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摘要：为了给智能制造领域培养更多具备解决复杂工程问题能力的技术及创新型人才，以S7-1200的1215C为控制核心设计了一套具有送料、加工、装配、检测及分拣功能的离散行业自动化生产线的电气控制系统。方案采用了分布式PLC控制系统，以供料加工单元PLC为例设计了I/O分配表并进行了电机及驱动器的选型。在TIA Portal V18中进行了设备组态、工艺“轴”组态并利用模块化方法设计了不同功能的FC，重点阐述了运动控制和顺序控制的设计思路，同时应用WinCC RT Professional进行了上位机监控系统设计。经过测试验证，系统运行良好。实践表明，该系统可用于开展诊断、调试、排故、优化改进直至全新独立设计的全过程演练，以提高工科学生综合分析、设计和创新能力。
关键词：S7-1200；TIA Portal V18；运动控制；顺序控制
0引言
当前，以智能制造为代表的新一轮产业变革迅猛发展，数字化、网络化、智能化日益成为制造业的主要趋势，国务院为此发布实施了《中国制造2025》，将智能制造作为主攻方向，加速培育我国新的经济增长动力，抢占新一轮产业竞争制高点[1-2]。为更好地培养智能制造领域的杰出人才，教育部与西门子（中国）有限公司签订战略合作框架，在此框架下共同举办了多届中国智能制造挑战赛。其中智能制造工程设计与应用类赛项的实践性要求极高。因此，具备合适的实训设备成为取得比赛理想成绩的关键因素。
为达到上述目的，本文选取了一条具有供料、加工、装配、检测及分拣功能的小型离散行业自动化生产线作为背景，采用S7-1200的1215C PLC作为核心控制器并利用2022年年底西门子最新发布的编程软件对其自动化控制进行了系统性设计。该系统的创新之处在于不但将TIA Portal V18编程软件的工艺对象轴控制功能及对应的运动控制指令应用于离散行业自动化生产线的运动控制，而且对顺序控制使用了SFC的设计理念，使得程序结构相对简单且可读性强。PLC控制的离散自动化生产线有着广阔的应用前景，它能够节省大量劳动力，能够极大地提高生产效率，促进现代工业的发展。同时，该设计为学生提供了解决复杂工程问题的机会，让他们能够更深入地了解智能制造领域的前沿技术，并将理论知识应用于实际工程项目中。
1系统控制要求
该生产线系统模型由供料单元、加工单元、装配单元、检测单元、分拣单元5部分组成。在上位机发出复位信号各部分全部复位完成后按下启动按钮，系统随机供应金属或塑料（白色）材质的圆柱形原材料用于钻孔的模拟加工，加工后的工件送到装配单元，被随机装配金属或塑料材质的圆柱形物料（塑料有白色和黑色两种）。装配后的工件在检测单元进行深度检测以判断是否装配成功，进行重量检测为后续的分拣做好准备工作。在分拣单元利用电感式接近传感器和光电传感器并结合前期测重值进行分拣，最终分成金属金属、塑料塑料（白色）和金属塑料与塑料塑料（黑色）4个类别，前两种属于合格品。
2硬件系统设计
2.1总体设计方案
供料加工单元和装配检测单元各自使用1个S7-1200 PLC的CPU 1215C配置1个数字量I/O模块SM1223作为控制核心，由于加工单元使用步进电机、检测单元使用伺服电机搬运物料，这两种电机的控制需要使用高频脉冲信号，所以CPU 1215C选用DC/DC/DC类型[3-4]。检测单元使用1个CPU 1215C控制即可，选用DC/DC/RLY类型。从一个单元到下一个单元运送物料过程中用到的传送带使用变频电机驱动，其由MM420变频器加以控制。除了上述3个运动由电机拖动外，其他运动皆由气动实施，具体操作由PLC控制对应的电磁阀即可。为监控系统运行状态，设置PC（或触摸屏）监控设备1台，使用时需分别设置PC与各个CPU 1215C的不同IP地址，随后硬件上通过交换机将它们连接成以太网星型网络拓扑结构[5-6]。图1所示为PLC控制系统硬件结构。
2.2 I/O分配
总体方案及硬件选型确定后就可以进行每个PLC输入输出端口功能的分配。S7-1200 CPU的I/O地址系统自动分配是0.0~7.7，第一个扩展模块是从8.0开始。为习惯期间，该系统在SM1223扩展模块属性下的I/O地址中进行了修改，使其输入输出的起始地址都改为了2。供料加工单元PLC的I/O分配如表1所示，输入信号采用源型输入[7-8]。另两个PLC的分配表此处省略。
表1中输入信号中的加工丝杠原点检测和终点检测事关运动路径的两个极限位置，如果检测错误会造成安全事故，为此使用这两个位置的限位开关常闭触点接入PLC输入口。急停按钮出于同样原因也使用其常闭触点接入PLC[9]。
2.3电机及驱动器
（1）加工环节电机及驱动器
加工环节丝杠旋转带动气夹运动依靠的是步进电动机拖动，本次设计采用的是普菲德42BYGH47-401A两相四线混合式步进电机，步距角1.8°。驱动该步进电机的驱动器选用的是M415B步进驱动器，该驱动器属于细分型高性能两相步进电机驱动器，适合驱动中小型的混合式步进电机。由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术，使用同样的电机可以比其他驱动方式输出更大的速度和功率。其细分功能使步进电机运转精度更高，振动减小，噪声降低。
M415B驱动器有SW1~SW6六个拨码开关，其中SW1~SW3用于动态电流的设定，SW4~SW6用于细分精度的设定。当脉冲串停止后约1 s左右电流自动减至一半左右，不需要专门进行静态电流的设定。根据电机工作情况，驱动器输出峰值电流2.12 A、输出均值电流1.5 A、细分精度800步数/转即可满足要求。M415B驱动器拨码开关的设置如表2所示。
M415B步进驱动器OPTO为脉冲方向电源，需要外接5 V直流电源，而PLC输出电路需要24 V直流电源，为协调一致，需要串接电阻加以处理，具体接线如图2所示。
（2）检测环节电机及驱动器
检测环节对重量检测的精准程度事关后续分拣的正确与否，为此检测环节丝杠旋转带动气夹运动采用了能够实现高精度传动系统定位的伺服控制系统。
本次设计采用的三菱HG-KN23J-S100型伺服电机，额定功率200 W，额定转速3 000 r/min。与该电机匹配的是MR-JE-20A型伺服驱动器，该控制模式有位置、速度和转矩3种控制方式。因为系统要求精准定位，本文通过对PA01的设置将系统设为位置运行模式。通过对PA05的设置将每转指令输入脉冲数设为1 600 p/r，对PA13的设置将指令脉冲输入形态设为正逻辑。
传送带的运行由MM420变频器驱动异步电动机实施，分拣环节的PLC具体控制较为简单，在此省略。
3软件系统设计
软件的设计包括程序流程图设计、在TIA博图软件中的用户程序设计、轴控制功能块设计以及WinCC上位机系统的设计。
3.1程序流程图设计
以供料加工单元为例设计的程序流程如图3所示。
3.2 PLC程序设计
程序设计主要是使用最新TIA博图软件进行设备组态、组态工艺“轴”及程序设计。
3.2.1编程软件的选用
TIA Portal是一款全集成自动化软件，集成了传统的西门子STEP7和WINCC的功能，可以更加直观、高效、快速地进行自动化项目的开发[10-11]。2023年智能制造工程设计与应用类赛项组委会指定使用2022年年底西门子最新发布的TIA Portal V18版本，该版本提供了许多新功能和新特性，这为实现高效、可靠的自动化工程打下坚实的基础。本文使用了TIA Portal V18版本的编程软件。
3.2.2编程方法选择
S7-1200 PLC提供了3种程序设计方法，即线性化编程、模块化编程和结构化编程[12-13]。线性化编程适合于编程者刚入门或者程序非常简单，结构化编程对设计人员的要求较高。模块化编程是将程序根据功能分为不同的逻辑块，在OB1中可以根据条件调用不同的功能FC，该方法的特点是易于分工合作，调试方便。综合考虑，该设计采用模块化编程的设计方法。
3.2.3设备组态
在TIA Portal V18版本编程软件中新建后点击组态设备，再点击添加新设备，选择控制器中的CPU1215CDC/DC/DC即可完成主机的添加工作。在设备视图窗口中双击右侧硬件目录中的DI8/DQ8×24 VDC，就完成了给主机配置扩展模块的工作。点击刚才配置的扩展模块，在属性中常规选项下的I/O地址里将扩展模块的输入输出起始地址改为2。设备组态的设置选型如图4所示。
3.2.4组态工艺“轴”
在PLC设备的属性常规中选择脉冲发生器（PTO/PWM），在PTO1/PWM1下的常规中启动该脉冲发生器。在参数分配中将信号类型选为PTO（脉冲A和方向B），在硬件输出中选择脉冲输出为Q0.0 100 kHz板载输出和方向输出为Q0.1 100 kHz板载输出（对应表1要求）。
使用西门子S7-1200PLC内部集成运动控制的轴运动控制功能块来实现控制要求[14]，具体操作是通过双击工艺对象的新增对象，在运动控制中创建“轴”对象后，即可在项目树工艺对象中找到“轴-1”。进入轴工艺控制对象“轴-1”的组态分别进行了轴常规、驱动器和轴扩展、轴动态常规参数、轴动态急停以及轴回原点的相关参数设置。设置好相关功能后即可在编写梯形图程序时调用轴控制功能块。驱动器设置示例如图5所示。
3.2.5编程思路
采用模块化编程来设计软件，需要将整个软件分成若干个功能模块，本文中的3个PLC控制的对象不一样，软件划分的功能块也不尽相同。这里同样以供料加工单元PLC的编程为例，阐述一下编程思路。
根据控制要求及模块化编程特点，在主程序（OB1）下调用3个不同功能的FC。FC1用于启保停、工作方式选择、复位条件、复位（信号由上位机发出）、是否达到初始状态等功能的实现，因为这些功能大部分和外部手动信号有关，称FC1为按钮块。FC2用于加工环节步进驱动器的控制，称之为运动块。FC2主要是使用MC_Power启用/禁用轴指令、MC_Home使轴回原点指令、MC_MoveAbsolute绝对定位轴指令、MC_MoveRela⁃tive相对定位轴指令等运动控制指令实现运动控制。MC_Home指令用于复位时加工环节丝杠带动气爪回原点（I0.7），由于加工环节复位完成必须气爪处于传送带上方，该处需从原点返回一个距离，所以复位期间气爪回原点后还得使用MC_MoveAbsolute指令使其返回一个固定距离。自动运行后气爪抓取物料运送到加工料盘位置时采用MC_MoveRelative指令即可实现往返控制。上述的位置控制也可以使用S7-1200 PLC内部的高速计数器测量Q0.0的脉冲输出，然后配合MC_MoveJog加以实现。
FC3为流程块，用来实现手动及自动的工作过程。从工艺过程来看，控制对象明显属于顺序控制，所以使用SFC的设计方法更为合理[15]。S7-1200没有像S7-200 SMART一样提供顺控专用指令，需要在设计过程对SFC反复使用置位/复位指令编写逻辑控制程序。手动运行是指单个动作的点动运行，根据调试的需要，此处设置为每个动作的完成。例如：点动启动按钮夹爪夹紧，再次点动启动按钮，升降气缸抬起。二者功能的实现可以依靠相邻两步转换条件的不同来实现，具体实施过程中是在梯形图的置位复位环节对其执行条件设置不同的约束[16-17]。
3.3上位机监控设计
监控设计采用的是基于PC的组态软件，使用TIA Portal V18中PC系统SIMATIC HMI应用软件下的WinCC RT Professional[18]。在添加新设备中选择上述软件后，首先配置3个PLC之间的逻辑网络连接，在“网络视图”中用鼠标的光标选中PLC上ProfiNet通信口的绿色小方框，然后拖出一条线到另一个PLC的ProfiNet通信口上，同样的方法连接第3台PLC，即可生成网络连接；其次是进行画面的设计、变量的处理以及连接，整个过程简单、易于上手、功能较强[19-20]。图6为运行过程中的组态监控界面。
4测试验证与结果分析
对所设计的系统（图7）进行了测试，首先设备上电后给供料单元、装配单元供料桶中填充图7（a）和（b）所示的物料，确保不缺料和料足；其次确保清空传送带上、加工料盘等启动前不该有物料的地方。在上位机界面中按动复位按钮，5个单元都复位完成后按动启动按钮，系统即可进入运行状态。
供料单元随机所供物料为图7（a）所示的实心金属和白塑料圆柱体，经过加工环节的象征性钻孔后变为图7（c）物料，再经过装配环节后将图7（b）物料随机装入变为图7（d）物料。检测中的深度检测用于反映装配是否成功，检测的数据在程序中很好处理。检测环节中的重量检测至关重要，其误差大小关乎着后续分拣的是否正确。程序通过比较指令将称重后物料重量大于某值的划归为金金组合，重量低于某值的划归为塑塑组合，重量在上述两个数值之间的属于金塑组合。在开始几次的测试过程中，图7（e）称重前放物料时位置过高，导致物料落到称重传感器上时的位置不固定，经常较大偏离应变片轴线，使同一物料多次称重数值偏差较大，导致金金组合的物料可能划归到金塑组合的物料，进而导致后续分拣出错。从方便性角度考虑，稍微调高了称重传感器的位置，很好解决了这个问题。
分拣环节的第一个传感器是电感式传感器，检测到检测环节送来的金金组合物料后即刻推料。由于电感式传感器检测距离较小，而金金组合物料的高度误差有时比较大，在测试过程中需要特别加以关注。后续的光纤传感器通过调节灵敏度可以很好地把塑塑（里白）组合物料推到中间区域，把金塑及塑塑（里黑）组合物料推到最后的区域。经过几次测试和调试后，系统能够精准分拣出金金、塑塑（里白）组合物的合格品以及金塑、塑金、塑塑（里黑）的不合格品，如图7（f）所示。
5结束语
本文以西门子S7-1200的1215C PLC为控制核心结合步进伺服控制技术、传感器技术构建了一个自动化程度高、分拣精度高、灵活易控的集供料、加工、装配、检测与分拣功能一体的自动控制系统，并对硬件系统、软件系统的设计过程进行了具体阐述。最后通过测试调试验证了控制要求的可行性。上述设计更加说明了PLC编程理念和控制思想越来越多地被广大自动化行业人员所熟悉，是其他工业控制器难以与其相提并论的一流知识资源，也反映出智能制造的离散行业自动化领域中的顺序控制、运动精准控制等技术有着极其重要的地位。以此设备为依托，在工程实践过程中学生们进行了诊断、调试、排故、优化改进直至全新独立设计的全过程演练，培养了学生综合应用所学知识分析并处理复杂环境下控制科学与工程及相关现实问题的能力，并在2023年CIMC“西门子杯”中国智能制造挑战赛中取得理想的成绩。
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基于S7-1200 PLC的物料加工分拣控制系统设计论文
人参与 2025-02-06 11:25:17 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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