基于USS协议和MCGS的材料分拣自动监控系统设计与实现毕业论文.docx

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基于USS协议和MCGS的材料分拣自动监控系统设计与实现毕业论文

毕业论文声明

本人郑重声明：

1．此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。

除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。

对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

2．本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。

本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。

3．若在大学学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担，与毕业论文指导老师无关。

4.本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。

论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。

学位论文作者（签名）：

年月

关于毕业论文使用授权的声明

本人在指导老师的指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、实验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属华北电力大学。

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如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为大学。

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在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。

论文作者签名：

日期：

指导教师签名：

日期：

毕业设计（论文）中文摘要

基于USS协议和MCGS的材料分拣自动监控系统设计与实现

摘要本设计以西门S7-200PLC为控制核心，利用USS协议与西门子MM420变频器通信，MCGSTPC7062K组态软件为监控软件，设计出材料自动分拣系统。

本系统依靠传感器对材料的辨别，实现对不同材质或颜色的物料进行分拣。

可以实时对设备参数进行设定、生产情况进行监控。

系统整体调试结果表明，本系统能够准确实现供料、传送、分拣既定目标。

整个系统自动化程度高、系统稳定、材料分拣精度高，简单实用。

关键词USS协议；MCGS；变频器；PLC；材料分拣

目次

1引言…………………………………………………………………………………1

2系统方案设计…………………………………………………………………………1

3系统硬件设计…………………………………………………………………………1

3.1PLC控制模块…………………………………………………………………1

3.2变频器控制模块…………………………………………………………2

3.3触摸屏型号选择……………………………………………………………3

3.3.1TPC7062KS介绍……………………………………………………3

3.3.2TPC7062KS硬件连接………………………………………………3

4系统软件设计……………………………………………………………3

4.1系统的控制要求及其流程图………………………………………………………3

4.2USS通信协议…………………………………………………………………4

4.2.1USS通信协议的介绍……………………………………………………………4

4.2.2USS通信协议的优势……………………………………………………………4

4.3软件设计及编程………………………………………………………………4

4.3.1变频器的控制……………………………………………………………4

4.3.2工件位置的计算……………………………………………………………6

4.3.3材料的分拣……………………………………………………………6

5组态画面设计………………………………………………………………7

5.1MCGS组态软件介绍…………………………………………………………7

5.2登录界面…………………………………………………………7

5.3运行界面…………………………………………………………10

6系统测试…………………………………………………………11

结论……………………………………………………………………………………12

参考文献………………………………………………………………………………14

致谢……………………………………………………………………………………13

附件：

系统程序…………………………………………………………………15

1主程序……………………………………………………………15

2材料自动分拣子程序……………………………………………………………17

3高速计数器子程序……………………………………………………………21

1引言

随着社会的进步，工业技术的不断发展，在工业和日常的生产生活中，材料自动分拣系统得到了充分的应用。

例如：

邮局、物流配送企业、仓储企业等，材料自动分拣系统大大提高了生产效率，节约了人工成本。

通过组态软件，人们可以在远离工作现场的地方，对设备进行各项操作，从而降低安全风险。

在实验室验证的过程中，本设计能够将不同颜色，不同材质的材料分离出来，同时在触摸屏上能够实时的设置相关参数以及显示已被分拣的材料和待分拣的材料。

本系统可以用于材料分拣等劳动强度大、劳动力密集型的加工、选材等行业，可以为从业者创造良好的工作环境，减轻劳动负担。

在效益为上的今天，一定能够在各行各业中得到大力的推广。

2系统方案设计

将触摸屏通过RS232数据线与PLC连接，实现PLC与触摸屏之间进行数据传输；将变频器通过RS485数据线与PLC连接，实现PLC与变频器之间进行数据传输，通过编制相应的控制程序，来实现材料分拣自动监控。

如下图2.1所示。

图2.1设计方案

3系统硬件设计

3.1PLC控制模块

根据系统的控制要求，本系统有8个传感器、两个按钮输入，故需要10个输入；有3个指示灯、3个电磁阀、2个控制正反转，故需8个输出，共18个I/O点，因此选用西门子S7-200CPU224XPAC/DC/RLY为主控单元。

选用CPU224XP的主要原因有，它有14点输入，10点继电器输出；有两个PORT口，可供组态和UUS通信协议使用；它还具有模拟量输入模块，方便以后系统功能的扩展。

西门子PLC控制的材料分拣自动监控系统的I/O口分配表如下表3.1所示。

表3.1I/O分配表

I0.0

编码器B相

Q0.0

正转

I0.1

编码器A相

Q0.1

反转

I0.4

光纤1

Q0.4

推杆1

I0.5

金属传感器

Q0.5

推杆2

I0.6

光纤2

Q0.6

推杆3

I0.7

电磁传感器1

Q0.7

黄灯

I1.0

电磁传感器2

Q1.0

绿灯

I1.1

电磁传感器3

Q1.1

红灯

I1.2

停止

I1.3

启动

3.2变频器控制模块

选用西门子4系列的变频器MM420，实现USS协议控制变频器运转，并设定、读取变频的相关参数。

当系统启动且物料口的光纤传感器检测到物料时，变频器以触摸屏上设定的频率运行。

当满足设定的分拣要求时，变频器停止工作，传送带停止，当不满足设定的分拣要求时，变频器反转，将物料重新送回物料口，延时1s后停止。

由机械手取回后，系统才可继续运行。

按下表3.2设定MM420变频器的参数。

表3.2变频器参数设定表

3.3触摸屏型号选择

3.3.1TPC7062KS介绍

TPC7062KS人机界面是昆仑通态公司研发的，MCGS组态软件是一款运行WindowsCE环境中实时多任务嵌入式操作系统。

TPC7062KS采用了TFT液晶显示屏，分辨率高，采用ARM结构嵌入式CPU，主频高，存储灵活。

3.3.2TPC7062KS硬件连接

TPC7062KS的背面有电源线、各种通讯接口等，如下图3.3所示。

其中PLC连接COM口，U盘和鼠标等连接USB1口，工程下载线连接USB2口。

图3.3TPC7062KS的接口

4系统软件设计

4.1系统的控制要求及其流程图

材料自动分拣监控系统提供了一批嵌入了零件芯为白色和黑色塑料的白色成品工件，工作目标是把工件送往分拣单元，按工位号顺序均衡地分送到各生产工位。

例如，在人机界面上选择工位一、工位二和工位四选择生产，工位三停止生产。

则从进料口送来的第一个零件芯为白色的工件送工位一，第二个零件芯为白色的工件送工位二，第三个零件芯为白色的工件送工位四；第四个零件芯为白色的工件送工位一……，以此规律循环。

同样，从进料口送来的第一个零件芯为黑色的工件送工位一，第二个零件芯为黑色的工件送工位二，第三个零件芯为黑色的工件送工位四；第四个零件芯为黑色的工件送工位一……。

当分拣气缸活塞杆推出工件并返回后，向系统发出分拣完成信号、本次工件被推入的工位号及工件的品种，为运行界面上统计四个工位推入各种工件数提供数据。

分送到工位四的工件到达工位三时，传送带速度应降低为15Hz对应的速度继续前进3秒停止，使工件从传送带末跌落到工件收集箱中。

对于不满足分拣条件的工件经检出后，传送带立即停止、反转，以20Hz对应的速度返回进料口，到达后延时1s，由抓取机械手取回。

根据材料自动分拣监控系统的分拣要求画出控制系统流程图，如下图4.1所示。

图4.1控制系统流程图

4.2USS通信协议

4.2.1USS通信协议的介绍

在STEP7-Micro/WIN软件时，使用前需要安装USS协议库文件。

USS协议需要占用PLC的通讯口PORT0或PORT1，USS指令库提供14个子程序、3个中断程序和8条指令支持USS协议，详细的用法将在下文进行阐述。

4.2.2USS通信协议的优势

采用USS通信协议进行变频器与PLC之间的数据通信，减少了变频器与PLC的大量接线，使现场布线更加简单，降低施工成本，同时也减少线与线之间的串扰；变频器与PLC之间的数据传输不再受限于硬件连接，能够进行大量的信息交换；极大的提高了系统的稳定性和自动化水平。

4.3软件设计及编程

4.3.1变频器的控制

将变频器的地址设为2，波特率设为19.2kbps，同时将PLC的PORT1指定为USS协议，程序如下图4.2所示。

图4.2初始化变频器

上电把USS_CTRL激活，当M1.1、Q0.1不得电，Q0.0得电时，变频器以VD1500给定的频率正转，当M1.1不得电，Q0.0得电时，变频器以VD1500给定的频率反转，程序如下图4.3所示。

图4.3控制变频器

按下读下坡时间按钮，变频器的设定频率将显示在触摸屏相应位置，程序如下图4.4所示。

图4.4读下坡时间

按下设定上坡时间按钮，在触摸屏的输入框内输入想要设定的上坡时间，即可设定变频器的上坡时间，程序如下图4.5所示。

图4.5读上坡时间

PLC支持的频率有9.6kbps、19.2kbps、187.5kbps，而变频器不支持187.5kbps，变频器波特率为9.6kbps对应数字6，变频器波特率为19.2kbps对应数字7，因此要读出变频器设定频率，首先先读出是数字几，然后把对应的数字转换为波特率。

按下读波特率按钮，变频器的设定的波特将显示在触摸屏相应位置，程序如下图4.6所示。

图4.6读波特率

4.3.2工件位置的计算

为了计算工件的位置，本系统还采用了具有A、B两相相位差90°的通用型光电编码器，光电编码器直接连接到传送带的主动轴上，该光电编码器为500线的分辨率。

光电编码器Z相不使用，A、B两相输出端直接连接到PLC高速计数器的输入端。

根据编码的脉冲形式，本系统使用HSC0的模式9，A、B相正交计数器，计数倍频设为4倍频。

本系统分拣精度要求并不高，不需要使用中断程序，所以直接用编程向导来做高速计数器的子程序，子程序如下图4.7所示。

图4.7高速计数器子程序

4.3.3材料的分拣

为了能将工件准确打到相应的工位，在系统启动后，断掉变频器的电源，用手转动传送带，通过电脑监控相应传感器检测到时HSC0的脉冲数，以及到达相应工位的脉冲数，将相应的值写入程序，给变频器上电。

材料分拣程序如下图4.8所示。

图4.8材料分拣程序

5组态画面设计

5.1MCGS组态软件介绍

MCGS组态软件是由北京昆仑通态公司开发的嵌入式组态软件，包括组态环境、模拟运行环境和运行环境三个部分。

MCGS的结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库、运行策略组成，如图5.1所示。

图5.1MCGS结构图

MCGS的主要功能特点：

具有简单灵活的操作界面，支持多种硬件设备，维护方便，价格便宜，功能强大，系统稳定性高，通讯方便，操作简单，易学易懂。

5.2登录界面

在用户窗口中新建窗口，并把窗口命名为登录界面，将登录界面设为启动窗口，打开窗口，在窗口中画相应的控件，组态好的画面如图5.2所示，运行效果图如图5.3所示。

图5.2登录界面组态画面

图5.3登录界面运行效果图

登录界面设有两个领料账号，账号分别为A01和A02，初始密码均为0000，各账户密码均可在运行界面进行修改。

用户只需分别输入账号和密码，点击登录即可登录，当账号和密码均输入正确，即登录成功，如图5.4所示；如果账号或密码输入错误，则登录失败如图5.5所示。

图5.4登录成功

图5.5登录失败

为了能够实现上述功能，需要在实时数据库中添加相应的变量，并在登录按钮的抬起状态下写相应的脚本程序，如图5.6所示。

图5.6变量以及脚本程序

5.3运行界面

在MCGS中组态出运行界面，如下图5.7所示。

图5.7运行界面

为各个按钮、指示灯、输入框、显示标签、以及表格连接变量，其中按下修改密码按钮，就会弹出修改密码子窗口，其中修改密码的脚本以及修改密码子窗口如下图5.8所示。

图5.8改密码及子窗口

在与PLC通信时，需要在设备窗口中添加通用串口父设备并在父设备再添加西门子_S7200PPI，双击点开通用串口父设备，更改串口端口号为0-COM1；通讯波特率为8-19200；数据校验方式为2-偶校验。

如下图5.9所示。

图5.9通信设置

6系统测试

系统上电后，先在触摸屏登录界面上输入账号和密码，输入完成后点登录按钮，登录成功后，点进入运行界面按钮，进入运行界面。

在运行界面中按下设定上坡时间按钮，再输入框中输入要设定的上坡时间，以同样的方法设定变频器的频率；按下读下坡时间按钮，变频器的下坡时间就会在标签显示构建中显示出来，以同样的方法读出变频实际频率以及波特率。

在工位选择模块中按下工位一，工位三按钮，在按下系统启动按钮，系统启动指示灯常亮，第一个白色工件在工位一被推入，第二个白色工件在工位三被推入，第三个白色工件在工位一被推入，第四个白色工件在工位三被推入，黑色工件与白色工件相同，在被选择的工位被推入。

当黑色、白色工件推满两组时，系统启动指示灯熄灭，系统停止指示灯点亮。

结论

本控制系统采用MCGSTPC7062KS触摸屏作为人机界面，增加了系统的可视程度和可靠性；采用S7-200系列中的USS通信协议，使得对变频器的控制更加灵活，同时也提高了系统的控制精度和抗干扰能力。

在对变频器各个参数进行读取/设定的时候，只需按下相应的按钮，就可实现对参数的读取、设定。

本系统充分的体现当今自动化系统的控制理念——简单、灵活、方便。

本设计使用传感器技术来实现材料的分拣，但在实际的运行过程中会出现极少数的误分拣的情况，这个与传感器的进度、安装的位置以及PLC网络的相应速度有关，可以进一步研究如何解决这种误分拣的情况。

致谢

本论文是在刘海英老师悉心指导下完成的，刘老师在我论文的选题期间，给了我很多的帮助与启发。

本次设计是在刘老师的帮助下，我才能够完成的。

虽然刘老师平时的工作比较繁忙，但是刘老师还是利用她中午的休息时间阅读和指导我的文章。

在论文的修改过程中，刘老师总以一丝不苟的态度指导我，一遍遍的指导我修改文章。

刘老师对学生认真负责的态度给了我很深的印象，至此，向刘老师表示深深的感谢。

参考文献

[1]S7-200可编程控制器系统手册.

[2]亚龙YL_335B生产线安装与调试使用说明书（西门子）.

[3]MCGS嵌入式说明书.

[4]西门子MM420使用说明书.

[5]吴志敏，阳胜峰.《西门子PLC与变频器、触摸屏综合应用教程》中国电力出版社2009（07）.

[6]李红萍.《工业组态技术及应用——MCGS》西安电子科技大学出版社2013

（1）.

附件：

系统程序

1主程序

Network1

LDSM0.1

RQ0.0,24

RM1.0,100

RS0.0,100

CALLSBR1

RC0,10

Network2

LDNI0.4

ANI0.7

ANI1.0

ANI1.1

ANQ0.1

ANQ0.0

LPS

ANM2.0

ANM1.0

SM2.0,1

LPP

NOT

ANM1.0

AM2.0

RM2.0,1

Network3

LDI1.3

OM8.0

AM2.0

ANM1.0

SM1.0,1

SS0.0,1

Network4

LDM1.0

CALLSBR0

Network5

LDI1.2

OM8.1

AM1.0

SM1.1,1

Network6

LDM1.1

AS0.0

RM1.0,2

RS0.0,1

RC0,10

Network7

LDM1.0

=Q1.1

Network8

LDNT37

TONT37,+1

Network9

LDT37

MOVDHC0,VD2000

MOVDVD2000,VD2008

-DVD2004,VD2008

MOVDVD2000,VD2004

Network10

LDM3.3

DTRVD2008,VD2012

AENO

MOVRVD2012,VD1051

/R10.0,VD1051

Network11

LDNM1.0

MOVWVW1002,AC0

Network12

LDM5.0

LPS

EU

ANM1.0

SV1000.1,1

LPP

ED

ANM1.0

RV1000.1,1

Network13

LDM5.1

LPS

EU

ANM1.0

SV1000.2,1

LPP

ED

ANM1.0

RV1000.2,1

Network14

LDM5.2

LPS

EU

ANM1.0

SV1000.3,1

LPP

ED

ANM1.0

RV1000.3,1

Network15

LDM5.3

LPS

EU

ANM1.0

SV1000.4,1

LPP

ED

ANM1.0

RV1000.4,1

Network16

LDM1.0

LPS

AV1000.1

SM5.0,1

LPP

ANV1000.1

RM5.0,1

Network17

LDM1.0

LPS

AV1000.2

SM5.1,1

LPP

ANV1000.2

RM5.1,1

Network18

LDM1.0

LPS

AV1000.3

SM5.2,1

LPP

ANV1000.3

RM5.2,1

Network19

LDM1.0

LPS

AV1000.4

SM5.3,1

LPP

ANV1000.4

RM5.3,1

Network20

LDNV1000.0

AV1000.1

EU

+I+1,VW3000

Network21

LDNV1000.0

AV1000.2

EU

+I+1,VW3000

Network22

LDNV1000.0

AV1000.3

EU

+I+1,VW3000

Network23

LDNV1000.0

AV1000.4

EU

+I+1,VW3000

Network24

LDNV1000.0

AV1000.1

ED

-I+1,VW3000

Network25

LDNV1000.0

AV1000.2

ED

-I+1,VW3000

Network26

LDNV1000.0

AV1000.3

ED

-I+1,VW3000

Network27

LDNV1000.0

AV1000.4

ED

-I+1,VW3000

Network28

LDNV1000.0

ANV1000.1

ANV1000.2

ANV1000.3

ANV1000.4

MOVW+0,VW3000

Network29

LDNM1.0

MOVWVW3000,VW3002

*I+2,VW3002

Network30

LDI0.7

AM4.0

ANM4.1

EU

LDM1.1

CTUC2,+2

Network31

LDI1.0

AM4.0

ANM4.1

EU

LDM1.1

CTUC3,+2

Network32

LDI1.1

AM4.0

ANM4.1

EU

LDM1.1

CTUC4,+2

Network33

LDT40

AM4.0

ANM4.1

EU

LDM1.1

CTUC5,+2

Network34

LDI0.7

ANM4.0

ANM4.1

EU

LDM1.1

CTUC6,+2

Network35

LDI1.0

ANM4.0

ANM4.1

EU

LDM1.1

CTUC7,+2

Network36

LDI1.1

ANM4.0

ANM4.1

EU

LDM1.1

CTUC8,+2

Network37

LDT40

ANM4.0

ANM4