基于PLC的包装机控制系统

摘要

包装是产品进入流通领域的必要条件，而实现包装的主要手段是使用包装机械。近年来，随着全球经济的快速发展，各国人民的生活水平不断提高，食品、建材等工业发展越来越快，各个行业对自动包装设备的需求越来越大。但是，我国包装行业起步较晚，与国外的包装行业存在着很大距离，包装设备结构简单，技术落后，因而造成生产效率低下，物料严重浪费，能源耗费大。

本此设计主要介绍了一种以PLC（可编程控制器）为控制核心的自动包装控制系统。在包装过程中，通过称重传感器测量物料重量信号并利用PLC的PID功能对进料门（电动阀）开度进行控制，控制原则是设定重量与过程变量的偏差越大则电动阀开度越大，反之偏差越小电动阀开度越小。这样一来就使得物料称重更加精确，大大地提高了物料的利用率，更重要的是提高了生产效率，也就为企业创造了更多的价值。

另外，本系统的自动化程度较高，节省了劳动力的投入，并且精度较高，可靠性良好，相信会有良好的发展前景。

关键词：PLC（可编程控制器）；PID；自动包装

ABSTRACT

The packing is the essential condition that the product enters the current distribution realm, but realizes the packing principal means uses the packaging machinery. In recent years, along with global economics' fast development, various countries' people's living standard enhanced unceasingly, industrial developments such as food,building materials industry are getting quicker and quicker, each profession is getting bigger and bigger to the automatic packaging equipment's demand. But, our country start to be late in the profession of packing, and has the very great distance with the overseas packing profession, the equipment of packing to be simple, the technology is backward, thus causes the production efficiency to be low, the material wastes seriously, the energy consumes in a big way.

This design mainly introduces an automatic packaging control system that take the PLC （programmable logic controller）as the core of control. During the packing process,

to measure the material weight signal through the Weighing Sensor and use the PID of PLC to control the opening of gate （Electrically operated valve），The control principle is the set point and the process variable deviation is bigger, then the opening of Electrically operated valve is bigger, Otherwise the deviation smaller Electrically operated valve's opening is smaller. Thus the material weighing is more precise, on the other hand, it will raise the utility rate of material up greatly, and the most important point is that it will raise the production efficiency, also has created more values for the enterprise.

Moreover, this system's automaticity is high, it save the investment of labors, and it has the high precision and the good reliability, believed that can have the good prospects for development.

Key Words: PLC （Programmable Logic Controller）：PID：Automatic Packaging

目录

第一章绪论 (5)

1.1选题背景及意义 (5)

1.2 包装机械行业的现状及发展趋势 (5)

1.2.1 我国包装机械行业现状 (5)

1.2.2 目前我国包装机械行业发展的共性问题 (5)

1.2.3 我国包装行业未来的发展趋势 (3)

1.3 自动包装设备的市场分析 (3)

1.4可编程控制技术的现状 (4)

1.5可编程控制技术的发展趋势 (5)

1.6 PLC与其它工业控制系统的比较 (7)

1.6.1 PLC与继电器控制系统的比较 (7)

1.6.2 PLC与单片机控制系统比较 (8)

1.6.3 PLC与计算机控制系统的比较 (8)

1.6.4 PLC与集散型控制系统的比较 (9)

1.7 PLC在包装机械上应用的可能性和前景 (9)

第二章系统方案设计 (11)

2.1系统方案选择 (11)

2.1.1 系统组成 (11)

2.1.2 系统工作原理 (12)

第三章PLC（可编程控制器）的选择 (14)

3.1 PLC的选择 (14)

3.1.1 S7-200系列PLC的主要特点及功能 (14)

3.1.2 S7-200系列PLC的结构组成 (16)

3.1.3 S7-200系列PLC的数据 (17)

3.1.4 S7-200系列PLC的寻址方式 (17)

3.1.5 程序中几个关键存储器的功能 (17)

3.2 S7-200系列PLC CPU型号选择 (18)

3.2.1 CPU 226型的技术指标 (18)

3.2.2 S7-200 CPU 226型PLC的外型 (18)

第四章其它元器件选择 (20)

4.1 模拟量扩展单元模板的选择 (20)

4.1.1 EM235模块的技术指标 (20)

4.1.2 EM235模块的接线端子说明及接线方法 (20)

4.1.3 EM235模块的数据字格式 (21)

4.1.4 EM235模块的校准 (22)

4.1.5 EM235模块的输入设置 (22)

4.1.6 EM235模块的寻址 (23)

4.2 称重传感器的选择 (24)

4.2.1 称重传感器选型 (24)

4.2.2 PS-W5悬臂梁式称重传感器的技术特点及技术指标 (24)

4.2.3 PS-W5悬臂梁式称重传感器的外形及尺寸 (25)

4.3 称重变送器的选择 (25)

4.3.1 称重变送器选型 (25)

4.3.2 PT350C型称重变送器的技术指标 (26)

4.3.3 PT350C型称重变送器的外形及尺寸 (26)

4.4 电动调节阀的选择 (27)

4.4.1 电动调节阀选型 (27)

4.4.2 西门子SKC62型电动调节阀的主要技术指标 (27)

4.4.3 西门子SKC62型电动调节阀的外形 (27)

4.4.4 西门子SKC62型电动调节阀的接线说明 (28)

第五章本课题系统软件设计 (29)

5.1 PID指令概述 (29)

5.1.1 PID算法 (29)

5.1.2 输入模拟量的转换及标准化 (30)

5.1.3 输出模拟量转换为工程实际值 (30)

5.1.4 PID指令的控制方式 (31)

5.1.5 PID参数表及初始化 (31)

5.2 PLC程序设计 (32)

5.2.1 程序地址分配 (32)

5.2.2 PLC外部接线 (32)

5.2.3 自动包装系统程序流程图 (33)

5.2.4 自动包装系统程序梯形图及注释 (34)

5.3 本次自动包装系统的具体描述 (38)

结论 (39)

致谢 (40)

参考文献 (41)

附录原理图 (43)

第一章绪论

1.1选题背景及意义

包装是产品进入流通领域的必要条件，而实现包装的主要手段是使用包装机械。传统的包装机械多采用机械式控制，造成了浪费能源，材料损耗大，工作效率低等缺点。近年来，随着科技发展越来越快，人民生活水平不断提高，对生产力的要求也就越来越高，传统的控制已经无法满足要求，因此包装机械的自动化显得尤为重要，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着重大的作用。

1.2 包装机械行业的现状及发展趋势

1.2.1 我国包装机械行业现状

我国包装机械工业是改革开放以后才发展起来的，由于起步较晚，大部分设备都是通过引进国外设备，进而消化吸收研制出来的，很长时间都没有形成一个独立的行业，20世纪80年代初，我国政府发布的机械产品目录中还没有包装机械这一门类。70年代中期以前，我国商品包装的技术和装备相当落后，大多数食品企业都采用作坊式生产、手工包装和散装销售，仅有糖果、烟草等几个领域采用机械包装，但是设备结构简单，技术落后。

行业从无到有，从小到大，逐步发展壮大，经过20多年的努力，我们在依靠自己力量的同时，积极吸收国外的先进技术，包装机械工业在包装机械化、自动化方面已取得了世人瞩目的进步，初步形成了包装机械研究、设计及制造的独立体系，设备在数量、品种、水平等方面均有较大发展，成为了我国机械工业十大支柱产业之一，堪称“朝阳工业”。同时，在全行业广大企业、科研单位技术人员及行业工作者的共同努力下，新技术、新产品日益涌现并转化为生产力。

但是，我们离国际水平还存在很大一段距离，尤其是在包装设备科技含量上的差距更大，这使得我国在建材工业、粮食加工工业、冶金、化工等需要包装活动的行业不能摆脱繁重的体力劳动，因而这些行业劳动生产率低下、生产成本高、产品质量不稳定、物料浪费严重，能源耗费高，严重困扰这些行业的发展。

1.2.2 目前我国包装机械行业发展的共性问题

（1）产品质量差距：

产品质量是关键，我国的包装设备基本是由国外引进消化吸收的，外观相似，但用起来却大不一样。

（2）产品技术差距：

目前国外的发展趋势是智能化，远程操作与控制，尽管我国已经开始研制，但与国外先进技术水平相比还存在很大差距。

（3）产品品种差距：

目前我国包装设备1700多种，而国外有3000多种，差距主要表现在较高水平和高超水平产品上，低水平的产品差距不大。虽然存在这些问题，但根据全国包装工业统计年报显示，我国包装工业总体发展情况正常，发展速度较快，结构调整出现一定变化，包装工业整体实力得到进一步增强。

（4）高起点企业少，低水平重复多：

由于我国包装机械行业存在国有、集体、私营等不同性质的企业，在资金、装备、技术力量上相差悬殊，起点也高低不同。总体趋势是高起点的较少，大多数企业在低水平设备上徘徊。比如较为简单的自动封口机，一个地区就有近百家企业在生产，规模都不大，近二十年都没有多大变化，只是由于实行了专业化生产而使生产成本大大降低了。低水平重复生产造成的严重后果是扰乱市场、技术倒退、企业自杀、行业受损等。

（5）低价竞争严重，利润空间小：

一些出口企业发现国外市场的一些商机时往往一哄而上，为了争抢客户而不顾一切地降低价格，不但无利可图，还有可能导致国外将我们的产品作为反”倾销”调查对象。一些包装机械的生产企业很多，低价竞争造成偷工减料，降低钢号，以致耐磨损、耐腐蚀性能大大降低。有的企业只是在别人后面跟进，看什么设备好做，别人在什么设备上赚钱就仿造什么设备，以致引起市场混乱。即使市场需求较大，但由于同一地区大量重复生产，造成低价激烈竞争，利润空间极小。

（6）产学研有断层，产品无创新力：

行业科研院所、大专院校的相应专业所占比例还是比较少的，即使如此，科研院所改为企业后，其技术人员大都在为生存而奋斗，许多科研机构以销售为主，没有发挥自己的科学研究优势，所以在新技术应用上出现了断层，即使有新的研究成果，由于没有能力去宣传推广，用户并不知道，不能及时转化为生产力，而企业又被迫完全靠自己的技术力量去开发新产品。

科研成果的产销脱节不仅造成了巨大的浪费，而且不利于技术的进步，有些前沿工作仅靠某一院所无力完成，急需企业投入资金。过去提倡的产、学、研相结合的模式未能体现出来，有限的科研力量也未能充分发挥其作用，使得许多企业都是在互相抄袭仿制。

（7）名牌正在形成，生产集中不够：

包装行业本身是个新兴行业，二十年的时间尚不足以形成深入人心的品牌，但是一贯坚持质量第一的企业首先具备了创名牌的基础，加上在竞争中不断创新，高新技术的应用和前沿工艺的探索，知名企业、知名产品将被逐渐筛选出来。本行业在国内有近6000家企业，但是大多数不够稳定，上市的企业仅有少数几家，销售额过3000万元的企业仅有50余家，这50余家企业的总销售额仅有80亿元，仅有20.66%的集中度。

1.2.3 我国包装行业未来的发展趋势

生产高效率化、资源高利用化、产品节能化、高新技术实用化、科研成果商业化已成为世界各国包装行业发展趋势，这也是我国包装行业发展的方向。

（1）生产专业化：

目前，国际上大多数包装机械生产企业规模都不大，但专业化程度很高，考虑到我国也应当求大求全，因此必须走专业化生产道路，摆脱低水平重复建设的现状，努力发展中高档设备，不断提高技术含量，把产品做精、做细、做专、做强，靠技术进步来推动行业发展。

（2）产品两极化：

使用包装机械的最终目的在于提高生产率和产品多样化。这就使得包装机械产品规格朝着多功能与单一、高速两极化方向发展。

（3）市场垄断化：

包装机械市场日趋垄断化，目前我国除了一些小型包装机有一定规模和优势以外，其他包装机械几乎不成体系和规模，特别是市场上需求量大的一些成套包装生产线，在世界包装市场中均被几家大包装机械企业所垄断。

（4）技术含量将不断增加：

随着我国包装工业快速发展，包装机械市场也趋向更高层次，包装机械技术含量日渐提高，一些最新包装技术都已运用在包装设备上。未来几年，我国包装设备应尽快提高产品技术含量，加快研制步伐，另外也要加快产品的技术革新。

（5）产业结构调整加快：

产业结构调整仍将是未来几年包装机械行业的主题，在产业结构调整上，要提高生产集中度，促进专业化、系列化生产，提高产品质量和对市场的适应能力，积极发展和扶持骨干企业，加快现代企业制度的建立和完善。

1.3 自动包装设备的市场分析

众所周知，生产效率是企业在激烈的市场竞争中获取胜利的关键。近年来，随着全球经济的快速发展，各国人民的生活水平不断提高，食品、建材等工业发展越来越快，各个行业对自动包装设备的需求越来越大，因此自动包装设备在国内外都拥有着

很大的市场潜力。据统计：

2005年，中国全部包装专用设备制造企业实现累计工业总产值908947.3万元，全国包装机械累计产量为108397台，实现累计产品销售收入803066.3万元，实现累计利润总额为413382千元。

2006年，中国全部包装专用设备制造企业实现累计工业总产值12，181，59.4万元，全国包装机械累计产量为192167台，实现累计产品销售收入11，036，95.1万元，实现累计利润总额为64459.1万元。

2007年1-4月，全国包装机械累计产量为26596台，1-2月中国全部包装专用设备制造企业实现累计工业总产值176261.8万元，实现累计产品销售收入146986.9万元，实现累计利润总额为5358.8万元。

由此可以看出包装设备投入的增加创造了更大的价值，市场对于包装设备的需求必将会大幅增加，为自动包装行业创造了良好的市场环境。

在国际出口方面，中国自动包装设备有着庞大的出口商机。其中印度政府于2002～2007年间，向食品加工包装业投资高达200亿美元；埃及食品包装设备市场的需求也在不断的快速增长；另外，以农业为经济支柱的西非国家也将积极开发食品加工业，并且需要进口大量的食品加工包装设备。

以埃及为例，由于埃及新的内阁政府颁发了关于“到2000年，所有的食品都必须有包装”的法规，再加上埃及私有化进程的进行，使得埃及的包装设备市场需求量一直以每年25%的速度增长，它的包装设备市场充满着非常多的商业机会，具有很大的潜力，但是埃及的包装设备仅30%由本地提供，而70%则由国外进口，进口国家主要有意大利、中国、德国和西班牙。

综上所述，包装设备是包装行业最重要的配套设备，与人们的生活息息相关，并对国民经济整体结构的发展起着重要的作用。可以说，只要有人类的存在，就必然有包装机械行业的存在。

目前，人类的科学技术水平仍以非常迅速的速度发展着，包装机械工业必定会随着科技的不断进步而持续发展，众所瞩目，包装行业是一个前景非常乐观的行业，新兴的包装机械设备和技术拥有广阔的市场发展空间。

1.4可编程控制技术的现状

可编程控制器（Programmable Controller）是以自动控制技术、微计算机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，目前已被广泛应用在各个领域。

可编程控制器（Programmable Logical Controller）简称PLC，它是20世纪60年代末发明的工业控制器件，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PL C，在美国通用公司（GM）的汽车自动装备生产上获得成功后，由于PLC优越的性能，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向

不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备。

最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。但不久，西德的西门子（SIEMENS）公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于大型设备上。70年代初，日本的OMRON也推出了他们的PLC。三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。

由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降；加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能；并且他的连接和使用都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。

据国外资料介绍:2009年美国PLC用户中，有42%来自自动程序操作部门（如汽车、拖拉机工业、机械工业等）、33%来自石油化工业、11%来自食品饮料业、8%来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门。

近年来，随着我国对外开放，日、美、德等国生产的PLC已通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用。如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和德国的PLC。

1.5可编程控制技术的发展趋势

随着微处理器技术的发展和工业生产控制的广泛需要，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将PLC理解为开关量控制的时代已经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体。目前，PLC技术和产品的发展非常活跃，各厂家不同类型的PLC 品种繁多，各具特色。综合来看，PLC的发展趋势有以下几个方面：（1）体系结构开放化及通信功能的标准化：

大多数PLC系统都采用了开放性体系结构。通过制定系统总线接口、扩展接口和通信接口标准，使PLC系统能够根据应用要求的发小任意扩展。目前，各个公司的总线、扩展接口及通信功能都是各自独立制定的，现在还没有实现统一标准化。为了适应环境的要求，制定统一的、规范化的PLC产品标准是今后发展的必然趋势。

（2）CPU处理速度进一步加快：

目前PLC的CPU与微型计算机的CPU相比，还处在比较落后的地步，最高的也仅仅处在80486一级。将来会全部使用64位RISC芯片，实现多CPU并行处理或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。

这样PLC执行指令的速度将达到纳秒级。

（3）可编程控制技术的智能化：

提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系统的可靠性。

（4）系统的开放性和兼容性：

开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题：另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。

（5）通用性和专业化的结合：

可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域都有其自己的特点。怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢?硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。常用的专用模块包括:定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。

（6）可靠性进一步提高：

随着PLC进入过程控制的领域，对PLC可靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错技术将进一步得到应用，不仅会有CPU单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、1/0单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。但从根本上来讲，系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。MTBF（平均无故障时间）是衡量产品质量的重要指标。纵观各著名厂商，其PLC产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。

（7）控制系统分散化：

根据分散控制、集中管理的原则，PLC控制系统的1/0模块将直接安装在控制现场，通过通信电缆或光纤与主CPU进行数据通信。这样使控制更有效，系统更可靠。

（8）控制与管理功能一体化：

为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，提高工厂自动化水平，PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。从而更好的满足现代化大生产的控制和管理需要。

综上所述，我们不难得出下面几个结论：

（1）工控机、计算机集散控制系统及PLC正在走着一条相互融合的道路；

（2）智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想；

（3）系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强；

（4）基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据；

（5）通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。

1.6 PLC与其它工业控制系统的比较

在现代工业设备及自动化项目中，我们会遇到大量的开关量、脉冲量及模拟量等控制装置。如电机的启动与停止，电磁阀的开闭，工件的位置、速度、加速度的测定，产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等等。传统的工业自动控制主要是由继电器或分离的电子线路来实现的。这种控制方式虽然造价便宜，但却存在许多致命的弱点:只适用于简单的逻辑控制，仅适用某种控制项目，缺乏通用性，一旦要实现改动或者优化，只能通过硬件的重新组合来实现。目前，工业界比较有代表性的控制方式主要有以下几个类别:继电器控制系统，单片机控制系统，微型计算机系统，集散型控制系统。

1.6.1 PLC与继电器控制系统的比较

继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。如果要在现场做一些更改和扩展更是难以实行。而PLC是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变PLC内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。对于PLC来讲，只要用PLC配备的编程器在现场就可以完成更改。至于PLC 对外部的联系，只有1/0点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。

继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现的。工作频率很低。一次动作一般为数十毫秒。对于复杂的控制，使用的继电器越多，反应就越慢。而PLC是以微型计算机为基础的控制装置，其运行速度为每个指令步数十微秒（对于高速PLC则是5微秒以下）。并且内部有严格的同步，所以不会出现抖动的问题。

对于限时控制，继电器是利用时间继电器的延时动作来实现的。由于时间继电器是利用空气阻力，半导体延时电路来实现延时的，所以其定时精度低，调整不方便。且环境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。而PLC则是由晶体振荡器所产生的脉冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时的，定时范围一般为0.1秒，也有0.01秒的，精度一般高于10毫秒，只要根据需要由编程器送入时间常数即可实现定时时间的设定或更改。由于PLC的定时是对时基脉冲进行计数来实现的，所以如果是对外脉冲进行计数，就成为计数器。现代的PLC一般都具有定时器和计数器功能。

从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点，连接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使接线松

动，所以可靠性和可维护性都较差。而PLC则采用了无触点的电子电路来替代继电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在上述缺点。而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程成为透明。

PLC一般还具有步进控制指令，可以进行步进控制，而继电器逻辑就比较困难。继电器逻辑只能对开关量进行控制。而PLC除了具有开关量控制功能外，有些功能较全的PLC还具有A/D、D/A转换装置，可以用来对模拟量进行控制。但是目前在成本方面PLC还比继电器贵，根据点数以及输出方式来区分价格，点数越多价格越贵，有16点、20点、32点、40点。具体价格在800~2000之间不等。

1.6.2 PLC与单片机控制系统比较

虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业控制而设计的。同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍较差，成本高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制都为开关量控制，所以其长处仍得不到发挥。单片机与PLC的比较:在很大程度上，单片机是专为工业控制而设计的。因此，它具有较好的环境适应性。事实上，现代PLC的核心就是单片微处理器。用单片机作控制部件在成本方面具有优势。但是不可否认，从单片机到工业控制装置之间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然PLC也有必不可少的软件开发过程，但两者所用的语言差别很大，单片机主要使用汇编语言开发软件。而PLC 用专用的指令系统来编程的。前者复杂而易出错，开发周期长。后者简便易学，现场就可以开发调试。

单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。硬件上主要受CPU、内存容量及1/O接口的限制：软件上主要受限于与CPU类型有关的编程语言。一般说来单片机或单片机系统的应用只是为某个特定的产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性都相当差。

1.6.3 PLC与计算机控制系统的比较

PLC是专为工业控制所设计的。而微型计算机是为科学计算、数据处理等而

设计的，尽管两者在技术上都采用了计算机技术，但由于使用对象和环境的不同，PLC较之微机系统具有面向工业控制、抗干扰能力强、适应工程现场的温度、湿

度环境、输入、输出一般采用“光-电”隔离技术，并配备有可承受较大负载

的继电器或可控硅（也有用晶体管）输出部件，一般可以直接驱动小型电机等负载。此外，使用面向工业控制的专用语言而使编程及修改方便。并有较完善的监控功能。而微机系统则不具备上述特点，一般对运行环境要求苛刻，使用高级语言编程，要求使用者有相当水平的计算机硬件和软件知识。此外，微机系统的外设配备较多，有些

对工业控制并非必须。因此PLC显然较微机系统更适合于工业控制。

1.6.4 PLC与集散型控制系统的比较

PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的。而集散控制系统DCS （Distribution Control System）是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模拟量处理，回路调节等方面有一定的优势。PLC随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。并开始与小型计算机联成网络，构成了以PLC为重要部件的分布式控制系统。随着网络通信功能的不断增强，PLC与PLC及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在数据高速公路上（Data Highway）挂接在线通用计算机，实现在线组态、编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就己经具备了集散控制系统的形态，加上PLC 价格和可靠性优势，使之可与传统的集散控制系统相互竞争。

由于以上的原因，可以预见随着PLC成本的下降和机器要求的提高，将很快在大部分场合取代继电器控制屏。无论是与传统的继电器、接触器控制逻辑相比，还是与现代的微型计算机系统乃至专用于控制的单片机相比，在工业控制方面PLC都具有明显的优越性。尤其是对生产流水线、动作复杂的单机，比起前述几种控制手段来具有寿命长、可靠性高、对环境无特殊要求、开发费用低、周期短、无需专门的计算机软、硬件知识就可在短期内掌握，功能扩展方便，成本可为一般用户所接受等优点，是现代机电一体化产品控制装置的理想选择。

1.7 PLC在包装机械上应用的可能性和前景

包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是PLC的内部寄存器，在PLC编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的PLC都有上百点内部辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对PLC进行编程。事实上PLC用于这种场合是最能显现出其经济性。当然我们不仅忽视了PLC的另一个优点，那就是其运行速度及可靠性和寿命远远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲，PLC最适合于需要大量中间继电器的场合。且PLC与其他工业控制系统比较具有许多优点：

（1）更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动；

（2）程序可以复制，批量生产很容易；

（3）电气硬件设计大大简化；

（4）由于PLC除有继电器功能外，尚有多种其它功能，可以实现继电器无法实

现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化；

（5）可靠性高；

（6）与继电器相比，PLC的制造成本稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，并且继电器电路设计的复杂性使得继电器控制的设计成本急骤上升，而PLC控制简单明了，它的设计成本较低，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性；

（7）具有扩展单元或扩展模块，当需要较多1/0时可以方便地扩展。

因此，国外在注塑机、各种包装机上已经大量地采用了PLC来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。

我国包装机械目前控制部件大多还沿用继电器方式。如果能用PLC来取代的话，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化。更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现，使机器在某种程度上实现智能化。通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用PLC控制系统。

第二章系统方案设计

2.1系统方案选择

结合我国现代自动包装工业的发展趋势以及市场的供求情况，可以看出，自动定量技术在包装设备上的应用将会越来越广泛，尤其在粮食、化肥、饲料和轻工等行业中都会得到了广泛的运用。

称重式自动定量包装的使用不仅可以提高产品的精确度，避免物料的浪费，更重要的是它节省了劳动力，提高了劳动的生产效率，为企业创造了更多的价值。

对此，本次设计了一种以PLC（可编程控制器）为控制核心的（颗粒型或粉末型固体物料）称重式自动定量包装系统。

称重式自动定量包装系统是一个复杂而完整的系统，包括很多的包装工序，其中对物料的自动定量是包装过程的关键，因此本次设计主要侧重物料的自动定量过程，至于包装袋封口等包装工序这里不作为设计重点。

2.1.1 系统组成

此次包装系统由储料部分、称重部分以及卸料部分组成。

储料部分：即储料斗，它用于存储需要包装的物料。

称重部分：即称重盘，它与称重传感器相连，完成对物料重量的测量。

卸料部分：物料重量达到给定值后打开卸料门，完成标准重量物料的卸料装袋过程。系统示意图，如图2-1所示。

卸料门

图2-1 包装机系统示意图

2.1.2 系统工作原理

在储料斗中放入一定物料，假设给定重量为150Kg，这时完全打开进料门（电动阀）进入大给料状态，经过PID计算，当前测量重量逐渐接近设定重量时，进料门（电动阀）开度逐渐变小，直到达到设定重量时完全关闭，控制原则是设定重量与过程变量当前值的偏差越大则电动阀开度越大，反之偏差越小电动阀开度越小。此后物料经过一定时间的空中抖落，待稳定后打开卸料门，物料依靠重力进入放料斗，再落入袋内，完成一个包装过程。

系统工作原理流程，如图2-2所示。

重力

重力

图2-2 系统工作原理流程图

第三章PLC（可编程控制器）的选择

PLC（可编程控制器）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算和顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入和输出接口，控制各种类型的机器设备或生产过程。

3.1 PLC的选择

本次设计采用的PLC的选择标准为：

（1）能够有效地实现工艺要求；

（2）操作有效、简单、方便；

（3）具有较高的控制精度；

（4）具有良好的可靠性和抗干扰能力；

（5）保养和维修方便、快捷；

（6）成本低。

根据以上标准，本次设计采用西门子公司研制生产的S7-200系列PLC为控制核心完成控制任务。

3.1.1 S7-200系列PLC的主要特点及功能

（1）抗干扰能力强，可靠性极高：

在硬件上选用优质器件，采用合理的系统结构，并加固简化安装，在软件上也采取了很多特殊措施，比如设置警戒时钟等，能适应工业现场温度高、湿度大、金属粉尘多等恶劣环境。

（2）编程方便：

采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令，易于学习。

（3）使用方便：

PLC的结构不仅具有先进的通讯和输入、输出能力，而且其模块化的系统结构、灵活的配置能力，使用户可以灵活组成各种规模和不同要求的控制系统。

（4）维护方便：

PLC模块化的系统结构，使操作人员在维修时只需要更换插入式模板或其它易损部件即可完成，PLC的控制程序可通过编程器输入到PLC的用户程序存储器中，此外PLC还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员。这些特点既方便又减少了影响生产的时间。

（5）设计、施工、调试周期短：

用PLC完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行。同时，由于用户程序大都可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机统调，使得调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计和投运周期。

（6）易于实现机电一体化：

PLC的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。

（7）输出特性：

在S7-200中，输出信号有继电器输出型和晶体管输出型两种。

（8）输入特性：

在S7-200中，对数字量输入信号的电压要求均为24VDC，”1”信号为0-5V，经过光电耦合器隔离后进入到PLC中。

（9）良好的输入/输出扩展能力：

当主机单元板上的I/O点数不够时，或者涉及到模拟量控制时，可以通过增加扩展单元模板的方法，对输入/输出点数进行扩展。

（10）具有快速响应功能：

如中断输入功能，利用此功能，使PLC可以极快的速度对信号的上升沿作出响应。

（11）存储系统：

是由RAM（随机存取记忆体）和EEPROM（只读存储器）组成的，在CPU（中央处理器）模块内，配置了一定容量的RAM和EEPROM。

（12）具有三种工作方式：RUN（CPU执行用户程序），STOP（可以装载用户程序，但不能运行）及TERM（允许使用工业编程软件控制CPU）。

（13）扫描周期：在RUN工作方式下，系统周期性地循环执行用户程序，在每个周期内主要完成读输入、执行程序、处理通信请求以及CPU自诊断。扫描周期，如图3-1所示。

执行程序

图3-1 S7-200系列可编程控制器扫描周期

3.1.2 S7-200系列PLC 的结构组成

S7-200系列PLC 主要由中央处理器CPU 、存储器、输入/输出接口、外设接口、扩展接口、编程装置、电源等组成。

其结构，如图3-2所示。

接受

现场

信号

编辑器 计算机

打印机 图3-2 S7-200系列可编程控制器结构

（1）中央处理器CPU ：

和一般微机一样，CPU 是可编程控制器的运算和控制核心，控制其它所有部件的运行，功能相当于人的大脑。CPU 由运算器，控制器和寄存器组成，通过地址总线，数据总线和控制总线与存储器、I/O 接口电路连接。

（2）存储器：

存储器是具有记忆功能的半导体电路，一般由存储体、地址译码电路、读写控制电路和数据寄存器组成，用来存放系统程序和用户程序。

（3）输入输出接口：

输入输出接口是PLC 主机与外部设计之间的连接电路。来自现场的检测元件、指令元件的信号经输入接口进入PLC ，由PLC 发出的各种控制信号经输出接口去控制和驱动负载。

（4）扩展接口：

有两个含义，一个是单纯的I/O 扩展接口，它是为弥补原系统中I/O 接口有限而设置的，用于扩展输入、输出点数，可以通过I/O 扩展接口将主机与I/O 扩展单元链接起