牙签自动包装机PLC 控制系统的组态模拟设计

时间：2024-09-03

林福，黄素叶

（闽西职业技术学院，福建龙岩 364021）

目前还有大量的牙签包装厂家采用人工包装。人工包装效率低，成本高，工作量大。设计牙签自动包装机控制系统，可以解决传统人工包装的不足。

STEP 7-MicroWIN SMART编程软件支持梯形图、语句表和功能块3种编程语言编程和编程语言相互转换[1]。SMART PLC集成1个以太网口，使用普通的网线就可以上传和下载程序、在线监控，通过状态表能够进行写入和强制输出等操作。PLC将计算机技术和自动控制技术融合为一体，具有较强的抗干扰能力，可靠性高，组合灵活，通用性强[1]。昆仑通态MCGS组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，能够以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面，实现监控层的各项功能；能够支持各种相关硬件厂家的全部接口，进行系统集成[2]；具有强大的通信功能和良好的开放性，向上可通过TCP/IP进行互联网通信。

1 牙签自动包装机PLC控制系统

牙签包装机系统采用西门子S7-200 SMART ST 40和昆仑通态MCGS触摸屏进行控制，由PLC控制机械设备实现自动送料、包装和传送等功能。使用触摸屏控制，方便操作和参数设置[2]。本系统还附加了故障报警提示和产量信息记录，工作模式有手动、单动和自动3种，方便现场特殊情况时的处理和调试。PLC控制系统如图1所示。

图1 控制系统图

1.1 牙签包装机的工艺流程

牙签包装机工作流程包括送膜、下料、成形、封口、切边（图2）。为提高包装效率，在不影响其他动作的情况下，每个支路步序程序尽量同时运行，以缩短单个流程时间。

图2 牙签包装机的工艺流程

1.2 硬件设计

根据工艺流程，选择的PLC需要满足足够的数字量输入输出点数、1个控制步进电机的高速脉冲输出点，1个通信端口与触摸屏通信。晶体管输出的S7-200 SMART ST40需满足I/O点数要求，支持3轴100kHz高速脉冲输出，以方便控制步进电机。13个数字量输入点包括：色标检测、料斗检测、下料气缸复位和到位检测，进料气缸复位，中位和到位检测，按钮输入；12个数字量输出点包括：1台步进电机，9个电磁阀，1个指示灯，1个蜂鸣器。其中，步进电机使用单相（1个输出）的高速脉冲控制，9个电磁阀分别控制热封、下料、整平、压膜、推齐、振动、切边、进料推出、进料退回。PLC外部接线图如图3所示。

1.3 通迅系统设计

TPC 1061 Ti带有1个RS 485端口和1个以太网口，可满足S7-200 SMART ST 40的RS 485和以太网通信方式[3]。MCGSE组态环境支持把驱动中连接变量导出的文件名设置为.csv的格式。选择西门子_S7-200PPI驱动和S7-200Smart驱动，导出后的驱动程序可以在Excel中编辑。编辑后导入到设备编辑窗口中，稍加修改其中程序即可导入到另一个驱动中，从而连接两个驱动。

1.4 用户程序编制设计

图3 PLC外部接线图

本系统程序由主程序，初始化，手动控制，自动控制，包装，送料和运动向导子程序组成。子程序可以作为系统中的子功能块被主程序调用或者多次使用。STEP 7-MicroWIN SMART PLC最多支持8层子程序嵌套，并支持使用局部存储区作为形式参数输入输出；在类似的不同功能块中不需要重复编程，只需调用相应功能的子程序，修改输入输出的参数即可。把系统功能分为多个子功能块，方便分步调试，调试时能很快判断问题所在。西门子PLC编程软件支持把子程序生成1个库文件，在以后的项目中有类似功能的子程序时，只需调用库文件即可。

根据牙签自动包装机控制系统的控制要求，进行I/O地址分配（表1）和存储区分配（表2）。

表1 牙签自动包装机控制系统I/O地址分配表

表2 触摸屏手动控制位存储区分配表

1.5 顺序功能图

本系统采用顺序功能图编程，如图4所示。

2 牙签自动包装机组态设计

2.1 定义连接变量参数

在MCGS组态软件的设备窗口里组态好相应的硬件设备，双击进去选择内部属性，选择对应的PLC变量以及读写设置；选择通道连接选项卡，在对应数据对象栏填入MCGS数据库中变量的名字，形成连接变量参数（图5）。[4]连接变量参数在MCGS组态软件的作用是控制组态画面，在一定条件下使设备实际动作与组态界面相关联。

2.2 组态界面

本系统人机界面由欢迎界面、模板窗口、自动控制、单动控制、手动控制、设置6个窗口组成（图6）。[4]

自动控制窗口分4个区域，包括按钮操作、常用功能设置、产量信息和故障信息。按钮操作部分有常用的操作按钮、启动按钮、停止按钮和复位按钮。产量信息部分使用系统工具便签显示输出产量数值，同时支持数值量输入，以便随时修正产量信息或者清零等操作。系统出现故障时，故障信息区域能准确提示故障来源。系统主要的故障提示有：料斗无料、检测色标超时、气缸动作不到位等。手动控制窗口主要用于系统调试及系统故障时采取手动处理。手动控制可以对系统中某个机构单独控制。显示部分主要作用是显示传感输入的信息，在调试时可以直观地显示传感器反馈的信息。单动控制窗口主要功能是可自定义系统运行时的机构，通过选择对应的复选框，选择或者屏蔽相应的机构运行。