摘 要

随着工业4.0概念的提出，包装机械的得到了高速的发展。传统的包装机械产业需要工人们做大量繁琐的劳动，为了解放工人劳动力，降低工业成本，提高效率，研究并开发稳定、高效的物料包装自动线是非常有意义的。

本文从控制角度出发，对市场内已有的控制方案进行了调查和统计，列出了可选的控制方案，经过对比分析后确定了以PLC为核心的控制方案，然后对电气系统进行了初步设计，包括电气元件的选型、部分控制IO的统计和典型模块电气原理图的设计等。

本文在设计过程中还对系统功能需求进行了分析，介绍了PLC软件设计IEC61131-3标准，在施耐德M241控制器的编程平台SoMachine上对取袋控制系统进行了软件设计，并在Easybuilder8000上对人机交互界面进行了初步设计，最后对数据库系统进行了初阶的分析和设计。

关键字：包装机械；控制系统；PLC；电气设计；软件设计

Abstract

With the concept of industrial 4.0 putting forward ,the development of packaging machine has become more and more high-speed .The traditional industry of packaging machine requires workers to cumbersome job time after time.in order to liberate the labor of these workers ,decrease the cost of the industry and improve efficiency, it is vital to invent a stable and efficient system of automatic packaging machine.

This paper delivered the research and statistics of control system existing in market from the control point of view, and lists some optional control plans. After comparative analysis, the control system applying PLC as the core is the final solution. Then this paper introduce the preliminary design of electrical system, including the selection of electrical components, the summary of part input/output signals electrical schematic design of some typical parts.

Besides, this paper introduced the analyzation of system function and the IEC61131-3 standard which is applied to the software design of PLC. This paper also presented the software design of the bagging control system on SoMachine, which is Schneider M241 controller programming platform. The following part introduced the initial HMI design on Easybuilder8000. At the end of this paper, the initial design of database system was described.

Key Words：packaging machine；control system；PLC；electrical design；software design

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题来源、研究背景及意义 1

1.1.1 课题的来源 1

1.1.2 研究背景 1

1.2 研究现状与发展趋势 2

1.2.1 国内外产品研究现状 2

1.2.2 取袋控制系统的研究现状 3

1.3 论文主要工作和内容 5

第二章 控制系统关键技术方案 7

2.1 工作过程简介 7

2.1.1 主要功能描述 7

2.1.2 系统性能指标 7

2.1.3 取袋功能描述 7

2.2 机构原理与简图 8

2.3 控制系统功能简介 11

2.4 市场现有技术描述 12

2.4.1 微处理器控制方式的取袋系统 13

2.4.2 PLC控制方式的粮食包装机 14

2.4.3 工控机控制方式 14

2.5 拟采用的技术方案比较 15

2.5.1 现场控制方案 15

2.5.2 远程诊断方案 19

2.5.3 整体方案比较与结论 22

2.6 本章小结 23

第三章 控制系统电气设计 24

3.1 控制系统电气原理框图 24

3.2 控制系统电气器件选型 25

3.2.1 控制器件选型 25

3.2.2 执行元件选型 29

3.2.3 检测元件选型 31

3.3 设备模块模型设计 32

3.3.1 控制软件需求规格说明书 32

3.3.2 设备I/O统计 35

3.4 典型模块电气原理图设计 36

3.4.1 驱动电源模块 37

3.4.2 主控制器模块 38

3.5 本章小结 43

第四章 控制系统软件设计 44

4.1 软件需求规格分析 44

4.1.1 概述 44

4.1.2 总体功能分析 44

4.1.3 故障处理要求 44

4.2 程序设计软件标准平台 45

4.2.1 软件的标准化需求 45

4.2.2 IEC61131-3标准 46

4.2.3 施耐德So machine编程平台 47

4.2.4 HMI（Human Machine interface）的设计 51

4.3 上位机监控系统数据库初步设计 53

4.3.1 数据库系统设计 54

4.3.2 数据库系统的实现 57

4.4 本章小结 61

第五章 环境影响与经济性分析 63

5.1 环境影响分析 63

5.2 经济性分析 63

第六章 总结与展望 64

6.1 全文总结 64

6.2 研究展望 64

参考文献 66

致 谢 67

绪论

课题来源、研究背景及意义

课题的来源

本课题来源于横向合作研究项目：全自动物料包装自动生产线的设计研究。

研究背景

物料包装自动线属于国家标准中的包装机械，根据GB/T4122.1—2008《包装术语•机械》中的定义，包装机械是指“完成全部或部分包装过程的机器，包装过程包括成型、充填、裹包等主要包装工序，以及清洗、干燥、杀菌、贴标、捆扎、集装、拆卸等前后包装工序，转送、选别等其他辅助包装工序。”^[1]

据2013年的资料统计，我国物料包装机械的工业生产总值已达2920亿元，包装机械正式成为我国基础制造业的十大行业之一^[2]。作为一个制造业大国，我国有大量的物料包装机械处于运行和待运行状态，因此需要非常多的劳动力。然而，由于传统包装机械的局限性以及繁琐的重复操作性，工人们往往不愿从事此类行业，导致劳动力成本急剧上升。因此，设计制造全自动物料包装自动线来解放底层劳动力以实现整个流程的自动化，提高包装机械的工作效率成为亟待解决的问题。

物料包装系统是现代工业自动化生产的重要组成部分，以自动物料包装系统为核心的自动化打包生产线比人工打包线更加安全可靠，其故障率低，连续正常工作时间长，维护简单便捷，日常维护时间短。与一般的包装系统类似，物料包装系统由由包装所需材料的供应系统、成品包装袋技术和传送系统、主要传送系统、驱动执行元件、驱动电源系统和机械结构等组成。取袋系统属于物料包装自动线的第一道工序，这一过程的工艺水平至关重要，直接影响到最终产品的质量。

研究现状与发展趋势

国内外产品研究现状

根据近年的产品市场行业调查显示，国内制袋机市场上我国本土产品大概占有比例为69%（其中台湾地区占7%），来自日本的产品占据约15%的份额，剩下的由其他各国共同占有。仅从市场占有份额来看，国产制袋机还是处于优势地位，但仔细深究，本土产品主要集中在中低端市场。在高端市场还是国外产品占据优势，形成这种现象的原因主要是国内外产品在制造工艺和控制技术方面存在着差距。国内外很多大型包装设备公司，都推出了其固体颗粒物料装袋设备，例如英国的Pacepacker,加拿大的Premier Tech,日本的纽朗，国内的哈博实等等。