基于S 7-3 0 0 P L C的自動封口包裝機控制系統的設計

蘇州市職業大學 張蘇新

基于S 7-3 0 0 P L C的自動封口包裝機控制系統的設計

蘇州市職業大學 張蘇新

在食品、化妝品和醫療等高產量生產領域，要求其自動封口包裝技術趨于高速、高效和高質量。在自動封口包裝過程中，其運行速度和溫度的控制對于整個封裝過程起決定性作用。本文設計了一套基于S7-300 PLC的自動封口包裝機控制系統套，硬件上，主控制器選用CPU 312, 溫度測量和信號的轉換選用K型鎳鉻-鎳硅熱電偶和模擬量輸入模塊SM331，變頻器和三相異步電動機用于物品的傳輸，觸摸屏用于速度和溫度的監控。軟件上，通過STEP7 5.2軟件對溫度PID控制、主程序啟動控制、速度調節、溫度顯示和報警編程，通過 PWM信號和變頻器對加熱器和電機進行控制。結果表面，該系統對于運送速度和溫度能夠較好地進行控制。

封口包裝；CPU 312；熱電偶

引言

自動封口包裝機是在包裝設備中最常用的設備之一，隨著時代的發展，它越來越受到人們的青睞，廣泛應用于食品領域、化妝品領域、服裝鞋革以及化工、電器、醫療、茶葉、乳品、飲料等其他領域。封口包裝機是指在包裝容器盛裝產品后，對容器進行封口的機械。在產品裝入包裝容器后，為了使產品得以密封保存，保持產品質量，避免產品流失，需要在封口包裝機上對包裝容器進行封口。在封口包裝機工作過程中，對于運行速度和溫度的控制尤為重要，直接影響到封口包裝的效果。

本文針對封口包裝機中速度和溫度能夠具有較好的控制效果，設計了一套基于S7-300 PLC的自動封口包裝機控制系統，主控制器選用西門子S7-300的CPU 312，溫度采集和信號轉換模塊由K型熱電偶和SM331模擬量輸入模塊構成，運動控制部分由變頻器和三相異步電動機構成，加上電源和外部數字量輸入輸出模塊，再通過STEP7 5.2編程軟件對系統進行編程，最終完成了自動封口包裝機控制系統的設計。

1.自動封口包裝機概述

制作包裝容器的材料很多，如紙類、塑料、玻璃、陶瓷、金屬和復合材料等，而包裝容器的形態及物理性能也各不相同，因此，所采用的封口形式及封口裝置也不一樣。一般按包裝材料的力學性能，可以分為柔性容器封口裝置和剛性容器封口裝置。柔性容器是指用柔性材料，如紙張、塑料薄膜、符合薄膜等制作的袋類容器；剛性容器是指成型后其形狀不易改變的容器，其封口多用不同形式的蓋子，例如旋蓋封口機、滾紋封口機、卷邊封口機等。

封口包裝機的工藝：首先接通電源，電熱元件通電后加熱，上下加熱塊急劇升溫，溫度達到一定值，壓印機轉動，根據溫度PID控制系統輸出決定冷卻是否開始冷卻；變頻器進行控制的輸送帶啟動，當裝有物品的包裝放置在輸送帶上時，袋的封口部分被自動裝入運轉中的兩根封口袋之間，并被代入加熱區；熱量使薄膜受熱融軟，通過冷卻使薄膜溫度下降，再通過滾花輪滾壓出網狀花紋或音質標志，完成封口作業。在整個過程中，封口傳動速度范圍為0～120m/min（±1%），溫度調節范圍為0～320℃（±2℃）。

2.自動封口包裝機硬件

本文設計的硬件原理框圖如圖1所示，從圖中可以看出，其硬件主要包含S7-300系列的CPU312型號的PLC、PS307 2A電源模塊、DI8/DO8x24V/0.5A數字量輸入輸出模塊、MT6070iH2威紐觸摸屏、MM440變頻器三相異步電動機和其他外部數字量模塊。該系統的輸入信號主要包含數字量、溫度和觸摸屏信號，通過輸入信號，再經過PLC程序的控制，執行輸出，最終實現整個控制系統的運行。

圖1 硬件原理框圖

（1）PLC選型

本文使用的PLC是西門子公司的S7-300系列的CPU 312，該CPU含有32K的工作內存，為用戶程序提供充分的空間，程序的裝載存儲器可以達到4 MB；處理每條二進制指令非常快，可以達到200-400ns；內置10個數字量輸入和6個數字量輸出，最多可以擴展256個數字量輸入輸出點和64個模擬量輸入輸出點；同時內置2個高速計數通道，內置的3個高速計數器用于接收電機脈沖數的反饋，2個PWM輸出通道用于控制電機脈沖信號，同時還包含2個頻率檢測通道和PID調節功能。該PLC的內部特性、配置結構和外部擴展結構等能夠滿足本文設計的要求，相應的控制電源選擇PS307 2A模塊。

（2）IO設備選擇

①溫度采集和轉換模塊

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工業生產中最普遍而重要的操作參數。一般利用物體的物理性質隨溫度變化的特性來感知、測量溫度，按照傳感器是否與被測物體接觸，有接觸式測溫和非接觸式測溫兩種方法。本文選用的K型鎳鉻-鎳硅熱電偶是一種接觸式測溫，以熱電效應為原理的測溫元件，用兩種不同材料的偶絲或薄膜一端焊接而成，能夠將溫度信號轉換成電勢信號。對于信號的轉換，選用SM331模擬量輸入模塊，該模塊最多可以連接8路通道，每個通道的精度可以達到12位，該模塊可以直接連接溫度傳感器，省略溫度變送器，節約了硬件成本。

②其他IO設備

溫度及速度的顯示采用威綸MT6070iH2型號的觸摸屏，該觸摸屏內置40MHzCPU，128內存，屏幕尺寸7英寸，能顯示65536色TFT LCD,分辨率為800*480。本文選用固態繼電器控制外部電路的導通與關斷，本文選擇交流220V輸入、交流負載以及導軌式安裝固態繼電器。MM440變頻器三相異步電動機組成運動控制模塊

3.自動封口包裝機軟件

本系統軟件設計包含溫度PID控制、主程序啟動控制、速度調節、溫度調節程序和現實及報警共5個部分。

對于溫度PID控制部分，首先對SM331的屬性進行設置，啟用激活測量，選擇TC-IL熱電偶，設置其分度號，同時選擇通道數及過濾器工作方式 。然后對于循環中斷OB，根據本文選用的CPU312，本文使用OB35循環中斷；CPU可以進行處理用戶程序之前，必須首先執行啟動程序，通過對OB100進行編程，用于指定循環程序的暖啟動設置；最后在OB35中調用FB41，PLC每個100ms中斷并執行PID控制程序。PLC讀取溫度信號與給定值比較，根據偏差大小通過控制器進行 PID運算，輸出PWM控制信號執行固態繼電器和加熱器，從而控制加熱塊的溫度。

主程序中的啟動控制部分，通過啟動按鈕對主程序進行啟動。速度調節部分，通過 兩個按鈕對速度進行增減控制，本文根據變頻器手冊，設置了0-7的數值對應相應的速度。溫度調節部分與速度調節方式相同，也是通過兩個按鈕進行溫度的設置。溫度及速度的顯示采用威綸觸摸屏MT6070iH2，當溫度超過400℃，程序進入超溫報警，故障燈亮。

4.總結

本文首先闡述了自動封口包裝機的廣泛應用，然后對自動封口包裝機的種類和工藝進行介紹，為了能夠更好地控制自動封口包裝機的溫度和速度，本文設計了一套基于S7-300 PLC的自動封口包裝機控制系統。在硬件上，選用S7-300系列的CPU 312為核心控制器，溫度采集和信號轉換模塊由K型熱電偶和SM331模擬量輸入模塊構成，變頻器和三相異步電動機構成運動控制模塊，溫度及速度的顯示采用威綸觸摸屏MT6070iH2，再加上電源和外部數字量輸入輸出模塊。軟件上通過STEP7 5.2軟件編程，包含溫度PID控制、主程序啟動控制、速度調節、溫度調節程序和顯示、報警程序，最終能夠很好地控制溫度和速度。

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