自动化生产线中分拣单元的设计毕业设计

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1、毕业论文毕业设计论文设计（论文）题目：自动化生产线中分拣单元的设计下 达 日 期： 2013 年 12 月 9 日开 始 日 期： 2013 年 12 月 9 日完 成 日 期： 2014 年 01 月 17 日指 导 教 师： 学 生 专 业： 电气自动化 班 级： 电气自动化1103班 学 生 姓 名： 教 研室主任： 电气工程 系陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书 一、 设计（论文）内容及要求：（一） 设计（论文）内容本设计要求完成自动化生产线中分拣单元的设计任务。分拣单元在自动化生产线中属于最后一个环节，能够将已经加工好的产品按照颜色、材质以及订单要求的装配组合进行分拣。本次设

2、计中，采用可编程控制器作为控制单元，结合气动装置、传感技术、位置控制等技术，对已经加工完成的产品进行自动分拣整个装置具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点。分拣单元采用台式结构，内置电源，有步进电机、汽缸、电磁阀、旋转编码器、气动减压器、滤清器、气压指示等部件，可与各类气源相连接。选用颜色识别传感器及对不同物料敏感的电容式和电感式传感器。（二） 物料分拣装置能实现如下3 种基本功能：1.分拣单元的工作目标是完成对白色芯金属工件、白色芯塑料工件和黑色芯的金属或塑料工件进行分拣。为了在分拣时准确推出工件，要求使用旋转编码器作定位检测。并且工件物料和芯体颜色属性应在推料气缸前的适应位置被检

3、测出来。2、分拣单元上电和气源接通后，若工作单元的三个气缸均处于缩回位置，则 “正常工作”指示灯HL1 常亮，表示分拣单元已准备好。否则，该指示灯以1Hz 频率闪烁。3、若分拣单元已准备好，按下启动按钮，系统启动，“分拣单元运行”指示灯HL2 常亮。当传送带入料口人工放下已装配的工件时，变频器立即启动，驱动传动电动机以频率固定为30Hz 的速度，把工件带往分拣区。如果工件为白色芯金属件，则该工件对到达1 号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到1 号槽中；如果工件为白色芯塑料，则该工件对到达2 号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到2 号槽中；如果工件为黑色芯，则该工件对到达3 号滑槽中间，传送带停

4、止，工件对被推到3 号槽中。工件被推出滑槽后，该工作单元的一个工作周期结束。仅当工件被推出滑槽后，才能再次向传送带下料。如果在运行期间按下停止按钮，该工作单元在本工作周期结束后停止运行。（二）要求1准备资料：a）自动化生产线操作手册及说明书；b)可编程序控制器c)自动检测与转换技术d)气动手册2系统工作过程分析3.硬件设计4.控制系统及软件设计5.整体系统调试6.结论二、 技术指标：1、 用S7-200PLC实现自动分拣装置控制要求，据体I/O分配表如下：2、 熟悉机械和电气部件的整体安装和调试。三、 完成设计报告：1、说明书2、摘要目录3、目的4、电气控制原理图（计算机出图）5、装置结构图6

5、、原理分析7、程序设计流程图8、梯形图程序9、参考资料陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书 进 程 计 划 表序号起止日期计划完成内容实际完成情况检查签名1 12.10-12.15资料收集查阅2 12.16-12.23分拣单元结构设计；分拣单元电气控制线路设计；312.24-12.230分拣单元气路设计；流程图设计412.31-01.11梯形图设计；分拣单元调试501.12-01.17书写设计报告；准备答辩；601.18-答辩 自动化生产线分拣单元的设计摘 要面对激烈的市场竞争，一个企业的生产效率是其能否生存和发展的决定性因素。要想提高生产效率就必须提高各个环节的效率，产品自动化控制系统

6、的使用是现在工业生产经常使用的控制系统之一。有没有自动分拣系统（Automated Sorting System）就成为判断条件之一，也是必须的条件。我国的自动分拣技术才开始起步，但是，自动分拣已逐渐成为工业生产主流，因为自动分拣是从货物进入分拣系统送到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动分拣装置来完成的。这种装置是由接受分拣指示情报的控制装置、计算机网络，把到达分拣位置的货物送到别处的搬送装置。本设计中，以PLC 作为主控制单元，结合气动装置、传感器、位置控制、变频器等技术，设计了一种成本低、效率高的物料自动分拣装置。在设计最后，将组态监控技术应用到项目中，通过组态软件，构建画面，模

7、拟现场实际，实现动态的监控。在实验室分拣单元上调试运行之后，该系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点，能够准确高效的完成加工物料的自动分拣，对其他设计也有一定的借鉴价值。关键词：可编程控制器,分拣装置,控制系统,传感器,定位控制THE DESIGN OF SORTING UNIT USED IN THE AUTOMATIC PRODUCTION LINEABSTRACT In the face of fierce market competition, an enterprises production efficiency is the decisive factor of i

8、ts survival and development.To improve the efficiency of production it is necessary to improve the efficiency of each link, the product is the use of automation control system now often use one of the control system of industrial production.Have become judge condition of automatic sorting system, is

9、 also a necessary condition. Automatic sorting technology in our country began to start, but, automatic sorting has gradually become mainstream, industrial production for automatic sorting from the goods into the distribution of the sorting system to the specified location, is in accordance with peo

10、ples instructions on automatic sorting device.This device is made to accept sorting instructions intelligence control device, computer network, the goods arrived at sorting position device to move elsewhere In this design, PLC as the main control unit, combined with pneumatic devices, sensors, such

11、as position control, inverter technology, designed a kind of low cost, high efficiency of materials automatic sorting device.In design in the end, the configuration monitoring technology is applied to the project, through the configuration software, constructing images, simulate the actual, dynamic

12、monitoring.Raised in laboratory sorting unit commissioning, the system has a high degree of automation, stable operation and the characteristics of high precision, easy to control, can accurate and efficient automatic sorting, finishing material also has certain reference value for other designKEY W

13、ORDS： programmable logic controller, sorting devices, control systems, sensors, positioning control.II目录摘 要IABSTRACTII1.绪论12.分拣单元的结构和工作过程22.1传送和分拣机构22.2电磁阀组和气动控制回路32.3传动带驱动机构33.分拣单元的结构组成设计33.1传感器33.1.1磁性开关43.1.2光电式接近开关53.1.3电感式接近开关53.1.4旋转编码器63.2西门子MM420变频器简介8.2.MM420 变频器的安装和接线8.2. MM420 变频器的BOP 操作面

14、板9.2. MM420 变频器的参数10.2. MM420 变频器的参数访问113.3西门子S7-200型PLC介绍123.3.1 S7-200系列可编程控制器133.3.2PLC选型134 分拣单元的PLC 控制及编程144.1工作任务144.2 PLC 的I/O 接线15.分拣单元的编程要点17.高速计数器的编程17.旋转编码器脉冲当量的测试。18.分拣单元程序结构204.5变频器输出的模拟量控制22.组态监控系统设计235.1MCGS组态软件概述235.2 MCGS组态软件的系统构成245.3 TPC7062KS 人机界面255.4分拣单元组态监控系统设计265.4.1 分拣单元人机界面

15、组态概况275.4.2 分拣单元人机界面组态步骤和方法28总结35致 谢36参考文献37附录1：分拣单元气动控制回路38附录2：分拣单元电气原理图38附录3：分拣单元PLC程序39 1.绪论分拣是把很多货物按品种从不同的地点和单位分配到所设置的场地的作业。按分拣的手段不同，可分为人工分拣、机械分拣和自动分拣。目前自动分拣已逐渐成为主流，因为自动分拣是从货物进入分拣系统送到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动分拣装置来完成的。这种装置是由接受分拣指示情报的控制装置、计算机网络，把到达分拣位置的货物送到别处的搬送装置。由于全部采用机械自动作业，因此，分拣处理能力较大，分拣分类数量也较多。随

16、着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个生产企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，尤其在需要进行物料分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，物料的自动分拣已成为企业的唯一选择。针对上述问题，利用 PLC 技术设计了一种成本低，效率高的物料自动分拣装置，在物料分拣过程中取得了较好的控制效果。物料分拣采用可编程控制器PLC 进行控制，能连续、大批量地分拣货物，分拣误差率低且劳动强度大大降低，可显著提高劳动生产率。而且，分拣系统能灵活地与其他物流分拣单元无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理。 其设计采用标准化、模块化的组装，

17、具有系统布局灵活，维护、检修方便等特点，受场地原因影响不大。PLC控制分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术等内容，是实际工业现场生产分拣单元的微缩模型。应用PLC技术结合气动、传感器和位置控制等技术，设计不同类型物料的自动分拣控制系统。该系统的灵活性较强，程序开发简单，可适应进行物料分拣的弹性生产线的需求。本文主要介绍了PLC控制系统的硬件和软件设计，以及一些调试方法。2.分拣单元的结构和工作过程分拣单元是自动化生产线 中的最末单元，完成对上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣。使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。当输送站送来工件放到传送带上并被入料口光电传感器检

18、测到时，即启动变频器，工件开始送入分拣区进行分拣。分拣单元主要结构组成为：传送和分拣机构，传动带驱动机构，变频器模块，电磁阀组，接线端口，PLC 模块，按钮/指示灯模块及底板等。其中，机械部分的装配总成如图2-1 所示。图2-1分拣单元外型图2.1传送和分拣机构传送和分拣机构主要由传送带、出料滑槽、推料（分拣）气缸、漫射式光电传感器、光纤传感器、磁感应接近式传感器组成。传送已经加工、装配好的工件，在被光纤传感器检测到并进行分拣。传送带是把机械手输送过来加工好的工件进行传输，输送至分拣区。导向器是用纠偏机械手输送过来的工件。两条物料槽分别用于存放加工好的黑色、白色工件或金属工件。传送和分拣的工作

19、原理：当输送站送来工件放到传送带上并被入料口漫射式光电传感器检测到时，将信号传输给PLC，通过PLC 的程序启动变频器，电机运转驱动传送带工作，把工件带进分拣区，如果进入分拣区工件为白色，则检测白色物料的光纤传感器动作，作为1 号槽推料气缸启动信号，将白色料推到1 号槽里；如果进入分拣区工件为黑色，检测黑色的光纤传感器作为2 号槽推料气缸启动信号，将黑色料推到2 号槽里，如果是金属工件被金属传感器检测到将其推到3 号槽里。自动生产线的加工结束2.2电磁阀组和气动控制回路分拣单元的电磁阀组使用了三个由二位五通的带手控开关的单电控电磁阀，它们安装在汇流板上。这三个阀分别对金属、白料和黑料推动气缸的

20、气路进行控制，以改变各自的动作状态。本单元气动控制回路的工作原理如图5-3 所示。图中1A、2A 和3A 分别为分拣1#气缸、分拣2#气缸和分拣3#气缸。1B1、2B1 和3B1 分别为安装在各分拣气缸的前极限工作位置的磁感应接近开关。1Y1、2Y1 和3Y1 分别为控制3个分拣气缸电磁阀的电磁控制端。图2-2分拣单元气动控制回路工作原理图23传动带驱动机构 传动带驱动机构机构如图5-2 所示。采用的三相减速电机，用于拖动传送带从而输送物料。它主要由电机支架、电动机、联轴器等组成 三相异步电动机是传动机构的主要部分，电动机转速的快慢由变频器来控制，其作用是带传送带从而输送物料。电机支架用于固定

21、电动机。联轴器由于把电动机的轴和输送带主动轮的轴联接起来，从而组成一个传动机构。3.分拣单元的结构组成设计3.1传感器在自动化生产线上各工作单元所使用的传感器都是接近传感器，它利用传感器对所接近的物体具有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号，因此，接近传感器通常也称为接近开关。接近传感器有多种检测方式，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、捕捉检测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利用磁石和引导开关的方式、利用光电效应和光电转换器件作为检测元件等等。YL-335B 所使用的是磁感应式接近开关（或称磁性开关）、电感式接近开关、漫反射光电开关和光纤型光电传感器

22、等。3.1.1磁性开关 YL-335B 所使用的气缸都是带磁性开关的气缸。这些气缸的缸筒采用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。在非磁性体的活塞上安装一个永久磁铁的磁环，这样就提供了一个反映气缸活塞位置的磁场。而安装在气缸外侧的磁性开关则是用来检测气缸活塞位置，即检测活塞的运动行程的。有触点式的磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件。舌簧开关成型于合成树脂块内，并且一般还有动作指示灯、过电压保护电路也塑封在内。图2-10 所示是带磁性开关气缸的工作原理图。当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开开关后，簧片失磁，触点断开。当触点闭合或断开时

23、发出电控信号，在PLC 的自动控制中，可以利用该信号判断推料及顶料缸的运动状态或所处的位置，以确定工件是否被推出或气缸是否返回。图3-1 带磁性开关气缸的工作原理图在磁性开关上设置的LED 显示用于显示其信号状态，供调试时使用。磁性开关动作时，输出信号“1”，LED 亮；磁性开关不动作时，输出信号“0”，LED 不亮。磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开它的紧固定位螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧固定螺栓。磁性开关有蓝色和棕色2 根引出线，使用时蓝色引出线应连接到PLC 输入公共端，棕色引出线应连接到PLC 输入端。磁性开关的内部电路如图3-2 中虚线框内所示。图3-

24、2磁性开关内部电路3.1.2光电式接近开关“光电传感器” 是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。光电式接近开关主要由光发射器和光接收器构成。如果光发射器发射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达光接收器的量将会发生变化。光接收器的敏感元件将检测出这种变化，并转换为电气信号，输出电信号传送到PLC 中。大多接近开关使用可视光（主要为红色，也用绿色、蓝色来判断颜色）和红外光。按照接收器接收光的方式的不同，光电式接近开关可分为对射式、反射式和漫射式3种.3.1.3电感式接近开关 电感式接近开关是利用电涡流效应制造的传感器。电涡流

25、效应是指，当金属物体处于一个交变的磁场中，在金属内部会产生交变的电涡流，该涡流又会反作用于产生它的磁场这样一种物理效应。如果这个交变的磁场是由一个电感线圈产生的，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，用于平衡涡流产生的磁场。利用这一原理，以高频振荡器（LC 振荡器）中的电感线圈作为检测元件，当被测金属物体接近电感线圈时产生了涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路（包括检波、放大、整形、输出等电路）将该变化转换成开关量输出，从而达到检测目的。电感式接近传感器工作原理框图如图33所示。图3电感式传感器原理框图接近开关的选用和安装中，必须认真考虑检测距离、设定距离.3.1.4旋转

26、编码器旋转编码器是通过光电转换，将输出把轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字信号的传感器，主要用于速度或位置（角度）的检测。典型的旋转编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形狭缝。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图3-4所示；通过计算每秒旋转编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。图3-4 旋转编码器原理示意图一般来说，根据旋转编码器产生脉冲的方式的不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。自动线上常采用的是增量式旋转编码器。增量式编码

27、器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B 和Z 相；A、B 两组脉冲相位差90，用于辩向：当A相脉冲超前B 相时为正转方向，而当B相脉冲超前A 相时则为反转方向。Z 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。如图3-5所示。YL-335B分拣单元使用了这种具有A、B 两相90相位差的通用型旋转编码器，用于计算工件在传送带上的位置。编码器直接连接到传送带主动轴上。该旋转编码器的三相脉冲采用NPN 型集电极开路输出，分辨率500 线，工作电源DC 1224V。本工作单元没有使用Z 相脉冲，A、B 两相输出端直接连接到PLC（S7-224XP AC/DC/RLY 主单元）的高速计数器输入端。图5 增量

28、式编码器输出的三组方波脉冲计算工件在传送带上的位置时，需确定每两个脉冲之间的距离即脉冲当量。分拣单元主动轴的直径为d=43 mm,则减速电机每旋转一周，皮带上工件移动距离L=d=3.1443=136.35 mm。故脉冲当量为=L/5000.273 mm。按如图6 所示的安装尺寸，当工件从下料口中心线移至传感器中心时，旋转编码器约发出430 个脉冲；移至第一个推杆中心点时，约发出614 个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出963个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出1284 个脉冲。图6传送带位置计算用图应该指出的是，上述脉冲当量的计算只是理论上的推算。实际上各种误差因素不可避免，例如传送带主

29、动轴直径（包括皮带厚度）的测量误差，传送带的安装偏差、张紧度，分拣单元整体在工作台面上定位偏差等等，都将影响理论计算值。因此理论计算值只能作为估算值。脉冲当量的误差所引起的累积误差会随着工件在传送带上运动距离的增大而迅速增加，甚至达到不可容忍的地步。因而在分拣单元安装调试时，除了要仔细调整尽量减少安装偏差外，尚须现场测试脉冲当量值。现场测试脉冲当量的方法，如何对输入到PLC 的脉冲进行高速计数，以计算工件在传送带上的位置，将结合本项目的工作任务，在PLC 编程思路中作介绍。3.2西门子MM420变频器简介.2.MM420 变频器的安装和接线西门子MM420（MICROMASTER420） 是用

30、于控制三相交流电动机速度的变频器系列。该系列有多种型号。YL-335B选用的MM420 订货号为6SE6420-2UD17-5AA1，外形如图 所示。该变频器额定参数为： 电源电压：380V480V，三相交流 额定输出功率：0.75KW 额定输入电流：2.4A 额定输出电流：2.1A 外形尺寸：A 型 操作面板：基本操作板（BOP）1.MM420 变频器的安装和拆卸在使用中，MM420 变频器通常安装在配电箱内的DIN 导轨上。 安装的步骤： 用导轨的上闩销把变频器固定到导轨的安装位置上。 向导轨上按压变频器，直到导轨的下闩销嵌入到位。 从导轨上拆卸变频器的步骤：取下。为了松开变频器的释放机构

31、，将螺丝刀插入释放机构中。 向下施加压力，导轨的下闩销就会松开。 将变频器从导轨上2.MM420 变频器的接线打开变频器的盖子后，接线端子在变频器机壳下盖板内，就可以连接电源和电动机的接线端子。（）频器主电路的接线YL-335B 分拣单元变频器主电路电源由配电箱通过自动开关（断路器）QF 单独提供一路三相电源，连接到图5-13 的电源接线端子，电动机接线端子引出线则连接到电动机。注意接地线PE 必须连接到变频器接地端子，并连接到交流电动机的外壳。（）频器控制电路的接线见图 37图-7 MM420 变频器方框图.2. MM420 变频器的BOP 操作面板图-15 所示是基本操作面板（BOP）的外

32、形。利用BOP可以改变变频器的各个参数。BOP 具有7 段显示的五位数字，可以显示参数的序号和数值，报警和故障信息，以及设定值和实际值。参数的信息不能用BOP 存储。参数如图3-1基本操作面板（BOP）备有8 个按钮，表3-8 列出了这些按钮的功能。表8 按钮功能.2. MM420 变频器的参数1、参数号和参数名称参数号是指该参数的编号。参数号用0000 到9999 的4 位数字表示。在参数号的前面冠以一个小写字母“r”时，表示该参数是“只读”的参数。其它所有参数号的前面都冠以一个大写字母“P”。这些参数的设定值可以直接在标题栏的“最小值”和“最大值”范围内进行修改。下标 表示该参数是一个带下

33、标的参数，并且指定了下标的有效序号。通过下标，可以对同一参数的用途进行扩展，或对不同的控制对象，自动改变所显示的或所设定的参数。2、参数设置方法用BOP 可以修改和设定系统参数，使变频器具有期望的特性，例如，斜坡时间，最小和最大频率等。选择的参数号和设定的参数值在五位数字的LCD 上显示。更改参数的数值的步骤可大致归纳为：查找所选定的参数号；进入参数值访问级，修改参数值；确认并存储修改好的参数值。图5-14 说明如何改变参数P0004 的数值。按照图中说明的类似方法，可以用BOP设定常用的参数。参数P0004（参数过滤器）的作用是根据所选定的一组功能，对参数进行过滤（或筛选），并集中对过滤出的

34、一组参数进行访问，从而可以更方便地进行调试。P0004 可能的设定值如表9 所示，缺省的设定值=0。表-9 参数P0004 的设定值假设参数P0004 设定值=0，需要把设定值改为3。.2. MM420 变频器的参数访问MM420 变频器有数千个参数，为了能快速访问指定的参数，MM420 采用把参数分类，屏蔽（过滤）不需要访问的类别的方法实现。实现这种过滤功能的有如下几个参数：（） 上面所述的参数P0004 就是实现这种参数过滤功能的重要参数。当完成了P0004的设定以后再进行参数查找时，在LCD 上只能看到P0004 设定值所指定类别的参数。（） 参数P0010 是调试参数过滤器，对与调试相

35、关的参数进行过滤，只筛选出那些与特定功能组有关的参数。P0010 的可能设定值为：0（准备），1（快速调试），2（变频器），29（下载），30（工厂的缺省设定值）；缺省设定值为0。（） 参数P0003 用于定义用户访问参数组的等级，设置范围为14，其中：“1” 标准级：可以访问最经常使用的参数。“2” 扩展级：允许扩展访问参数的范围，例如变频器的I/O 功能。“3” 专家级：只供专家使用。“4” 维修级：只供授权的维修人员使用具有密码保护。该参数缺省设置为等级1（标准级），对于大多数简单的应用对象，采用标准级就可以满足要求了。用户可以修改设置值，但建议不要设置为等级4（维修级），用BOP 或A

36、OP 操作板看不到第4 访问级的参数。3.3西门子S7-200型PLC介绍可编程控制器（Programmable Controller），简称PLC。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。可编程控制器具有能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单等优点，是当代工业生产自动化的主要手段和重要的自动化控制分拣单元。由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。美国电气制造商协会(NEMA)经过四年的调查工作，于1980年正式将可编程序控

37、制器命名为PC(Programmable Controller)，但为了与个人计算机PC（Personal Computer）相区别，常将可编程序控制器简称为PLC，并给PLC作了定义：可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动化控制装置。 1982年，国际电工委员会(International Electrical Committee，IEC)颁布了PLC标准草案第一稿，1985年提交了第2稿，并在1987年的第3稿中对PLC作了如下的定义：“PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环

38、境下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围分拣单元，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。” 上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。3.3.1 S7-200系列可编程控制器 德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲

39、最大的电子和电气分拣单元制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器在欧洲处于领先地位。其第一代可编程序控制器是于1975年投放市场的SIMATIC S3系列控制系统。 1979年微处理器技术被应用到可编程序控制器中后，产生了SIMATIC S5系列，随后在20世纪末又推出了S7系列产品。在2000年以前，西门子在中国市场的PLC产品主要是大中型PLC，日本的小型PLC占据了中国的大部分市场份额。最近几年来的小型PLC市场上S7-200PLC成了主流产品。1. CPU模块从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型可编程序控制器的发展，大致经历了两代： 第一代产品其CPU模块为C

40、PU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU站：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216，对第一代PLC产品不再作具体介绍。 第二代产品其CPU模块为CPU 22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配置的CPU站：CPU 221，CPU 222、CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加扩展模块。3.3.2PLC选型PLC的选择包括机型的选择、CPU的选择、1/0模块的选择、通讯模块选择等。柔性制造生产线实现教学平台主要选用西门子PLCS7-200系列。主要根据如下:(l)西门子PLC目前应用

41、比较成熟，技术上有保证，且有丰富的成功经验可以鉴戒，利于缩短系统开发的周期，降低成本。(2)选用该机型可以满足柔性自动化生产线工艺控制要求。(3)易于联网通信，配合上位计算机后容易形成一个多级的分布式控制系统，扩展比较容易。(4)两路高速脉冲输出能够满足加工工作站的步进电机控制。分拣单元PLC 选用S7-224 XP AC/DC/RLY 主单元，共14 点输入和10 点继电器输出。选用S7-224 XP 主单元的原因是，当变频器的频率设定值由HMI 指定时，该频率设定值是一个随机数，需要由PLC 通过D/A 变换方式向变频器输入模拟量的频率指令，以实现电机速度连续调整。S7-224 XP 主单

42、元集成有2 路模拟量输入，1 路模拟量输出，有两个RS-485 通信口。4 分拣单元的PLC 控制及编程4.1工作任务.分拣单元的工作目标是完成对白色芯金属工件、白色芯塑料工件和黑色芯的金属或塑料工件进行分拣。为了在分拣时准确推出工件，要求使用旋转编码器作定位检测。并且工件材料和芯体颜色属性应在推料气缸前的适应位置被检测出来。.分拣单元上电和气源接通后，若工作单元的三个气缸均处于缩回位置，则 “正常工作”指示灯HL1 常亮，表示分拣单元已准备好。否则，该指示灯以1Hz 频率闪烁。.若分拣单元已准备好，按下启动按钮，系统启动，“分拣单元运行”指示灯HL2 常亮。当传送带入料口人工放下已装配的工件

43、时，变频器立即启动，驱动传动电动机以频率固定为30Hz 的速度，把工件带往分拣区。如果工件为白色芯金属件，则该工件对到达1 号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到1 号槽中；如果工件为白色芯塑料，则该工件对到达2 号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到2 号槽中；如果工件为黑色芯，则该工件对到达3 号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到3 号槽中。工件被推出滑槽后，该工作单元的一个工作周期结束。仅当工件被推出滑槽后，才能再次向传送带下料。如果在运行期间按下停止按钮，该工作单元在本工作周期结束后停止运行。4.2 PLC 的I/O 接线根据工作任务要求，分拣单元机械装配和传感器安装如图 所示。图 分拣单

44、元机械安装效果图分拣单元装置侧的接线端口信号端子的分配如表 所示。由于用于判别工件材料和芯体颜色属性的传感器只须安装在传感器支架上的电感式传感器和一个光纤传感器，故光纤传感器2 可不使用。表 分拣单元装置侧的接线端口信号端子的分配分拣单元PLC 选用S7-224 XP AC/DC/RLY 主单元，共14 点输入和10 点继电器输出。选用S7-224 XP 主单元的原因是，当变频器的频率设定值由HMI 指定时，该频率设定值是一个随机数，需要由PLC 通过D/A 变换方式向变频器输入模拟量的频率指令，以实现电机速度连续调整。S7-224 XP 主单元集成有2 路模拟量输入，1 路模拟量输出，有两个

45、RS-485 通信口。可满足D/A 变换的编程要求（见项目六）。本项目工作任务仅要求以30Hz 的固定频率驱动电动机运转，只须用固定频率方式控制变频器即可。本例中，选用MM420 的端子“5”（DIN1）作电机启动和频率控制，PLC 的信号表见表3，I/O 接线原理图如图3 所示。表 分拣单元PLC 的 I/O 信号表为了实现固定频率输出，变频器的参数应如下设置： 命令源P0700=2（外部I/O），选择频率设定的信号源参数P1000=3（固定频率）； DIN1 功能参数P0701=16（直接选择 + ON 命令），P1001=30Hz； 斜坡上升时间参数P1120 设定为1 秒，斜坡下降时间

46、参数P1121 设定为0.2 秒。（注：由于驱动电动机功率很小，此参数设定不会引起变频器过电压跳闸）图3 分拣单元PLC 的I/O 接线原理图.分拣单元的编程要点.高速计数器的编程高速计数器的编程方法有两种，一是采用梯形图或语句表进行正常编程，二是通过STEP7-Micro/WIN 编程软件进行引导式编程。不论那一种方法，都先要根据计数输入信号的形式与要求确定计数模式；然后选择计数器编号，确定输入地址。分拣单元所配置的PLC 是S7-224XP AC/DC/RLY 主单元，集成有6 点的高速计数器，编号为HSC0HSC5，每一编号的计数器均分配有固定地址的输入端。同时，高速计数器可以被配置为1

47、2 种模式中的任意一种。如表4 所示。表4 S7-200PLC 的HSC0HSC5 输入地址和计数模式根据分拣单元旋转编码器输出的脉冲信号形式 (A/B 相正交脉冲，Z 相脉冲不使用，无外部复位和启动信号) ，由表5-11 容易确定，所采用的计数模式为模式9，选用的计数器为HSC0，B 相脉冲从I0.0 输入，A 相脉冲从I0.1 输入，计数倍频设定为4 倍频。分拣单元高速计数器编程要求较简单，不考虑中断子程序，预置值等。使用引导式编程，很容易自动生成了符号地址为“HSC_INIT”的子程序。其程序清单如图5 所示 图5子程序HSC_INIT 清单 在主程序块中使用SM0.1（上电首次扫描ON

48、）调用此子程序，即完成高速计数器定义并启动计数器。.旋转编码器脉冲当量的测试。根据传送带主动轴直径计算旋转编码器的脉冲当量，其结果只是一个近似值。在分拣单元安装调试时，除了要仔细调整尽量减少安装偏差外，尚须现场测试脉冲当量值。一种测试方法的步骤如下：.分拣单元安装调试时，必须仔细调整电动机与主动轴联轴的同心度和传送皮带的张紧度。调节张紧度的两个调节螺栓应平衡调节，避免皮带运行时跑偏。传送带张紧度以电动机在输入频率为1Hz 时能顺利启动，低于1Hz 时难以启动为宜。测试时可把变频器设置为在BOP 操作板进行操作（启动/停止和频率调节）的运行模式，即设定参数P0700 = 1（使能BOP 操作板上

49、的起动/停止按钮），P1000 = 1（使能电动电位计的设定值）。.安装调整结束后，变频器参数设置为：P0700 = 2（指定命令源为“由端子排输入”），P0701 = 16（确定数字输入DIN1 为“直接选择 + ON” 命令）P1000 = 3（频率设定值的选择为固定频率），P1001 = 25Hz（DIN1 的频率设定值）.在PC 机上用STEP7-Micro/WIN 编程软件编写PLC 程序。主程序清单见下图 图46 脉冲当量现场调试主程序运行PLC 程序，并置于监控方式。在传送带进料口中心处放下工件后，按启动按钮启动运行。工件被传送到一段较长的距离后，按下停止按钮停止运行。观察STE

50、P7-Micro/WIN 软件监控界面上VD0 的读数，将此值填写到表7 的“高速计数脉冲数”一栏中。然后在传送带上测量工件移动的距离，把测量值填写到表中“工件移动距离”一栏中；计算高速计数脉冲数/4 的值，填写到“编码器脉冲数”一栏中，则脉冲当量计算值=工件移动距离/编码器脉冲数，填写到相应栏目中。表7 脉冲当量现场测试数据重新把工件放到进料口中心处，按下启动按钮即进行第二次测试。进行三次测试后，求出脉冲当量平均值为：=（1+2+3）/3=0.2576。按安装尺寸重新计算旋转编码器到各位置应发出的脉冲数：当工件从下料口中心线移至传感器中心时，旋转编码器发出456 个脉冲；移至第一个推杆中心点

51、时，发出650 个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出1021 个脉冲；移至第三个推杆中心点时，约发出1361 个脉冲。上述数据4 倍频后，就是高速计数器HC0 经过值。在本项工作任务中，编程高速计数器的目的，是根据 HC0 当前值确定工件位置，与存储到指定的变量存储器的特定位置数据进行比较，以确定程序的流向。特定位置数据是：进料口到传感器位置的脉冲数为1824，存储在VD10 单元中（双整数）；进料口到推杆1 位置的脉冲数为2600，存储在VD14 单元中；进料口到推杆2 位置的脉冲数为4084，存储在VD18 单元中；进料口到推杆3 位置的脉冲数为5444，存储在VD22 单元中。可以使用

52、数据块来对上述V 存储器赋值，在STEP7-Micro/WIN 界面项目指令树中，选择 数据块用户定义1；在所出现的数据页界面上逐行键入V 存储器起始地址、数据值及其注释（可选），允许用逗号、制表符或空格作地址和数据的分隔符号。 注意：特定位置数据均从进料口开始计算，因此，每当待分拣工件下料到进料口，电机开始启动时，必须对HC0 的当前值（存储在SMD38 中）进行一次清零操作。.分拣单元程序结构.分拣单元的主要工作过程是分拣控制，可编写一个子程序供主程序调用，工作状态显示的要求比较简单，可直接在主程序中编写。.主程序的流程与前面所述的供料、加工等单元是类似的。但由于用高速计数器编程，必须在上

53、电第1 个扫描周期调用HSC_INIT 子程序，以定义并使能高速计数器。主程序的编制，见附录。.分拣控制子程序也是一个步进顺控程序，编程思路如下：当检测到待分拣工件下料到进料口后，清零HC0 当前值，以固定频率启动变频器驱动电机运转。梯形图如图 所示。当工件经过安装传感器支架上的光纤探头和电感式传感器时，根据2 个传感器动作与否，判别工件的属性，决定程序的流向。HC0 当前值与传感器位置值的比较可采用触点比较指令实现。完成上述功能的梯形图见图所示。 据工件属性和分拣任务要求，在相应的推料气缸位置把工件推出。推料气缸返回后，步进顺控子程序返回初始步。图8 分拣控制子程序初始步梯形图图9 在传感器

54、位置判别工件属性的梯形图4.5变频器输出的模拟量控制根据任务可知，变频器的速度由PLC 模拟量输出来调节（0-10V），启停由外部端子来控制。因此在项目五的任务基础上，变频器的参数要作相应得调整，要调整的参数设置如下表4-10：表4-10 变频器参数设置CPU 224XPCN 有一路模拟量输出，信号格式有电压和电流两种。电压信号范围是0-10V，电流信号是0-20MA， 在PLC 中对应的数字量满量程都是0-32000。如果使用输出电压模拟量则接PLC 的M、V 端，电流模拟量则接M、I 端。这里采用电压信号，见分拣站原理图所示。如何把触摸屏给定的频率转化为模拟量输出？变频器频率和PLC 模拟

55、量输出电压成正比关系，模拟量输出是数字量通过D/A 转换器转换而来，模拟量和数字量也成正比关系，因此频率和数字量是成正比关系，如下图4-11。由图可知，只要把触摸屏给定的频率640 作为模拟输出就可。该部分程序参考如下图4-12所示。图4-11频率和数字量关系图4-12 模拟量处理程序.组态监控系统设计5.1MCGS组态软件概述组态控制技术是一种计算机控制技术,采用组态技术构成的计算机系统在硬件设计上除采用工业PC机外,系统大量采用各种成熟通用的I/O接口设备和现场设备,基本不再需要单独进行具体电路设计,这样提高了工控系统的可靠性。MCGS(Monitor and Control Genera

56、ted System)是一套由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性

57、强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。5.2 MCGS组态软件的系统构成MCGS 5.5软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。图5-1 MCGS组态软件的系统结构Fig.5-1 The structure of MCGS configuration software

58、 MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。图5-2 MCGS组态软件组态环境和运行环境的关系Fig.5-2 The relationship of MCGS configuration and run environmentMCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS

59、 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程” 。MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。MCGS组态软件五大组成部分MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。5.3 TPC7062KS 人机界面分拣单元采用了昆仑通态研发的人机界面TPC7062KS。是一款在实时多任务嵌入式操作系统Windows CE 环境中运行，MCGS 嵌入式组态软件组态。该产品设计采用了7

60、 英寸高亮度TFT 液晶显示屏（分辨率 800480），四线电阻式触摸屏（分辨率40964096），色彩达64K 彩色。CPU 主板： ARM 结构嵌入式低功耗CPU 为核心，主频400MHz，64M 存储空间。TPC7062KS 人机界面的电源进线、各种通讯接口均在其背面进行。1TPC7062KS 触摸屏与个人计算机的连接在YL-335B 上，TPC7062KS 触摸屏是通过USB2 口与个人计算机连接的，连接之前，个人计算机应先安装MCGS 组态软件。当需要在MCGS 组态软件上把资料下载到HMI 时，只要在下载配置里，选择“连接运行” ，单击“工程下载”即可进行下载。2TPC7062KS

61、 触摸屏与S7-200 PLC 的连接在YL-335B 中，触摸屏通过COM 口直接与输送站的PLC（PORT1）的编程口连接。所使用的通讯线采用西门子PC-PPI 电缆，PC-PPI 电缆把RS232 转为RS485。PC-PPI电缆9 针母头插在屏侧，9 针公头插在PLC 侧。为了实现正常通讯，除了正确进行硬件连接，尚须对触摸屏的串行口0 属性进行设置，这将在设备窗口组态中实现，设置方法将在后面的工作任务中详细说明。5.4分拣单元组态监控系统设计设备的工作目标、上电和气源接通后的初始位置，具体的分拣要求，均与原工作任务相同，启停操作和工作状态指示，不通过按钮指示灯盒操作指示，而是在触摸屏上实现。这时，分拣站的I/O 接线原理如图5-3 所示。当传送带入料口人工放下已装配的工件时，变频器立即启动，驱动传动电动机以触摸屏给定的速度，把工件带往分拣区。频率在4050HZ 可调节。各料槽工件累计数据在触摸屏上给以显示，且数据在触摸屏上可以清零。根据以上要求完成人机界面组态和分拣程序的编写。图5-3 分拣站原理图5.4.1 分拣单元人机界面组态概况分拣站画面效果图如图5-4 所示。