题目：
机电一体化系统设计与组建
基于人机界面的物料自动分拣装置的PLC控制系统设计
姓名 学号
专业 机电一体化技术 年级 2012级 指导教师 完成时间 2014年11月11日
摘 要
物料自动分拣装置广泛应用于社会各行各业，如：物流配送中心、邮局、采矿、港口、码头、仓库……该装置的应用可以大大提高事业单位在该环节的生产效率。该装置主要使用PLC控制，PLC控制是目前工业上最常用的自动化控制方法，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体,专门为工业控制而设计,具有功能强、通用灵活、可靠性高、环境适应性强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点,因此在工业上的应用越来越广泛。
本文主要讲述在物料自动分拣系统中基于人机界面的PLC应用，利用可编程控制器( PLC),设计成本低、效率高的物料自动分拣装置。以西门子S7-200PLC为主控制器,WinCC flexible组态软件为监控软件，结合气动装置和传感器技术。现场控制物料的自动分拣。系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点,对不同的分拣对象,稍加修改本系统即可实现要求。
关键词:可编程控制器，气动装置，传感器，WinCC flexible组态软件
Abstract
Automatic material sorting device widely applied in all walks of life,such as: logistics distribution center, post office, mining, port, dock,warehouse...... The application of the device can greatly improve theinstitutions in the aspect of the production efficiency. The device is mainly the use of PLC control, the PLC control is the most commonly used industrial automation control method, which combines the traditional relay control technology, computer technology and communication technology integration, designed specifically for industrial control, strong functions, universal and flexible, high reliability and environmental adaptability, simple programming, small volume, convenient and light weight, low power consumption, a series of advantages to use, so the application in industry more and more widely.
This paper is mainly about PLC application based on human machine interface in the automatic sorting system, the use of programmable logic controller (PLC), automatic material sorting device design of low cost and high efficiency. Taking SIEMENS S7-200PLC as the main controller, the
WinCC flexible
configuration
software for monitoring
software, combined
with pneumatic deviceand sensor technology. Automatic sorting field control material. The system has a high degree of automation, stable operation, high precision, easy to control the characteristics of different sorting object, slightly modified the system requirements can be achieved.
Keywords: programmable controller, a pneumatic device, sensor,WinCC flexible configuration
software
目 录
第一章 绪论……………………………………………………………………………… 1
第一节 物料自动分拣的意义……………………………………………………… 1 第二节 设计任务要求……………………………………………………………… 1 一、功能要求 ………………………………………………………………… 1 二、设计要求 ………………………………………………………………… 2 第三节 设计任务分析……………………………………………………………… 2 第二章 物料自动分拣装置结构及总体设计方案……………………………………… 3
第一节 物料自动分拣装置总体结构……………………………………………… 3 一、总体结构示意图 ………………………………………………………… 3 二、上料机构 ………………………………………………………………… 3 三、分拣装置 ………………………………………………………………… 4 第二节 设计方案…………………………………………………………………… 5 一、上料机构 ………………………………………………………………… 5 二、分拣装置 ………………………………………………………………… 5 第三章 控制系统的硬件设计…………………………………………………………… 6
第一节 基本结构…………………………………………………………………… 6 第二节 主要组成部件……………………………………………………………… 6 一、PLC的型号选择…………………………………………………………… 6 二、电动机及变频器的选取和工作原理 …………………………………… 7 三、气动元件的选取及工作原理…………………………………………… 10 第四章 控制系统的软件设计…………………………………………………………… 15
第一节 I/O分配表………………………………………………………………… 15 第二节 PLC硬件接线图…………………………………………………………… 17 第三节 软件控制流程图…………………………………………………………… 18 第四节 顺序控制功能图…………………………………………………………… 19 第五节 PLC的控制程序…………………………………………………………… 19 一、开机清零与工作模式的选择 …………………………………………… 19 二、启动、自动/单循环、预停的程序……………………………………… 20 三、急停的程序 ……………………………………………………………… 20 四、警示灯的程序 …………………………………………………………… 21 五、计数的程序 ……………………………………………………………… 22 第五章 人机界面的设计………………………………………………………………… 23
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第一节 组态控制界面的设计……………………………………………………… 23 第二节 组态控制参数及通信参数的设置………………………………………… 23 一、连接的建立 ……………………………………………………………… 23 二、变量的生成 ……………………………………………………………… 24 三、按钮置位的设置 ………………………………………………………… 24 四、按钮复位的设置 ………………………………………………………… 24 五、系统输出部分的组态监控……………………………………………… 25 第三节 组态监控功能概述………………………………………………………… 26
第四节 物料自动分拣系统的调试………………………………………………… 26第六章 系统成本的估算………………………………………………………………… 27第一节 系统所使用的元件………………………………………………………… 27第二节 系统的总开支……………………………………………………………… 27 结束语 …………………………………………………………………………………… 28 致谢 ……………………………………………………………………………………… 29 参考文献 ………………………………………………………………………………… 30
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第一章 绪 论
第一节 物料自动分拣的意义
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，尤其在需要进行材料分拣的企业，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，材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，效率高的材料自动分拣装置，在材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设备无缝连接，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，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。同时，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。
PLC控制分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、组态控制技术等内容，是实际工业现场生产设备的微缩模型。
应用PLC技术结合气动、传感器和位置控制等技术，设计不同类型材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，可适应进行材料分拣的弹性生产线的需求。
第二节 设计任务要求
一、 功能要求
该控制系统应能使物料分拣具有自动循环、单循环、单动作三种工作方式，且能使各种工作方式不相互发生冲突；应能完成铁料、铝料、不同颜色的塑料分拣至不同料槽的控制要求；应具有启动、预停、急停和计数功能；应具有短路保护、过载保护、失压
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保护等功能。
二、 设计要求
应确定具体的控制过程、控制系统的总体及软件设计；确定PLC的型号规格；确定PLC各I/O元件；设计气动系统控制原理图；确定各气动元件；设计电动机及变频器的主电路及控制电路原理图；确定变频器型号及各电气元件；设计物料分拣系统的单动作手动程序、单循环程序、自动循环程序，故障报警和信号显示程序；利用组态的人机界面控制；上机调试程序；进行成本估算。
第三节 设计任务分析
分拣的物料都是圆柱形规则工件，我们可以先把物料装进一个垂直的套筒，然后就让物料在重力的作用下一个一个的向下移动到推料气缸前，再由气缸将物料推送至传送带。在这个过程中需要设计一个上料机构来完成这一步骤。接着物料到达传送带时，我们要把铁、铝、塑料（黄、蓝色）物料进行分拣，可以用各种传感器来进行物料识别，这就需要设计一个分拣装置。这两个装置可以用接触器控制，也可以用PLC控制，考虑到接线方面的麻烦，决定用PLC来控制整个流程！
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第二章 物料自动分拣装置结构及总体设计方案
第一节 物料自动分拣装置总体结构
一、 总体结构示意图
本装置是由上料机构和分拣机构构成，物料通过上料机构推送至传送带进行分拣。如图2.1所示。
图2.1 总体结构示意图
二、 上料机构
上料机构由料筒、漫反射光电传感器、安装支架、推料气缸、顶料气缸、警示灯等部分组成，如下图2.2所示。
图2.2 上料机构示意图
（一） 漫光电检测传感器SJ、SK：检测到有物料时，为PLC提供输入信号，实现气缸的顶料与推料；
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（二） 顶料气缸：将物料顶住；
（三） 推料气缸：将物料推送至传送带；
（四） 警示灯：设备急停或过载时警示红灯亮，设备正常运行时警示绿灯亮，料筒缺料时警示黄灯亮。
（五） 料筒：用于存放直径100mm的圆柱型工件，料筒侧面有观察槽。 （六） 5B1：顶料气缸复位磁性开关，为PLC提供提供输入信号，反馈顶料气缸的位置信息。
（七） 6B1：推料气缸复位磁性开关，为PLC提供提供输入信号，反馈推料气缸的位置信息。
（八） 安装支架：用于安装料筒和气缸。
三、 分拣装置
整个分拣装置由气动部件和电气部件两大部分组成。气动部分由空气压缩机、气动三联件、气缸等部件组成；电气部分由PLC、电感传感器、电容传感器、颜色传感器、光电传感器、三相异步电动机、开关电源、电磁阀等部件组成。其外形结构、各传感器位置见图2.1。
（一） SG:漫反射光电传感器,当物料被推送至传送带入料口时，为PLC提供输入信号。
（二） SC:电感式传感器,检测铁材料，检测距离为2—5cm。 （三） SD:电容传感器,检测铝材料，检测距离为2—5cm。
（四） SE:颜色传感器,用于检测非金属的蓝色物料，检测距离为3—8cm,检测 距离可通过传感器放大器的点位器调节。
（五） SF：漫反射光电传感器传感器，用于检测分拣剩余的黄色塑料物料。 (六) 1B1：磁性开关，气缸缩回到位时，为PLC提供输入信号。 (七） 1B2：磁性开关，气缸伸出到位时，为PLC提供输入信号。 （八） 1号料槽：用于放置铁物料。 （九） 2号料槽：用于放置铝物料。 （十） 3号料槽：用于放置蓝色塑料物料。 （十一） 4号料槽：用于放置黄色塑料物料。
（十二） 传送带：由三相异步电动机拖动，将物料输送到相应的分拣位置。 （十三） 三相异步电动机：为传送带提供动力，由变频器控制。
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第二节 设计方案
一、 上料机构
启动后，气缸缩回复位，推料气缸光电传感器检测到物料，顶料气缸伸出顶住次层物料。定时器延时2秒后，推料气缸伸出将物料推送到传送带。传送带入料口传感器得到信号，推料气缸缩回，待单次循环结束后，顶料气缸缩回到位，料仓物料在重力作用下自动向下移动一个工件。若顶料气缸传感器未检测到物料，此时黄灯亮，加入物料黄灯灭。
二、 分拣机构
当传送带入料口漫射式光电传感器检测到物料时，将信号传输给PLC，通过PLC 的程序启动变频器，三相异步电动机正转驱动传送带工作，将工件输送至分拣区，当料槽一电感传感器检测到铁物料时，推料一号气缸动作，将铁物料推入一号料槽，并计数；当料槽二电容传感器检测到铝物料时，推料二气缸动作，将铝物料推入二号料槽，并计数；当料槽三颜色传感器检测到蓝色物料时，推料三气缸动作，将蓝色物料推入三号料槽，并计数；当料槽四漫反射光电传感器检测到分拣剩余的黄色物料时，推料四气缸动作，将黄色物料推入料槽，并计数。分拣装置的一个自动分拣周期结束。
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第三章 控制系统的硬件设计
第一节 基本结构
硬件部分由传感器、可编程控制器、变频器、气缸、三相异步电动机、气体压缩机组成，他们之间的关系如图3.10所示。
图3.10 系统的硬件结构框图
第二节 主要组成部件
一、 PLC的型号选择
根据输入输出点数合理选择PLC，由I/O分配表4.1可知使用输入点为24点，使用输出点为10点，考虑到以后使用中的升级、添加功能的需要，点数应略多于现用的点数。对比下表3.1可知。
表3.1 S7-200主要技术指标
特性 外形尺寸 本机I/O 数字量 扩展模块 I/O映象区 CPU221 90×80×62 6入/4出 0个模块 CPU222 90×80×62 8入/6出 2个模块 CPU224 120.5×80×62 14入/10出 7个模块 CPU226 190×80×62 24入/16出 7个模块 256（128入/128出） 西门子S7-200系列中CPU226 DC/DC/DC有24个输入点和16个输出点，输入输出点较多。所以选择6ES7 216-2AD23-0XB8 CPU226 S7-200CN型号的PLC作为自动分拣装置所用可编程控制器。
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二、 电动机及变频器的选取和工作原理
（一） 电动机的工作原理
电动机(Motors)是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线(磁场方向)方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。 （二） 电动机的选择
电动机主要带动传送带，要想选择合适的电动机，必须考虑到传送带的工作压力和输送的速度。由于传送带上有五个传感器，所以传送带上最多同时有五个工件，假设都是铁，已知工件的底面直径为100mm，高20mm,密度为7.9103kg/m3。
由已知条件可以计算传送带上物料的重量：
M=5×S×h×=5×3.14×0.05 ×0.02×7.9×103=6.2kg
传送带总长4m,厚0.008m，宽0.15m。材质为橡胶，密度为1.6103kg/m3，传送带重量为：
40.150.0081.6103=7.68kg
2所以传送带的工作压力：
F=（6.2+7.68)×10=138.8N
假设传送带的速度V=0.8m/s，卷筒的直径D=100mm。 1） 确定工作机需要的功率pw和卷筒的转速nw
pw=FV=0.11kw
1000 601000V=152.87r/min nw=
3.14D2） 初定电机类型和转速
初估系统的总效率为0.8-0.9,需要电动机功率为，
pwpd=
总=0.12～0.14kw
根据Ped≥Pd，则可以选用的电机有Y2-71M1-2、Y2-71M2-2、Y2-71M1-4、Y2-71M2-4四种。以这四种方案做一比较见下表3.2，综合考虑到装置各方面的因素，拟选用电动机的型号为Y2-71M2-4，该电动机的额定功率ped=0.37kw,转速nd =1330r/min.
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表3.2 电机的型号与参数
方案 1 2 3 4 电动机型号 Y2-71M1-2 Y2-71M2-2 Y2-71M1-4 Y2-71M2-4 额定功率/kw 0.37 0.55 0.25 0.37 满载转速 r/min 2740 2740 1330 1330 额定电流 6.1 6.1 5.2 5.2 3） 电动机的主电路图
电动机的主电路由刀开关QS、熔断器FU、热继电器FR、变频器组成，它的接线图如图3.11。
图3.11 电动机主电路图接线图
合上刀开关QS后，电路通路，变频器得电，控制电动机的转动。当电路过载或短
路时，熔断器FU和热继电器FR会切断电路，起到保护电路的作用。 (三) 变频器的选择 1) 变频器工作原理
变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。
2）选择变频器的型号
考虑到变频器使用的功能以及各系列变频器的特点，最终决定使用西门子
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MicroMaster 440系列的变频器。该型号变频器有以下几个优点：
① 易于安装调试；
② 可由IT中性点不接地电源供电；
③ HMI纯文本面板简化了操作，并支持使用多种外国语言； ④ 动态驱动和制动； ⑤ 具有各种控制和制动类型； ⑥ 具有通信功能；
⑦ 各种通讯接口可确保能够用于最常见的网络应用。
⑧ 具有过电压/欠电压保护、变频器过热保护、接地故障保护、短路保护。 变频器主要是用来控制输送带的电动机，因为所选电动机的功率是0.37kw,且西门子MicroMaster 440系列的变频器工作的功率范围是120W～200kw,足够安全，所以选用西门子MicroMaster 440系列变频器。 3) 硬件连接
① 三角形连接为：变频器U、V、W端分别接入电机的U1、V1、W1,电机端U1接V2,V1接W2,W1接U2。
图3.12 变频器硬件端子图
② 变频器控制端口连接为：端子5（DIN1）为正转，端子6（DIN2）为反转，PLC端子公共端接入端子9（lso24V），端子1（10V）和端子2（0V）给电位器供电，端子3(A1N1+)接电位器中间滑点，端子4（A1N11-）接电位器负极以及端子2（0V）。
③ 变频器连接为：L1、L2、L3分别接入三相电源的L1、L2、L3。 4) 参数设置
电动机的参数设置如下表3.3所示。
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表3.3 电动机参数设置
参数设置 出厂值 P0003 P0010 P0100 P0304 P0305 P0307 P0308 P0310 P0311 1 0 0 230 3.25 0.75 0 50 0 设置值 1 1 0 380 5.2 0.37 0.8 50 1310 说明 设用户访问级为标准级 快速调试 工作地区，功率KW表示，频率50HZ 电动机额定电压V 电动机额定电流A 电动机额定功率KW 电动机额定功率因素cos 电动机额定频率Hz 电动机额定转速r/min 设置完成后，P0010设置为0，变频器处于准备状态，可正常运行。 5) 电位器的选择
电位器的工作原理：首先在应该选用正比例变化线性的电位器，这种电位器的转动角度基本上跟电阻值的变化成正比例，这样根据电阻器的分压原理，就可以实现旋转角度大小转变成电压大小了。选择的型号是LA42DWQ-22 10K。
三、 气动元件的选取及工作原理
（一） 气动回路原理
图3.13 气动回路图
（二） 气源装置
由于气路图是并联连接，所以只要计算出最大压力就是气源需要的压力。气动系统
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装置中，经过分析，顶料气缸需要的压力最大，而且当顶铁物料时需要的压力最大。假设料筒可以装20个物料，已知工件的底面直径为100mm，高20mm，密度为7.9×103kg/m。
由已知条件可以计算出当顶铁物料时，料筒中物料的总重量为，
M=20×S×h×=20×3.14×0.052×0.02×7.9×103=24.8kg
经查资料可知铁与塑料的摩擦因数为0.25，所以要想物料不落下，气缸所需要的顶力FN，由力的平衡方程可得：
μFn=mg
3Fn=
mg=992N μ 考虑到各种元器件之间的摩擦，最终选择需要的最大压力必须大于992N。
空压机的选用是以气压传动系统所需要的工作压力和流量两个参数为依据，根据计算，可选用额定排气压力为0.7~1MPa的低压空气压缩机。输出流量根据整个气动系统对压缩空气的需要，再加一定的备用余量，作为选择空气压缩机流量的依据。根据估算，选择（流量1～10m3/min）的小型空气压缩机。品牌名称：捷顺。型号：js-4003。排气量：0.15/ m3 ，最大工作压力：0.8MPa。 （三） 执行元件
执行元件主要是气缸，选择双作用气缸，它的工作原理及特点是：压缩空气驱动活塞沿轴线双方向运动，活塞杆伸出和返回的伸出力和速度不相等，压缩空气消耗量也不相等。如图3.14所示。
图3.14 双作用气缸
我们选用的气缸品牌是亚德客。依据压力换算公式1Kgf/cm2=9.80665N/0.0001m2=98066.5Pa和表3.4，顶料气缸选用SC80×25型号，其余气缸选用SC32×150型号。
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表3.4 亚德客部分双作用气缸参数
型号 缸径（mm） 活塞缸外径 （mm） 25 25 12 受压面积 空气压力（压（cm2） 3 3 4 侧）Kgf/cm2 150.78 150 32.16 空气压力（外径）Kgf/cm2 136.08 136.08 32.16 SC80×25 SC80×150 SC32×150 (四) 控制元件
80 80 32 气动部分主要的控制元件是二位四通单电控电磁换向阀。它的工作原理是利用电磁铁推力和复位弹簧控制阀芯运动，借助阀芯和阀体之间的相对运动，使之与阀体相连的进气管与排气管实现压缩空气的接通、切断和换向。考虑到压力、流量，所以决定选用天榆牌，型号为Q24DH-8 DC24V。它的气动符号图如图3.15所示。
图3.15 二位四通单电控电磁换向阀
（五） 辅助元件 1） 气源调节装置
气源调节装置由过滤器、减压阀和油雾器三部分组成，简称为气动三联件。过滤器用于从压缩空气中进一步除去水分和固体杂质粒子等，减压阀用于将进气调节系统所需的压力；油雾器可以把油滴喷射到压缩空气中，以便对气动元件进行润滑。选择亚德客品牌，型号为AC2000。它的连接图如图3.16所示。
图3.16 气动三联件
2） 单向节流阀
单向节流阀作用是只允许气体沿一个方向流动，反之则被截止。节流阀利用阀芯与阀口之间的缝隙大小来控制流量，缝隙越小，节流出过流面积越小，通过流量就越少；缝隙越大，通过的流量就越大。单向阀与节流阀就组成了单向节流阀，它只适用于执行元件负载变化很小且速度稳定性要求不高的场合。选择品牌为SMC,型号是AS1201F-M5-04。它的图形符号如图3.17所示。
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图3.17 单向节流阀
（六） 检测元件的选取及工作原理 1） 磁性传感器
磁性传感器(简称磁性开关)是一种非接触式位置检测开关，它的工作原理：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。选择品牌为SMC，型号是D-C73。该元件位于系统中各气缸的头尾两端，共有12个，用于检测气缸是否动作到位和复位，并为PLC提供输入信号。其图形符号如图3.18所示。
图3.18 磁性传感器
2） 光电传感器
光电传感器工作原理，在工作时，光电传感器始终发射检测光，若接近开关前方一定距离内没有物体，则没有光被发射到接收器，光电开关处于常态而不动作；反之若接近开关的前方一定距离内出现物体，只要发射回来的光强度足够，则接收器接收到足够的漫射光就会使接近开关动作而改变输出的状态。选择品牌为SICK，型号为CDD-11N NPN。该元件位于系统的上料机构、传送带入料口、气缸四前，共有4个，用于检测物料，并为PLC提供输入信号。其图形符号如图3.19所示。
图3.19 光电传感器
3） 电感传感器
电感传感器的工作原理，它是利用电涡流效应制成的有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理器组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生电涡流。这个电涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。选择品牌为OMDHON，型号为PR18-8DN。该元件位于系统的气缸一前，共有1个，用于检测铁物料，并为PLC提供输入信号。其图形符号如图3.20所示。
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图3.20 电感传感器
4） 电容传感器
电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过测量电路将电容量的变化转换成电信号输出。选择品牌为QW前卫，型号为CM18-3008NA。该元件位于系统的气缸二前，共有1个，用于检测铝物料，并为PLC提供输入信号。其图形符号如图3.21所示。
图3.21 电容传感器
5） 颜色传感器
颜色传感器是将物体颜色同前面已经示教过的参考颜色进行比较来检测颜色的机器我们称之为颜色传感器 。颜色传感器是通过将物体颜色同前面已经示教过的参考颜色进行比较来检测颜色，当两个颜色在一定的误差范围内相吻合时，输出检测结果。品牌为宇铭，型号为E18-F10NK。该元件位于系统的气缸三前，共有1个，用于检测材质为蓝色塑料的物料，并为PLC提供输入信号。其图形符号如图3.22所示。
图3.22 颜色传感器
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第四章 控制系统的软件设计
第一节 I/O分配表
根据所选择的PLC型号，对本系统中PLC的输入输出端子进行分配，如下表4.1、表4.2所示。
表4.1 输入端子分配表
PLC地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7
分拣系统接口 SB1 SB2 SB3 SA4 SA5 SB6 SJ 1B2 2B2 3B2 4B2 SC SD SE SF SK 5B1 6B1 1B1 2B1 3B1 4B1 FR SG 备注 启动 计数器复位 急停 动作模式选择 自动/单循环选择，预停 单动作按钮 料槽顶料光电传感器 气缸1到位磁性开关 气缸2到位磁性开关 气缸3到位磁性开关 气缸4到位磁性开关 电感传感器 电容传感器 颜色传感器 其他光电传感器 料槽推料光电传感器 顶料气缸复位磁性开关 推料气缸复位磁性开关 气缸1复位磁性开关 气缸2复位磁性开关 气缸3复位磁性开关 气缸4复位磁性开关 过载保护 入料口光电传感器
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表4.2 输出端子分配表
PLC地址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1
分拣系统接口 YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 YV6 M L1 L2 L3
备注 顶料气缸电磁阀伸出 推料气缸电磁阀伸出 气缸1电磁阀伸出 气缸2电磁阀伸出 气缸3电磁阀伸出 气缸4电磁阀伸出 输出变频器 指示灯黄 指示灯绿 指示灯红
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第二节 PLC硬件接线图
根据表4.1、表4.2可以绘制出PLC的输入输出接线端子图，如图4.10所示。
图4.10 PLC硬件接线图
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第三节 软件控制流程图
由分拣控制系统的分拣要求画出控制系统的软件控制流程图，如图4.11所示。
图4.11 软件控制流程图
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第四节 顺序控制功能图
根据系统生产工艺的要求，分析各个设备的操作内容和操作顺序，可画出顺序控制功能图，如图4.12所示。
图4.12 顺序控制功能图
第五节 PLC的控制程序
根据所绘顺序功能图，在microwin软件中编写梯形图程序。以下为程序简介。
一、 开机清零与工作方式的选择
如图4.13所示，为程序的开机清零与模式选择，开机时，自动清零。当选择模式时，按下选择按钮“I0.3”，选择需要的工作方式。
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图4.13 开机清零与工作方式选择
二、 启动、单/自动循环、预停的程序
如图4.14所示，为启动、单/自动循环、预停程序，当需要启动时，按下“I0.0”按钮，启动程序。当需要选择单/自动循环时，按下选择按钮“I0.4”，选择单/自动循环，当选择单循环时，可实现预停。
图4.14 启动、单/自动循环、预停
三、 急停的程序
如图4.16所示，需要急停时按下按钮I0.2，系统急停，程序复位，
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图4.16 急停
四、 警示灯的程序
（一） 黄灯
如图4.18所示，缺料报警时，黄灯亮：
图4.18 缺料报警，黄灯闪烁
（二） 绿灯
如图4.19所示，开机启动后，除了故障、缺料时，绿灯亮：
图4.19 开机，绿灯亮
（三） 红灯
如图4.20所示，急停、过载时，红灯亮：
图4.20 急停、过载，红灯亮
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五、 计数的程序
如图4.21所示，为计数程序，当需要复位时，按下按钮I0.1，对计数器进行复位：
图4.21 计数
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第五章 人机界面的设计
第一节 组态控制界面的设计
打开WinCC flexible这个软件，选定触摸屏型号后，进入它的主界面。设计出监控的画面如图5.1，
图5.1 材料分拣系统的组态监控画面
第二节 组态控制参数及通信参数的设置
一、 连接的建立
首先建立通信连接，如图5.2所示。
图5.2 通信连接
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二、 变量的生成
使用变量编辑器生成变量，如图5.3所示。
图5.3 生成变量
三、 按钮置位的设置
首先对画面上的按钮进行置位的变量连接设置。例如：单击画面上的启动按钮，在事件里设置SetBit,并与对应的变量连接。具体设置如图5.4所示。
图5.4 按钮置位的设置
四、 按钮复位的设置
对画面上的按钮进行复位的变量连接设置。例如：松开画面上的启动按钮，在事件里设置ResetBit,并与对应的变量连接。具体设置如下图5.5所示。
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图5.5 按钮复位的设置
五、 系统输出部分的组态监控
要实现系统输出部分的组态监控，首先要对画面上与输出部分相对应的矩形进行变量连接设置，如图5.6所示。
图5.6 矩形变量的连接设置
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确定变量连接后，再进行动画设置，便可由矩形的外观变化知晓系统输出部分的实际运行情况，达到监控的效果。具体动画设置如图5.7所示。
图5.7 矩形动画的设置
第三节 组态监控功能概述
通过对组态的画面与通讯参数的设置之后就可以对物料分拣进行监控了。按下“启动”按钮，系统启动。按下“急停”按钮时，系统急停。按下“预停”按钮时，系统预停，在单次循环结束时停止。按下“计数器复位”按钮时，PLC程序中的计数器复位。按下“动作模式选择”按钮时，可以在自动/单循环和单动作模式中选择动作模式。在单动作模式中按下“单动作”按钮可以实现单动作控制。按下以上按钮后，组态画面的矩形会发生相应的外观变化，例如，按下“启动”按钮后，代表绿色指示灯的矩形便会闪烁，由此实现组态监控功能。
第四节 物料自动分拣系统的调试
在软件与硬件都已经准备好之后，开始对系统进行调试。这个过程便于我们发现问题与不足。通上电源，观察触摸屏，按下“启动”按钮，发现系统毫无反应，通过检查后发现是通信连接的接口使用的是IF1B接口，后改成以太网接口，但系统仍未启动成功。后询问指导老师得知，变量连接中的地址范围应使用“M”，之前所使用的地址范围“I”是不正确的。
改正了以上不足后，系统成功启动，但在之后的运行中发现有些按钮按下之后无法实现其应有的功能，检查PLC程序后发现部分输出线圈重复，导致程序无法正常运行，删除重复线圈后，程序正常运行。
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第六章 系统成本的估算
第一节 系统所使用的元件
表6.1 系统元件清单
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 名称 光电传感器 磁性传感器 电感传感器 电容传感器 颜色传感器 三相异步电动机 变频器 刀开关 热继电器 品牌 SICK SMC OMDHON QW前卫 宇铭 犇马 西门子 上海德力西 正泰 型号 CDD-11N NPN D-C73 PR18-8DN CM18-3008NA E18-F10NK Y2-71M2-4 MICROMASTER 440 HD11F-100/38 JRS1-09~25/Z 5.5-8A 数量 单价/元 总价/元 4个 10个 1个 1个 1个 1台 1台 1个 1个 40 12 11 83 50 205 1730 30 16 160 120 11 83 50 205 1730 30 16 10 可编程序控制器 西门子 6ES7 216-2AD23-0XB8 CPU226 S7-200CNSC80×25 SC32×150 LTA-205 1台 1780 1780 1个 5个 1个 6个 6个 1个 1个 1台 65 25 30 50 17 26 32 1080 65 125 30 300 102 26 32 1080 11 12 13 14 15 16 17 18 双作用气缸 双作用气缸 警示灯 二位四通电磁阀 单向节流阀 气动三联件 电位器 触摸屏 亚德客 亚德客 台塑 天榆 SMC 亚德客 上海天逸 西门子 Q24DH-8 DC24V AS1201F-M5-04 AC2000 LA42DWQ-22 10K Smart700IE 第二节 系统的总开支
根据上面的表6.1可以计算出系统的总开支为5949元。
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结束语
课程设计是一个大学生总结自己在大学所学知识的最好方法，用心把它做好是每一个即将毕业的大学生的责任，也是对自己的能力与水平的一个挑战。同时也为自己的大学生活画上一个圆满的句号。因此我必须用心的把它做得尽可能的完好。毕竟，它和平时的课程设计不一样。历时近一个半月的课程设计即将结束，虽说时间并不是很长，但也就是在这极短的时间内，我在PLC和组态技术方面有了一个很大的提高，学到了很多东西。三年的大学生活在忙碌与嬉戏之中已经悄然接近尾声，三年以来，我们到底学到了什么知识，这次设计就是验收的时候了。
课程设计所要求知识的综合性较高，各方面都要用到一点，但是我所掌握的知识还不够全面，因此在设计的过程中遇到了很多困难，但我在困难面前并没有低头认输，而是通过各种方法来解决。方法之一就是我们在平时里没有注意到的自学能力。通过这次设计，培养了自己的自学能力，为毕业以后的工作学习奠定了一定的基础。
本次的课程设计使我们认识到PLC控制技术和组态监控技术在工业生产中的重要作用。在本次课程设计中，我学习到了如何对系统进行设计，以及在元件选择方面的许多知识。在对系统进行设计时，必须先了解该系统的功能和任务，在搞清楚这点以后才能对整个系统的设计方案有一个初步的认识，然后才能根据系统的需要来进行元件的选取和系统的模块化细分。
近年来随着电子技术和计算机技术应用领域不断扩大，PLC控制技术和组态监控技术已成为电子技术领域中的一个新的亮点，使该技术成为一门综合应用技术，也是电子技术发展革新的一个潮流。
随着我们对PLC控制系统和组态软件的认识的不断加深，相信在以后的工作和生产中我们会更加深入透彻的利用PLC和组态软件来解决一些更加实际的问题。
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致谢
本篇课程设计是在指导老师朱瑞丹的悉心指导和精心培养下完成的。老师严谨的治学态度、缜密的思维方式、踏实的工作作风和对事业的执着，以及对我的谆谆教诲都给我留下了深刻的印象，并使我终身受益。谨此对陆老师表达衷心的感谢和崇高的敬意。
此外还要感谢韦伟老师和韦柳宁老师，感谢同窗好友黄海军、罗剑森和其他许多老师和同学，感谢你们在学习和生活上给我的帮助。此外，我还要感谢我的父母，谢谢他们一直以来对我的学业的支持和帮助。最后，祝所有关心、帮助和支持我的人们身体健康、工作顺利！
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参考文献
1.吕景泉.自动化生产线安装与调试。北京：中国铁道出版社，2009
2.王兆义等.变频器应用——专业技能入门与精通。北京：机械工业出版社，2010 3.孙承志等.西门子S7-200/300/400PLC基础与应用技术。北京：机械工业出版社，2009 4.孙承志等.西门子PLC与变频器、触摸屏综合应用教程。北京：中国电力出版社，2009 5.王守城等。液压元件及选用。北京：化学工业出版社，2007
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