自动包装设备定量下料称重控制系统设计与实现开题报告

1.文献综述

1.1 定量包装机研究背景

随着人们生活水平不断提高，人们对各工农业产品的需求也随之增长，同时这也拉动了我国包装机械行业的快速发展。未来机械包装业配合着产业自动化的趋势，在技术上将朝着控制数字化方向发展。然而目前我国机械包装业比较落后，许多中小型企业在产品最后的定量称重包装阶段，还是采用人工称重、人工包装。该方法劳动强度大、工作效率低，对于企业大规模生产、提高劳动生产率来说已成为一种瓶颈或制约。 在这样的背景下，自动包装机顺势而生。包装机械作为现代包装工业的基本设备,是商品生产和加工过程中必不可少的关键性技术设备。实现包装的机械化和自动控制化,尤其是实现具有高度灵活性的自动包装技术,不仅体现了现代生产的发展方向,同时也可以获得巨大的经济效益。

（1）定量包装机技术

颗粒包装机适用于流动性较好的粉粒状物料，例如颗粒状药品、砂糖、咖啡、果珍、味精、盐、种子等物品。一般机器可以自动完成计量、填料、封合及切断等全部工作。有些机型还装有可靠的光电检测系统，使用印有光电标记的包装材料时，可获得完整的商标图案。

包装机一般具有自动称量、自动统计、人工套袋、连续输送、自动缝纫封口等功能。包装袋可以有塑料编织袋、麻袋等，可根据适用要求选择相应的配套设备。

（2）定量包装秤基本工作原理

当定量包装秤进入自动运行状态后，控制系统打开给料门开始加料，该给料装置为快、慢两级给料方式;当物料重量达到快给料设定值时，停止快给料，保持慢给料;当物料重量达到最终设定值时，关闭给料门，完成称重过程;此时系统检测夹袋装置是否处于预定状态，当包装袋已夹紧后，系统发出控制信号打开称量斗卸料门，物料进入包装袋中，物料放完后自动关闭称量斗的卸料门;卸空物料后松开夹袋装置，包装袋自动落下;包装袋落下后进行缝包并输送到下一工位。如此循环往复自动运行。

（3）定量包装的构成

定量包装秤由称重单元、小车、缝包输送装置、气动系统、除尘系统，定量包装控制仪表等组成。其中影响打包速度和准确度的关键部件是称重单元，它包括储料仓、闸门、给料装置、秤体、夹袋装置、支架、电气控制装置等。

1）储料仓为缓冲式料仓，用于物料储备并提供一个接近均匀的物料流；闸门位于储料仓底部，当设备检修或出现故障时，用于将物料封阻在储料仓内。

2）截料装置由截料斗、截料门、气动元件、补气门等组成，在称重过程中提供快、慢两级给料，其快、慢给料的物料流均可单独进行调整，从而保证定量包装秤满足计量的准确度要求和速度要求。给料装置结构形式较多，主要有：电磁振动式、重力（活门或插板）式、螺旋（绞龙）推进式、皮带输送式、强流给料等。

3）补气门的作用为平衡称重时系统内的空气压差；秤体主要由称量斗、承重支架和称重传感器组成，完成重量到电信号的转变并传输给控制单元。

4）夹袋装置主要由夹袋机构、气动元件等组成，作用为夹紧包装袋，让称重完毕的物料全部落入包装袋。

5）电气控制装置由称重显示控制器、电气元器件、控制柜组成，作用为控制系统工作，使整个系统按预先设定的程序，有序工作。

（4）定量包装分类及优缺点

定量包装秤按称重方式一般可以分为有斗（净重）秤和无斗（毛重）秤。

有斗秤工作时将需要称重的物料通过给料装置添加到装有称重传感器的秤斗中进行测量。有斗秤的承载装置就是秤斗，安装在秤斗底部的的活门就是定量包装系统的卸料装置。秤斗可以采用在方形秤斗的底部设置一个或两对开活门的结构，使用气缸驱动活门卸料。有斗秤称重精度高，包装速度快，且可以组成双秤系统，大大提高包装速度。

无斗秤结构省去了秤头不件，将称重传感器直接安装在下料斗和夹袋装置上，工作时将物料直接放到夹在夹袋机构上的口袋里进行称重。由于无斗秤省去了秤头部件，大大降低了秤体的高度，适合包装现场低矮的场合。但是由于包装材料（袋）重量的不一致性，无斗秤系统工作时每个称重周期必须由电脑称重控制仪表自动去皮占用了数秒钟的时间，使得无斗秤的包装速度受到一定的影响。

1.2课题研究的意义

定量包装中应用最多的是立式包装机。整机包括几大部分：传动系统、包装材料供送系统、袋成型装置、纵封装置、横封及切断装置、物料供给装置以及监测装置等。据调查，我国现有制袋-充填-封口食品包装机存在以下主要问题：

（1）包装精度低。目前我国此类包装机械的包装精度（计量精度）均在2％～3％之间，有的还在3%以上，而国外同类设备的包装精度都在1％以下，而且稳定可靠。

（2）包装速度低。目前国产包装机的包装速度，小袋包装在60～120袋／分之间，包装速度超过80袋/分时包装质量将下降；中袋包装为35～60袋/分。国外设备的包装速度已达到小袋包装为1200袋／分，中袋包装为160袋／分。

（3）封口质量难以保证。

（4）包装机的横封机构运动形式的不合理，将导致封口质量问题。我国现有一些包装机采用纵横封加热装置一体或传送袋与纵封一体，此封口形式工作速度低，封口质量差；

本课题设计的定量包装系统，希望可以实现提高生产效率、降低劳动强度、操作控制方便、降低产品成本、实现包装的外形整齐统一、封口严密、适应现代社会的快节奏等，对实现包装机的自动化具有重要的实践意义。

　　1.3定量包装机的发展趋势

世界包装机械发展的趋势是生产高效率化、智能化、资源高利用化、产品节能化、高新技术实用化、科研成果商业化为一体的机械化。但对于我国定量包装机与国外发达国家来比的话，那我们的产品各方面的技术水平还是有一定的差距的，无法更好的满足国内厂家的的需求，所以目前我们要不断改善创新是国内定量包装机应走的道路。

基于PLC技术完成了自动称重封装控制系统的设计,开发了控制程序。采用西门子S7-200PLC、变频器和电机、称重传感器和编码器构成一个闭环控制系统,实现了高速动态定量称重,并开发了自动控制、状态显示、监控、参数输入等人机操作界面。

（1）国产包装机的发展情况

改革开放以来，包装机械行业通过引进、消化、吸收和自主创新，已经生产出了可以替代进口的灌装机、制袋充填封口包装机、热收缩包装机、贴标机、打码机、喷码机、真空包装机、多功能枕式糖果包装机、高速PET吹瓶机等。如今我国的包装技术正在成为一项跨学科的系统工程，一批国产品牌的食品包装机械已经达到或正在努力赶超世界先进水平。

包装材料的国产化使国产制袋充填封口机的技术也逐渐成熟起来，其中卧式和立式自动制袋装填封口包装机在包括饼干在内的食品包装上立下了汗马功劳。制袋充填封口包装机的发展经历了从单边封到两边、三边或者四边封，控制技术从初级到高级的发展过程。现在的国产制袋机性能已经比较稳定，自动化程度有了不断的提高。

（2） 国外包装机的发展状况

国外包装机械设备的技术水平普遍比较高。微电脑广泛用于生产过程的自动控制。国外包装机械采用计算机控制工序和加工程式化，并配备各种参数计量装置，使包装、计量检测一机完成。设备材质好，生产中卫生和质量有保证。设备一般都采用不锈钢制造，并十分重视空瓶、实瓶和自动检验设备的原地高速、高效清洗等，以保证产品质量达到高度卫生。

国际上包装机械的发展是以大客户的要求为目标，带动相关机械的发展。大客户的要求主要体现在以下方面：

一是对生产效率要求越高越好。这样可以降低产品的成本，满足交货期。高速包装机要求与前道工序要有相关衔接，不需搬运环节，包括控制衔接，整个生产线按生产及包装工序排列要做到倒序启动，顺序停机。如冷灌装生产线，从塑料原料自动上线到饮

料灌装及大包装码垛全部自动在封闭车间内进行。

二是可适应产品的更新变化。包装机械要具有很高的柔性和灵活性，生产线允许在一定的尺寸范围内包装物大小可以变化。因为产品的生命周期远短于设备使用寿命，变更产品及包装不至于更换昂贵的包装生产线。

三是设备常见故障迅速排除。解决方案预先输入电脑，当设备出现常见的故障时可以自行诊断，亦可实行远程诊断并排除故障。

四是要求具有自动识别功能。可以实现自动识别包装材料的厚度、硬度、反弹力等，通过电脑反馈到机械手调整动作幅度，保证不反弹；

五是可以尽量减少环境污染。减少包括噪声、粉尘污染，并尽量减少废弃物。

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

2.1 本毕业设计课题任务的内容和要求

研究目的就是针对粉体包装生产中的定量包装而设计出一种以PLC为控制器的自动定量包装系统，然后将包装系统应用于包装机生产中，能够在包装过程中实现定量包装。

内容包括:

1)定量包装机的整体设计。介绍定量包装机的组成和工作原理，阐述了自动定量包装系统的性能要求。

2)根据工艺和控制要求，完成硬件系统设计。下位机选用PLC作为控制器，控制伺服电机、电磁阀等。硬件系统设计包主要括以下内容：整体闭环控制系统方案的设计；主要电气元件的选择，其中包括PLC控制器、触摸屏人机界面、伺服电机等；根据被控对象的控制要求，确定整个系统的输入、输出设备的数量，从而确定PLC的I/O点数，包括开关量的I/O点数，模拟量的通道数等。

3)根据工艺和控制要求，完成软件系统程序编写，如称重单元、缝包输送装置的PLC程序编写，包括加减计数器及定时器延迟期的选择其中定时器与延迟器需要对其定时和延迟的时间的进行计算。在完成PLC编程后需要进行调试，其中PLC程序有STL、梯形图、FBD三种形式但一般采用梯形图形式。

4)根据控制要求，设计自动定量包装系统的监控系统。选用上位机软件MCGS进行监控界面的设计。包括对称重单元、缝包、气动系统、除尘系统，定量包装控制仪表等组件的动态模拟，如输送装置需要合理的选择马达、传送带、传感器等元件。

2.2 本课题拟采用的研究手段和途径

a）首先要对定量包装系统有整体的了解，包括系统的原理、组成及实现目标。例如在设计电流环时需注意电源电压欠压和过压保护的实现。

b)硬件的设计

1控制系统由电源单元、PLC 中央处理单元以及人机对话单元(包括触摸屏、存储卡和打印机)组成。为使PLC 精确采集输入信号和控制输出信号, 配有接近开关、称重传感器、放大器和A/D 转换模块。

2系统动力单元由气动系统提供。该系统主要为开关量控制, 刮料板以及左右卸料挡板的动作由气缸驱动, 气缸通过相应的电磁阀控制。

3驱动电机的选择。电动机（Motors）是把电能转换成机械能的设备。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。本控制系统主要采用三菱伺服电机

c）下位机选用PLC200作为控制器。可编程序控制器（Programmable Logic Controller简称PC或PLC），PLC本质上就是一种工业控制计算机，其实它比一般的电脑具有更强与工业控制直接相连的接口和更直接的编程语言，所以PLC和计算机的基本组成很相似。从硬件上，PLC具有中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口、电源等，如图1所示。

图1 PLC的基本组成

控制系统程序设计应根据自动称重系统的控制要求, 确定气动系统各个电磁阀动作的先后顺序；明确输入设备/输出设备。系统程序采用西门子公司的STEP7编程软件进行编写，确定PLC 的I/O 分配, 包括开关量的I/O点数，模拟量的通道数等，最终编写出系统梯形图。

d)使用组态软件MCGS进行人机界面设计。首先要构建完备的实时数据库包括数据对象类型的确定如开关型数据对象、数值型数据对象并且要进行数据对象的定义需要注意的是实时数据库中定义的数据对象都是全局性的，其次就是对仿真动画的设计，例如，控制面板、输送控制箱的动态模拟。最后通过西门子S7200PLC与MCGS组态软件连接进行设备在线调试。

2.3 本课题研究过程中的问题及解决途径

问题：1.对自动包装机所使用的硬件设备了解不全面。

2.对使用PLC编程掌握不是很熟练。

3.对各器件间的连接了解不太清楚。

4.对MCGS组态软件不熟悉。

解决途径：

多搜集一些相关信息，查阅各种资料，先让自己明白课题研究的方向和目的，再通过复习自己以前所学习的PLC和MCGS组态软件知识，充分发挥以前学过的基础知识。遇到棘手的问题时发挥自己的能动性，跟身边的同学朋友讨论，或向指导老师请教等等。要相信自己有解决问题的能力，通过本次设计使自己的能力达到提升。

指导教师意见：

1．对文献综述的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

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所在专业审查意见：

负责人：

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