基于西门子S7200自动生产线分拣站的控制.docx

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基于西门子S7200自动生产线分拣站的控制

摘要

本文详细阐述了可编程控制器（PLC）在自动物料分拣单元中的应用。

利用可编程控制器，设计成本低、效率高的物料自动分拣装置。

以PLC为主控制器，结合气动装置、传感技术等，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，能连续、大批量地分拣货物，分拣误差率低且人工劳动强度大大降低，可明显提高劳动生产率。

而且，分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对物料的分配和管理。

其设计采用标准化、模块化的组装，系统布局灵活，程序开发简单，维护、检修方便，可适应进行物料分拣的弹性生产线的需求，受场地等因素的影响不大。

同时，只要对本系统稍加修改即可实现各种不同生产线的要求。

关键词可编程控制器分拣装置传感技术气动技术电磁阀变频器

ABSTRACT

Thedesignofanautomaticsortingdevicewithlowcostandhighefficiencyispresentedinthepaperwhichregardsprogrammablelogiccontroller（PLC）asthemastercontrollerandcombinespneumaticdevicesensingtechnologyandothertechnologytoimplementautomaticselectingoftheproducts.Thedeviceischaracteristicofhighautomation,steadyrunning,highprecisionandeasycontrol.Itcanbecontinuous,largequantitiesofgoodsaresorted,sortingerrorratelow,greatlyreducelabourintensity,cansignificantlyincreaselabourproductivity.Furthermore,thesortingsystemwouldbeflexiblyandseamlesslyconnecttootherlogisticsequipment.Thedesignusestandardizedandmodularassembly,aflexiblesystemlayout,simpleprogramdevelopmentandeasymaintenance.Itadaptstoelasticityproductionlineformaterialssorting.Thesystemaffectedbythevenueandotherfactorswithlittleimpact.Meanwhileitcanfulfildifferentrequirementaccordingtodifferentsituationswithlittlemodifications.

KeywordsPLC,sortingdevice,sensingtechnology,pneumatictechnology,solenoidpilotactuatedvalve,frequencyconverters,

第1章概论

在高新技术不断迅速发展及企业现代化生产规模的不断扩大和深化的今天，不断更新和研发自动化生产线非常重要。

1.1课题研究的背景

自动化生产装备的水平和制造能力代表了一个国家装备制造能力的最高水平，是一个国家制造业发达程度和国家综合实力的集中体现。

国外汽车行业、电子和电器行业、物流与仓储行业等已大量使用自动化生产线，从而保证了其产品的质量和生产的高效。

目前我国制造业特别是汽车、摩托车、家电等行业的发展和日趋激烈的竞争，制造业对自动化生产装备应用提出迫切需求。

自动化生产装备对提高产品质量，降低工人劳动强度，提高劳动生产率，降低劳动成本进而提高企业竞争力具有重要的作用。

随着变频技术、PLC控制技术、计算机技术和网络技术的迅速发展，工厂中的自动化生产线也越来越多，现代化的自动生产设备也呈现出新的面貌，它的最大特点就是它的综合性和系统性，综合性指的是机械技术、微电子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等多种技术有机地结合，并综合应用到生产设备中；而系统性指的是，生产线的传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作，有机地融合在一起。

亚龙YL-335A型自动生产线实训考核装备综合应用了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等，在铝合金导轨式实训台上安装送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元，系统的各个单元又采用了气动驱动、变频器驱动和步进电机位置控制等技术，由一台PLC承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通讯实现互连的分布式控制方式，构成一个典型的自动生产线的机械平台。

因此，利用YL-335A，可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，从而可以提高我们进行机电一体化设备和自动加工、装配生产线组装和调试的技能。

1.2自动分拣系统发展的现状

分拣指的是依据顾客订货要求或配送中心送货计划，迅速、准确地将商品从储位或其他区域拣出，并按照一定方式进行分类、集中，等待配装送货的作业过程。

它是配送中心作业中最繁锁、工作量最大的环节，也是配送中心作业系统的核心。

如今，商品经济逐步深入，社会需求呈现出向小批量、多品种方向发展的趋势，配送商品的种类和数量急剧增加，这使得分拣作业在配送中心作业的比重越来越大，而客户对配送服务和质量的要求也越来越高。

分拣作业的速度和质量直接关系到整个配送中心的信誉和服务水平，分拣系统的建设也成为配送中心非常重视的问题之一。

最初的分拣系统是完全基于人力的作业系统，通过人工搜索、搬运货物来完成货物的提取。

在这种系统中，书面文件的制作和查找、人工搬运等浪费了巨大的人力物力，作业效率低下，显然无法满足现代化物流配送对速度和准确性的高要求。

随着科学技术的飞速发展，分拣系统开始运用各种各样的自动化机械设备、计算机控制技术和信息技术传递和处理信息。

机械化、自动化、智能化成为现代分拣系统的主要特点与发展趋势。

在现代物流配送中，高科技的应用为作业效率和质量的提高提供了坚实的技术保证，而计算机控制技术、信息技术以及自动化控制技术也成为现代分拣系统的重要组成部分。

亚龙YL-335A自动化生产线分拣单元应用西门子S7-200PLC和西门子MM420变频器组成的分拣控制和驱动系统，可以完成对物料的自动分拣的智能化控制和管理，可以根据生产线的实际生产需要和具体工艺要求自动调整速度快慢。

系统还设有警示灯控制系统，可以向工作人员提示设备的状态和故障信息。

整个系统自动化程度高，应用范围广，可以在多个行业与国内外各型生产线配套使用。

1.3YL-335A自动化生产线实训考核装备概述

1.3.1YL-335A的基本组成

亚龙YL-335A型自动生产线实训考核装备由安装在铝合金导轨式实训台上的送料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元五个单元组成。

其外观如图1-1所示。

图1-1外观图

每一工作单元都可自成一个独立的系统。

各个单元的执行机构基本上以气动执行机构为主，但输送单元的机械手装置整体运动则采取步进电机驱动、精密定位的位置控制，该驱动系统具有长行程、多定位点的特点，是一个典型的一维位置控制系统。

分拣单元的传送带驱动则采用了通用变频器驱动三相异步电动机的交流传动装置。

位置控制和变频器技术是现代工业企业应用最为广泛的电气控制技术。

在YL-335A设备上应用了多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体通过的状态、物体的颜色及材质等。

传感器技术是机电一体化技术中的关键技术之一，是现代工业实现高度自动化的前提之一。

在控制方面，YL-335A采用了基于RS485串行通信的PLC网络控制方案，即每一工作单元由一台PLC承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通讯实现互连的分布式控制方式。

用户可根据需要选择不同厂家的PLC及其所支持的RS485通信模式，组建成一个小型的PLC网络。

小型PLC网络以其结构简单，价格低廉的特点在小型自动生产线仍然有着广泛的应用，在现代工业网络通信中仍占据相当的份额。

另一方面，掌握基于RS485串行通信的PLC网络技术，将为进一步学习现场总线技术、工业以太网技术等打下了良好的基础。

1.3.2.YL-335A各工作单元的基本功能

供料单元的基本功能：

按照需要将放置在料仓中待加工的工件自动送出到物料台上，以便输送单元的抓取机械手装置将工件抓取送往其他工作单元。

加工单元的基本功能：

把该单元物料台上的工件（工件由输送单元的抓取机械手装置送来）送到冲压机构下面，完成一次冲压加工动作，然后再送回到物料台上，待输送单元的抓取机械手装置取出。

装配单元的基本功能：

完成将该单元料仓内的黑色或白色小圆柱工件嵌入到已加工的工件中的装配过程。

分拣单元的基本功能：

完成将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。

输送单元的基本功能：

该单元通过到指定单元的物料台精确定位，并在该物料台上抓取工件，把抓取到的工件输送到指定地点然后放下的功能。

1.3.3.YL-335A的特点

YL-335A设备是一套半开放式的设备，用户在一定程度上可根据自己的需要选择设备组成单元的数量、类型，最多可由五个单元组成，最少时一个单元即可自成一个独立的控制系统。

由多个单元组成的系统，PLC网络的控制方案可以体现出自动生产线的控制特点。

设备中的各工作单元均安放在实训台上，便于各个机械机构及气动部件的拆卸和安装，控制线路的布线、气动电磁阀及气管安装。

其中，输送单元采用了最为灵活的拆装式模块结构：

组成该单元的按钮/指示灯模块、电源模块、PLC模块、步进电机驱动器模块等均放置在抽屉式模块放置架上；模块之间、模块与实训台上接线端子排之间的连接方式采用安全导线连接，最大限度地满足了综合性实训的要求。

1.3.4YL-335A的PLC网络控制方案

YL-335A系统的控制方式采用每一工作单元由一台PLC承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通讯实现互连的分布式控制方式。

组建成网络后，系统中每一个工作单元也称作工作站。

PLC网络的具体通信模式，取决于所选厂家的PLC类型。

PPI协议是S7-200CPU最基本的通信方式，通过原来自身的端口（PORT0或PORT1）就可以实现通信，是S7-200默认的通信方式。

PPI是一种主—从协议通信，主—从站在一个令牌环网中，主站发送要求到从站器件，从站器件响应；从站器件不发信息，只是等待主站的要求并对要求做出响应。

如果在用户程序中使能PPI主站模式，就可以在主站程序中使用网络读写指令来读写从站信息。

而从站程序没有必要使用网络读写指令。

在YL-335A系统中，按钮及指示灯模块的按钮、开关信号连接到输送单元的PLC（S7-226CN）输入口，以提供系统的主令信号。

因此在网络中输送站是指定为主站的，其余各站均指定为从站。

图1-2所示为YL-335A的PPI网络。

图1-2YL-335A的PPI网络

1.3.5YL-335A的公共模块和器件

供电电源模块及电路原理如图1-2所示。

外部供电电源为三相五线制AC380V/220V，三根相线经三相三线漏电保护开关后连接到三个安全导线插孔处，零线和接地线也连接到安全导线插孔处。

另外，模块上提供二个单相电源插座，为PLC模块和按钮/指示灯模块提供AC220V电源。

图1-2供电电源模块

气源处理组件及其回路原理图分别如图1-3和1-4所示。

气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。

该气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于关闭气源。

在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。

图1-4气源处理组件的气动原理图图1-3气源处理组件图

气源处理组件输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.6～1.0MPa,输出压力为0.6～0.8MPa可调。

输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到各工作单元，提供它们的工作气源。

YL-335A的气动控制系统原理图如图1-5所示。

图1-5气动控制系统原理图

第2章分拣单元的结构与控制

2.1分拣单元的结构组成

分拣单元是YL-335A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为入料口光电传感器检测到时，即启动变频器，工件开始送入分拣区进行分拣。

如图2-1所示分拣单元实物的全貌。

图2-1分拣单元实物的全貌

分拣单元的结构组成如图2-2所示。

其主要结构组成为：

传送和分拣机构、传动机构、变频器模块、电磁阀组、接线端口、PLC模块、底板等。

图2-2分拣单元的结构组成

2.1.1传送和分拣机构

传送和分拣机构如图2-3所示。

传送已经加工、装配好的工件，在光纤传感器检测到并进行分拣。

它主要由传送带、物料槽、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。

图2-3传送和分拣机构

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。

导向件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工件和白色工件。

在每个料槽的对面都装有推料（分拣）气缸，把分拣出的工件推到对号的料槽中。

气缸两端分别有缩回限位和伸出限位两个极限位置，这两个极限位置都分别装有一个磁感应接近开关，如图2-4所示。

磁感应接近开关的基本工作原理是：

当磁性物质接近传感器时，传感器便会动作，并输出传感器信号。

若在气缸的活塞（或活塞杆）上安装上磁性物质，在气缸缸筒外面的两端位置各安装一个磁感应式接近开关，就可以用这两个传感器分别标识气缸运动的两个极限位置。

当气缸的活塞杆运动到哪一端时，哪一端的磁感应式接近开关就动作并发出电信号。

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。

在传感器上设置有LED显示用于显示传感器的信号状态，供调试时使用。

传感器动作时，输出信号“1”，LED亮；传感器不动作时，输出信号“0”，LED不亮。

传感器（也叫做磁性开关）的安装位置可以调整，调整方法是松开磁性开关的紧定螺钉，让磁性开关在气缸的滑轨里滑动，到达指定位置后，再旋紧紧定螺钉。

图2-4磁感应接近开关

在安装和调试时，分拣单元必须注意：

两个气缸安装时需注意事项：

一是安装位置，应使工件从料槽中间被推入；

二是要注意安装水平，否则有可能推翻。

为了准确且平稳地把工件从滑槽中间推出，需要仔细地调整两个分拣气缸的位置和气缸活塞杆的伸出速度。

在传送带入料口位置装有漫射式光电传感器，用以检测是否有工件输送过来进行分拣。

有工件时，漫射式光电传感器将信号传输给PLC，用户PLC程序输出启动变频器信号，从而驱动三相减速电动机启动，将工件输送至分拣区。

漫射式光电接近开关是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的，由于物体反射的光线为漫射光，故称为漫射式光电接近开关。

它的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且为一体化结构。

在工作时，光发射器始终发射检测光，若接近开关前方一定距离内没有物体，则没有光被反射到接收器，接近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，只要反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。

图2-5为漫射式光电接近开关的工作原理示意图。

图2-5漫射式接近开关的工作原理

在传送带上方分别装有两个光纤传感器如图2-6所示，光纤传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光纤检测头是分离的两个部分，光纤检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤孔。

该光电开关灵敏度的调整以能从传送带上方检测到工件为准，过高灵敏度会引入干扰。

图2-6光纤传感器

光纤传感器也是光电传感器的一种，相对于传统电量型传感器（热电偶、热电阻、压阻式、振弦式、磁电式），光纤传感器具有下述优点：

抗电磁干扰、可工作于恶劣环境，传输距离远，使用寿命长，此外，由于光纤头具有较小的体积，所以可以安装在很小空间的地方。

光纤式光电接近开关的放大器的灵敏度调节范围较大。

当光纤传感器灵敏度调得较小时，反射性较差的黑色物体，光电探测器无法接收到反射信号；而反射性较好的白色物体，光电探测器就可以接收到反射信号。

反之，若调高光纤传感器灵敏度，则即使对反射性较差的黑色物体，光电探测器也可以接收到反射信号。

从而可以通过调节灵敏度判别黑白两种颜色物体，将两种物料区分开，从而完成自动分拣工序。

放大器单元中，调节其中的8旋转灵敏度高速旋钮进就能进行放大器灵敏度调节（顺时针旋转灵敏度增大），调节时，会看到“入光显示灯”发光的变化。

当探测器检测到物料时，“动作显示灯”会亮，提示检测到物料。

2.1.2传动机构

传动机构如图2-7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。

图2-7传动机构

三相异步电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。

三相异步电机主要由定子和转子两大部分组成，定子部分的主要作用是产生旋转磁场，由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成。

转子部分的主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，由转子铁心、转子绕组，气隙及其它部件组成。

三相异步电动机工作原理为：

当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

电机支架用于固定电动机。

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。

在安装和调整时，要注意：

（1）电动机的轴和输送带主动轮的轴必须要保持在同一直线上。

（2）传动机构安装基线（导向器中心线）与输送单元滑动导轨中心重合。

2.1.3电磁阀组

电磁阀组，就是将多个阀集中在一起构成的一组阀，而每个阀的功能是彼此独立的。

分拣单元的电磁阀组只使用了两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，汇流板中两个排气口末端均连接了消声器，消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声。

这两个电磁阀分别对白物料推动气缸和黑物料推动气缸的气路进行控制，以改变各自的动作状态。

本单元所采用的电磁阀带手动换向、加锁钮，有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2个位置。

用小螺丝刀把加锁旋钮旋到在LOCK位置时，手控开关向下凹进去，不能进行手控操作。

只有在PUSH位置，可用工具向下按，信号为“1”，等同于该侧的电磁信号为“1”；常态时，手控开关的信号为“0”。

在进行设备调试时，可以使用手控开关对电磁阀进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变推料缸等执行机构的控制，达到调试的目的所带手控开关有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2种位置。

图2-8电磁阀组

2.2分拣单元的工作原理

本站的功能是完成从装配站送来的装配好的工件进行分拣。

当机械手送来工件放到传送带上并当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，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。

自动生产线的加工结束。

2.3气动控制回路

本单元气动控制回路的工作原理如图2-9所示。

图中1A和2A分别为分拣气缸一和分拣气缸二。

1B1为安装在分拣气缸一的前极限工作位置的磁感应接近开关，2B1为安装在分拣气缸二的前极限工作位置的磁感应接近开关。

1Y1和2Y1分别为控制分拣气缸一和分拣气缸二的电磁阀的电磁控制端。

图2-9分拣单元气动控制回路工作原理图

2.4分拣单元的电气接线

分拣单元与前述几个单元电气接线方法有所不同，该单元的变频器模块是安装在抽屉式模块放置架上的。

因此，该单元PLC输出到变频器控制端子的控制线，须首先通过接线端口连接到实训台面上的接线端子排上，然后用安全导线插接到变频器模块上。

同样，变频器的驱动输出线也须首先用安全导线插接到实训台面上的接线端子排插孔侧，再由接线端子排连接到三相交流电动机。

分拣单元的接线端口则与其他单元相仿，图2-10和图2-11是分别本单元的端口外观接线图和端子接线图。

图2-10分拣单元接线端口外观图

图2-11分拣单元端子接线图

2.5PLC的I/O接线

本单元中，传感器信号占用五个输入点，留出两个点提供给急停按钮和启/停按钮作本地主令信号，共需七个输入点；输出点数为四个，其中两个输出点提供给变频器使用。

选用西门子S7-222AC/DC/RLY主单元，共八个输入点和六个继电器输出点，分拣单元的I/O接线原理图如图2-12所示。

图2-12分拣单元PLC的I/O接线原理图

如果用户希望增加变频器的控制点数，可重新组态，更改输出端子的接线，即把Q0.4和Q0.5分配给分拣气缸电磁阀，而把Q0.0～Q0.2分配给变频器的5、6、7号控制端子用。

2.6西门子MM420变频器简介

西门子MM420（MICROMASTER420）是用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，从单相电源电压，额定功率120W到三相电源电压，额定功率11KW可供用户选用。

变频器安装在模块盒中，所有电气引出线均引出到模块面板的安全导线插孔处，以确保实训接线操作时的安全。

变频器模块外形如图2-13所示。

图2-13变频器模块

进入主电路接线时，变频器模块面板上的L1、L2、L3插孔接三相电源，接地插孔接保护地线，三个电动机插孔U、V、W连接到三相电动机上。

MM420变频器模块面板上引出MM420的数字输入点：

DIN1（端子5）、DIN2（端子6）、DIN3（端子7）、内部电源+24V（端子8）、内部电源0V（端子9）。

数字输入量端子可连接到PLC的输出点（例如，端子8接输出公共端2L）.当变频器命令参数P0700=2（外部端子控制）时，可由PLC控制变频器的启/停及变速运行等。

在模块面板上还引出MM420的模拟输入点：

AIN+（端子3）、内部电源+10V（端子1）、内部电源0V（端子2），同时面板上还安装了一个用作变频器频率调节的电位器，它的引出线位【1】、【2】、【3】端。

如果需要在变频器上直接操作控制三相电动机的运行，可在面板上用安全插接线把电位器【1】端与内部电源+10V（端子1）相连，电位器【3】端与内部电源0V（端子2）相连，电位器【2】与AIN+（端子3）相连。

连接主电路后，拨动DIN1端旁的旋钮开关即可启/停变频器，旋动电位器即可改变频率