摘 要

随着科技的发展进步，工业设备的自动化水平越来越高，原因是多方面的：物流中各环节之间及生产环节内部的物料流动速度在一定程度上影响着生产效率；一些产品有着特殊的贮运条件，比如冷冻、冷藏，在常温状态下所处的时间越短，越有利于延长储存和周转周期；降低人工作业强度。码垛设备和打包设备在是生产与储存之间的中转环节，设计满足需要的自动化控制系统有着极为重要的意义。

本次设计是为冻虾自动堆码打包机设计控制系统：以船上作业为背景，以PLC控制器为基础，对气动元件、液压元件、电机等进行控制，将包装件按照一定的规则进行码垛、装进吨袋，并运送至货舱入口。设计全过程按照模块化设计的原则，将整个系统划分为输入模块、整形模块、码垛模块、输出模块、补盘模块五个部分。设计的主要任务是：完成各个模块的作业需求分析、气动控制系统与电机控制系统设计、硬件选型、程序设计与调试等。

关键词：自动化控制系统；PLC控制器；模块化；气动系统设计。

Summary

With the development and progress of science and technology, the automation level of industrial equipment is getting higher and higher, for many reasons: the material flow speed between various links in the logistics and within the production link affects the production efficiency to a certain extent; some products have special storage and transportation conditions, such as freezing and refrigeration, and the shorter the time in the normal temperature state, the more conducive to the extension of storage and turnover Cycle; reduce labor intensity. Palletizing equipment and packaging equipment are the transfer link between production and storage. It is of great significance to design an automatic control system to meet the needs.

This design is to design the control system for the automatic stacking and packing machine of frozen shrimp: Based on the operation on board and PLC controller, control the pneumatic components, hydraulic components, motors, etc., stack the packages according to certain rules, load them into ton bags, and transport them to the entrance of cargo hold. According to the principle of modular design, the whole system is divided into five parts: input module, shaping module, palletizing module, output module and patching module. The main task of the design is to complete the job demand analysis of each module, the design of pneumatic control system and motor control system, hardware selection, program design and debugging, etc.

Key words: automatic control system; PLC controller; modularization; pneumatic system design.

目录

第1章 绪论 1

1.1. 本课题研究背景和意义 1

1.2. 国内外研究现状 1

1.2.1. 国外研究现状 1

1.2.2. 国内研究现状 2

1.3. 课题设计的主要内容 3

第2章 控制系统整体设计 4

2.1. 控制系统设计依据 4

2.1.1. 传动特点 4

2.1.2. 分配方案 4

2.2. 控制方案选择 5

2.3. 控制系统设计方法 5

2.3.1. 控制系统基本构成 5

2.3.2. 基于PLC的控制系统的设计方法 6

2.4. 码垛作业系统组成 6

2.4.1. 输入模块： 7

2.4.2. 整形模块： 8

2.4.3. 码垛模块： 9

2.4.4. 输出模块： 9

2.4.5. 补盘模块 10

2.5. 本章小结 10

第3章 气动控制系统设计 11

3.1. 输入模块回路 11

3.2. 整形模块回路 11

3.3. 码垛模块回路 12

3.4. 输出模块： 16

3.5. 补盘模块： 16

3.6. 选型清单 17

3.7. 本章小结 17

第4章 PLC控制系统硬件选型与设计 18

4.1. 硬件选型 18

4.1.1. PLC控制器及配置 18

4.1.2. 位置检测 19

4.1.3. 电压转换 22

4.1.4. 变频器 22

4.1.5. 稳压器 23

4.1.6. 空气开关及断路器 24

4.2. 控制电路 25

4.2.1. 气动部分PLC硬件接线图 25

4.2.2. 电机控制部分PLC硬件接线图 30

4.2.3. 操作台设计 31

4.3. 本章小结 32

第5章 PLC控制系统程序设计 33

5.1. 气动控制部分 33

5.1.1. 输入模块 33

5.1.2. 整形模块 35

5.1.3. 码垛模块 36

5.1.4. 输出模块 40

5.1.5. 补盘模块 41

5.2. 电机控制部分 41

5.2.1. 输入电机与整形电机 41

5.2.2. 升降电机 42

5.3. 程序调试 47

5.4. 本章小结 47

第6章 经济性与环保性分析 48

6.1. 经济性分析 48

6.1.1. 标准化 48

6.1.2. 模块化 48

6.2. 环保性分析 48

第7章 结论 49

参考文献 50

致谢 51

附录A 52

附录B 53

附录C 54

绪论

本课题研究背景和意义

最近几年以来，由于我国经济社会的蓬勃发展和人民生活水平的提高，对海产品的需求不断增加。由于环境因素、气候因素，以及人类活动——如过度捕捞——的影响，近海鱼类产卵地遭到了严重的破坏，海洋渔业资源出现了衰退的迹象。“东海无鱼”这一言论在一段时期内甚嚣尘上。海洋捕捞技术的成熟及配套设施的健全和政府对远洋渔业开发活动政策补贴的大力推广，促使相当一部分的渔业公司开始远海捕捞。南极由于整个大陆被冰雪覆盖，海洋资源开发程度十分有限，成为了世界各国争相开发的战略目标，世界各国对南极渔业资源的关注度日益上升。其中南极磷虾因其良好的营养价值和经济价值备受海洋渔业的青睐。以我国为例，首艘新造南极磷虾“深蓝”号捕捞加工船下水，标志着我国在现代化渔业船舶装备领域取得重大突破，我国参与南极生物资源开发利用取得重要进展。^[1]捕捞船上配套相关的捕捞、包装、堆码、储存等相关设备是磷虾开采的必要设备。其中冻虾自动堆码打包机是船上包装、堆码的重要设备，是在货舱储存前的作业流程中的中心环节。

根据船上加工及贮运系统的需要，在加工流水线的出口、货舱入口之间设置一套自动码垛打包机，用于将包装完成后的包装件在吨包内自动堆码成一个指定尺寸的整齐货堆，并传送到缓存位上，方便后续吊装作业。控制系统的设计以船上作业流程为依据，将其以自动化的形式实现，机械设备的高速码垛便能够为下一环节的贮运提供有利条件。冻虾纸箱的码垛和打包等均全自动完成，采用连续码垛打包技术，缩短包装加工到冷藏贮运之间常温存放的时间，间接地提高产品品质，可有效延长转运和保存周期。

国内外研究现状

国外研究现状

在工业发达的德国、意大利、日本等国家，半自动、全自动码垛机早在上世纪60年代就已经相继出现。无论是机构还是功能，都已经逐渐趋于完善。随着工业机器人技术的发展，趋于成熟的技术能够为多类型、多种类、多形状的货物提供解决方案。码垛机器人市场的大部分份额都由欧美和日本的机器人公司占据，并且促使自动码垛技术已经达到了极高的标准。在实际的码垛中，非标且多尺寸的物品在托盘中的优化码垛是当前国外重点研究的码垛技术难点。这方面的码垛研究方向一般为两种：一是目标为最大限度地利用托盘的容积，二是基于规则和约束的托盘装载算法。^[2]基于这种目标的研究采用的方法是利用图形配置应用程序生成关于要同时处理的箱子数量和位置的必要信息，再将信息发送给PLC。在国外的码垛技术及机器人控制技术十分成熟的前提之下，码垛技术的发展方向由原有的功能型方向更加倾向于服务型方向，即在功能完善的基础上为客户的使用提供良好的体验。这种体验一般包括两方面：一是缩短技术工人的培训时间，二是降低产品更换时的技术难度。以施耐德包装设备公司为例，所开发的码垛机器人设备几乎都朝着简易的人工控制方向发展，甚至不需要程序员，只通过几个按键就能完成产品更换。除此之外，与将集成专用机器人控制器与广泛使用的基于PLC控制器为一体的机器人控制方案相比，施耐德公司开发的Unival可以很好的将机器人控制器与运动控制器直接相连并完成一系列操控。

国内研究现状

目前,我国自主研发的码垛机的结构形式主要有直角坐标型、关节型、四轴型、圆柱坐标型等，并以直角坐标型为主，其具体表现为高位码垛机与低位码垛机，即较为传统的机械码垛机。直角坐标型码垛机为4轴机器人（与四轴型相区别）。4根运动轴对应直角坐标系中的X轴、Y轴和Z轴,以及Z轴上带有的一个旋转轴。直角坐标机器人的传动主要是通过驱动电机的转动带动同步带运动、同步带带动直线导轨上的滑块运动。通过对坐标系内各个目标位置进行求解，利用编程定位进行实现。直角坐标机器人具有空间轨迹易于求解、控制技术简单等优点,但所占空间大、质量相对较重、相对工作范围小、操作灵活性差。