基于S7-200PLC的球類水果套網(wǎng)機(jī)控制系統(tǒng)研究

高猛　張銀龍　王振華　陳雨

摘? 要：結(jié)合球類水果套網(wǎng)機(jī)的主要設(shè)計(jì)功能要求，該文針對(duì)球類水果套網(wǎng)機(jī)對(duì)于控制系統(tǒng)準(zhǔn)確、高效、可靠的性能要求，應(yīng)用西門子S7-200系列PLC設(shè)計(jì)了1個(gè)球類水果套網(wǎng)機(jī)的控制系統(tǒng)，從而協(xié)調(diào)控制多個(gè)電機(jī)的有序動(dòng)作，完成球類水果的逐個(gè)進(jìn)給、水果套網(wǎng)、套網(wǎng)切割等設(shè)計(jì)功能。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的仿真，驗(yàn)證了西門子S7-200系列PLC控制系統(tǒng)相對(duì)于繼電器控制的優(yōu)越性，同時(shí)也證明該控制系統(tǒng)在球類水果套網(wǎng)機(jī)設(shè)計(jì)中的適用性，對(duì)其他機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：S7-200系列PLC;控制系統(tǒng);球類水果套網(wǎng)機(jī)

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 球類水果套網(wǎng)機(jī)原理

球類水果套網(wǎng)機(jī)共分為4層，第1層為儲(chǔ)料層，分成前后2個(gè)部分，分別為1-套網(wǎng)存儲(chǔ)區(qū)，2-水果存儲(chǔ)區(qū)。第2層和第3層為包裝單元，其中8-給料機(jī)構(gòu)、5-套網(wǎng)機(jī)構(gòu)和6-轉(zhuǎn)刀機(jī)構(gòu)都位于第2層，9-舉升機(jī)構(gòu)和10-成品區(qū)位于第3層，最下層為4-電控單元。通過(guò)合理分配球類水果套網(wǎng)機(jī)的層次，優(yōu)化了套網(wǎng)機(jī)的空間布局。球類水果套網(wǎng)機(jī)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間小，相對(duì)成本低，工作效率高。套網(wǎng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

球類水果套網(wǎng)機(jī)的工作過(guò)程為：當(dāng)機(jī)器啟動(dòng)，各機(jī)構(gòu)位于初始位置時(shí)，球類水果從2-水果存儲(chǔ)區(qū)沿7-軌道進(jìn)入8-給料機(jī)構(gòu)排隊(duì)，并按4-電控單元程序控制將水果供給9-舉升機(jī)構(gòu)，9-舉升機(jī)構(gòu)通過(guò)舉升動(dòng)作，將水果舉入5-套網(wǎng)機(jī)構(gòu)內(nèi)。套網(wǎng)機(jī)構(gòu)完成套網(wǎng)操作，程序控制6-轉(zhuǎn)刀機(jī)構(gòu)切斷套網(wǎng)，隨后9-舉升機(jī)構(gòu)回落，8-給料機(jī)構(gòu)將套網(wǎng)成品搬運(yùn)到10-成品區(qū)，同時(shí)供給下一個(gè)水果到9-舉升機(jī)構(gòu)，設(shè)備進(jìn)入循環(huán)工作。在各個(gè)機(jī)構(gòu)配合的過(guò)程中，需要控制系統(tǒng)具有高準(zhǔn)確度、高效率、順序控制等特點(diǎn)，因此采用S7-200系列PLC控制系統(tǒng)[1]。

2 球類水果套網(wǎng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)球類水果套網(wǎng)機(jī)包裝設(shè)計(jì)的功能要求，在傳感檢測(cè)系統(tǒng)工作的前提下，確立了控制系統(tǒng)具有5個(gè)功能。1）控制給料機(jī)構(gòu)2個(gè)擋板電機(jī)，實(shí)現(xiàn)差時(shí)動(dòng)作，完成逐個(gè)給料操作。2）控制給料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)盤電機(jī)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，完成水果進(jìn)給與成品搬運(yùn)。3）控制舉升機(jī)構(gòu)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)舉升機(jī)構(gòu)舉升及落下動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)水果進(jìn)出套網(wǎng)機(jī)構(gòu)。4）控制套網(wǎng)機(jī)構(gòu)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)套網(wǎng)機(jī)構(gòu)套網(wǎng)功能。5）控制轉(zhuǎn)刀機(jī)構(gòu)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)套網(wǎng)切割功能。

具體控制過(guò)程如下：球類水果套網(wǎng)機(jī)的控制系統(tǒng)根據(jù)開機(jī)信號(hào)，檢測(cè)給料機(jī)構(gòu)上的水果信號(hào)，如果軌道上有水果，便控制2個(gè)擋板電機(jī)進(jìn)行差時(shí)動(dòng)作，完成水果逐個(gè)供給到給料結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)盤區(qū)，控制系統(tǒng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)盤區(qū)存在水果的信號(hào)，進(jìn)一步控制轉(zhuǎn)盤電機(jī)，將水果供給到舉升機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)檢測(cè)到舉升托盤存在的水果信息，繼續(xù)控制舉升電機(jī)，完成水果推舉入套網(wǎng)機(jī)構(gòu)內(nèi)的工作，程序按順序進(jìn)一步控制套網(wǎng)電機(jī)，計(jì)時(shí)控制套網(wǎng)機(jī)構(gòu)完成套網(wǎng)，然后轉(zhuǎn)刀電機(jī)工作，切斷套網(wǎng)，舉升機(jī)構(gòu)落下，轉(zhuǎn)盤電機(jī)工作，在將成品取下的同時(shí)，完成下一個(gè)水果進(jìn)給，從而實(shí)現(xiàn)球類水果套網(wǎng)機(jī)的循環(huán)工作[2]。

3 控制系統(tǒng)的控制器選型

PLC控制系統(tǒng)硬件主要由PLC主機(jī)、系統(tǒng)電源、信號(hào)采集單元、執(zhí)行單元、連接電氣元件、導(dǎo)線等組成。系統(tǒng)電源為PLC主機(jī)提供電源，信號(hào)采集單元主要由控制過(guò)程中的各個(gè)信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)的各類傳感器組成，其中大部分傳感器的電源可直接從PLC主機(jī)獲得，PLC獲得各類傳感器從球類水果套網(wǎng)機(jī)的各個(gè)工作節(jié)點(diǎn)中檢測(cè)到的信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部程序運(yùn)算后，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，到達(dá)各個(gè)執(zhí)行單元，控制球類水果套網(wǎng)機(jī)的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了控制功能。

S7-200系列PLC是一種專門為解決多位輸出、多位控制、順序控制問(wèn)題，并用來(lái)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算控制的電子裝置。它采用可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)中執(zhí)行邏輯運(yùn)算、定時(shí)、順序控制、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并且通過(guò)其中的數(shù)字式和模擬式的輸入、輸出，控制各種機(jī)械設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)工作[3]。

使用S7-200系列PLC與傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制相比有4個(gè)優(yōu)點(diǎn)。1）可靠性高、邏輯功能強(qiáng)、體積小。2）當(dāng)工作場(chǎng)合需要使用大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器以及計(jì)數(shù)繼電器時(shí)，PLC不需要增加硬件設(shè)備。3）可以隨著工作要求的變化隨時(shí)對(duì)PLC程序進(jìn)行修改。如果繼電器線路要想改變控制功能，就必須變更硬接線。其與傳統(tǒng)的繼電器邏輯相比靈活性高。4）PLC還具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，可附加高性能模塊對(duì)模擬量進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制功能。

基于球類水果套網(wǎng)機(jī)高效率、高準(zhǔn)確度、低成本、小空間的設(shè)計(jì)需求，該文選用了西門子S7-200 CPU224可編程邏輯控制器作為控制系統(tǒng)的處理器[4]。其主要參數(shù)見表1。

表1? 西門子S7-200 CPU224 參數(shù)表

S7-200 CPU224 電源電壓 程序存儲(chǔ)器 計(jì)數(shù)器 本機(jī)I/O最多可接擴(kuò)展模塊

參數(shù) DC 20.4 V～28.8 V

AC 84 V～264 V

（47 Hz～63 Hz） 8 K字節(jié)/典型值為2.6 K條指令 0～256個(gè)計(jì)數(shù)器，6個(gè)高速計(jì)數(shù)器 數(shù)字量輸入：14個(gè)，其中4個(gè)可用作硬件中斷，10個(gè)用于高速功能

數(shù)字量輸出：10個(gè)，其中2個(gè)可用作本機(jī)功能

模擬電位器：2個(gè) 7個(gè)

4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)及仿真

通過(guò)分析球類水果套網(wǎng)機(jī)的控制過(guò)程，對(duì)控制程序進(jìn)行編程設(shè)計(jì)及仿真處理。首先，根據(jù)球類水果套網(wǎng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制功能要求分析控制系統(tǒng)的輸入點(diǎn)數(shù)和輸出點(diǎn)數(shù)。輸入為給料傳感器、套網(wǎng)傳感器、轉(zhuǎn)刀傳感器、舉升傳感器、轉(zhuǎn)盤信號(hào)和開機(jī)信號(hào)，輸出為轉(zhuǎn)盤電機(jī)、套網(wǎng)電機(jī)、轉(zhuǎn)刀電機(jī)、舉升電機(jī)、擋板1電機(jī)正反轉(zhuǎn)、擋板2電機(jī)正反轉(zhuǎn)，共計(jì)6個(gè)輸入點(diǎn)數(shù)和8個(gè)輸出點(diǎn)數(shù)。然后，根據(jù)控制原理進(jìn)行I/O點(diǎn)的分配，控制系統(tǒng)中的6個(gè)輸入分別從I0.0～I(xiàn)0.5進(jìn)行分配，控制系統(tǒng)的8個(gè)輸出從Q0.0～Q0.7進(jìn)行分配。編寫程序首先根據(jù)球類水果套網(wǎng)機(jī)控制系統(tǒng)的具體控制過(guò)程繪制順序功能圖，參照順序功能圖利用梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行PLC控制程序的編寫。初步編寫完成后，利用軟件對(duì)程序進(jìn)行編譯，檢查設(shè)備組態(tài)和程序錯(cuò)誤問(wèn)題并進(jìn)行改正。程序編輯完成后通過(guò)S7-200系列仿真軟件STEP-7 Micro/WIN V4.0 SP9進(jìn)行程序的運(yùn)動(dòng)仿真，從而分析程序是否存在沖突等編譯錯(cuò)誤。最后，運(yùn)動(dòng)分析的結(jié)果顯示程序無(wú)編譯錯(cuò)誤，程序運(yùn)行完全符合控制系統(tǒng)的控制功能要求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于球類水果套網(wǎng)機(jī)設(shè)計(jì)功能的控制目標(biāo)。S7-200系列PLC控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

5 結(jié)論

通過(guò)程序仿真測(cè)試顯示，基于西門子S7-200 CPU224可編程邏輯控制器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以有效實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)功能，并且該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、可靠性高，可重復(fù)進(jìn)行編程。因此S7-200系列PLC控制系統(tǒng)可以有效完成球類水果套網(wǎng)機(jī)的工作，且成本低、信號(hào)反應(yīng)快。S7-200系列PLC控制系統(tǒng)可以有效提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，降低設(shè)備的維修率，降低生產(chǎn)成本，對(duì)于該類球類水果套網(wǎng)機(jī)的應(yīng)用與推廣具有重要意義，同時(shí)對(duì)其他類似機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)的選用具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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