基于PLC技術的自動化生產線控制系統設計

席 飛

（江蘇聯合職業技術學院南京分院，南京 210019）

隨著機電一體化技術和信息技術的不斷發展，制造生產行業已經逐漸發展成一個囊括機械、電氣、信息等技術于一體的綜合工業工程。這類復雜工業產線需要依賴計算機自動化技術進行控制。隨著包裝生產線自動化控制技術的不斷發展，自動化包裝線從原來的硬性生產線發展為柔性生產線[1]。本文以袋裝食品包裝生產線的自動化控制系統為例，探討柔性食品包裝生產線的自動化控制技術應用策略。

1 自動化包裝生產線控制系統工況需求分析

以小型袋裝食品為例，該類袋裝食品的包裝需要經過清洗、烘干、整料、裝袋以及分級5道基本工序。受體量限制，研究重點主要集中在整個自動化包裝生產線控制系統的裝袋工序上。裝袋工序選定塑料薄膜作為包裝材料，通過兩頭扎口的方式包裝柚子。整個包裝單元由供袋裝置、送袋裝置、切袋裝置、開口裝置以及收口裝置相互配合構成。供袋設備通過步進電機帶動裝著塑料卷的輥軸轉動，右邊緩沖機構中一細圓桿在豎直方向上成自由狀態。塑料袋在此桿的重力作用下保持舒展狀態，并為包裝動作保留一定的余量。送袋設備通過電磁鐵異性相吸的原理夾緊袋口，將其推到開口裝置處，在開口打開后退回初始位置，再由切袋設備用壓緊塊將袋子周邊空隙壓緊，用切刀切下，最后由扎口設備將袋口收住壓緊。開口裝置主要通過真空吸嘴吸附袋口，通過向袋內吹氣打開袋口，方便柚子準確進入袋內。此過程需要設置擋料裝置，避免多個柚子掉入袋中。

具體包裝單元的作業流程如下：①由送袋裝置將袋子推到預定位置；②由開袋裝置吸附袋口；③送袋裝置返回初始位置；④切袋裝置將包裝袋切開；⑤扎口裝置將底部袋口扎緊，然后切袋裝置返回初始位置后由開袋裝置打開袋口；⑥擋料裝置退回，柚子滑入包裝袋內；⑦上端的扎口裝置作業，將頂部的袋口扎緊，同時擋料裝置復位；⑧由推料裝置將包裝好的柚子推入下一單元，同時頂部、底部兩套扎口裝置退回初始位置。

2 自動化包裝生產線控制系統的硬件構成

2.1 PLC技術功能定位

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術的主要功能是實現用戶對控制程序的預編程，同時按照預編程的程序流程控制整個機械加工過程。PLC在機械加工自動化控制程序中發揮著重要作用，是整個自動化控制系統的核心模塊[2]。預編制控制程序存儲在PLC模塊，由PLC模塊的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）芯片按照既定程序調用各個功能性模塊（通信模塊、遙感模塊、電氣控制模塊），以實現對當前生產工況的研判和對下一步生產控制指令的生成，將生產流程從一個流程推進到下一個流程，對各個生產加工設備發布一個控制指令到另一個控制指令，從而實現對整個生產流程的自動化控制。PLC技術對機械加工的自動化控制是單向的。整個控制過程會按照預設的流程順序，從一個控制階段過渡到另一個控制階段，使得整個機械設備的運作狀態進入既定的加工程序并一直循環下去[3]。

2.2 PLC主控模塊選型

PLC在工業生產自動化控制中應用較為廣泛，結構主要包括接口電路、電源以及通信模塊等。在電源電壓穩定的前提下，CPU按照既定程序的研判條件判斷整個系統的運行狀態，將寄存器中的數據傳送到對應的輸出裝置[4]。依據分析的食品自動化包裝生產線的加工工藝流程的復雜程度，可以預見現場需要的控制開關較多，且有相當一部分開關與控制柜之間的距離較大。這種情況下選用S7-200的傳統輕工業加工PLC型號，會導致連線較多，現場走線過于復雜。不僅會增加整個硬件系統的構建成本，也不利于后續系統功能性升級和日常檢修維護。因此，這里采用西門子公司生產的S7-300 PLC。該型號PLC集成了PROFIBUS-DP的數據通信功能模塊，能夠應對復雜的數據遠程通信，大大降低了電纜成本[5]。因此，本文建議選用西門子公司S7-300系列的PLC作為食品柔性生產線自動控制系統的主控核心。

該系列的PLC作業流程分為5個階段，如圖1所示。第1階段，內部處理階段，主要負責運行主控程序。第2階段，通信處理階段，主要負責電信號到數據信號、數據信號到電信號之間的轉譯，由PLC集成的數據通信模塊負責。第3階段，輸入掃描階段，主要用于掃描和識別用戶從編程模塊中輸入的指令，及時根據用戶輸入的指令更新內處理階段的主控程序。第4階段，用戶程序執行階段，掃描后執行最終主控程序的數據運算與邏輯判斷。第5階段，輸出處理階段，主要負責將用戶程序執行結果輸出給數據通信模塊，經數據信號到電信號的轉譯與抗干擾處理后生成最終的主控指令，實現對各個作業機械設備的遠程自動化控制。

2.3 PLC相關模塊的選用

PLC相關模塊包括數字量輸入/輸出模塊、分布式輸入/輸出（Input/Output，I/O）模塊、模擬量輸入輸出模塊以及人機交互界面等。這些模塊的主要功用在于信息采集和指令發布。為了確保兼容性，在選用西門子公司的S7-300 PLC主控核心后，最好相關模塊也采用西門子公司出品的同一系列。

圖1 S7-300系列PLC工作流程

2.3.1 數字量輸入/輸出模塊

建議選擇SM322、SM321，共16點輸入模塊，另外SM322為16點輸出模塊，模塊電壓與PLC電源一致為24 V。本文需要用到8個SM321和4個SM322模塊。

2.3.2 分布式I/O模塊

西門子公司生產的S7-300 PLC兼容的I/O模塊為ET200系列。這一系列有多種型號可供選擇。結合自動化控制的實際環境，選用模塊化從站ET200M型號的I/O模塊作為相關模塊。該型號I/O模塊自帶1個IM153-1接口，使其具備了更好的功能擴展性，同時更加適合包裝生產線模塊化工藝流程。

2.3.3 模擬量輸入/輸出模塊

該模塊主要負責將傳感器輸入的電信號轉譯為能夠被PLC主控核心識別的數據信號，同時負責將PLC的輸出數據信號轉換為能夠被各個加工設備識別的電信號。SM331包括了補償電路、邏輯電路等電氣元器件。這些元器件都有自己的參數，可以通過STEP7設置調整元器件參數。

2.3.4 人機交互界面

選用由西門子公司出品的MP277型號觸摸屏，兼容性較強，自帶多點接口（Multi Point Interface，MPI）、PROFINET以及通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）等接口，可以與西門子S7-300系列的PLC組成通信網絡。該顯示屏能夠防水防塵，能夠適應惡劣的車間環境。觸摸屏操作系統為Windows CE，可為用戶提供較為便捷靈活的操作體驗。

2.4 系統硬件構成與配置

系統硬件主要包括PLC、電源模塊、ET200M模塊、模擬量輸入模塊以及數字量輸入輸出模塊和人機交互模塊。整個自動化控制系統的硬件模組需要統一安裝在同一個控制柜中，由控制柜電源系統負責電源、短路保護等功能。在控制柜內部結構的布置方面，通常將自動化控制系統統一安裝在控制柜的底層部分，將PLC主控模塊放置在整個控制系統的最上端，方便操作人員直觀觀察到PLC模塊狀態指示燈的亮滅情況。控制柜的上方主要用于安裝散熱風扇，風扇對準PLC主控芯片，幫助PLC模塊保持合適的高頻運作性能環境。控制柜的中部主要用于安裝電源線路、電源開關模組以及短路熔斷保護裝置等控制系統的輔助模組。

3 食品包裝生產線自動化控制系統的軟件設計

3.1 編程裝置和編程軟件的選擇

編程裝置是靈活應用PLC技術構建自動化控制系統的基礎，也是實現PLC自動化控制系統人機交互的主要渠道。編程器根據其功能特點可以分為簡單型和智能型兩種。簡單型編程器體積較小，便于攜帶，同時能夠實現對PLC控制系統的現場調試，能夠通過編輯指令表程序進行PLC控制程序的編輯和維護。智能型編程器則是以梯形圖PLC編程語言為基礎的專業編程軟件，一般要借助個人計算機實現相關功能，無法進行現場程序的調試與維護，但可以借助梯形圖語言實現對多功能模塊負載控制系統邏輯代碼的編寫工作，快速準確地生成程序邏輯梯形圖、指令表以及功能塊圖，適用于從無到有進行PLC自動化控制系統程序的編輯工作。

考慮到食品包裝生產線自動化工藝流程中的參數較多，建議采用西門子公司推出的STEP7編程軟件作為智能編程裝置，通過實時觀察梯形圖中觸點和線圈的通斷情況調試整個控制系統的各類參數。

3.2 STEP7軟件編程特性

STEP7軟件是一款應用與Window XP系統的PC端編程軟件，主要針對S7-300、S7-400系列的PLC程序編寫、調試工作專門開發的軟件工具包，其中包括多種如語句表語言、功能塊圖、邏輯梯形圖等功能模塊，能夠實現對PLC系統程序的項目管理、參數設置、監控程序編寫、硬件組態以及通信網絡組態等PLC編程功能。借助于邏輯梯形圖功能，程序設計人員可以直觀觀察控制電路當前的通斷情況，方便調試程序邏輯代碼和相關參數。功能塊圖可以直觀展示電子電路的邏輯圖，以便合理調試PLC控制系統的電子電路聯通情況。語句表的主要作用類似于匯編語言風格。設計人員可以面向機器設備直接訪問它們的存儲單元和控制單元。STEP7還支持中高級PLC編程語言包的擴展。要熟練應用STEP7軟件，熟悉S7系列的各類型PLC編程語言的特點和應用場景。

3.3 STEP7梯形圖程序運行流程設計

控制系統要想實現對機械設備工序的自動化控制，需要通過STEP7梯形圖編寫程序，即依據硬件構成的PLC主控核心輸入、輸出、模擬量等變量的邏輯判斷原理，編寫食品包裝產線自動化控制系統程序。系統判斷機構是否在原位，如果在原位，則判斷是否有工件。若原位有工件，則進行傳送，然后判斷工件是否運行到位。若運行到位，則進行加工處理。完成加工后，檢測工件是否合格。若工件合格，則進行計數并進行卸料，至此完成所有程序。

4 結語

本文對食品包裝行業生產線自動化控制系統的設計技術進行研究，以袋裝食品為例，分析了袋裝食品柔性包裝生產線的工藝流程。依據該工藝流程明確自動化控制系統功能需求，基于PLC控制技術，從硬件PLC選型、PLC相關模塊選型、軟件編程器選擇、編程軟件的應用、梯形圖程序的設計等多個方面提出了食品包裝柔性生產線的PLC自動化控制系統構建策略。