基于s7300plc物料分拣系统的设计Word文件下载.doc
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通过分析控制系统的工艺流程，利用西门子编程软件STEP7完成了PLC的程序设计，实现了气动机械手对物料的分拣功能。
同时使用西门子HMI软件WinccFlexible设计系统监控画面，定义I/O设备，构造数据库，建立动画连接并与硬件系统进行了联合调试，在触摸屏上实现了对系统的实时控制。
[关键词]物料分拣；
气动机械手；
S7-300PLC；
触摸屏
AutomationSpecialtyXUBao-hai
Abstract:
ThispaperdesignsthematerialsortingsystemonthebasisofSiemensS7-300PLCandSiemenstouchscreen.S7-300PLCisutilizedasthecontrollerandSiemenstouchscreenisadoptedasthehumanmachineinterfaceconversation.Byanalyzingthecontrolsystemprocessflows,PLCproceduresaredesignedbymeansofSiemens’programmingsoftwareSTEP7,andthepurposeofmaterials’sortingfunctionwithpneumaticmanipulatorisachieved.Meanwhile,Siemens’HMIsoftware,WinccFlexible,isusedtodesignmonitor-ingscreenofsystem,todefineI/Oequipments,toconstructthedatabase,tobuildanimationandtodebugon-linewithhardwaresystem.Intheend,thegoalofrealtimemonitoringforthesystemonthetouchscreenisachieved.
Keywords:
Materialsorting;
pneumaticmanipulator;
S7-300programmablelogiccontroller;
touchscreen
II
目录
1 引言 1
1.1 物料分拣系统的概述 1
1.2 物料分拣系统的国内外研究现状 1
1.3 研究的目的及意义 1
2 物料分拣系统的硬件分析 2
2.1 控制系统的设计 2
2.1.1物料分拣系统的分析 2
2.1.2 控制器的选型 2
2.2 空气压缩机的工作原理及使用 3
2.3 接近开关的工作原理 3
2.4 带磁性开关的气缸的工作原理 4
2.5 光纤传感器的工作原理 4
2.6 电控换向阀的工作原理 4
2.7 NPN型电平与PNP型的转换 5
2.8 物料分拣系统的结构 5
3 物料分拣系统的软件设计 6
3.1 PLC程序设计步骤 6
3.2 机械手移动的工艺流程 7
3.3 PLC程序的地址分配 7
3.4 程序流程图的设计 8
3.4.1 物料分拣系统的工作流程 8
3.4.2 程序流程图的设计 10
3.5 物料分拣系统程序的设计 10
3.5.1 PLC的编程原则 10
3.5.2 STEP7V5.4编程软件的使用 10
3.5.3程序的设计 13
4 HMI（触摸屏）的应用 13
4.1 HMI概述 13
4.2 HMI实现方法和步骤 13
4.2.1 HMI组态 13
4.2.2 HMI与PLC的连接和传送 16
结束语 18
参考文献 19
附录 20
致谢 29
III
1引言
随着社会不断的发展，市场竞争也越来越激烈，因此，各大生产企业都迫切地需要改进自己落后的生产技术，从而提高生产效率，特别是在要进行物料自动分拣的企业。
以往一直采用半自动分拣或人工分拣的方法，使生产效率非常低，生产成本非常高，导致企业的竞争能力差。
物料自动分拣已成为了企业的唯一的选择。
针对上述问题，研究一种高效率的物料自动分拣系统势在必行。
本文提出一种利用S7-300PLC、气动机械手和传感器融合技术设计了高效率、低成本的自动物料分拣系统[1]。
1.1物料分拣系统的概述
物料分拣采用可编程控制器PLC进行控制，能连续、大批量地分拣物料，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[2]。
而且，气动技术使用安全、可靠，可以在高温、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣情况下工作。
而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单，动作迅速、节能和不污染环境等优点[3]。
所以，气动机械手被广泛应用于各个行业。
所以，只要根据不同的分拣对象，对本系统稍加修改即可实现要求，非常方便。
1.2物料分拣系统的国内外研究现状
国外物料分拣控制系统发展迅速，并在智能化方面取得成果，在这方面，日本、美国、德国等国的技术比较领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的自动化装置，并在各行业广泛应用。
近年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，物料分拣系统已成为各行业系统控制中的重要地位，特别是在冶金、化工和机械等工业中。
传统的生产方案已经不满足高质量、高速度的要求。
近年来我国的快速发展为此行业的发展奠定了坚实的基础与广阔的发展空间。
这大大提高了工作的安全性、可靠性，不仅控制简便，而且控制精确，同时又降低了产品的成本，提高了生产效率。
1.3研究的目的及意义
分拣系统中物料传感器以及气缸应用自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。
它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。
可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。
基于PLC的物料分拣系统的设计，是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在物料分拣控制系统中使用最多的控制方式[4]。
使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。
随着分拣系统自动化发展的深度和广度及机器人智能水平的提高，物料分拣系统已在众多领域得到了应用。
2物料分拣系统的硬件分析
2.1控制系统的设计
控制系统是物料分拣系统的一个重要组成部分，它的基本功能是接收上位机传来的控制指令信号，通过相应控制程序转化为执行机构的运动。
本文所研究的物料分拣系统采用顺序控制与位置控制相结合的方式。
2.1.1物料分拣系统的分析
在物料分拣系统中，控制系统是整个系统运行的大脑，负责控制整个系统的协调、高效的运行。
本系统在控制方式上采用了触摸屏与PLC结合的控制模式，如图1所示。
利用PLC的高可靠性、模块化结构及编程简单等特点，让其作为完成实时采集和控制任务；
另一方面利用个人计算机及其人机界面程序实现监控功能。
图1系统的结构简图
在物料分拣控制系统中，触摸屏负责整个系统的协调、优化、高效的运行。
主要有两方面功能：
一方面对PLC发送控制命令，从而实现对机械手的控制；
另一方面及时监控PLC及其他设备的工作状态，对系统进行监控，并且还应具有良好监视和模拟运行功能。
物料分拣的控制由于PLC的参与，使得庞大而且复杂多变的控制系统变得简单明了，使程序的编制、修改变得容易。
物料分拣控制系统就其实现来说，不论是硬件还是软件部分，都应满足功能完备实用且工作稳定可靠、具有良好的系统可扩展性和维护性等基本要求[5]。
2.1.2控制器的选型
PLC作为一种工业控制装置，在科研、生产的诸多领域中得到越来越广泛的应用。
要正确、合理的选择PLC，这对控制系统的程序开发设计有非常重要的作用。
本次设计的物料分拣系统中，总涉及输入量26个，输出量11个，及I/O点数总计为37个。
输入模块可以采用一个32点输入模块或者两个16点输入模块，输出模块采用一个16点输出模块。
本次设计采用西门子S7-300PLC，PLC系统硬件选型说明如表1所示[6]。
表1PLC系统硬件配置
序号
名称
型号
说明
数量
1
电源模块
6ES7-307-1BA00-0AA0
PS307
2
CPU模块
6ES7-315-2AF03-0AB0
CPU315-2DP
3
数字量输入模块
6ES7-321-1BH02-0AA0
SM321DI16*DC24V
4
数字量输出模块
6ES7-322-1BH01-0AA0
SM322DO16*DC24V/0.5A
2.2空气压缩机的工作原理及使用
空气压缩机由压缩机、储气桶、气压仪表及启停按钮组成。
启动空气压缩机，则其压缩空气使储气桶内气压不断增加，压强值可从气压仪表上读取，注意不要使储气桶内气压达到产品所规定的气压上限值，否则会出现危险情况[7]。
空气压缩机的日常维护[8]。
（1）检查安全阀功能是否正常；
（2）每日使用后排放储气桶内水分（当桶内压力很小情况下做此操作）；
（3）压缩机内的油位不能过低，否则启动压缩机会被烧坏。
2.3接近开关的工作原理
本次设计使用的是LJ8A3-2-Z/BX电感式接近开关，电感式接近开关的工作原理图如图3所示。
电感式接近开关由三大部分组成：
振荡器、开关电路、及放大输出电路。
振荡器产生一个交变磁场，当金属物体接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属体内产生涡流，从而导致振荡衰减，以致停振。
振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转化成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测的目的。
图3电感式接近开关工作原理图
这种接近开关所能检测的物体必须是金属导电体。
物体离传感器越近，线圈内的阻尼就越大，阻尼越大，传感器振荡器的电流越小。
2.4带磁性开关的气缸的工作原理
气缸是一种气动元件，其种类很多。
在机械手控制系统中主要用的气缸为带磁性开关的气缸。
对于气缸进、排气口，当左边进气，右边排气时，活塞向左运动，反之活塞向右运动。
当活塞运动到位时，活塞上的永久磁铁将使磁性开关产生开关信息。
当磁铁接近磁性开关时，磁性开关中的磁性开关闭合，电路导通，指示灯亮；
反之，磁性开关断开，指示灯灭。
当指示灯亮时，说明活塞运动到位。
磁性开关电路原理图如图4所示。
图4磁性开关电路原理图
2.5光纤传感器的工作原理
色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。
色标传感器实际是一种反向装置，光源垂直于目标物体安装，而接收器与物体成锐角方向安装，让它只检测来自目标物体的散射光，从而避免传感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄[9]。
白炽灯和单色光源都可用于色标检测。
本次设计使用D11SN6FP光纤传感器，其接线图如图5所示。
图5光纤传感器接线图
2.6电控换向阀的工作原理
电控换向阀是一种气动控制元件，简称电磁阀。
它是通过电控改变气缸中进气和排气方向，从而改变活塞运动方向的元件。
本次设计使用的电控换向阀为二位五通单电控换向阀。
二位五通表示有两个工作位置和五个通气口。
单电控是指电磁阀通电时，活塞运动，改变气体通路；
断电时，活塞不运动，恢复原气体通路。
当电磁阀线圈断电时，依靠弹簧作用，活塞保持初始状态，当电磁阀线圈通电时，活塞向左运动，即可通过电磁阀线圈的通电与断电便可改变气缸内气体流向，从而实现对气缸活塞运动的控制。
2.7NPN型电平与PNP型的转换
PLC控制系统的设计中，虽然接线工作占的比重较小，大部分工作还是PLC的编程设计工作，但它是编程设计的基础，只有接线正确后，才能顺利地进行编程设计工作。
PLC中数字量的输入分为源型输入和漏型输入。
本次设计所用的SM321数字量输入模块属于漏型输入，即电流从PLC的输入端流进，从公共端流出，也就是说公共端接外接电源的负极[10]。
源型输入与漏型输入正好相反。
而此次设计所用的接近开关、传感器都属于NPN型，NPN集电极开路输出为0V，当输出OUT端和PLC输入相连时，电流从PLC的输入端流出，从PLC的公共端流入，此为PLC的源型输入。
与此次设计所用的模块不符合，所以需要将NPN型转换为PNP型。
PNP型集电极开路输出为高电平，当输出OUT端和PLC输入相连时，电流从PLC的输入端流入，从PLC的公共端流出，此形式符合本次设计的要求。
NPN型电平与PNP型的转换电路如图6所示。
图6NPN型电平与PNP型的转换电路图
2.8物料分拣系统的结构
本次设计的物料分拣控制系统是一个用于自动分捡不同物料的系统。
主要设备有：
计算机、触摸屏（西门子TP170B6）、PLC（西门子S7-300）和机械手工作台，其中机械手工作台主要包括以下部分：
电源、空气压缩机、电感式接近开关、色标传感器、电控换向阀、带磁性开关的气缸。
西门子S7-300PLC是控制系统的控制器，通过编程实现对机械手工作台的控制，而且以组态软件为开发平台，可实现触摸屏对整个系统的监控。
电源为PLC、电控阀、接近开关及传感器提供电源，空气压缩机为整个系统提供动力。
通过磁性接近开关可以对气缸运动进行控制，而通过电控换向阀可以改变气缸的运动方向，从而实现机械手抓取和松开物块，及机械手大小臂前后、上下动作，完成物料分拣任务。
色标传感器用来检测物料的颜色，从而使机械手分拣不同颜色的物料到不同的位置。
机械手工作台就是系统的被控对象，通过它实现物料的分拣。
基于S7-300物料分拣系统的实物图如图2所示。
图2基于S7-300PLC物料分拣系统的实物图
3物料分拣系统的软件设计
电气控制由最初的继电器回路控制发展成为如今的可编程序控制器控制，是因为PLC具有通用灵活、抗干扰性强、可靠性高、易于编程、使用方便等优点。
系统中采用PLC控制，大大缩短了系统的设计和调试周期。
3.1PLC程序设计步骤
PLC控制系统是以程序形式来实现其控制功能的，大量的工作时间将用在程序设计上。
PLC程序设计可遵循以下五个步骤进行[11]。
（1）确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序；
（2）分配输入输出设备，即确定哪些外围设备是传送信号到PLC，哪些设备是接收来自PLC的信号，并将PLC的输入、输出端子对应进行分配；
（3）应用编程工具设计PLC程序；
（4）对程序进行调试，其中包括模拟调试和写入PLC进行现场调试；
（5）将已完成的程序固化到PLC中，完成编程过程。
3.2机械手移动的工艺流程
物料分拣系统中主要由传感器和机械手来实现物料的传送与搬运，而控制系统是机械手的指挥系统。
控制系统中需要用到单电控的二位五通电磁阀，进而对气缸进行控制，气缸是否到位，用限位开关来实现检测。
机械手搬运物料时的简单工作流程，如图7所示。
系统上电，接通空气压缩机给系统供气。
传感器的检测信号作为PLC的输入信号，经PLC程序处理后，由PLC输出口输出控制信号，控制电磁阀的接通，电磁阀做出相应的机械动作。
打开气路，驱动气缸的活塞运动，完成机械手臂的前移、下移、夹取动作；
限位开关检测到相应动作到位后，再给PLC一个控制输入信号，经PLC程序处理后，使相应的电磁阀关断，气缸恢复初始状态，完成机械手臂的后移、上升、卸料动作。
图7机械手工作流程图
3.3PLC程序的地址分配
根据系统的控制要求分配PLC中的地址。
PLC程序的地址分配如表2所示。
表2PLC程序的地址分配表
西门子PLC（I/O）
物料分拣系统接口（I/O）
输
入
部
分
I0.0
仓库A左限开关
I0.1
传送台左限开关
I0.2
仓库A物料检测开关
I0.3
机械手A右限开关
I0.4
机械手A左限开关
I0.5
机械手A上限开关
I0.6
机械手A下限开关
I0.7
传送台A物料传感器
I1.0
传送台上限
I1.1
传送台下限
I1.2
紧急停车
I1.3
机械手B右限开关
I1.4
机械手B左限开关
I1.5
传送台B物料传感器
I1.6
机械手B上限开关
I1.7
机械手B下限开关
I12.0
A传感器
I12.1
B颜色传感器
I12.2
C颜色传感器
I12.3
仓库B1右限
I12.4
仓库B1左限
I12.5
仓库B2左限
I12.6
仓库B2右限
I12.7
开始
I13.0
停止
I13.1
传送台右限
出
Q4.0
仓库A物料传送（气缸0）
Q4.1
机械手A下移（气缸1）
Q4.2
机械手A夹紧（气缸2）
Q4.3
传送台左移（气缸3）
Q4.4
传送台下移（气缸4）
Q4.5
机械手B夹紧（气缸5）
Q4.6
机械手A左移（气缸6）
Q4.7
机械手B左移（气缸7）
Q5.0
机械手B下移（气缸8）
Q5.1
仓库B1右移（气缸9）
Q5.2
仓库B2右移（气缸10）
3.4程序流程图的设计
3.4.1物料分拣系统的工作流程
分拣系统采用PLC控制。
系统上电后，系统自动恢复到初始状态，初始状态为：
物料传送气缸在最右限；
机械手A大臂在最右限，小臂在上限，机械手处于松开状态；
传送台在最右限，传送台上的升降杆在上限；
机械手B大臂在最右限，小臂在上限，机械手处于松开状态；
仓库B1、仓库B2均在最左限。
系统恢复到初始状态后，按下开始按钮，系统开始运行，首先是仓库A送料，当物料检测器检测到物料时，机械手A开始动作，其动作流程依次为：
左移、下降、夹紧、延时2秒、上升、右移、下降、松开、延时2秒、上升；
机械手A动作完成后，传送台A（右端）传感器检测物料，检测到物料后，其动作流程依次为：
左移、下降、右移、上升、延时2秒（A、B、C传感器检测）、左移、下降、右移、上升；
当物料送到传送台B（左端）处时，传送台B物料传感器检测，检测到物料时，机械手B开始动作，其动作流程依次为：
下降、夹紧、延时2秒、上升、左移、下降、松开、延时2秒、上升、右移；
A、B、C传感器检测到物料种类后，仓库B1、仓库B2分别右移，最终将仓库A中的物料分拣到仓库B中。
当按下停止按钮后，系统完成一个的周期的工作后自动停止。
当按下紧急停车按钮后，系统立即停止工作。
物料分拣系统工作流程图如图8所示。
图8物料分拣系统工作流程图
3.4.2程序流程图的设计
根据系统的工作流程及控制要求设计本次设计的程序流程图。
其程序流程图详见附录。
3.5物料分拣系统程序的设计
3.5.1PLC的编程原则
PLC是由继电接触器控制发展而来的，但是与之相比，PLC的编程应该遵循以下基本原则[12]。
（1）外部输入、输出、内部继电器（位存储器）、定时器、计数器等器件的触点可多次重复使用。
梯形图的每一行都是从左侧母线开始，线圈接在最右边，触点不能放在线圈的右边。
线圈不能直接与左侧母线相连。
（2）同一编号的线圈在一个程序中使用两次及以上（称为双线圈输出）容易引起误操作，应尽量避免双线圈输出。
（3）梯形图程序必须符合顺序执行的原则，从左到右，从上到地执行，如不符合顺序执行的电路不能直接编程。
（4）在梯形图中串联触点、并联触点的使用次数没有限制，可无限次地使用。
按照PLC的编程原则，根据物料分拣系统的工作流程及程序流程图，按要求编写程序。
3.5.2STEP7V5.4编程软件的使用
在进行程序设计时，需要用到西门子公司的编程软件STEP7，本次设计所使用的是西门子公司STEP7V5.4版。
STEP7V5.4版具有容易使用、直观的用户界面、组态取代了编程、统一数据库等特点[13]。
（1）使用管理器向导新建项目
本次设计的项目画面如图9所示。
图9项目画面
（2）硬件组态
S7-300实际硬件中机架配置模块之间必须无间隙地插入到机架中。
例外：
对于只有一个机架的安装，软件组态表里槽3保持为空（为接口模块保留），槽4至槽11可以组态其他的模块。
但实际的硬件中，将不允许有间隙，如果实际硬件有间隙，背板总线将被中断[14]。
本次设计中只用到一个机架，其组态如图10所示。
图10实际硬件组态与软件组态图
（3）使用符号定义变量
符号分为共享符号和局域符号。
共享符号可以在符号表里定义，共享符号可以被所有的块使用，在所有块中的状态是一样的，共享符号在一个块的总目录中只能被定义一次。
局域符号只是在指定块的接口参数和声明表中定义，局域符号只是在被定义的块使用有效。
在硬件组态中，I/O模块一般使用默认地址，在模块中定义的地址应与实际硬件的地址一一对应。
在编写程序时可以使用绝对地址，也可以使用符号。
在I/O点不多的情况下使用绝对地址
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