基于PLC的袋装食品包装机气动系统设计.pdf

目 录一、选题背景及意义.1二、包装机总体设计和工作原理.2（一）包装机工作过程.2（二）气动（吹气）供料装置结构原理.3（三）气动系统原理.3（四）高速小袋包装机仿真图.5（五）包装机横封装置.11三、包装机控制系统设计.11（一）PLC 适用范围.11（二）输入输出地址分配.12（三）高速小袋包装机 PLC 梯形图.13四、毕业设计总结.17六、参考资料.191基于 PLC 的袋装食品包装机气动系统设计一、选题背景及意义据不完全统计：2013 年，我国食品包装机械工业总产值达到 2920 亿元，同比增长 16.80%，超过当年全国机械工业的增速。多年来，随着我国国际化进程的逐步加快，食品包装机械以每年 18%的速度增长，出现了一批接近和达到国际水平的高端产品。然而，企业规模小、产品水平低、可靠性差、严重依赖进口、开发能力低、研发投入不足、专业技术人才缺乏等问题也使国内包装机械产品饱受诟病。目前，国内“制袋灌装封口”包装机械产品主要是单排和三面封口。小袋包装广泛应用于医药、食品等行业，其内容物为粉状和颗粒状物料。但目前国内小颗粒物料包装机大多为单排式，包装速度一般在 2080 袋/min 之间，这无疑无法适应经济发展和市场需求。因此，研究高速小袋包装技术是市场发展的必然趋势。随着社会和科技的发展，现代包装技术正朝着高速化、机械化、自动化、智能化方向发展。在不断优化包装机械产品质量的同时，也要提高效率。此外，中小企业在我国食品工业中占有相当大的比重，因此包装机械也应该具有一定的性价比。气动传动的工作介质为空气，安全、无污染、成本低。与机械传动和液压传动相比，气动传动具有结构简单、动作快、响应快等优点。PLC 以其抗干扰能力强、可靠性高而广泛应用于工业控制的各个领域。系统采用 PLC 控制气压元件。随着人们生活水平的提高，人们对包装技术提出了更高的要求。针对这一需求，国内食品包装企业竞相投入现代自动包装机械的研发。经过近几年的不断努力，各种尺寸的包装机不断出现在市场上，基本能够满足国内生产的要求。但是，与国外先进的包装机械相比，我国的包装机械还存在一定的差距，特别是在高速包装机械方面。在中国，小袋包装速度能达到每分钟 200 袋以上的机器很少。根据包装材料的不同，包装机可分为颗粒包装机、液体包装机和块状包装机。本文设计的包装机可包装 0.5g 重颗粒散装物料，速度可达 240 袋/时，实现了高速包装，提高了生产效率。2二、包装机总体设计和工作原理（一）包装机工作过程高速小袋包装机采用气动传动和 PLC 控制，用于小袋食品（0.5g，240 袋/分钟）的高速包装。它具有集料配比、包装成型、物料填充、包装封口等功能。如图 1 所示，高速小袋包装机主要由送料盘 1、送风口 2、3、触摸屏 4、气动控制阀组 5、变频器 6、切刀 8、横封 9、纵封牵引轮 10 等部分组成。其工作流程图如图 2 所示。送料方式为气动（鼓风）送料。包装机工作时，包装纸通过导轮送至包装袋成型机。成型后的包装袋通过纵封加热轮进行热封，在纵封牵引轮的牵引下到达横封处。横向密封机构吸入并密封包装袋的下开口。此时物料通过气动加料装置的输送管道进入包装袋，然后压缩空气通过分离吹气口再次进入管道，分离输送管道中的残余物料，横向密封机构再次拉入，完成包装袋的上密封。包装机的横向封口机构采用 U 形封口，可同时封口当前包装袋的上口和下一个包装袋的下口。包装完成后，切割机切断包装袋，落下的包装袋通过导轮落入输送带中。图 1 包装机结构1-供料盘；2-供料吹气口；3-分离吹气口；4-触摸屏及控制按钮5-气动控制阀组；6-变频器；7-传送带；8-切刀；9-横封10-纵封牵引轮；11-纵封；12-包装袋成型器3图 2 高速小袋包装机工作流程图（二）气动（吹气）供料装置结构原理该装置的原理如图 3 所示，转盘 8 的侧壁上设有风道，转盘由连接件和持料盘固定，使得 10 和连接风道 9 在垂直方向上没有间隙重叠。旋转时，物料盘和旋转盘的旋转角度相同。当物料倒入托盘时，托盘旋转，物料落入容量料斗。当料盘的通孔 10 与进料风道 4 垂直重合时，压缩气体从进气孔 7 进入，沿连接风道 9 至铜闸 10 再至进料风道 4，定容物料进入输送管道，进入包装环节。图 3 高速小袋包装机吹气供料装置结构原理图1中心轴；2固定臂；3送料管道；4送料气道；5容积式盛料器6连接管道；7进气气孔；8旋转盘；9连接气道；10通孔11盛料盘；12图罩（三）气动系统原理高速小袋包装机的气动系统原理如图 4 所示。气源通过储气罐和气动三联件4向系统提供压缩空气。该系统的执行元件为四缸：纵向密封缸用于沿纵向密封移动槽推动纵向密封。图 4 高速小袋包装机气动系统原理图纵封到达指定位置后，提供恒定的气压使纵封保持在指定位置，进行包装纸的纵封加工；纵封牵引轮缸用于推动后纵封牵引轮靠近包装纸前牵引轮，使牵引轮快速到达并保持在指定位置；横向密封缸用于推动横向密封，减少横向密封的水平行程，减少工作时间；切刀缸用于快速推动切刀，以保证包装袋的高速切割和分离。缸的主控元件为二位五通电磁换向阀、送料电磁阀和分离电磁阀。进料和分离分别由两位二通电磁阀和控制：进料电磁阀的作用是在进料部各气道位置相匹配时打开，形成一个完整的气道，使压缩空气从进气口顺利进入，并通过排气管将物料输送到管道中进料气道；分离电磁阀的作用是检测到物料沿管道通过检测点后打开，压缩空气从分配器从吹气口进入管道，保证物料完全进入包装袋范围，从而减少物料包装误差。表 1 高速小袋包装系统电路电磁铁通断表序号系统动作1YA2YA3YA4YA5YA6YA1通电+-2纵封牵引轮+-+-3纵封伸出-+-4横封伸出（下口）-+-5横封缩回-+-6送料-+-7吹气-+-+8分离-+-9横封伸出（上口）-+-10横封缩回-+-11切刀伸出-+-12切刀缩回-+-5图 5 高速小袋包装机电路图（四）高速小袋包装机仿真图图 6 纵封牵引轮伸出仿真图6图 7 纵封牵引轮气缸伸到位后纵封气缸伸出图 8 第一袋纸袋下封口仿真图7图 9 横封气缸伸到位，供料电磁阀收到信号开始供料仿真图图 10 供完料，送料电磁阀失电，分离电磁阀得点，分离吹起口开始工作仿真图8图 11 吹完气，横封气缸伸出（上封口）仿真图图 12 切刀气缸完成切刀动作准备开始循环仿真图9图 13 第一次循环第一步仿真图图 14 第一次循环第二步仿真图10图 15 第一次循环第三步仿真图图 16 第一次循环第四步仿真图11（五）包装机横封装置横向密封装置采用一对独特的 U 型装置。U 形横向密封块可一次实现上一个包装袋的上封和下一个包装袋的下封，提高了密封效率。同时，在 U 形十字密封块内还安装有切刀装置。在交叉密封后的瞬间，PLC 控制连接切刀电磁阀驱动气缸。气缸推动切刀切断包装袋，切刀电磁阀断电，切刀在弹簧作用下自动复位。（六）包装机供料装置包装机物料的定量方式为容积式。进料上板上有 8 个容积孔。这些孔有一定的深度，用来容纳材料。如图 17 所示，进料盘转动时，物料落入小孔中。当转盘继续旋转，体积小孔与出料口重合时，两者紧密配合。小孔内的物料在高压气体的作用下被吹到包装袋内，完成一次性灌装。图 17 供料装置传统的包装机一般采用电磁阀开关控制进气量，难以实现快速响应。经过综合考虑，本设计采用聚四氟乙烯材料作为密封装置，聚四氟乙烯密封块始终与进料下板保持紧密接触。当进料下板上的出风口旋转与密封块上的出风口重合时，连接出风口，将进料上板小孔内的物料从出料口吹出，送入包装袋内。当进料下板继续转动时，当阀门的通气孔不重合时，与密封块连接，阀门自动关闭。三、包装机控制系统设计（一）PLC 适用范围PLC 作为一种新型的控制装置，以其抗干扰能力强、可靠性高、编程方便等12优点在工业领域得到了广泛的应用。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控 S7-制的自动化。S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200 的系列具有极高的性能/价格比。S7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。（二）输入输出地址分配根据图 18 所示包装机执行动作要求，最终确定输入输出地址分配见表 2图 18 PLC 控制流程图13表 2 I/O 分配地址分配表输入输出动作地址动作地址启动按钮I0.0横封电磁阀Q0.1停止按钮I0.1切刀电磁阀Q0.2SQ1I0.3送料电磁阀Q0.3SQ2I0.4分离电磁阀Q0.4SQ3I0.5纵封电磁阀Q0.5SQ4I0.6纵封牵引轮电磁阀Q0.6SQ5I0.7SQ6I1.0SQ7I1.1SQ8I1.2（三）高速小袋包装机 PLC 梯形图图 19 电机启动和按停止按钮复位 PLC 梯形图14图 20 纵封牵引轮工作并且自锁，纵封电磁阀工作自锁 PLC 梯形图图 21 横封电磁阀控制下口横封 PLC 梯形图15图 22 送料电磁阀控制送料并延时，复位 PLC 梯形图图 23 分离电磁阀控制分离吹气口吹气并延时，复位 PLC 梯形图16图 24 横封电磁阀控制横封上口与下一包下口横封，复位 PLC 梯形图图 25 切刀电磁阀控制切刀切袋缩回 PLC 梯形图图 26 横封缩回并开始循环 PLC 梯形图17四、毕业设计总结这种高速小袋包装机采用气动送料方式，整体结构紧凑简单，与传统小袋包装机相比，生产速度大大提高。借助 PLC 强大稳定的控制功能对气动系统进行控制，系统安全可靠，在实际生产和应用中具有很高的推广价值。包装机控制系统稳定可靠，平均无故障时间长，自动化水平高，是集制袋、灌装、封口于一体的自动化生产设备，包装速度快，利用压缩气体的快速响应，提高进料速度，实现高速包装。采用 PLC 控制的系统具有良好的系统稳定性和先进性，与传统的继电器和cam 控制方法相比，生产效率有了显著提高。19六、参考资料1樊勇，徐海飞.高速小袋包装机控制系统的设计J.包装工程，2016(1 期)：125-129.2樊勇，姜乃良，徐海飞.气动送料的高速小袋包装机的研制J.机床与液压，2016(44)：102.3徐海飞.高速小袋包装机控制系统及关键技术研究与设计D.天津科技大学，2016.4程亮，王云亮，陈羿等.基于粉状物料的全自动大袋包装机的研究J.盐科学与化工，2017，46(02):33-38.5胡汪洋.颗粒物小袋包装机控制系统设计与试验D.安徽农业大学，2018.6周丹、夏如飞、李淦、姜也、史家忻、王利强、卢立新.超细粉体清洁化包装机的方案设计J.中国粉体技术，2020，v.26;No.149(06):31-36.