干擾，以及需要單獨設(shè)計專用電源等。通過比較接觸器繼電器、PLC、單片機三者各自的特點，考慮到機械手在生產(chǎn)中的通用性，在此采用PLC對機械手進行控制。結(jié)合該項目中存在的大量開關(guān)量18、穩(wěn)定性要求等特點，并考慮到成本等問題，最終選用PLC為控制器。2.4.2控制方案選擇 這里，主要對流水線的控制部分，傳動部分，機械本體部分做了分析，選出了比較適合本次設(shè)計的結(jié)構(gòu)。1)控制裝置：現(xiàn)在大多數(shù)流水線都采用PLC，單片機，PC等作為控制系統(tǒng)，這幾種控制方式的特點如下： （1）采用PLC控制。PLC具有很高的工作可靠性和抗干擾能力，編程簡單，控制功能豐富，使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)柑橘包裝流水線的自動化控制5。通過PLC控制變頻器，實現(xiàn)流水線的速度調(diào)整，從而使包裝速度與電動機的速度相適應(yīng)。電動機的啟動和停止，包裝裝置的向上、向下移動和包裝，以及次品的檢測、次品的剔除等都是由PLC控制的6。具有很高的工作可靠性和抗干擾能力；控制程序可變，具有很好的柔性；編程簡單，控制功能豐富，使用方便；擴充方便，組合靈活，構(gòu)成各類控制系統(tǒng)；可將運行數(shù)據(jù)直接送入管理計算機，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運行；抗干擾能力強對工作環(huán)境要求低；設(shè)備體積小，維護方便，插件更換靈活2。適用流水線上的控制。 （2）采用單片機控制。價格便宜，攜帶方便，體積小功耗低，可用于電池供電的小型產(chǎn)品；自帶外接接口，可以直接連接外設(shè)，有強大的數(shù)據(jù)處理能力；編程復(fù)雜，不易學，抗干擾能力差，不太適用于流水線的控制。（3）采用PC控制。特點：能實現(xiàn)原來PLC的控制功能，數(shù)據(jù)控制能力強大，但是控制過程復(fù)雜，編程復(fù)雜，不易學。綜上所述，使用PLC就可以很好的實現(xiàn)柑橘包裝流水線的自動化。PLC選用西門子s7200。2)傳動方式：工業(yè)生產(chǎn)中最常用的傳動方式有帶傳動，齒輪傳動，和鏈傳動，這幾種傳動方式的特點如下：（1）帶傳動。帶傳動方式的特點：帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸振等特點。平帶傳動結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高，帶輪容易制造，在傳動中心距較大的情況下應(yīng)用較多7。（2）齒輪傳動。能夠保證瞬時的傳動比恒定，傳遞運動準確可靠；結(jié)構(gòu)緊湊，可以實現(xiàn)的傳動比較大，使用壽命長；制造安裝精度高，沒有過載保護作用，噪音較大7。（3）鏈傳動。與齒輪相比可以傳遞較遠的運動和動力；能在高溫，重載等不良環(huán)境下工作；傳動精度較帶傳動高，傳動功率較大，傳遞效率高7。綜上所述，在柑橘自動包裝流水線中，結(jié)構(gòu)緊湊的齒輪不是很適合用用于其中，齒輪沒有過載保護，噪音也比較大；鏈傳動可以在很多種不良環(huán)境下工作，傳動效率高，不會發(fā)生打滑現(xiàn)象，因此選用鏈傳動。3)驅(qū)動裝置：在工業(yè)生產(chǎn)流水線中，常用采用步進電動機，三相異步電動機等作為驅(qū)動裝置，它們的特點如下：（1）步進電機特點：較三相異步電動機而言控制精度高，具有較精確的定位性能，用在需要精確定位的地方，如繪圖機、打印機、經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)等8。（2）三相異步電動機特點：異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，維護容易，運行可靠，價格便宜，具有較好的穩(wěn)定和動態(tài)性能 8。三相異步電動機價格合理，適合用于柑橘包裝生產(chǎn)線，在包裝生產(chǎn)線中維修容易，具有較好的穩(wěn)定性，因此，采用三相異步電動機較合理。4)系統(tǒng)的調(diào)速：對于三相異步電動機的調(diào)速，通常情況下采用變極對數(shù)調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。（1）變極對數(shù)調(diào)速特點：不是平滑連續(xù)的調(diào)速，體積大，價格較高，廣泛用于機電聯(lián)合調(diào)速的場合，特別是中小型機床8。（2）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速特點：能無級調(diào)速，但是調(diào)速范圍不大，低速工作時工作點不穩(wěn)定，大多用于重復(fù)短期運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械中，如啟動運輸設(shè)備8。（3）變頻調(diào)速的特點：調(diào)速范圍廣；調(diào)速平滑性好，每兩檔之間的轉(zhuǎn)速差小；工作特性能達到和直流調(diào)速系統(tǒng)不相上下的的程度；經(jīng)濟效益高，經(jīng)過變頻調(diào)速可以節(jié)約用電8。綜上所述，變頻調(diào)速的特點明顯優(yōu)于變極對數(shù)調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，因此，柑橘包裝流水線的調(diào)速采用變頻調(diào)速。因此，傳動部分我們選擇的是鏈傳動，驅(qū)動部分電機選的是三相異步電動機，控制部分采用的的是PLC進行控制。3 柑橘包裝機結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計本次設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)部分主要是流水線傳動部分，主要包括了支架、電機、鏈、鏈輪、鏈傳動軸、支撐板、支撐輥子。主傳動部分采用了鏈傳動的方式，鏈傳動不容易發(fā)生打滑，可以保持準確的傳動，傳動效率高，安裝精度要求也較低，所以說鏈傳動更加適合本次設(shè)計。傳動部分的設(shè)計主要是電機軸連接一個鏈輪，通過鏈傳動給主傳動軸，軸上連接一個鏈輪，通過鏈傳動使軸轉(zhuǎn)動，同樣在流水線的另一端有一個次傳動軸，兩個軸之間也是經(jīng)過鏈傳動傳遞。兩個傳動軸是通過軸承以及軸承座用螺栓連接到焊接在支架上的支撐板。支撐輥子和支撐軸之間采用的是間隙配合，使輥子可以轉(zhuǎn)動。輥子上面有帶，使用帶傳動將柑橘進行傳送。傳動部分的電機軸和主傳動軸之間的傳動如圖3.1所示：圖3.1 電機軸和主傳動軸之間的傳動傳動部分主傳動軸和次傳動軸之間的傳動如圖3.2和3.3所示：圖3.2 主傳動軸上的鏈圖3.3次傳動軸上的鏈支撐軸與支撐板之間的連接，支撐軸與輥子之間的配合如圖3.4所示：圖3.4支撐軸、輥子部分3.2 機械結(jié)構(gòu)各部件選型電機的選型：已知流水線的上柑橘的最大數(shù)量為1000kg，M總為1100kg，傳送帶的最大速度為0.5m/s。電機的功率P (3.2.1)因此電機選擇Y132M-4，功率為7.5kw，額定電流為15A，額定電壓為交流380V，頻率為50HZ，轉(zhuǎn)速為1440r/min。因此，鏈傳動的選擇型號是08A，單排。由此，我們可以得出鏈的節(jié)距：P=12.7mm，滾子直徑：d1=7.92 ，內(nèi)鏈節(jié)：b1=7.85根據(jù)這些數(shù)據(jù)，我們可以計算得出鏈輪的基本參數(shù)和主要尺寸。因為P=12.7，所以（3.2.2）齒數(shù)z=15，dk=28，分度圓直徑d（3.2.3）輪轂厚度h(3.2.4)輪轂長度l(3.2.5)輪轂直徑dh(3.2.6)齒根圓直徑df(3.2.7)齒頂圓直徑da (3.2.8)由此，可以得出電機軸上連接的鏈輪的主要尺寸，同樣其余幾個鏈輪的算法也是如此。4 柑橘包裝機控制系統(tǒng)的電路設(shè)計4.1 柑橘包裝機的控制要求本次設(shè)計要求采用PLC對系統(tǒng)進行總體控制。另外電路中使用了變頻器、電動機、熔斷器、繼電器、中間繼電器、報警燈等。傳送帶的傳動是由電動機控制的，電動機的開啟與停止是由PLC控制的，PLC的控制信號一部分是由開關(guān)按鈕輸入，一部分是由傳感器和計數(shù)器輸入，傳感器的信號由PLC的輸入口傳送到PLC，由輸出口輸出從而實現(xiàn)電動機的啟動和停止控制。4.2 主電路的設(shè)計生產(chǎn)線的運動驅(qū)動設(shè)備選擇的是三相異步電動機和變頻器，變頻器實現(xiàn)主傳送帶的變速要求，其中變頻器選擇的是日本松下電器公司的VF0變頻器，此變頻器可以通過接收可編程控制器發(fā)出的PWM脈沖經(jīng)行調(diào)速。電路圖如圖4.1所示： 圖4.1 主電路圖4.3 控制電路的設(shè)計4.3.1 電氣元件的選擇表4.1 元器件列表符號名稱型號作用FR1熱繼電器JR16電動機的過載保護FR2熱繼電器JR10-10電動機的過載保護FR3熱繼電器JR10-10電動機的過載保護QF1低壓斷路器NS100N控制電路通斷電，保護電路QF2低壓斷路器NS100N控制電路通斷電，保護電路QF3低壓斷路器NS100N控制電路通斷電，保護電路QF4低壓斷路器NS100N控制電路通斷電，保護電路QF5低壓斷路器NS20N控制電路通斷電，保護電路QF6低壓斷路器NS20N控制電路通斷電，保護電路QF7低壓斷路器NS20N控制電路通斷電，保護電路SB1按鈕LA10-1K實現(xiàn)電路通斷SB2按鈕LA10-1K實現(xiàn)電路通斷SB3按鈕LA10-1K實現(xiàn)電路通斷KM1交流接觸器LC1-D1810N控制電動機的開斷KM2交流接觸器LC1-D1810N控制電動機的開斷KM3交流接觸器LC1-D1810N控制電動機的開斷KA1中間繼電器MY2N-J傳輸信號KA2中間繼電器MY2N-J傳輸信號KA3中間繼電器MY2N-J傳輸信號FU1熔斷器RT36-00防止電流過大，保護電路FU2熔斷器RT36-00防止電流過大，保護電路FU3熔斷器RT36-00防止電流過大，保護電路FU4熔斷器RT36-00防止電流過大，保護電路（1）電源開關(guān)：電源開關(guān)主要用于低壓配電系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)中，對電器設(shè)備和電路進行不頻繁地啟動、停止、轉(zhuǎn)換電源和控制負載。根據(jù)實際情況查閱電氣控制及PLC可選用選用三極刀開關(guān)HD11。（2）接觸器：接觸器是用于自動接通和斷開主電路，進行大容量控制電路的控制電器元件。接觸器不僅可用于頻繁的接通或分斷帶負荷電路，而且能實現(xiàn)遠距離的控制，而且還具有失壓保護功能，因此被廣泛使用9。查閱電氣控制及PLC可以選用CJ10-10型號。（3）控制按鈕：控制按鈕屬于一種短時分斷小電流電路的電器元件，它不能直接去控制主電路的通斷，而是在控制電路中手動發(fā)出控制信號，來控制繼電器、接觸器或者是電氣互鎖電路，來實現(xiàn)對各種運動的控制9。查閱電氣控制及PLC選用LA-18。（4）行程開關(guān)：行程開關(guān)又稱為限位開關(guān)，用于控制運動部件的運動方向、行程大小或者是位置保護。行程開關(guān)有機械式和電子式，在此采用機械式。行程開關(guān)型號的選擇是根據(jù)機械位置對開關(guān)的要求及觸點數(shù)目9。查閱電氣控制及PLC選用JLXK1型號。（5）時間繼電器：時間繼電器是用來實現(xiàn)觸點延時接通或斷開的控制電器元件，可以分為空氣阻尼式、電動式、電磁式和晶體式等類型。在此采用的是空氣阻尼式時間繼電器中的通電延時繼電器8。查閱電氣控制及PLC選用JS7型號。（6）熔斷器：熔斷器是最簡單最有效的保護電器元件，廣泛應(yīng)用在低壓配電系統(tǒng)中和各種控制系統(tǒng)中，主要作用是短路保護，同時也是單臺設(shè)備的重要保護元件之一9。查閱電氣控制及PLC選用RC1A型號。4.3.2 輸入信息的分析通過對系統(tǒng)功能的分析，本系統(tǒng)的輸入信號有8個，有啟動按鈕、停止按鈕、傳送帶減速按鈕、光電傳感器、微波液位計、計數(shù)器、測速傳感器。啟動、停止按鈕是用來開停流水線，傳送帶減速按鈕是使傳送開始減速，光電傳感器用來檢測包裝箱的位置，微波液位計用來檢測瓶內(nèi)液體是否符合要求量，計數(shù)器是用來計數(shù)包裝箱的數(shù)量，測速傳感器是用來檢測電動機減速是否達到要求。輸入端口列表如下：表4.2 輸入端口列表名稱端子號作用光電傳感器I0.0檢測包裝閥下是否有箱子按鈕SB1I0.1啟動主傳送帶電機M1按鈕SB2I0.2停止主傳送帶電機M2按鈕SB3I0.3點動對傳送帶減速微波液位計I0.4檢測是否瓶滿光電傳感器I0.5檢測到包裝好的包裝箱計數(shù)器I0.6記錄包裝好的柑橘測速傳感器I0.7檢測傳送帶是否達到殺菌所需速度4.3.3 輸出信號的分析通過對系統(tǒng)功能的分析，本系統(tǒng)的輸入信號有7個，分別控制的是傳送帶電動機M1的轉(zhuǎn)動，包裝電動機M2的轉(zhuǎn)動，變頻器的運行，次品傳送帶電機M3的轉(zhuǎn)動，次品推送電磁閥的啟動，報警燈的開啟。輸出端口如表4.3所示：表4.3 輸出端口列表名稱端子號作用中間繼電器KA1Q0.0控制傳送帶運動中間繼電器KA2Q0.1控制包裝閥開啟變頻器接口1Q0.2控制變頻器通電變頻器接口2Q0.3控制變頻器通電中間繼電器KA3Q0.4使次品傳送帶運動次品推動電磁閥Q0.5推動次品報警燈Q0.6出現(xiàn)次品時報警4.3.3 輸出信號的分析通過對系統(tǒng)功能的分析，本系統(tǒng)的輸入信號有7個，分別控制的是傳送帶電動機M1的轉(zhuǎn)動，包裝電動機M2的轉(zhuǎn)動，變頻器的運行，次品傳送帶電機M3的轉(zhuǎn)動，次品推送電磁閥的啟動，報警燈的開啟。4.3.4 傳感器的選擇因為選擇的驅(qū)動電機為步進電動機，包裝機的紙箱定位可以依靠控制器發(fā)射電脈沖信號的數(shù)量來控制，運行速度由發(fā)射脈沖的頻率來控制。為了防止意外失步，我們在貨架上安裝傳感器來輔助檢測運行是否正常，如果傳感器檢測的位置與程序設(shè)定到達的位置相吻合，則繼續(xù)執(zhí)行下一步動作。如果設(shè)定脈沖應(yīng)到達的位置與傳感器檢測位置不相符，則堆垛機返回原點。 選用光電傳感器， 傳感器是由獨立的發(fā)射器和接收器組成的光電傳感器。使用時，把發(fā)射器和接收器分別裝在檢測物要通過的路徑的兩側(cè)，可檢測細小物體，檢測精度高，響應(yīng)頻率也高，抗干擾能力強。因為是輔助定位，所以使用安裝時采用隔一列和一層的貨位安裝一個光電傳感器。發(fā)射器安裝在輸送帶上，接收器安裝在堆垛機通過路徑的另一側(cè)，兩者必須對準來建立光路，當紙箱通過時阻擋光路，接收器就會動作輸出一個脈沖信號來檢測步進電機有沒有失步現(xiàn)象。光電傳感器的原理是利用被檢測物體對光束的遮擋或者反射，由同步回路選通電路，從而檢測被測物體的有無。這里，用光電傳感器來檢測箱子是否在包裝閥下。此傳感器的型號是E3JK-DS30M1，輸出形式為繼電器輸出。光電傳感器如圖4.2所示， 圖4.2 光電傳感器4.3.5 變頻器的接線采用日本松下VF0變頻器，這是一個單相交流變頻器，電壓是200V至230V，控制的電機輸出功率是0.2KW到1.5KW,變頻器的主電路圖在連接正確以后，要將PLC的輸出端子與變頻器按照控制要求正確連接。4.4 PLC的簡介及選型4.4.1PLC編程簡介可編程邏輯控制器，是一種可以進行編程的控制器，并且用于存儲程序，履行邏輯運算、順序控制、計數(shù)、定時與算術(shù)等操作，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程10。PLC是依據(jù)“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式完成工序的。具體過程即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶的控制要求編制好程序，并存儲于用戶存儲器中，當上位機通過串口對PLC發(fā)出指令，PLC按指令步序號進行周期性循環(huán)掃描，執(zhí)行程序，如果沒有跳轉(zhuǎn)指令輸入，那么從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序指令，直到程序全部結(jié)束，然后重新返回執(zhí)行第一條指令，開始進行下一輪新的掃描執(zhí)行11。在每次的掃描過程中，還要進行對輸入信號進行采集和對輸出狀態(tài)的更新等工作，采集的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)缴衔粰C中，由上位機對數(shù)據(jù)進行處理。編程的目的就需要是把控制功能變化為程序語句，而程序的表達方式隨著控制裝備的不一樣而各異。PLC的程序表達方式非常的靈活，主要有梯形圖和語句表兩種基本形式。梯形圖語言是PLC編程的最常用的方式，梯形圖看上去與傳統(tǒng)的繼電器電路圖非常相似，比較直觀形象，對那些熟悉繼電器電路的設(shè)計者來說，易于被接受?？梢院芎玫谋憩F(xiàn)出電路圖的設(shè)計思維。4.4.2PLC選型通過設(shè)計選出PLC的I/O輸入端是8個接口，輸出端是7個接口，因此選用的是西門子S7-200，具體型號為CPU224CN(14DI/10DO)。此型號PLC的接線方式如圖4.4所示：由4.4可以看出，本次所選PLC的接線方式，輸入端是共陽極，接的是24V直流電，輸出端是接24V直流電，總電源提供的也是24V直流電，由此，我們可以得出本次所選PLC的接線方式。圖4.4 CPU224CN的接線方式圖4.5串口通信4.5.1串口通訊簡介及方式串口進行通信的概念很簡單，串口通信的觀點很簡單，串口通信是指設(shè)備和電腦的使用，通過過程數(shù)據(jù)標準的光傳輸線，地線，約束路由，按位通行的一種數(shù)據(jù)傳輸通信方式。這個串口通信的方法使用的數(shù)據(jù)接線很少，在使用遠距離通信時能夠節(jié)約通信傳輸數(shù)據(jù)的成本，但其傳輸數(shù)據(jù)的速度比并行的使用傳輸?shù)?，它非常簡單并且可以實現(xiàn)遠距離通信傳輸。本次設(shè)計采用串口通訊的方式來將PLC的得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C中，并由上位機對PLC進行控制。主要是經(jīng)由RS232串口與上位PC機進行傳抵信息。在串口通訊時，要求通訊雙方都必須采用一個標準通用的接口，使不同的設(shè)備可以能夠方便地快捷的連接起來進行通訊連接。RS-232-C接口(又稱EIARS-232-C)是目前世界上最常用使用的一種串行通訊接口。(“RS-232-C”中的“-C”只不過表示RS-232的版本，所以與“RS-232”簡稱是一樣的) 。它是由在1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行進行通訊的標準。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備(DCE)之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標準”該標準規(guī)定采用一個25個腳的DB-25連接器，對連接器的每個引腳的信號內(nèi)容加以規(guī)定，還對各種信號的電平加以規(guī)定。后來IBM的PC機將RS232簡化成了DB-9連接器，從而成為事實標準。而工業(yè)控制的RS-232口一般只使用RXD、TXD、GND三條線。一般個人計算機上會有兩組 RS-232 接口，分別稱為 COM1 和 COM2。4.5.2串口通訊程序采用了C#在上位機上進行編寫程序，來實現(xiàn)對PLC運動過程的控制。經(jīng)由串口與PLC連接，對PLC派出指令。PLC依據(jù)上位機的指示來完成梯形圖里的指令。從而完成動作控制。這個部份的重點對演示時對測控系統(tǒng)的演示。編程軟件使用了Visual Studio 2015來編制串口通信程序，以此來讓計算機作為上位機控制PLC的工作過程，通過提前輸入字符串，設(shè)計好用戶界面。當操作者在操作界面上點擊相應(yīng)的按鈕，上位機就會通過串口對向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)，控制PLC，PLC根據(jù)指令，做出相應(yīng)的反應(yīng)，通過發(fā)出脈沖來控制電機運動。在Visual Studio 2015使用了serialPort控件來定義波特率9600等信息。并設(shè)計按鈕來控制串口通信發(fā)送數(shù)據(jù)，串口選擇COM1。程序的部分代碼如下：byteBITS=;0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80;輸入一串字符串通過相應(yīng)的I/O口來控制PLC的工作。serialPort1.Open(); 打開串口的操作。serialPort1.Open();關(guān)閉串口操作編制好程序后可以通過上位機連接PLC如果是筆記本沒有接口，我們還需要下載一個USB轉(zhuǎn)串口程序，來連接PLC通過計算機對PLC發(fā)出指令，完成各種拉伸試驗的動作。4.6控制電路設(shè)計本次設(shè)計，輸入量有8點，輸出量有7點，使用的是CPU224XP型號的PLC,輸入輸出均接24V直流電壓，電路圖中經(jīng)過變壓和整流將220V的交流電壓變成24V的直流電壓，將直流電壓接入到輸入輸出端口。控制電路圖如圖4.5所示：圖4.5 控制電路接線圖4.7 傳送帶調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計4.7.1電機選擇三相異步電動機的正反轉(zhuǎn)是通過正、反向控制接觸器來改變定子繞組的相序來實現(xiàn)的控制的，其中有一個非常重要的問題那就是必須保證在任何時候、任何條件下，正、反向控制的接觸器都不能同時被接通，為此，在梯形圖中采用了正反轉(zhuǎn)按鈕互鎖,即將動斷觸點X14串入輸出繼電器Y1的回路，將動斷觸點X15串入輸出繼電器Y0的回路，和兩個輸出繼電器Y0、Y1的動斷觸點互鎖，保證輸出繼電器Y0和Y1不同時為“1”10。但在實際運行中，輸出鎖存器中的變量是同時（并行）輸出的，既Y0和Y1的狀態(tài)變換是同時而完成的。例如，由正傳切換到反轉(zhuǎn)，Y0變?yōu)椤?”和Y1變?yōu)椤?”同時完成，KM0線圈失電釋放和KM1線圈通電吸合同時動作，有可能在KM0斷開其觸點電弧尚未熄滅時，KM1的觸點已經(jīng)閉合，造成電源相間瞬時短路。為了避免這種情況，在梯形圖中增加了兩個定時器T14和T15，使正、反向切換過程中，被切斷的接觸器瞬時動作，而被接通的接觸器則要延時一段時間才動作，以保證系統(tǒng)工作可靠。4.7.2控制系統(tǒng)確認傳送帶控制系統(tǒng)的設(shè)計目的是利用可編程控制器和變頻器控制電動機轉(zhuǎn)動帶動皮帶傳動，使瓶流速度和包裝速度相協(xié)調(diào)，使工作效率得到提高。系統(tǒng)啟動后按下電機開關(guān)，電機開始轉(zhuǎn)動，帶動皮帶傳動，需要包裝的空瓶在皮帶的傳動作用下經(jīng)過計數(shù)器（光電）處理，處理后得到的輸送速度與可編程控制器存儲器里面設(shè)定的值進行比較，判斷是否需要進行調(diào)速，如果不需要調(diào)速電機就會按照原來的速度運轉(zhuǎn)，如果需要進行調(diào)速，則可編程控制器輸出控制信號給變頻器的多段速調(diào)速控制端，變頻器接受到可編程控制器傳送過來的控制信號，經(jīng)過處理后，輸出特定頻率的電壓實現(xiàn)對電機的變頻調(diào)速。4.8 梯形圖檢測到空瓶以后電動機開始工作開始包裝后，計數(shù)器開始計數(shù)包裝開始后，計數(shù)器開始計時啟動電動機M2停止電動機M2當微波液位計檢測到次品時電磁閥開檢測得到不合格品時報警燈亮 5 結(jié) 論本次設(shè)計是基于可編程控制器的柑橘包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容主要是通過可編程控制器與變頻器結(jié)合，對包裝箱傳送、包裝、定位、檢測等一些過程的控制。本文中，首先對柑橘特性進行了分析，在了解了柑橘的特性之后，選擇出合適的包裝方法。制定出合理的工藝流程，包裝流程。結(jié)合系統(tǒng)的控制要求設(shè)計了合適I/O分配表，選擇了合適的電氣器件，設(shè)計出了柑橘包裝生產(chǎn)線的主回路電路以及控制電路圖。最后在寫出實現(xiàn)控制包裝自動化的梯形圖。本設(shè)計的難點在于如何控制傳送帶與包裝工作臺之間速度的匹配，因為它們決定包裝箱是否能有序地傳送以及包裝的嚴密性、飽和度。在文中我通過對自動控制的理解，本論文在包裝機設(shè)計上只是做一簡單設(shè)計，柑橘包裝的效率不高。為了達到每小時上萬個柑橘包裝速度，應(yīng)當增加包裝機的包裝閥以提高生產(chǎn)效率。還有一個缺陷就是沒有對包裝成品的檢測這一環(huán)節(jié)，這也是本設(shè)計應(yīng)當加以研究改進的方向。在包裝機控制系統(tǒng)設(shè)計過程中的盡量簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使之能夠適用于包裝機的生產(chǎn)加工過程，并采用模塊化的設(shè)計思想，方便推廣使用。通過本次設(shè)計，可以看出，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)線中，設(shè)備自動化水平的高低決定了生產(chǎn)的效率。通過合理的設(shè)計，應(yīng)用先進的技術(shù)手段，可以取得更好的效果。本次設(shè)計就在傳統(tǒng)的產(chǎn)品基礎(chǔ)上，應(yīng)用新的定位方式，新的驅(qū)動方式，達到了最初的設(shè)計目的。當然，在這次柑橘包裝機控制系統(tǒng)的設(shè)計中也存在許多不足之處，有些地方結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理，控制方面不夠完善等，這些問題有待進一步改善，相信未來此類自動化生產(chǎn)設(shè)備會發(fā)展的越來越好。我知道了平時積累的重要性，知識只有平時用心積累，用的時候才可以發(fā)揮作用。本次設(shè)計涉及了很多的專業(yè)知識，電氣控制、可編程控制器的使用、機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，只有掌握好基本的專業(yè)知識，才會在以