基于s7-300plc物料分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p>　　學(xué) 院： 電子與電氣工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 自 動(dòng) 化 </p><p>　　學(xué) 生： </p><p>　　指導(dǎo)教師 ：

2、</p><p>　　完成日期 年 月</p><p>　　基于S7-300 PLC物料分揀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　Software Design of Material Sorting </p><p>　　System Based on S7-300 PLC</p><p>　　本 科

3、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）</p><p>　　基于S7-300 PLC物料分揀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　Software Design of Material Sorting </p><p>　　System Based on S7-300 PLC</p><p>　　學(xué) 院： 電子與電氣工程學(xué)院

4、</p><p>　　專 業(yè)： 自 動(dòng) 化 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師（職稱

5、）： </p><p>　　評(píng) 閱 教 師： </p><p>　　完 成 日 期： </p><p>　　基于S7-300 PLC物料分揀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p&

6、gt;<b>　　自動(dòng)化專業(yè) </b></p><p>　　[摘 要] 本文是基于西門子S7-300 PLC和西門子觸摸屏的物料分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用S7-300 PLC為控制器，以西門子觸摸屏為人機(jī)對(duì)話接口。通過分析控制系統(tǒng)的工藝流程，利用西門子編程軟件STEP 7完成了PLC的程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)機(jī)械手對(duì)物料的分揀功能。同時(shí)使用西門子HMI軟件Wincc Flexible設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)控畫面，定

7、義I/O設(shè)備，構(gòu)造數(shù)據(jù)庫，建立動(dòng)畫連接并與硬件系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試，在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。</p><p>　　[關(guān)鍵詞] 物料分揀；氣動(dòng)機(jī)械手；S7-300 PLC；觸摸屏</p><p>　　Software Design of Material Sorting </p><p>　　System Based on S7-300 PLC</p&g

8、t;<p>　　Automation Specialty XU Bao-hai</p><p>　　Abstract: This paper designs the material sorting system on the basis of Siemens S7-300 PLC and Siemens touch screen. S7-300 PLC is utilized as the con

9、troller and Siemens touch screen is adopted as the human machine interface conversation. By analyzing the control system process flows, PLC procedures are designed by means of Siemens’ programming software STEP 7, and th

10、e purpose of materials’ sorting function with pneumatic manipulator is achieved. Meanwhile, Siemens’ HMI software, Wincc Flexible</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1引言1</b&

11、gt;</p><p>　　1.1物料分揀系統(tǒng)的概述1</p><p>　　1.2物料分揀系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3研究的目的及意義1</p><p>　　2物料分揀系統(tǒng)的硬件分析2</p><p>　　2.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2</p><p>　　2.

12、1.1 物料分揀系統(tǒng)的分析2</p><p>　　2.1.2控制器的選型2</p><p>　　2.2空氣壓縮機(jī)的工作原理及使用3</p><p>　　2.3接近開關(guān)的工作原理3</p><p>　　2.4帶磁性開關(guān)的氣缸的工作原理4</p><p>　　2.5光纖傳感器的工作原理4</p&

13、gt;<p>　　2.6電控?fù)Q向閥的工作原理4</p><p>　　2.7NPN型電平與PNP型的轉(zhuǎn)換5</p><p>　　2.8物料分揀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)5</p><p>　　3物料分揀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)6</p><p>　　3.1PLC程序設(shè)計(jì)步驟6</p><p>　　3.2機(jī)械手移

14、動(dòng)的工藝流程7</p><p>　　3.3PLC程序的地址分配7</p><p>　　3.4程序流程圖的設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.4.1物料分揀系統(tǒng)的工作流程8</p><p>　　3.4.2程序流程圖的設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.5物料分揀系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)10</p>&

15、lt;p>　　3.5.1PLC的編程原則10</p><p>　　3.5.2STEP 7 V5.4編程軟件的使用10</p><p>　　3.5.3 程序的設(shè)計(jì)13</p><p>　　4HMI（觸摸屏）的應(yīng)用13</p><p>　　4.1HMI概述13</p><p>　　4.2HMI實(shí)現(xiàn)

16、方法和步驟13</p><p>　　4.2.1HMI組態(tài)13</p><p>　　4.2.2HMI與PLC的連接和傳送16</p><p><b>　　結(jié)束語18</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)19</b></p><p><b>　　引

17、言</b></p><p>　　隨著社會(huì)不斷的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也越來越激烈，因此，各大生產(chǎn)企業(yè)都迫切地需要改進(jìn)自己落后的生產(chǎn)技術(shù)，從而提高生產(chǎn)效率，特別是在要進(jìn)行物料自動(dòng)分揀的企業(yè)。以往一直采用半自動(dòng)分揀或人工分揀的方法，使生產(chǎn)效率非常低，生產(chǎn)成本非常高，導(dǎo)致企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力差。物料自動(dòng)分揀已成為了企業(yè)的唯一的選擇。針對(duì)上述問題，研究一種高效率的物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)勢(shì)在必行。本文提出一種利用S7-300 PL

18、C、氣動(dòng)機(jī)械手和傳感器融合技術(shù)設(shè)計(jì)了高效率、低成本的自動(dòng)物料分揀系統(tǒng)[1]。</p><p><b>　　物料分揀系統(tǒng)的概述</b></p><p>　　物料分揀采用可編程控制器PLC進(jìn)行控制，能連續(xù)、大批量地分揀物料，分揀誤差率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，可顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率[2]。而且，氣動(dòng)技術(shù)使用安全、可靠，可以在高溫、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射等惡劣情況下工作。

19、而氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[3]。所以，氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。所以，只要根據(jù)不同的分揀對(duì)象，對(duì)本系統(tǒng)稍加修改即可實(shí)現(xiàn)要求，非常方便。</p><p>　　物料分揀系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　國外物料分揀控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化方面取得成果，在這方面，日本、美國、德國等國的技術(shù)比較領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性

20、能優(yōu)異的自動(dòng)化裝置，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。近年來，在我國以信息化帶動(dòng)的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展，物料分揀系統(tǒng)已成為各行業(yè)系統(tǒng)控制中的重要地位，特別是在冶金、化工和機(jī)械等工業(yè)中。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方案已經(jīng)不滿足高質(zhì)量、高速度的要求。近年來我國的快速發(fā)展為此行業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)與廣闊的發(fā)展空間。這大大提高了工作的安全性、可靠性，不僅控制簡(jiǎn)便，而且控制精確，同時(shí)又降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。</p><p><b&g

21、t;　　研究的目的及意義</b></p><p>　　分揀系統(tǒng)中物料傳感器以及氣缸應(yīng)用自動(dòng)化設(shè)備更新時(shí)的需要，可以大量代替單調(diào)往復(fù)或高精度需求的工作，在先進(jìn)制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動(dòng)?？梢詫?shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。</p><

22、p>　　基于PLC的物料分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是以中央處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前在物料分揀控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式[4]。使用PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動(dòng)作精度高等優(yōu)點(diǎn)。隨著分揀系統(tǒng)自動(dòng)化發(fā)展的深度和廣度及機(jī)器人智能水平的提高，物料分揀系統(tǒng)已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。</p><p>　　物料分揀系統(tǒng)

23、的硬件分析</p><p><b>　　控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　控制系統(tǒng)是物料分揀系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它的基本功能是接收上位機(jī)傳來的控制指令信號(hào)，通過相應(yīng)控制程序轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。本文所研究的物料分揀系統(tǒng)采用順序控制與位置控制相結(jié)合的方式。</p><p>　　2.1.1 物料分揀系統(tǒng)的分析</p>&

24、lt;p>　　在物料分揀系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的大腦，負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、高效的運(yùn)行。本系統(tǒng)在控制方式上采用了觸摸屏與PLC結(jié)合的控制模式，如圖1所示。</p><p>　　利用PLC的高可靠性、模塊化結(jié)構(gòu)及編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，讓其作為完成實(shí)時(shí)采集和控制任務(wù)；另一方面利用個(gè)人計(jì)算機(jī)及其人機(jī)界面程序?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控功能。</p><p>　　圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖</p>

25、<p>　　在物料分揀控制系統(tǒng)中，觸摸屏負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、優(yōu)化、高效的運(yùn)行。主要有兩方面功能：一方面對(duì)PLC發(fā)送控制命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制；另一方面及時(shí)監(jiān)控PLC及其他設(shè)備的工作狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并且還應(yīng)具有良好監(jiān)視和模擬運(yùn)行功能。</p><p>　　物料分揀的控制由于PLC的參與，使得龐大而且復(fù)雜多變的控制系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單明了，使程序的編制、修改變得容易。物料分揀控制系統(tǒng)就其實(shí)現(xiàn)來說，不論是

26、硬件還是軟件部分，都應(yīng)滿足功能完備實(shí)用且工作穩(wěn)定可靠、具有良好的系統(tǒng)可擴(kuò)展性和維護(hù)性等基本要求[5]。</p><p><b>　　控制器的選型</b></p><p>　　PLC作為一種工業(yè)控制裝置，在科研、生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。要正確、合理的選擇PLC，這對(duì)控制系統(tǒng)的程序開發(fā)設(shè)計(jì)有非常重要的作用。</p><p>　　本次設(shè)

27、計(jì)的物料分揀系統(tǒng)中，總涉及輸入量26個(gè)，輸出量11個(gè)，及I/O點(diǎn)數(shù)總計(jì)為37個(gè)。輸入模塊可以采用一個(gè)32點(diǎn)輸入模塊或者兩個(gè)16點(diǎn)輸入模塊，輸出模塊采用一個(gè)16點(diǎn)輸出模塊。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用西門子S7-300 PLC，PLC系統(tǒng)硬件選型說明如表1所示[6]。</p><p>　　表1 PLC系統(tǒng)硬件配置</p><p>　　空氣壓縮機(jī)的工作原理及使用&

28、lt;/p><p>　　空氣壓縮機(jī)由壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣桶、氣壓儀表及啟停按鈕組成。啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，則其壓縮空氣使儲(chǔ)氣桶內(nèi)氣壓不斷增加，壓強(qiáng)值可從氣壓儀表上讀取，注意不要使儲(chǔ)氣桶內(nèi)氣壓達(dá)到產(chǎn)品所規(guī)定的氣壓上限值，否則會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)情況[7]?？諝鈮嚎s機(jī)的日常維護(hù)[8]。</p><p>　?。?）檢查安全閥功能是否正常；</p><p>　　（2）每日使用后排放儲(chǔ)氣桶內(nèi)水分（當(dāng)桶內(nèi)

29、壓力很小情況下做此操作）；</p><p>　?。?）壓縮機(jī)內(nèi)的油位不能過低，否則啟動(dòng)壓縮機(jī)會(huì)被燒壞。</p><p><b>　　接近開關(guān)的工作原理</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)使用的是LJ8A3-2-Z/BX電感式接近開關(guān)，電感式接近開關(guān)的工作原理圖如圖3所示。</p><p>　　電感式接近開關(guān)由三大部分組

30、成：振蕩器、開關(guān)電路、及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近這一磁場(chǎng)，并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，在金屬體內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減，以致停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級(jí)放大電路處理并轉(zhuǎn)化成開關(guān)信號(hào)，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制器件，從而達(dá)到非接觸式之檢測(cè)的目的。</p><p>　　圖3 電感式接近開關(guān)工作原理圖</p><p>　　這種接近開關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是金屬導(dǎo)電體。物體離傳感器越近

31、，線圈內(nèi)的阻尼就越大，阻尼越大，傳感器振蕩器的電流越小。</p><p>　　帶磁性開關(guān)的氣缸的工作原理</p><p>　　氣缸是一種氣動(dòng)元件，其種類很多。在機(jī)械手控制系統(tǒng)中主要用的氣缸為帶磁性開關(guān)的氣缸。</p><p>　　對(duì)于氣缸進(jìn)、排氣口，當(dāng)左邊進(jìn)氣，右邊排氣時(shí)，活塞向左運(yùn)動(dòng)，反之活塞向右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到位時(shí)，活塞上的永久磁鐵將使磁性開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)信息。&

32、lt;/p><p>　　當(dāng)磁鐵接近磁性開關(guān)時(shí)，磁性開關(guān)中的磁性開關(guān)閉合，電路導(dǎo)通，指示燈亮；反之，磁性開關(guān)斷開，指示燈滅。當(dāng)指示燈亮?xí)r，說明活塞運(yùn)動(dòng)到位。磁性開關(guān)電路原理圖如圖4所示。</p><p>　　圖4 磁性開關(guān)電路原理圖</p><p>　　光纖傳感器的工作原理</p><p>　　色標(biāo)傳感器常用于檢測(cè)特定色標(biāo)或物體上的斑點(diǎn)，它是通過與

33、非色標(biāo)區(qū)相比較來實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測(cè)，而不是直接測(cè)量顏色。色標(biāo)傳感器實(shí)際是一種反向裝置，光源垂直于目標(biāo)物體安裝，而接收器與物體成銳角方向安裝，讓它只檢測(cè)來自目標(biāo)物體的散射光，從而避免傳感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄[9]。白熾燈和單色光源都可用于色標(biāo)檢測(cè)。本次設(shè)計(jì)使用D11SN6FP光纖傳感器，其接線圖如圖5所示。</p><p>　　圖5 光纖傳感器接線圖</p><p>　　電控?fù)Q向

34、閥的工作原理</p><p>　　電控?fù)Q向閥是一種氣動(dòng)控制元件，簡(jiǎn)稱電磁閥。它是通過電控改變氣缸中進(jìn)氣和排氣方向，從而改變活塞運(yùn)動(dòng)方向的元件。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)使用的電控?fù)Q向閥為二位五通單電控?fù)Q向閥。二位五通表示有兩個(gè)工作位置和五個(gè)通氣口。單電控是指電磁閥通電時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)，改變氣體通路；斷電時(shí)，活塞不運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)原氣體通路。當(dāng)電磁閥線圈斷電時(shí)，依靠彈簧作用，活塞保持初始狀態(tài)，當(dāng)電

35、磁閥線圈通電時(shí)，活塞向左運(yùn)動(dòng)，即可通過電磁閥線圈的通電與斷電便可改變氣缸內(nèi)氣體流向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)的控制。</p><p>　　NPN型電平與PNP型的轉(zhuǎn)換</p><p>　　PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，雖然接線工作占的比重較小，大部分工作還是PLC的編程設(shè)計(jì)工作，但它是編程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有接線正確后，才能順利地進(jìn)行編程設(shè)計(jì)工作。</p><p>　　PLC中

36、數(shù)字量的輸入分為源型輸入和漏型輸入。本次設(shè)計(jì)所用的SM321數(shù)字量輸入模塊屬于漏型輸入，即電流從PLC的輸入端流進(jìn)，從公共端流出，也就是說公共端接外接電源的負(fù)極[10]。源型輸入與漏型輸入正好相反。</p><p>　　而此次設(shè)計(jì)所用的接近開關(guān)、傳感器都屬于NPN型，NPN集電極開路輸出為0V，當(dāng)輸出OUT端和PLC輸入相連時(shí)，電流從PLC的輸入端流出，從PLC的公共端流入，此為PLC的源型輸入。與此次設(shè)計(jì)所用的

37、模塊不符合，所以需要將NPN型轉(zhuǎn)換為PNP型。PNP型集電極開路輸出為高電平，當(dāng)輸出OUT端和PLC輸入相連時(shí)，電流從PLC的輸入端流入，從PLC的公共端流出，此形式符合本次設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　NPN型電平與PNP型的轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。</p><p>　　圖6 NPN型電平與PNP型的轉(zhuǎn)換電路圖</p><p><b>　　物料分揀系統(tǒng)的

38、結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)的物料分揀控制系統(tǒng)是一個(gè)用于自動(dòng)分撿不同物料的系統(tǒng)。主要設(shè)備有：計(jì)算機(jī)、觸摸屏（西門子TP170B 6）、PLC（西門子S7-300）和機(jī)械手工作臺(tái)，其中機(jī)械手工作臺(tái)主要包括以下部分：電源、空氣壓縮機(jī)、電感式接近開關(guān)、色標(biāo)傳感器、電控?fù)Q向閥、帶磁性開關(guān)的氣缸。</p><p>　　西門子S7-300 PLC是控制系統(tǒng)的控制器，通過編程實(shí)

39、現(xiàn)對(duì)機(jī)械手工作臺(tái)的控制，而且以組態(tài)軟件為開發(fā)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。</p><p>　　電源為PLC、電控閥、接近開關(guān)及傳感器提供電源，空氣壓縮機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力。通過磁性接近開關(guān)可以對(duì)氣缸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，而通過電控?fù)Q向閥可以改變氣缸的運(yùn)動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓取和松開物塊，及機(jī)械手大小臂前后、上下動(dòng)作，完成物料分揀任務(wù)。</p><p>　　色標(biāo)傳感器用來檢測(cè)物料的顏色，從

40、而使機(jī)械手分揀不同顏色的物料到不同的位置。機(jī)械手工作臺(tái)就是系統(tǒng)的被控對(duì)象，通過它實(shí)現(xiàn)物料的分揀?；赟7-300物料分揀系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖2所示。</p><p>　　圖2 基于S7-300 PLC物料分揀系統(tǒng)的實(shí)物圖</p><p>　　物料分揀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　電氣控制由最初的繼電器回路控制發(fā)展成為如今的可編程序控制器控制，是因?yàn)镻LC具有通用靈

41、活、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、易于編程、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中采用PLC控制，大大縮短了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試周期。</p><p><b>　　PLC程序設(shè)計(jì)步驟</b></p><p>　　PLC控制系統(tǒng)是以程序形式來實(shí)現(xiàn)其控制功能的，大量的工作時(shí)間將用在程序設(shè)計(jì)上。PLC程序設(shè)計(jì)可遵循以下五個(gè)步驟進(jìn)行[11]。</p><p>　?。?）確定被控系

42、統(tǒng)必須完成的動(dòng)作及完成這些動(dòng)作的順序；</p><p>　?。?）分配輸入輸出設(shè)備，即確定哪些外圍設(shè)備是傳送信號(hào)到PLC，哪些設(shè)備是接收來自PLC的信號(hào)，并將PLC的輸入、輸出端子對(duì)應(yīng)進(jìn)行分配；</p><p>　?。?）應(yīng)用編程工具設(shè)計(jì)PLC程序；</p><p>　　（4）對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，其中包括模擬調(diào)試和寫入PLC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試；</p><

43、p>　　（5）將已完成的程序固化到PLC中，完成編程過程。</p><p>　　機(jī)械手移動(dòng)的工藝流程</p><p>　　物料分揀系統(tǒng)中主要由傳感器和機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)物料的傳送與搬運(yùn)，而控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)中需要用到單電控的二位五通電磁閥，進(jìn)而對(duì)氣缸進(jìn)行控制，氣缸是否到位，用限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。機(jī)械手搬運(yùn)物料時(shí)的簡(jiǎn)單工作流程，如圖7所示。</p><p

44、>　　系統(tǒng)上電，接通空氣壓縮機(jī)給系統(tǒng)供氣。傳感器的檢測(cè)信號(hào)作為PLC的輸入信號(hào)，經(jīng)PLC程序處理后，由PLC輸出口輸出控制信號(hào)，控制電磁閥的接通，電磁閥做出相應(yīng)的機(jī)械動(dòng)作。打開氣路，驅(qū)動(dòng)氣缸的活塞運(yùn)動(dòng)，完成機(jī)械手臂的前移、下移、夾取動(dòng)作；限位開關(guān)檢測(cè)到相應(yīng)動(dòng)作到位后，再給PLC一個(gè)控制輸入信號(hào)，經(jīng)PLC程序處理后，使相應(yīng)的電磁閥關(guān)斷，氣缸恢復(fù)初始狀態(tài)，完成機(jī)械手臂的后移、上升、卸料動(dòng)作。</p><p>　

45、　圖7 機(jī)械手工作流程圖</p><p>　　PLC程序的地址分配</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的控制要求分配PLC中的地址。PLC程序的地址分配如表2所示。</p><p>　　表2 PLC程序的地址分配表</p><p><b>　　程序流程圖的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　物料分揀系統(tǒng)的

46、工作流程</p><p>　　分揀系統(tǒng)采用PLC控制。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，初始狀態(tài)為：物料傳送氣缸在最右限；機(jī)械手A大臂在最右限，小臂在上限，機(jī)械手處于松開狀態(tài)；傳送臺(tái)在最右限，傳送臺(tái)上的升降桿在上限；機(jī)械手B大臂在最右限，小臂在上限，機(jī)械手處于松開狀態(tài)；倉庫B1、倉庫B2均在最左限。</p><p>　　系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)后，按下開始按鈕，系統(tǒng)開始運(yùn)行，首先是倉庫A送料，

47、當(dāng)物料檢測(cè)器檢測(cè)到物料時(shí)，機(jī)械手A開始動(dòng)作，其動(dòng)作流程依次為：左移、下降、夾緊、延時(shí)2秒、上升、右移、下降、松開、延時(shí)2秒、上升；機(jī)械手A動(dòng)作完成后，傳送臺(tái)A（右端）傳感器檢測(cè)物料，檢測(cè)到物料后，其動(dòng)作流程依次為：左移、下降、右移、上升、延時(shí)2秒（A、B、C傳感器檢測(cè)）、左移、下降、右移、上升；當(dāng)物料送到傳送臺(tái)B（左端）處時(shí)，傳送臺(tái)B物料傳感器檢測(cè)，檢測(cè)到物料時(shí)，機(jī)械手B開始動(dòng)作，其動(dòng)作流程依次為：下降、夾緊、延時(shí)2秒、上升、左移、下降

48、、松開、延時(shí)2秒、上升、右移；A、B、C傳感器檢測(cè)到物料種類后，倉庫B1、倉庫B2分別右移，最終將倉庫A中的物料分揀到倉庫B中。</p><p>　　當(dāng)按下停止按鈕后，系統(tǒng)完成一個(gè)的周期的工作后自動(dòng)停止。當(dāng)按下緊急停車按鈕后，系統(tǒng)立即停止工作。物料分揀系統(tǒng)工作流程圖如圖8所示。</p><p>　　圖8 物料分揀系統(tǒng)工作流程圖</p><p><b>　　

49、程序流程圖的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的工作流程及控制要求設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的程序流程圖。其程序流程圖詳見附錄。</p><p>　　物料分揀系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　PLC的編程原則</b></p><p>　　PLC是由繼電接觸器控制發(fā)展而來的，但是與之相比，PLC的編程應(yīng)該遵

50、循以下基本原則[12]。</p><p>　?。?）外部輸入、輸出、內(nèi)部繼電器（位存儲(chǔ)器）、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等器件的觸點(diǎn)可多次重復(fù)使用。梯形圖的每一行都是從左側(cè)母線開始，線圈接在最右邊，觸點(diǎn)不能放在線圈的右邊。線圈不能直接與左側(cè)母線相連。</p><p>　?。?）同一編號(hào)的線圈在一個(gè)程序中使用兩次及以上（稱為雙線圈輸出）容易引起誤操作，應(yīng)盡量避免雙線圈輸出。</p><

51、p>　?。?）梯形圖程序必須符合順序執(zhí)行的原則，從左到右，從上到地執(zhí)行，如不符合順序執(zhí)行的電路不能直接編程。</p><p>　?。?）在梯形圖中串聯(lián)觸點(diǎn)、并聯(lián)觸點(diǎn)的使用次數(shù)沒有限制，可無限次地使用。</p><p>　　按照PLC的編程原則，根據(jù)物料分揀系統(tǒng)的工作流程及程序流程圖，按要求編寫程序。</p><p>　　STEP 7 V5.4編程軟件的使用&l

52、t;/p><p>　　在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要用到西門子公司的編程軟件STEP 7，本次設(shè)計(jì)所使用的是西門子公司STEP 7 V5.4版。STEP 7 V5.4版具有容易使用、直觀的用戶界面、組態(tài)取代了編程、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫等特點(diǎn)[13]。</p><p>　?。?）使用管理器向?qū)陆?xiàng)目</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的項(xiàng)目畫面如圖9所示。</p><p&g

53、t;<b>　　圖9 項(xiàng)目畫面</b></p><p><b>　?。?）硬件組態(tài)</b></p><p>　　S7-300實(shí)際硬件中機(jī)架配置模塊之間必須無間隙地插入到機(jī)架中。例外：對(duì)于只有一個(gè)機(jī)架的安裝，軟件組態(tài)表里槽3保持為空（為接口模塊保留），槽4至槽11可以組態(tài)其他的模塊。但實(shí)際的硬件中，將不允許有間隙，如果實(shí)際硬件有間隙，背板總線將被中

54、斷[14]。本次設(shè)計(jì)中只用到一個(gè)機(jī)架，其組態(tài)如圖10所示。</p><p>　　圖10 實(shí)際硬件組態(tài)與軟件組態(tài)圖</p><p>　?。?）使用符號(hào)定義變量</p><p>　　符號(hào)分為共享符號(hào)和局域符號(hào)。共享符號(hào)可以在符號(hào)表里定義，共享符號(hào)可以被所有的塊使用，在所有塊中的狀態(tài)是一樣的，共享符號(hào)在一個(gè)塊的總目錄中只能被定義一次。局域符號(hào)只是在指定塊的接口參數(shù)和聲明表

55、中定義，局域符號(hào)只是在被定義的塊使用有效。</p><p>　　在硬件組態(tài)中，I/O模塊一般使用默認(rèn)地址，在模塊中定義的地址應(yīng)與實(shí)際硬件的地址一一對(duì)應(yīng)。在編寫程序時(shí)可以使用絕對(duì)地址，也可以使用符號(hào)。在I/O點(diǎn)不多的情況下使用絕對(duì)地址編程很方便。但是如果I/O點(diǎn)比較多的時(shí)候使用符號(hào)編寫程序會(huì)更得心應(yīng)手。本次設(shè)計(jì)的部分符號(hào)表如圖11所示。</p><p><b>　　圖11 符號(hào)表圖

56、</b></p><p>　?。?）在OB1中創(chuàng)建程序</p><p>　　程序塊編寫程序視圖如圖12所示，圖中以O(shè)B1程序塊梯形圖視圖為例。</p><p><b>　　（5）下載</b></p><p>　　STEP7可以把用戶的組態(tài)信息和程序下載到CPU中。當(dāng)下載時(shí)需要把CPU面板的模式開關(guān)切換到“ST

57、OP”或“RUN-P”模式，下載信息中包含硬件組態(tài)信息或網(wǎng)絡(luò)組態(tài)信息等的系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)提示需要切換到停止?fàn)顟B(tài)下載。</p><p>　　圖12 OB1中創(chuàng)建程序簡(jiǎn)圖</p><p>　?。?）STEP 7與PLC通信連接的組態(tài)</p><p>　　STEP 7可以用下列硬件與PLC通信。</p><p>　　① PC/MPI適配器用于連接運(yùn)行

58、STEP 7的計(jì)算機(jī)的RS-232C接口和PLC的MPI接口。計(jì)算機(jī)一側(cè)的通信速率為19.2 kbit/s或38.4 kbit/s，PLC一側(cè)的通信速率為19.2 kbit/～1.5 Mbit/s。除了PC/MPI適配器，還需要一根RS-232C通信電纜。</p><p>　?、?USB/MPI適配器用于連接安裝了STEP 7的計(jì)算機(jī)的USB接口和PLC的MPI接口，特別適合于筆記本電腦使用。</p>

59、<p>　　用戶可以在安裝STEP 7時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)與PLC的通信組態(tài)，也可以在安裝好STEP 7之后，在SIMATIC管理器中執(zhí)行菜單命令設(shè)置。設(shè)置PG/PC接口對(duì)話框如圖13所示。</p><p>　　計(jì)算機(jī)在MPI網(wǎng)絡(luò)中默認(rèn)的站地址為0?！俺瑫r(shí)”選擇框用來設(shè)置與PLC建立連接的最長時(shí)間。</p><p>　?。?）仿真軟件PLCSIM</p><p>

60、;　　STEP 7的可選工具PLCSIM是一個(gè)PLC仿真軟件，能夠在PG/PC上模擬S7-300、S7-400系列CPU的運(yùn)行。</p><p>　　PLCSIM提供了方便、強(qiáng)大的仿真模擬功能。與真實(shí)的PLC相比，它的靈活性更高，提供了許多PLC硬件無法實(shí)現(xiàn)的功能，使用也更加方便。但是同時(shí)軟件無法取代真實(shí)的硬件，不可能實(shí)現(xiàn)完全仿真。這點(diǎn)用戶在使用時(shí)要注意，以免出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤。</p><p&

61、gt;　　圖13 “設(shè)置PG/PC接口”對(duì)話框</p><p>　　（8）具體STEP 7 V5.4編程軟件的具體使用請(qǐng)讀者查閱相關(guān)資料。</p><p>　　3.5.3 程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　按照PLC的編程原則，在編程軟件中根據(jù)系統(tǒng)的控制要求編寫程序，并在軟件中進(jìn)行離線模擬運(yùn)行。具體程序詳見附錄。</p><p>　　HMI（觸

62、摸屏）的應(yīng)用</p><p><b>　　HMI概述</b></p><p>　　HMI（Human Machine Interface）是西門子人際界面的總稱[15]。HMI不但可以與S7-200 CPU配合使用，還可以配合S7-300/400使用，也可以配合其他主流品牌CPU使用。HMI既可以顯示和修改CPU數(shù)據(jù)，也可以處理事件、報(bào)警等過程和歷史數(shù)據(jù)。其特點(diǎn)是：界

63、面友好，顯示直觀明了，操作方便，性能穩(wěn)定[16]。</p><p>　　西門子HMI種類有OP(操作員面板)、TP（觸摸屏）、MP（多功能站）、PC（基于PC站）。</p><p>　　HMI實(shí)現(xiàn)方法和步驟</p><p>　　此次設(shè)計(jì)包括PLC控制程序和HMI監(jiān)控組態(tài)界面，PLC控制程序通過“STEP 7 V5.4”軟件來實(shí)現(xiàn)，HMI監(jiān)控組態(tài)界面使用“Wincc

64、Flexible 2008”軟件進(jìn)行組態(tài)。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)所使用的觸摸屏為西門子TP170B 6。</p><p><b>　　HMI組態(tài)</b></p><p><b>　?。?）新建HMI站</b></p><p>　　在STEP 7項(xiàng)目“XBH2013”中，插入“SIMATIC

65、HMI Station”（人機(jī)界面站），在出現(xiàn)的界面中，選擇實(shí)際應(yīng)用的HMI型號(hào)，最后確認(rèn)。本次設(shè)計(jì)使用的是TP 170B 6，新建的HMI站如圖14所示。</p><p>　　圖14 新建HMI站</p><p>　?。?）HMI與CPU連接</p><p>　　在項(xiàng)目管理界面，選中STEP 7項(xiàng)目名稱“HMI”，然后雙擊右邊的“MPI（1）”圖標(biāo)，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)組態(tài)（

66、NetPro）界面進(jìn)行設(shè)置[17]。在設(shè)置過程中一定要注意地址的一一對(duì)應(yīng)，設(shè)置完成后的界面如圖15所示。</p><p>　　在圖15中，單擊保存編譯鍵，進(jìn)行保存和編譯，沒有錯(cuò)誤出現(xiàn)，則可進(jìn)行下一步的創(chuàng)建。</p><p>　　圖15 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)畫面</p><p>　?。?）進(jìn)入HMI畫面組態(tài)</p><p>　　下面以本次設(shè)計(jì)的運(yùn)行頁畫面為

67、例描述。運(yùn)行頁畫面如圖16所示。</p><p>　　在運(yùn)行頁畫面中，由指示燈、按鈕組成。指示燈作為監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行指示，按鈕可以控制物料分揀系統(tǒng)的開始、停止、緊急停車的運(yùn)行，切換畫面按鈕可以用來切換系統(tǒng)的不同畫面。指示燈及按鈕可以在工具中找到，而讓它們做出相應(yīng)的動(dòng)作則需要變量連接和動(dòng)畫連接。</p><p><b>　　圖16 運(yùn)行頁畫面</b></p>

68、<p>　　返回按鈕為切換畫面時(shí)使用，啟動(dòng)、停止和緊急停車鍵為操作系統(tǒng)時(shí)使用。返回按鈕連接如圖17所示。</p><p>　　在運(yùn)行頁畫面中的啟動(dòng)、停止、緊急停車按鈕和指示燈為物料分揀系統(tǒng)工作時(shí)使用，其連接需要使用變量。在Wincc Flexible軟件中可以使用兩種類型的變量：外部變量和內(nèi)部變量。</p><p>　　外部變量是HMI設(shè)備和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的媒介。在Winc

69、c Flexible中創(chuàng)建一個(gè)外部變量，必須為其指定與PLC程序中相同的地址，這樣HMI設(shè)備和PLC可以訪問同一映像寄存器，實(shí)現(xiàn)HMI設(shè)備與PLC之間的通信。</p><p>　　圖17 返回按鈕連接圖</p><p>　　內(nèi)部變量存貯在HMI設(shè)備的內(nèi)存中，不能直接與PLC通信。因此，只有這臺(tái)HMI設(shè)備能夠?qū)?nèi)部變量進(jìn)行讀寫訪問。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中ST

70、EP 7中的變量可以被Wincc Flexible直接使用。下面僅對(duì)指示燈的連接為例介紹。其連接圖如圖18所示。</p><p>　　圖18 指示燈連接圖</p><p>　　在同一站點(diǎn)中使用變量更方便，在Wincc Flexible中不需要再次建立變量，使用STEP 7中的變量與Wincc Flexible建立連接后，Wincc Flexible中會(huì)自動(dòng)生成變量。</p>

71、<p>　　HMI與PLC的連接和傳送</p><p>　　在調(diào)試HMI時(shí)，HMI與PLC連接有很多方法，如表3所示。</p><p>　　表3 HMI與PLC連接方法</p><p>　　第1種“HMISIM”，只能仿真HMI畫面的一些功能。</p><p>　　第2種“HMI Runtime”與“PLCSIM”，這種方法使用比較

72、方便，不受硬件設(shè)施限制，但是它不能完成項(xiàng)目的實(shí)際控制任務(wù)。</p><p>　　第3種“HMI Runtime”與“CPU315-2DP”，這種方法可以使HMI的選擇多樣化，“HMIRuntime”系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上完成，“CPU315-2DP”是有型實(shí)體，可以完成項(xiàng)目的控制任務(wù)。但是，它無法長期在工業(yè)現(xiàn)成工作，只能暫時(shí)完成項(xiàng)目的控制任務(wù)。“HMI Runtime”與“CPU315-2DP”通信是通過PC/PG的編程

73、電纜完成的。</p><p>　　第4種“TP170B”與“CPU315-2DP”，這種方式代表著很多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制方式?！癟P170B”與“CPU315-2DP”通信可以通過MPI方式，也可以通過DP方式[18]。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)運(yùn)用的是第3種控制方案，此方案運(yùn)用方便、靈活。只要稍加修改即可在實(shí)際工業(yè)中使用。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的運(yùn)行畫面如

74、圖19、圖20所示。</p><p>　　圖19 物料分揀系統(tǒng)主畫面</p><p>　　圖20 物料分揀系統(tǒng)運(yùn)行畫面</p><p>　　在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，可以使用切換畫面按鈕切換到不同的畫面，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，使用系統(tǒng)控制按鈕控制系統(tǒng)的運(yùn)行。</p><p>　　西門子HMI功能強(qiáng)大，其具體使用情況請(qǐng)讀者根據(jù)自己的使用情況查閱相關(guān)資料。

75、</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　物料分揀系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的物料進(jìn)行連續(xù)、大批量地分揀，分揀誤差率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，可顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。其特點(diǎn)使得物料分揀系統(tǒng)越來越得到重視和應(yīng)用，其未來的應(yīng)用領(lǐng)域和前景將更加寬廣。本設(shè)計(jì)完成的主要工作為以下幾點(diǎn)：</p><p>　　（1）對(duì)目前的物料分揀

76、系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，對(duì)比各種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及使用情況，設(shè)計(jì)了使用氣動(dòng)機(jī)械手為操作平臺(tái)的系統(tǒng)；</p><p>　?。?）運(yùn)用S7-300 PLC為控制核心，使用其模塊PS、CPU、SM321（DI）、SM322（DO）。同時(shí)圍繞外部硬件進(jìn)行程序的構(gòu)思；</p><p>　　（3）使用STEP 7軟件編寫程序，并進(jìn)行離線仿真，其調(diào)試已達(dá)到控制目的；</p><p>　?。?

77、）通過Wincc Flexible軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)界面和功能，完成上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)的控制；</p><p>　?。?）通過軟、硬件的整體調(diào)試實(shí)現(xiàn)了物料分揀系統(tǒng)的功能，并經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證了其可行性。</p><p>　　經(jīng)過本次設(shè)計(jì)，使我對(duì)本專業(yè)有了更深一層的理解，而且將大學(xué)所學(xué)的知識(shí)又系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)了一次，使自己具備了一定獨(dú)立思考問題、解決實(shí)際問題的能力。</p><p>

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