基于PLC與MCGS的硫銨碼垛控制系統(tǒng)的設計

田亞立，梁波，薛春蓮

（寧夏工業(yè)職業(yè)學院 采礦與機電工程系，寧夏銀川，750021）

0 引言

伴隨著工廠自動化地發(fā)展，硫銨碼垛控制系統(tǒng)也由以前以人工搬用為主的運輸模式，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閹捷斔蜋C運輸，機械手搬用的自動化生產(chǎn)線模式。近幾年人力成本在逐年增高，自動化程度越低，人力成本越高，所以硫銨碼垛自動化控制系統(tǒng)的設計與應用極大地提高了硫銨的運輸效率節(jié)約了大量的人力成本。目前，企業(yè)為提高核心競爭力，降低人力成本，對自動化生產(chǎn)線的要求越來越高。因此，硫銨碼垛控制系統(tǒng)的設計具有現(xiàn)實及經(jīng)濟意義，在PLC課程的教學中提高學生的面向崗位的職業(yè)技能和素養(yǎng)也是非常有意義的。

1 系統(tǒng)的總體設計

硫銨碼垛控制系統(tǒng)，分為計數(shù)、傳輸和機械手搬運三個主要環(huán)節(jié)。具體控制過程為，系統(tǒng)啟動后，當物料檢測傳感器檢測到物料時，計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)指示燈每檢測到9個物品亮一次，持續(xù)時間為5s，計數(shù)器負責統(tǒng)計每天裝配的硫銨數(shù)量。系統(tǒng)啟動后，兩條皮帶依次啟動，遠端的第一條皮帶先啟動，5s后，第二條皮帶啟動。5s后，第三條皮帶啟動。機械手的初始位置停在原點，當裝料傳感器檢測到物料時，機械手下降——加緊工件——上升——右移——再下降——放松工件——在上升——左移，八個動作，完成一個工作周期。按下停止按鈕，計數(shù)停止，三條皮帶間隔5s依次停止，近端的皮帶先停止，遠端的皮帶后停止。機械手回到初始狀態(tài)。設置急停按鈕，按下急停按鈕，皮帶同時停，機械手停止工作。電機具備過載及短路保護的功能。觸摸屏顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，設備采用觸摸屏加現(xiàn)場按鈕的多地控制設計。

1.1 系統(tǒng)整體框圖

本設計采用西門子S7-200PLC采集現(xiàn)場的信號（包括接近開關傳感器、啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕及機械手的上、下、左、右限位開關），將采集的信號送入到PLC程序，執(zhí)行程序后，根據(jù)控制要求控制現(xiàn)場的電磁閥、繼電器線圈及指示燈等設備。PLC的電源采用220V交流電供電，觸摸屏的電源為24V直流供電。TPC7062k觸摸屏可以實時顯示設備的工作狀態(tài)。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.2 系統(tǒng)的I/O分配表

根據(jù)對控制系統(tǒng)的功能進行分析，分析出硫銨碼垛控制系統(tǒng)共有20個輸入輸出信號，其中輸入信號10個，輸出信號10個，如表1所示。

表1 硫銨碼垛控制系統(tǒng)的I/O分配表

1.3 觸摸屏的組態(tài)畫面

采用昆侖通泰的TPC7062k嵌入式一體化觸摸屏作為上位機監(jiān)控設備，通過設備窗口將MCGS與西門子PLC進行組態(tài)，上位機可以監(jiān)控計數(shù)指示燈、機械手原位指示燈、皮帶輸送機的工作狀態(tài)、硫銨物料的移動狀態(tài)及機械手的工作過程及物料裝滿時小車的移動狀態(tài)等。組態(tài)畫面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件設計

硫銨碼垛控制系統(tǒng)的硬件，主要包括，傳輸系統(tǒng)中控制三條皮帶的電動機控制主電路、PLC的外部接線圖及TPC7062k嵌入式一體化觸摸屏的接線示意圖。

2.1 傳輸模塊的主電路圖

皮帶傳輸模塊主要依靠三條皮帶進行傳輸，皮帶通過電機帶動，主電路中除了控制電機啟停的接觸器主觸點，還有用來過載保護的熱繼電器的加熱元件及短路保護的熔斷器，接線時要注意線的顏色（L1、L2、L3分別為黃綠紅），要符合規(guī)范要求，電機外殼要接地。主電路圖如圖3所示。

圖3 傳輸系統(tǒng)主電路圖

2.2 PLC的外部接線圖

PLC的外部接線圖體現(xiàn)的是PLC如何供電，輸入信號采集有哪些設備的信號，輸出需要控制哪些設備。根據(jù)PLC的類型不同，接線方式也有所不同的。本設計采用的是西門子S7-200，CPU226，AC/DC/RLY型，它有兩個RS485通信口，24個輸入16個輸出。電源供電范圍為85～260V之間，本設計采用交流220V供電。PLC的輸入采用直流24V供電，輸出為繼電器類型，可根據(jù)負載類型選擇不同，選擇不同的電壓等級。本設計的輸入主要有啟停按鈕、限位開關、急停按鈕及熱繼電器。輸出分為兩組，一組為接觸器線圈及計數(shù)指示燈等設備，采用交流24V供電，另一組為控制機械手的電磁閥及原位指示燈，采用直流24V供電。外部接線圖在接線時首先要嚴格看圖接線，同時需要按照顏色分類接線，方便查找硬件接線故障。輸入信號中的熱繼電器需接常閉觸點。PLC的外部接線圖如圖4所示。

圖4 PLC的外部接線圖

2.3 觸摸屏的外部接線圖

本設計采用TPC7062k嵌入式一體化觸摸屏，其供電類型為直流24V。觸摸屏與PLC之間的連接為RS485通信口中的PORT1，觸摸屏與PC機之間的連接通過USB2進行連接。在PC機中需要完成組態(tài)畫面、建立設備連接、定義數(shù)據(jù)庫、定義設備屬性、連接數(shù)據(jù)、制作動畫、編寫程序等，方可將設計好的畫面下載到MCGS中。觸摸屏的外部接線示意圖如圖5所示。

圖5 觸摸屏的外部接線示意圖

3 軟件設計

硫銨碼垛控制系統(tǒng)的軟件設計部分主要包括：技術(shù)模塊的程序編寫、傳送模塊的程序編寫、機械手部分的程序編寫及連接組態(tài)軟件后程序的改動部分。

3.1 計數(shù)模塊

計數(shù)模塊主要負責的工作有：統(tǒng)計硫銨的數(shù)量和計數(shù)指示燈的控制，在輸出口富足的情況下可以將計數(shù)器的當前值取出通過運算后送入到數(shù)碼管實時顯示。計數(shù)模塊的程序如圖6所示。

圖6 計數(shù)模塊的程序

3.2 傳送模塊

傳送模塊主要負責硫銨的運輸，在皮帶的傳送過程中為了避免物料堆積，采用順序啟動逆序停止的工作過程。在皮帶運行的過程中一旦出現(xiàn)過載電機會自動停機，當系統(tǒng)出現(xiàn)緊急狀況，按下急停按鈕，電機就會停止工作。傳送模塊的梯形圖如圖7所示。

圖7 皮帶傳送模塊的梯形圖程序

3.3 機械手模塊

機械手模塊的控制過程如圖8所示，機械手的初始狀態(tài)在原位，此時左限位開關和上限位開關為閉合狀態(tài)，原位指示燈亮。當檢測到物料時，機械手開始工作。下降閥輸出執(zhí)行下降。下降到位時，下限開關動作，停止下降。夾緊電磁閥接通，延時5s。夾緊后上升動作開始，到位時，上限開關接通，停止上升。右行開始動作，到右限位接通時停止右移。下降開始工作。）下降完成時，機械手開始松開動作。延時3s后機械手上升，到上限后開始左移到達左限時機械手回到原位。當檢測到物料時，機械手開始工作。如此循環(huán)。

圖8 機械手模塊的工作過程

3.4 上位機組態(tài)畫面與PLC連接

在MCGS組態(tài)軟件中，首先在設備窗口添加父設備，在子設備中選擇西門子S7-200PPI，添加好PLC后，在設備屬性編輯窗口的內(nèi)部屬性欄中設置內(nèi)部屬性，添加輸入寄存器類型為M，通道數(shù)量為10，輸出寄存器Q，通道數(shù)量為10 。在快速連接中選擇默認設備連接，然后選擇全部添加。在組態(tài)畫面雙擊設備，在單元屬性設置中，對輸入輸出數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)對象連接。設備添加與數(shù)據(jù)連接如圖9所示。

圖9 MCGS設備添加與數(shù)據(jù)連接圖

在循環(huán)策略中添加皮帶上放物料移動的循環(huán)策略及腳本程序，添加機械手移動的循環(huán)策略及腳本程序，注意不同的策略對應不同的表達式。循環(huán)策略的設置方法如圖10 所示。

圖10 MCGS 循環(huán)策略的設置方法圖

觸摸屏中的輸入輸出按鈕控制現(xiàn)場的設備時，需要將定義好的M存儲器與Q存儲器的觸點編寫在程序中，如在PLC程序中的啟動按鈕I0.0并聯(lián)M0.0觸點，在停止按鈕I0.1旁串聯(lián)M0.1觸點，遵循接通并聯(lián)，斷開串聯(lián)的原則。

4 結(jié)束語

本設以用西門子S7-200 PLC作為控制器，TPC7062k型MCGS觸摸屏作為監(jiān)控上位機，控制器采用梯形圖編寫程序，上位機采用畫面組態(tài)、數(shù)據(jù)連接、循環(huán)策略C語言編程等方式實現(xiàn)實時監(jiān)控。系統(tǒng)的調(diào)試首先通過軟件仿真驗證可行性，仿真軟件調(diào)試中調(diào)整了水平移動和垂直移動的循環(huán)時間及速度。同時，驗證控制系統(tǒng)的輸入信號送入后，輸出信號是否按照控制系統(tǒng)要求進行動作。然后在試驗臺分模塊進行驗證，通過試驗臺驗證后，證明系統(tǒng)能夠按照控制系統(tǒng)的設計要求進行工作，操作簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，可擴展。