基于PLC的袋装水泥自动称重包装控制本科生毕业论文.doc

本科生毕业论文（设计）

题 目：基于PLC的袋装水泥自动称重包装控制
系统设计

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目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
1 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2水泥自动称量包装系统的现状与发展趋势 2
1.3 PLC在包装系统上应用的可能性和前景 2
1.4项目研究的主要内容 3
2 水泥自动称量包装机械系统 4
2.1 概述 4
2.2 水泥自动称量包装控制系统设计 4
2.2.1电子称重机 4
2.2.2自动供袋机 5
2.2.3自动装袋机 6
3 气动及真空系统 8
3.1气动系统 8
3.2真空系统 10
4 水泥自动称量包装生产线PLC控制系统设计 11
4.1 PLC概述 11
4.1.1 PLC的基本结构 11
4.1.2 PLC的分类 13
4.1.3 PLC程序的表达方式 14
4.1.4 PLC的工作原理 14
4.2 PLC控制系统硬件设计 16
4.3 PLC控制系统软件设计 17
4.3.1水泥自动称量包装控制系统工艺流程 17
4.3.2程序控制逻辑 18
4.3.3 PLC控制系统程序设计 23
5总结与展望 25
参考文献 26
致谢 28

基于PLC的袋装水泥自动称重包装控制系统设计
摘 要
随着城乡建设步伐的加快，国家在基础设施方面投资的增加，水泥的需求日益增大，这对水泥包装系统的要求，尤其是在计量精度、自动化程度和包装环境方面的要求越来越高。旧的水泥包装系统已远远不能适应新的要求，需要研制一种自动化程度高、计量精度高、价格低的新型水泥包装系统。据此，本文提出了一套具有自动供袋、自动取袋、自动装袋的新型水泥自动称量包装控制系统的设计方案。
本文首先对水泥自动称量包装系统的工作流程进行了分析，给出了设计方案，在设计方案中选用日本三菱公司的Fx2N系列PLC作为系统的主控制器，完成了硬件电路和水泥自动称量包装系统的梯形图程序的设计，实现自动供袋、自动取袋、自动装袋的控制功能，最后对全文进行了总结，提出了今后的工作要求。
关键词：水泥；包装系统；PLC

Based on PLC sacking cement automatic weighing packing control system design
Abstract
Along with city and countryside construction process's quickening, the country increase which invests in the infrastructure aspect, the cement demand increases day by day, this to the cement packing system's request, particularly in the measuring accuracy, the automaticity and the packing environment aspect's request is getting higher and higher. The old cement packing system has not been able to adapt the new request by far, needs to develop one kind of automaticity to be high, the measuring accuracy is high, price low new cement packing system. According to the above, this article proposed a set has for the bag, takes the bag, the automatic bagging new cement automatic weighing packing control system's design proposal automatically.
This article first has carried on the analysis to the cement automatic weighing packing system's work flow, has given the design proposal, and selects Japan Mitsubishi Corporation's Fx2N in the design proposal series PLC to take system's master-control unit. Has completed the hardware circuit and the cement automatic weighing packing system's trapezoidal chart procedure design, realizes for the bag, and takes the bag, the automatic bagging control function automatically. Finally has entered the summary to the full text, set present's work requirement.
Key word: Cement; Packs the system; PLC

II

青岛农业大学海都学院工程系本科毕业设计（论文）
1 绪论
1.1研究背景与意义[1]-[5]
近年来我国经济发展迅速，人民生活水平逐步提高，城乡建设步伐加快，国家在基础设施方面的投资日益增大。随着城乡建设步伐的加快，国家在基础设施方面投资的增加，水泥的需求量日益增大，对水泥包装的要求,尤其是对计量精度和包装环境的要求越来越高。因为这涉及到水泥生产企业和消费者的利益，如果水泥包装精度不高，误差太大，如果误差为正，这严重影响了水泥生产企业的利益，如果误差为负，这又影响了消费者的利益,因此要求水泥包装的计量精度要高。国家在这方面也制定了相关标准。
众所周知水泥厂的生产环境是十分恶劣的，工人在这里工作受到的最大危害是粉尘污染，如果水泥粉尘被吸如，进入呼吸道和肺，会严重影响到身体的健康，而日益增大的水泥需求量提高了水泥厂工作人员的劳动强度，如果控制的自动化程度不高，既增加了工作人员的劳动强度，又使生产效率低下。
我国现阶段虽然有些水泥生产企业对水泥包装工艺和包装设备进行了改造，但其自动化程度和包装的计量精度仍然不高。然而大多数中小水泥生产企业，其水泥包装仍然采用传统的包装工艺和生产设备，其自动化程度和包装的计量精度可想而知。自动化程度低、计量精度差，工作人员劳动强度大，生产效率低。这严重影响了水泥生产企业的效益和信誉。传统的控制方式是分散控制，包装工艺上的各设备都单独启动和停止。开停设备比较烦琐，又不利于监控。传统的计量系统是采用机械称计量系统，机械称计量系统计量精度低，容易受干扰，误差大，调整非常麻烦。而一些相对比较新的计量系统，由于所选元件可靠性不高，或者设计上的一些不足导致误差也比较大，因为水泥厂的粉尘污染、高温、强电磁干扰等因素，使计量系统的计量精度和可靠性受到严峻挑战。要想计量系统具有高精度、低误差、高可靠性，在硬件选型设计和软件设计时必须考虑到各种影响因素。
总的来看，我国水泥生产企业目前所使用的水泥自动称量包装系统存在的主要问题有：（1）计量精度差；（2）自动化程度低；（3）可靠性差。
为了解决目前存在的主要问题，需深入了解水泥包装过程中的各种不利因素，在设计时充分考虑到这些不利因素，找到解决这些问题的办法。通过控制算法的改进，和仿真工具的仿真以及现场实际实验，力保研究设计出来的产品满足生产要求。在一定程度上解决当前水泥包装中的一些突出问题。
对水泥自动称量包装系统进行研究，对于提高生产效率、降低劳动强度，节能降耗、提高企业竞争力，等方面都具有十分重要的现实意义。在水泥自动称量包装系统中，主控系统采用PLC进行设计以提高系统的自动化水平，采用变频器调速以适应工人工作所要求的转速和节能降耗。
1.2水泥自动称量包装系统的现状与发展趋势
经过多年的发展，我国的水泥包装系统经历了从手动到半自动到自动的发展历程，现阶段我国自行研制的新型水泥包装系统已逐步应用于生产，新型的水泥包装系统无论是在机械结构还是在电控上都有较大的改进。虽然新型的水泥包装系统在性能方面有了很大改进，但鉴于水泥厂的环境包括粉尘污染、高温、强电磁干扰等因素的影响。新型水泥包装系统在计量方面仍差强人意。与国外生产的水泥包装系统仍有很大差距。新型的水泥包装系统采用的计量装置是单片机为CPU的采样控制电路和拉力传感器组合而成，虽然较以前有很大提高，但是在设计时有可能考虑的因素较少，计量精度不算太高。在控制方面新型的水泥包装系统仍是采用传统的控制方式，因此在控制方面存在很多不足之处，如不能电机调速，电机不能调速的后果是操作员不能根据实际情况和自己的要求调节转速，这样影响了水泥包装的精度和效率。在可靠性方面，由于采用传统的控制方式，可靠性不高，需经常进行维修，这样就严重影响了水泥包装的效率。其他方面，如机械结构设计不尽合理等。这些因素都是影响水泥包装的效率和误差的因素。高效率，高精度计量是检验水泥包装系统性能的重要标准。未来水泥包装系统的发展趋势是高度自动化，高的计量精度，高效率，高可靠性。
1.3 PLC在包装系统上应用的可能性和前景[6]
包装系统的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是PLC的内部寄存器，在PLC编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的PLC都有上百点内部辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对PLC进行编程。事实上PLC用于这种场合是最能显现出其经济性。当然我们不仅忽视了PLC的另一个优点，那就是其运行速度及可靠性和寿命远远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲，PLC最适合于需要大量中间继电器的场合。且PLC与其他工业控制系统比较具有许多点:
1) 更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动;
2) 程序可以复制，批量生产很容易;
3) 电气硬件设计大大简化;
4) 由于PLC除有继电器功能外，尚有多种其它功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化;
5) 可靠性高;
6) 成本相对于继电控制而言稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，成本急骤上升，而PLC控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性;
7) 具有扩展单元或扩展模块，当需要较多I/O时可以方便地扩展。
因此，国外在注塑机、各种包装系统上已经大量地采用了PLC来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。我国包装系统目前控制部件大多还沿用继电器方式。如果能用PLC来取代，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化。更重要的是可以使来无法实现的某些功能得以实现，使机器在某种程度上实现智能化。
通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用PLC控制系统。
1.4项目研究的主要内容
1.对可编程控制系统的现状与发展趋势作一简单的介绍，明确背景知识与选型根据;分析PLC在包装系统上应用的可能性与前景。
2.水泥自动称量包装系统各动作控制工艺的研究。了解水泥子自动称量包装系统的工作过程及工艺要求。总结各机构的动作顺序，将其用流程图的形式表示出来，为实现高速全自动运动控制做准备。
3.可编程控制器部分的设计，包括控制方案的选取与设计、I/0接口信号的确定、模块的选择，控制程序的设计。
2 水泥自动称量包装机械系统
2.1 概述
出厂水泥有两种形式：包装和散装。而袋装水泥具有易于堆垛和储存，不同
品种、等级的水泥易于标记，可分类存放和便于计量等优点。因此在水泥生产企
业得以广泛采用，水泥包装成为水泥生产企业生产中重要的组成部分。
2.2 水泥自动称量包装控制系统设计
水泥自动称量包装系统是由多个独立的包装单元组成的，每一个包装单元均由三大系统组成:一是由水泥散料容器输出口、传动部件组成的喂料灌装系统；二是由电子称重机、装袋机组成的自动计量系统；三是由电气柜、气动控制箱（板）及其他气动元件组成的自动控制系统。包装系统的操作主要配置自动供袋机和自动装袋机进行连续供袋与装袋。包装袋套上喂料嘴后(此动作本身拨动了启动阀)光电管发出信号，计量系统去皮清零，压袋气缸立即自动压住空袋，喂料口闸门自动打开，同时启动喂料电机使之处于喂料阶段。包座（智能称重传感器）托住物料包的下部并进行跟踪计量，当包装物料到达额定量时，计量系统发出信号，通过气缸将喂料口关闭，罐装结束。满袋后到达卸袋工位，计量系统发出信号，推袋气缸推袋，完成一袋灌装。
水泥自动称量包装系统系统是由几台单机联合工作，完成水泥的高精度计量包装。其主要设备有水泥散料容器、电子称重机、自动供袋机、自动装袋机等；包装系统以下水平方向的设备，主要有缝纫机、皮带输送机等组成自动化生产线。其工作流程如下：水泥散料容器输出口→水泥包装系统→皮带输送机。
水泥由水泥散料容器输出口喂入水泥自动包装系统，包装后的水泥包由皮带输送机送入其他设备或水泥库。其中，水泥自动包装系统称为主系统，其余系统称为辅系统。
2.2.1电子称重机
电子称重机是包装机的起始部机，其作用是完成物料的定值称重、投料等作业。本生产线采用净重式电子称重方式，这样称量结果不受容器皮重变化的影响，称量精度高，同时采用双秤交替的运行模式，可以保证生产线的包装速度达到800～1000包/小时。整个称重系统的动力源采用气动元件。给料系统采用气动控制的二级投料方式，即称重过程开始时，首先粗流料门完全打开，当进料量达到预先设定的粗进料值时(一般为总量的80%-85%左右)，粗进料气缸复位，粗流料门关闭，快速投料过程停止;这时粗流料门前端有一方形孔即细流口还没关闭，物料从该方形孔中继续投料，即开始细投料过程，当充填物料达到预置重量时，细投料气缸复位，细流料门关闭，给料结束。秤体采用双传感器的并联组秤方式，秤体结构采用钢丝悬拉等减振措施，可以提高称重精度。排料系统采用气动控制的双斜式连杆结构，具有排料速度快，冲击小的优点。其结构如图2-1所示。

1.卸料门2.称重料斗3.智能传感器4.给料装置5.落料箱6.分料箱7.储料斗
图2-1 电子称重机
Fig.2-1 Auto-weighing machine
2.2.2自动供袋机
自动供袋机是由供袋器、吸袋器、袋子传送器、接袋器、取袋器等部件组成，如图2-2所示。全自动包装供袋工作是由供袋机械自动完成，操作人员只要将空袋子按要求放到上袋机的备用仓中就可以了。当袋仓中没有袋子时备用袋仓中的袋子会被送袋机构整捆地自动送到供袋器的袋仓中去。供袋器是两工位板式结构，每一工位大约存储300个包装袋。带有真空吸盘的吸袋器从供袋器上把包装袋吸住，然后向上提升到位后，传送给传送器。传送器将袋子输送到供袋机的斜板上。在导向板、接袋器、吸盘和光电开关的作用下，确保包装袋在斜板上保持正确的位置和形状。取袋器捡起斜板上的包装袋，在取袋器四连杆的作用下，包装袋定位在包装机的中心线上，等待装袋机将包装袋取走。自动供袋机供袋速度快，供袋质量稳定可靠，易于实现包装工作的自动化。

1.供袋器2.吸袋器3.袋子传送器4.接袋器5.取袋器
图2-2供袋机结构示意图
Fig.2-3 Auto-bag feed group diagram
2.2.3自动装袋机
自动装袋机是由过渡料斗、取袋开袋夹送装置、翻门缩口装置、机架等构成，如图2-3所示。过渡料斗是装袋机联接电子称重机的过渡装置，它可以存储一袋物料，提高电子称重机的称重速度，减小物料落差，降低粉尘产生量，利于除尘，同时保证物料顺利地导入装袋机并防止装袋机产生的振动传递到电子称重机上。取袋开袋夹送装置将自动供袋机的取袋器取好的袋子夹住，开袋吸盘吸住袋子的两面，在主气缸推动下送到翻门缩口装置的下面并将袋口拉开(此动作是和翻门缩口动作同时进行)为填装物料做准备，同时将己装好物料的料袋送到夹口整形机内。在主气缸行程两端安装有缓冲器，使主气缸在行程端点得以缓冲并使装袋机振动减轻。翻门缩口装置将送过来的料袋通过夹袋手爪夹住袋子的两上边，通过缩口动作收缩袋口(此动作与开袋动作同时进行)使翻门插入袋口，并在检测系统检测到料袋位置正确后向电子称重机和过渡料斗发出卸料请求指令，投下物料，完成装袋。每次装填完物料后翻门关闭，夹袋手爪将袋口绷紧，松开，放到输送机上，再由取袋夹送装置在取袋的同时夹送到夹口整形机内。

1.机身2.取袋开袋夹送装置3.取袋开袋吸盘4.缩口机
5.翻门缩口装置6.过渡料斗7.抱板8.大夹子输送机
图2-3装袋机结构示意图
Fig.2-3 Automatic bagging machine diagram

3 气动及真空系统
3.1气动系统[7]-[8]
气源处理装置由排水过滤器、减压阀、油雾器组成。排水过滤器将压缩空气中的赃物和水分滤出，由减压阀把空气压力降到预定压力，然后供给电磁阀和气缸。油雾器中的润滑油由压缩空气顺空气流动方向带到需润滑的电磁阀和气缸。减压阀带有压力表，调整空气压力可由压力表直接读出。
气源处理装置简图如图3-1所示。

图3-1气源处理装置简图
Fig.3-1 Device of dealing with gas diagram
气路系统由基本回路构成，基本回路由电磁阀、气缸、管路、调速器、消音器组成。电磁阀控制气体通断及执行机构换向。气缸是执行机构的基本元件，承担负载、输出力及转矩。调速器用来调节气缸的运动速度，以满足负载的不同速度要求。消音器用来排除排气噪声，保护环境。
基本回路简图如图3-2所示。

图3-2基本回路简图
Fig.3-2 Basie aerodynamic loop diagram
横进装置是包装机的重要组成部分，它的主要作用是在取袋装置取来袋子后，从两侧夹住袋口，在用真空把持住袋子的同时，向投料口移动，该装置在往返行程上装有一个气垫装置。该气缸在返回(或向前)运动时，以高速移动，在接近行程终点附近某一点关闭阀门，使压缩空气只能经过另一个狭窄的通道而限速，气缸移动速度便慢下来，然后停住，其运动速度及减慢下来的速度均由调速器调节，只要不产生振动即可。前后两阀门的开关控制由配置在横进装置上的霍尔开关控制。横进装置气路简图如图3-3所示。

图3-3横进装置气路简图
Fig.3-3 Across device aerodynamic loop
装袋、夹袋、开袋口的气路系统为基本气动回路如图3-4所示。横进装置上设置的开袋口吸盘，夹住袋子送到料斗下面，夹袋机构夹住袋口两侧后，向内侧缩口的同时，开袋口机构张开，打开袋口。
开口吸袋器在行进时，启动真空装置，并通过真空检测器检测真空度。若真空度未达到设定值，则弃袋;若达到设定值，则发出投料信号。这时，伸缩料门伸入袋口中卸料。
弃袋有两种情况:一是真空未达到设定值;二是伸缩料门击偏或击倒了袋子。
夹袋机构夹住袋口的同时，夹紧探测器便发出一个对袋子的探测信号，夹紧之后检测到袋子正常时，便发出投料信号。只有真空检测及夹紧检测全部正常才能投料，缺一不可。弃袋或夹紧检测未探测到袋子，要把各个功能部件返回到其原来位置。装袋时，开口吸袋器不再吸着袋子，返回初始位置。
夹紧检测器的设定值为:2kg/cm2(相对)。
真空检测器的设定值为:300mmHg以上。

图3-4装袋、夹袋、开袋口气路简图
Fig.3-4 bagging，nipping and opening bag aerodynamic loop
除了上述装置的气路系统，其它装置均为基本回路。如电子称重机、吸袋、取袋等。
3.2真空系统
真空系统由真空泵、真空电磁阀、真空检测器、真空管路等组成。它是包装机的主要部分之一，其主要功能是吸袋及开袋等。真空泵是真空系统的心脏，提供真空能源，真空电磁阀承担真空线路的通断，真空检测器承担检测真空压力，并发出卸料信号[9]。

4 水泥自动称量包装生产线PLC控制系统设计
4.1 PLC概述
在包装过程中，自动完成称重、供袋、取袋、装袋、输送等多个动作，动作多，运动复杂，而所处工作环境恶劣(高温、振动、粉尘)，这就要求控制系统具有很高的可靠性、良好的节能措施、很强的故障诊断能力，确保生产的稳定运行。由于包装生产线的各种控制为开关量，而目前流行的PLC具有结构小巧、运行速度高、通用性好、可靠性高等特点，非常适合于工业现场的高温、振动、粉尘等恶劣环境下的开关控制，所以选用PLC作为控制系统的核心部件。
4.1.1 PLC的基本结构[10]-[13]
PLC的类型繁多，但其结构和工作原理则大同小异，一般是由中央处理单元(CPU)、存储器、输入/输出单元、编程器、电源等主要部分构成的，如图4-1所示。如果把PLC看作一个系统，外部的开关信号均为输入变量，它们经输入接口存到PLC内部的数据存储器中，而后经过逻辑运算或数据处理以输出变量的形式送到输出接口，从而控制输出设备。

图4-1 PLC的基本结构
Fig.4-1 Basic structure of PLC
(1)中央处理单元(CPU)
CPU是PLC的核心部件，它类似人的大脑，能指挥PLC按照预先编好的系统程序完成各种任务。其作用有以下几点:
①接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并可通过显示器显示出程序的内容和存储地址;
②检查、校验用户程序对正在输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入;在程序运行过程中若发现错误，则立即报警或停止程序的执行;
③接收、调用现场信息将接收到的现场输入的数据保存起来，在需要改数据的时候将其调出、并送到需要该数据的地方;
④执行用户程序当PLC进入运行状态后，CPU根据用户程序存放的先后顺序，逐条读取、解释和执行程序，完成用户程序中规定的各种操作，并将程序执行的结果送至输出端口，以驱动PLC外部的负载;
⑤故障诊断诊断电源、PLC内部电路的故障，根据故障或错误的类型，通过显示器显示出相应的信息，以提示用户及时排除故障或纠正错误。
(2)存储器
存储器是具有记忆功能的半导体电路，是可编程控制器存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。存储器可以分为以下3种:
①系统程序存储器系统程序是厂家根据其选用的CPU的指令系统编写的，它决定了PLC的功能。系统程序存储器是只读存储器，用户不能更改其内容;
②用户程序存储器根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。不同机型的PLC，其用户程序存储器的容量可能差异较大。根据生产过程或工艺的要求，用户程序经常需要改动，所以用户程序存储器必须可读写。一般要用后备电池(铿电池)进行掉电保护，以防掉电时丢失程序;
③工作数据存储器用来存储工作数据的区域叫工作数据区。工作数据是经常变化、经常存取的，所以这种存储器必须可读写。
(3)输入/输出单元
输入/输出(1/0)单元是PLC与外部设备相互联系的窗口。输入单元接收现场设备向PLC提供的信号，例如由按钮、操作开关、限位开关、继电器触点、接近开关、拨码器等提供的开关量信号。这些信号经过输入电路的滤波、光电隔离、电平转换等处理，变成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将经过CPU处理的微弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各执行元件，如指示灯的亮灭，电动机启停和正反转，设备的转动、平移、升降，阀门的关闭等。
(4)电源部分
电源部件能将外部供电电源转换成供PLC的CPU、存储器、1/0接口等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作。PLC中一般配有开关式稳压电源为内部电路供电。开关电源的输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。有的PLC能向外部提供24V的直流电源，可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。
(5)编程器
编程器是生产厂家提供的与本公司PLC配套的编程工具。编程器分为简易编程器和图形编程器两种。简易编程器不能直接输入梯形图程序，只能输入语句表程序。用简易编程器编程时，编程器必须与PLC相连接。简易编程器的优点是价格低、体积小、重量轻、方便携带。图形编程器可直接输入梯形图程序。图形编程器分手持式和台式。台式编程器具有用户程序存储器，它可以把用户输入的程序存放在自己的存储器中，也可以把用户程序下载到PLC中。图形编程器的优点是操作方便、屏幕大，显示功能强，且可脱机编程，但是其价格显贵。
4.1.2 PLC的分类
目前，PLC应用广泛，国内外生产厂家众多，所生产的PLC产品更是品种繁多，其型号、规格和性能也各不相同。通常，可以按照结构形式的不同及功能的差异进行大致的分类:
(1)按照结构形式的不同，PLC可分为整体式和模块式两种。整体式具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点，易于装在工业设备的内部，通常适于单机工作。一般小型和超小型PLC多采用这种结构，如日本三菱Fx系列的PLC，整体式结构的缺点是输入输出接口数是固定的，不一定适合每一个具体的现场控制需要。模块式结构又称积木式，这种结构的特点是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通讯模块等。这种结构配置灵活，装载和维修方便，功能易于扩展，其缺点是结构较复杂，造价也较高。一般大、中型PLC都采用这种结构，如日本三菱公司的AN系列。
(2)按功能、输入输出点数和存储器容量不同，PLC可分为小型、中型和大型三类。小型PLC又称为低档的PLC。这类PLC的规模较小，它的输入输出点数一般从20点到128点。中型PLC的I/0点数通常在120点至512点之间，用户程序存储器的容量为2KB-8KB。大型PLC又称为高档的PLC，I/0点数在512点以上，其中I/0点数大于8192点的又称为超大型PLC，用户程序存储器容量在8KB以上。
4.1.3 PLC程序的表达方式
与计算机的工作原理一样，PLC的操作是按其程序要求进行的，而程序是用程序语言表达的。表达方式有多种多样，不同的PLC生产厂家，不同的机种，采用的表达方式也不相同。但基本上可归纳为字符表达方式(即用文字符号表达程序，如语句表程序表达方式)和图形符号表达方式(即用图形符号表达程序，如梯形图程序表达方式)这两大类。也有将这两种方式结合起来表示PLC程序。具体如下所述:
(l)梯形图，PLC的梯形图编程语言与传统的“继电、接触”控制原理图十分相似，它形象、直观、实用，为广大电气技术人员所熟知。这种编程语言继承了传统的继电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，使得程序直观易读。当今世界上各国的PLC制造厂家所生产的PLC大都采用梯形图语言编程。
(2)语句表，用语句表所描述的编程方式是一种与计算机汇编语言类似的助记符编程方式。由于不同型号的PLC的标识符和参数表示方法不一，所以无千篇一律的格式。
(3)逻辑符号图，采用逻辑符号图表示控制逻辑时，首先定义某些逻辑符号的功能和变量函数，它类似于“与”、“或”、“非”逻辑电路结构的编程方式。一般说来，用这三种逻辑能够表达所有的控制逻辑。这是国际电工委员会(IEC)颁布的PLC编程语言之一。
(4)高级编程语言，随着软件技术的发展，近年来推出的PLC，尤其是大型PLC，已开始用高级语言进行编程。许多PLC采用类似PASCAL语言的专用语言，系统软件具有这种专用语言编程的自动编译程序。采用高级语言编程后，用户可以像使用普通微形计算机一样操作PLC。除了完成逻辑控制功能外，还可以进行PID调节、数据采集和处理以及计算机通信等。
4.1.4 PLC的工作原理
PLC的工作过程是周期循环扫描的工作过程。用户程序通过编程器或其它输入设备输入存放在PLC的用户存储器中。当PLC开始运行时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输出点状态的更新、编程器键入响应和显示更新及CPU自检等功能。
PLC的扫描可按固定顺序进行，也可按用户程序规定的可变顺序进行。这不仅仅因为有的程序不需要每扫描一次，执行一次，也因为在一个大控制系统中，需要处理的I/0点数较多。通过不同的组织模块的安排，采用分时分批扫描执行的方法，可缩短扫描周期和提高控制的实时相应性。
PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，减少了外界干扰的影响。PLC的工作过程分三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。如图4-2所示。

图4-2 PLC的扫描工作过程
Fig.4-2 Scan Process of PLC
(l)输入采样阶段
PLC在输入采样阶段，首先扫描所有的输入端子，将各输入存入内存中各对应的输入映像寄存器。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论信号如何变化其内容保持不变直到下一扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。
(2)程序执行阶段
根据PLC梯形图程序的扫描原则，PLC按先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对于元件映像寄存器来说，每一个元件(输出软继电器的状态)会随着程序执行过程而变化。
(3)输出刷新阶段
在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态(接通/断开)在输出刷新阶段存到输出锁存寄存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。
4.2 PLC控制系统硬件设计[14]-[15]
PLC控制系统是水泥自动包装称量的核心部位，而在包装过程中，动作多，运动复杂，这就要求控制系统具有很高的可靠性、良好的节能措施、很强的故障诊断能力，确保生产的稳定运行。由于包装的各种控制为开关量，动作关系复杂，I/O点数多，选择日本三菱公司的FX2N系列PLC。该系列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。
(1)硬件配置
硬件配置包括Fx2N基本单元、限位开关、检测元件(光电开关、接近开关、真空开关等)、人机操作界面(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)分配输入/输出点
一般输入点与输入信号、输出点与输出控制是一一对应的。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。Fx2N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。水泥自动称量包装控制系统输入输出接口如表4-1所示。
4-1水泥自动称量包装I/O接口分配
输入
输出
吸袋垂直气缸
X001
垂直气缸下降
Y001
吸袋真空装置
X002
垂直气缸上升
Y002
吸袋真空阀
X003
吸盘
Y003
上限位开关
X004
垂直气缸倾斜
Y004
倾斜汽缸电磁阀
X005
斜托板下降
Y005
斜限位开关
X006
防滑吸盘吸袋
Y006
斜托板光电开光
X007
磕头装置倾斜
Y007
光电开关
X010
真空吸袋
Y010
横进装置减速开关
X011
磕头装置立起
Y011
横进装置装袋点限位
X012
斜托盘上升
Y012
倾斜限位
X013
抱板闭合
Y013
横进装置到位信号
X014
大夹子闭合
Y014
横进装置取袋点限位
X015
料斗下缩口夹子张开
Y015
夹抱限位
X016
取袋真空装置打开
Y016
横进装置移动限位开关
X017
缩口夹子向里收
Y017
开袋真空检测
X020
夹棍气缸动作
Y020
夹袋压力检测
X021
开袋
Y021
打开袋口
X022
抱袋
Y022
40千克传感器
X023
张开
Y023
49.5千克传感器
X024
缩口夹子张开
Y024
传出制定位置限位开关
X025
大放料门插入
Y025

小放料门插入
Y026

折边
Y027

缝口
Y030

输送带传出电机
Y031
注：鉴于PLC的输入输出点的个数可以选择PLC系列中的Fx2N-64MR-001型号。
4.3 PLC控制系统软件设计[16]-[25]
4.3.1水泥自动称量包装控制系统工艺流程
水泥自动称量包装系统可自动完成供袋、取袋、装袋、称重、输送等功能。水泥自动称量包装控制系统主要包括全自动称重单元、包装单元。通过反复实验调节大小放料门的流量保证2分钟内完成一袋水泥的包装，又本设计要求重量误差在正负0.5kg内，故使小放料门的滞后环节流体为0.5kg。水泥自动称量包装工艺流程如图4-3所示。

图4-3 水泥自动称量包装工艺流程图
Fig.4-3 cement automatic weighing packing flow chart
其主要工艺流程如下:物料自水泥散料容器输出口进入包装秤的给料装置，通过粗、细给料，实现粗、细两级加料。当秤斗中的物料重量达到最终设定值时，称重终端发出停止加料信号，待空中的飞料全部落入秤斗后此次称重循环结束，此时电子包装秤等待装袋机的投料信号。当自动装袋机完成上袋后，发出讯号，使称重箱打开卸料翻门，向包装袋内投料，卸料后称重箱关闭翻门，装袋机张开夹袋器，包装袋通过输送机进入下一