佛山市瀛辉包装机械设备有限公司 528100
摘要：针对包装码垛生产线，设计了一种基于PLC的全自动包装码垛生产线的控制系统。该控制系统以WinCC V7.0监控软件为上位机，以西门子S7-400PLC为控制核心，实现了对全自动包装码垛生产线的控制。实际运行结果表明，该控制系统可靠、稳定，实时监控能力强，能满足实际生产需要。
关键词：包装码垛生产线；PLC；控制系统；上位机
引用：全自动包装码垛生产线是机电一体化高技术设备。通过对上位机WinCC V7.0监控软件的组态，达到对包装码垛自动生产线的各个工序的实时过程监控，有利于对包装码垛自动生产线运行过程所出现的故障，及时维修、解决。传统继电器控制系统由于线路复杂、故障率高，因此很难满足自动化生产线的需要；相反，以PLC为控制方式的控制系统具有运行稳定可靠、抗干扰能力强、功能强大、易于实现机电一体化等特点，所以被广泛应用于工业生产领域的各种控制过程中。综合各方面因素，本系统采用PLC实现对全自动包装码垛生产线的控制，极大提高了生产效率，减少劳动成本，提高了生产自动化水平。
一、简述全自动包装码垛生产线系统组成
全自动包装码垛生产线主要是对各个工序：称重、供袋、装袋、折边、封袋、倒袋整形、金属检测、重量复检、批号打印、转位编组、码垛、托盘和垛盘的输送等作业过程进行全程监控，从而简化了生产线工序结构，减少了人工操作，提高了生产效率，提高了包装质量。通过PLC程序控制对整个自动生产线工作过程进行全程控制，可实现连续工作，具有故障报警、显示及自动连锁停机功能。全自动包装码垛生产线系统主要有以下几部分构成。
（1）包装机械单元。电子称重机、自动供袋机、自动装袋机、转位输送机、编组机、推袋压袋机。（2）码垛机械单元。分层码垛机、升降机、托盘仓。（3）控制系统单元。PLC控制、人机界面、WinCC V7.0监控软件。
二、控制系统硬件组成设计
根据全自动包装码垛生产线整体设计指标及作业要求，其控制系统应满足如下要求。
（1）实时协调控制各工序的执行机构，实现自动化生产线的高速、稳定、可靠运行。（2）实时监控能力高、动态响应性好。
（2）人机界面友好、编程简便，操作简单。
（4）硬件结构紧凑，具有一定的可扩展性，易于维护。
全自动包装码垛生产线的控制系统主要由软件系统和硬件系统组成，该控制系统硬件架构，下位机采用西门子S7-400 PLC进行控制，上位机采用西门子WinCC V7.0监控软件进行实时监控，各组成部分通讯连接采用工业以太网现场总线。S7-400 PLC采用模块化设计，可根据不同需要选取不同模块，本控制系统选用了电源模块、CPU模块、数字量模块、故障诊断模块、通信模块等。
（1）电源模块（PS）。它为CPU模块、数字量模块等提供电源。（2）故障诊断模块。CPU在识别到故障或编程错误时，将立即调用对应的中断组织块（OB），相应的中断程序及时处理故障。（3）通信模块。为上位机（WinCC V7.0）对下位机（PLC、变频器等智能设备）之间的信息流通提供通信渠道。
2.2控制系统硬件设计
C200H型PLC为模块式结构，可以根据控制系统的需要灵活地组合成最佳的配置。
2.2.1 硬件配置：硬件配置包括中央处理单元C200H―CPU01-E、I/O扩展单元、电源模块、检测元件(光电开关、接近开关、真空开关等)、人机操作界面(触摸屏、按钮、指示灯等)、控制元件(交流接触器、变频器、电磁阀等)以及执行元件(电机和气缸等)。
2.2.2 输入/输出点分配：一般输入点与输入信号、输出点与输出控制是――对应的。分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。C200H型PLC的输入/输出通道号采用自由配置、固定通道方式。输入输出继电器可自由选择，与输入点对应的即为输入继电器，与输出点对应的即为输出继电器。全自动包装码垛生产线控制系统主机单元A，带四个16点DC输入模块C200H-ID212；扩展单元A0.1带一个8点输入模块C200H-ID211和三个16点DC输入模块C200H-ID212，并带有一个16点继电器输出模块C200H-0C225、一个8、点独立接点继电器输出模块C200H-0C224和两个8点继电器输出模块C200H-0C221；扩展单元A0.2带两个8点独立接点继电器输出模块C200H-0C224和六个16点继电器输出模块C200H-0C225。输入模块通道号为002CH～005CH，010CH～013CH；输出模块通道号为014CH～017CH，020CH～027CH。
三、控制系统软件组成
3.1全自动包装码垛生产线工艺流程
全自动包装码垛生产线主要对粉、粒、块状物料实现称重、供袋、装袋、折边、封袋、倒袋整形、金属检测、重量复检、批号打印、转位编组、码垛、托盘和垛盘的输送等自动化生产过程。其生产工艺流程主要有以下：
（1）自动供袋。当按下包装码垛生产线准备就绪按钮时，系统各部分归位为初始状态，当吸袋垂直气缸电磁阀接通时，气缸下降并且吸袋真空装置接通工作，当吸袋真空阀达到设定值时，吸袋垂直气缸开始上升，吸盘吸住袋子上升，当上限位开关打开时，触发倾斜气缸电磁阀接通，使垂直气缸倾斜，把袋送入供袋辊子。完成吸袋操作。
（2）自动取袋。当上一工序完成后，自动取袋装置开始工作，袋子被送到斜托板上，同时横进装置到达生产线装袋位置时，触发磕头装置倾斜，由限位开关进行限位，同时触发真空电磁阀，实现真空吸袋，延时后，吸住袋并磕头装置立起，斜托板上升回到原来位置，完成整个取袋动作。
（3）送袋、开袋、装料。当上一工序完成后，送袋、开袋、装料装置开始工作，初始状态时，开袋、抱板与大夹子处于张开位置，横进装置向包装线取袋方向减速移动，检测到位后，抱板与大夹子闭合。横进装置向包装线装袋位置减速移动，由限位开关控制到位，触发抱板与大夹子把装满料的袋子送到输送带上，同时夹辊气缸动作，完成夹送动作。之后卸料门打开，开始装袋。
（4）折边、封袋。当上一工序完成后，折边、封袋装置开始工作，包装袋通过夹口整形机和立袋输送机进入自动折边机，经过折边后，光电开关检测到包装袋后，触发缝纫机工作，缝合包装袋。
（5）倒袋、输送、整形。当上一工序完成后，倒袋、输送、整形装置开始工作，此时，包装袋由缝口机进入倒袋输送机，检测装置检测到料袋后，触发倒袋气缸伸出，将包装袋推倒，进入整形工序。
（6）金属检测、重量复检。当上一工序完成后，金属检测、重量复检装置开始工作，检测装置检测到金属物体并发出报警，触发自动捡选机将含金属的料袋进行剔除。重量检测装置检测料袋重量不合格时，也将被自动捡选机剔除。
（7）转位、编组。当上一工序完成后，转位、编组装置开始工作，编组传输光电开关对袋数进行计数，根据计数结果来确定转位机的不同动作。料袋至编组传输位，编组传输电机开始运转。
（8）推袋、分层。当上一工序完成后，推袋、分层装置开始工作，编组机满信号则激发一次推袋动作指令。之后，料袋进入分层机并侧面整形挡板合上，压袋机向下压袋。当托盘处于分层码垛位置时，分层机打开，升降机下降。当压袋机压到位后， 光电开关触发压袋和侧面的整形气缸返回，升降机停止下降。当分层机空并且压袋机返回到位时，分层机开始关闭。
（9）升降机控制。当上一工序完成后，升降机控制装置开始工作，分层机动作及分层机满光电开关触发一次层计数，升降机根据层计数的结果确定是否需要排垛操作。完成了升降机控制动作。
（10）托盘、垛盘输送机控制。当上一工序完成后，托盘、垛盘输送机控制装置开始工作，当升降机进行排垛时，托盘及垛盘输送机是需要否起动排垛操作，取决于垛盘位是否有空。
（11）托盘仓控制。当上一工序完成后，托盘仓控制装置开始工作，托盘仓空时，触发声光报警。当托盘仓上升时，上升到一定位置托盘叉打开，之后，托盘仓继续上升，直至到达顶部，顶部限位开关闭合，停止运动。等到托盘仓下降时，降到托盘仓中位时，托盘叉合上，托盘仓继续下降，直至到达底部，底部限位开关闭合，停止运动。
3.2上位机的组态
上位机监控系统采用西门子WinCC V7.0自带的组态软件进行组态。WinCC V7.0软件具有模块化结构，支持现场总线技术，具有自己的网络体系和通信功能，能方便快捷的与下位机进行实时通信，组态监控技术为快捷的数据采集、过程监控、生产控制提供了基础平台。WinCC V7.0监控软件画面的工作流程主要包括以下：
1）上位机监控系统主画面。
2）上位机监控系统码垛机械单元画面。当点击监控画面码垛机械系统按钮时，可以查看分层码垛机、升降机、托盘仓等板块的监控信息，并且可以对这些板块根据需要进行操作。
3）上位机监控系统包装机械单元画面。当点击监控画面包装机械系统按钮时，可以查看电子称重机、自动供袋机、自动装袋机、转位输送机、编组机、推袋压袋机等板块的监控信息，并且可以对这些板块根据需要进行操作。
4）上位机监控系统报警画面。当全自动包装码垛生产线出现故障或错误报警时，报警指示信号自动弹出，可以点击主画面报警记录按钮查看，并根据相应提示信息进行操作。
5）上位机监控系统参数设置画面。当全自动包装码垛生产线要进行某个动作时，要通过参数设置画面进行参数设置，点击主画面的参数设置按钮，进入参数设置画面。参数设置主要涉及控制参数、工艺参数。
3.3控制系统软件设计
控制系统的软件设计采用结构化编程方法。采用结构化编程，可以优化程序结构，减少指令存储空间，缩短程序执行时间。结构化编程使程序结构层次清晰，部分程序通用化、标准化，程序修改简单，调试方。对那些需要经常执行的程序段，设计成子程序的形式并为每个子程序赋以不同的编号，在程序执行的过程中，可随时调用某个编号的子程序。该系统设计以下子程序：称重包装子程序、供袋取袋子程序、封口输送子程序、检测子程序、转位编组子程序、推袋压袋子程序、分层码垛子程序、升降子程序、托盘输送子程序等。
结束语：
以全自动包装码垛生产线为对象，以西门子S7-400 PLC为基础设计了全自动包装码垛生产线的控制系统，并用WinCC V7.0软件作为上位机监控系统实现了对生产全过程的实时监控。所构建的全自动包装码垛生产线的控制系统能充分发挥了PLC、WinCC V7.0的技术特点，具有高度自动化、实时监控能力强、功能完善、运行稳定等突出特点，具有广阔的工业应用前景。
参考文献：
[1] 卢珍.基于PLC的全自动包装码垛生产线控制系统设计 2014.7
[2] 于黎胜.我国包装码垛机械的现状及发展趋势 2016.9
论文作者:高广宁
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/6/3
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