电气毕业设计---基于PORTAL-V-13的自动分拣工位设计.docx

本科生毕业论文（设计） 基于PORTAL V-13的自动分拣工位设计 Design of Automatic Sorting Station Based on PORTAL V-13专 业 电气工程及其自动化 姓 名 学 号 指 导 教 师 完 成 时 间 2016.6 独创性说明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得商洛学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 日期： 关于论文使用授权的说明本人完全了解商洛学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。公开 保密（_年_月） (保密的学位论文在解密后应遵守此协议)签名： 导师签名： 日期： 基于PORTAL V-13的自动分拣工位的设计摘 要：PLC在当今工业自动化控制领域发挥了重要的作用，它集自动化技术、计算机技术、通讯技术与一体，在工业控制领域得到了广泛的应用。组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，它实现对现场设备数据的采集处理，并能满足动画显示、报警处理、流程控制、参数设置、报表输出等功能。本文通过PLC和PORTAL V-13组态软件设计一种分拣系系统，该工位系统由气动机械手，西门子S7-1200，SIMATIC面板组成，在分拣能力、分拣数量与人为分拣相比都较大优越性，效率非常高，能够连续、大批量对物品进行分拣，分拣误差率低、有较灵活布局，大大缩减人力资源的浪费，进一步节约资源。关键词：机械手；S7-1200；SIMATIC面板；分拣系统；PORTAL V-13 Design of Automatic Sorting Station Based on PORTAL V-13Abstract: PLC in industrial automation control field play an important role, it integrates automation technology, computer technology, communication technology and integration, has been widely used in industrial control field. Configuration software is a special data acquisition and process control software, it implements the data collection and processing of the field devices, and can satisfy the animation display, alarm processing, process control, parameter setting, report output, etc.In this paper, through the PLC and the PORTAL V-13 configuration software to design a kind of sorting system, the location system consists of pneumatic manipulator, Siemens S7-1200, SIMATIC panels, the sorting capacity, sorting number sorting are bigger superiority compared with other people, the efficiency is very high, can be continuous, large quantities of goods sorting, grading error rate is low, have a flexible layout, greatly reducing the waste of human resources, further saving resources.。 Keywords: Manipulator; S7-1200; SIMATIC panel; sorting system; PORTAL V-13 目录居中，不是敲空格1 绪论11.1 研究现状及背景11.2 研究目的及意义11.3 研究的主要内容22 基本理论知识22.1 PLC的简介22.1 机械手的气动原理32.2 控制系统通信原理43 系统的方案设计53.1 系统功能要求53.2 系统整体布置图54 对预期的分拣功能进行分析54.1 机械手控制系统54.2 机械手动作要求55 硬件部分65.1 系统元器件选型65.2 I/O地址分配65.3 硬件连线图76空格系统程序设计106.1 软件介绍106.2 设计思想116.3 程序设计流程116.3.1 PLC内部存储器或定时器的功能126.3.2 定时器指令126.4 程序分析或程序仿真分析136.4.1空格PLC程序分析136.4.3空格HMI的组态仿真分析167 实物演示177.1 实物制作环境177.2 操作过程及分析198 总结19参考文献20致谢21附录 梯形图221 绪论1.1 研究现状及背景工业领域正在全球范围内发挥越来越重要的作用，是推动科技创新、经济增长和社会稳定的重要力量。但与此同时，市场竞争也在变得愈发激烈。客户需要新的、高质量的产品，要求以更快的速度交付根据客户要求而定制的产品。此外，还必须不断提高生产力水平。只有那些能以更少的能源和资源完成产品生产的企业，才能够应对不断增长的成本压力。而这些困难都是可以克服的。解决方案就在于实现虚拟生产和与现实生产环境的融合，采用创新软件、自动化技术、驱动技术及服务。这些能够缩短产品上市时间、提高生产效率和灵活性，帮助工业企业保持在市场上的竞争优势。1.2 研究目的及意义PLC在当今工业自动化控制领域发挥了重要的作用，它集自动化技术、计算机技术、通讯技术与一体，在工业控制领域得到了广泛的应用。组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，它实现对现场设备数据的采集处理，并能满足动画显示、报警处理、流程控制、参数设置、报表输出等功能。本文通过PLC和portal-V13组态软件设计的分拣系系统，在分拣能力、分拣数量与人为分拣相比都较大优越性，效率非常高，能够连续、大批量对物品进行分拣，分拣误差率低、有较灵活布局。大大缩减人力资源的浪费，进一步节约资源物品的分拣可以通过利用控制器对机械臂进行控制，实现自动分拣。除了使用按钮或者其他方式向空盒子装置输入分拣信息外，其余则全部采用自动控制作业，因此该系统的分拣能力、分拣数量与人为分拣相比都较优越，效率也得到了进一步的突破。如今自动分拣系统已经逐渐成为主流，物品分拣是从货物进入分拣系统开始直到将物品送到指定的分配位置，都是按照指令来完成的。这种装置是由控制装置、计算机网络，将到达分拣处的货物分别送到指定地点的的装置。分拣系统全部都采用机械实现自动化。因此，分拣的处理能力较强，分类的数量也比较多。物品分拣系统采用可编程序控制器进行控制，便能连续、大批量对货物进行分拣，分拣的误差率很低、并且劳动的强度也大大降低，显著提高了劳动的生产率。同时，系统能灵活和其他的物流设备实现无缝连接，同时实现了对实物流、信息流的分配和管理。设计上采用标准化、模块化组装，使系统具有布局灵活，维护、检修方便的优势，受场地原因的影响也不大。只要根据不同的分拣物品，在系统稍加修改就能实现要求。PLC技术结合传感器、气动和位置控制技术，设计出来不同类型的物品分拣控制系统。这种控制系统的灵活性比较强，程序开发也比较简单，能很好地适应物品分拣弹性生产线的生产需求。陈龙、冼顺英设计的邮件分拣系统，该系统由西门子S7 200PLC作为主控制系统，通过计算机网络联结，配合相应的人工处理环节构成一个完整的分拣系统。利用软件“组态王”来做系统的组态设计，具有监控和数据采集功能，可大大缩短开发时间，快捷地进行图形维护和数据采集。吴晓梅利用PLC控制4个步进电机带动4个臂，完成精确定位、花位喷水等一系列动作。段晓飞设计了一种基于控制的实验教学型气动机械臂，能实现旋转和搬运功能。吕兴宋,王爽,蔡丹等学者研究的基于S71200和触摸屏的机械手控制，他们从几个不研究的基于PLC和触摸屏的气动机械手控制系统。1.3 研究的主要内容本课题使用西门子TIA PORTAL软件和S7-1200PLC和SIMATIC触摸屏对气动机械手控制系统进行设计。（1） 通过对气动机械手的运动分析确定采用不同的电磁阀进行控制。（2） 根据系统需要确定自动分拣机构的硬件，通过硬件框图选择硬件部分。根据自动分拣机构功能选择节气阀和气源。通过I/O列表确定PLC类型，做出硬件连接图。（3） 根据控制功能图进行梯形图设计，软件选哪种要结合硬件的性质选择合适的数据寄存器以及根据功能使用合适的算法。并组成实物，操作演示自动分拣工位的运行。2 基本理论知识2.1 PLC的简介PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 PLC是以CPU为核心，综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，是现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/FCAM）之一。目前，世界上生产PLC的主要厂家有65个，其中最有名气的厂家在日本、美国和德国。日本的几个厂家为三菱、富士、日立、东芝、横河、光洋、夏普等公司。美国的几个厂家为德州食品公司、通用电器公司、歌德公司、数字设备公司等。还有德国的西门子，荷兰的飞利浦，香港的鹰达等公司也是很有名气的。德国的西门子电机公司（SIMATIC）于1975年开始研制PLC，目前主要有S3,S5,S7等几十种产品，在我国的工业控制领域具有一定的市场占有率。发展至今，S3、S5系列PLC已逐步退出市场，停止生产，而S7系列PLC发展成为了西门子自动化系统的控制核心，而TDC系统沿用SIMADYN D技术内核，是对S7系列产品的进一步升级，它是西门子自动化系统最尖端，功能最强的可编程控制器。2.1 机械手的气动原理气动所消耗的成本是最小的非常经济，但是他也有一些缺点，比如：精确度要求高的速度位移控制或功率要求高的切削场合，气动常用的比如：机械手抓取物品，机械手进行分拣（如图2-1和图2-2），精度要求太高或是功率太高就使用伺服电机加丝杠和液压进行驱动。图2-1 机械手气动图图2-2 机械手气动图2.2 控制系统通信原理 我们通常所见PLC的通信一般都采用RS-485或是RS-232，由于每个公司对自己的产品技术的保护，开发出了不少协议，这样就阻碍了工业技术的发展，不利人们使用自动化产品，在这种情况下就开发出了PLC等自动化产品的网口通信如图2-3。网口通信的通信协议将是开放的，这样就有利于自动化行业的发展。一来节约成本二来它的适用范围也将更广，有利于大型自动化设备的研发和使用。 图2-3 通信原理图3 系统的方案设计3.1 系统功能要求应用Portal-v13对PLC和触摸屏进行通信并下载程序，让PLC对金属产品和非金属进行识别，随后指挥机械手对其进行分拣，工人可以通过触摸屏对分拣节拍和故障进行识别，准确的找到故障点，排除故障。3.2 系统功能分析3.2.1 机械手控制系统机械手控制系统可实现物体的重复搬运，其搬运轨迹可根据实际要求设计，但要系统能正常工作，必须定义一个原点本系统定义原点为：上升到位、外旋到位、放松到位。设计中需采用HMI与PLC结合来实现控制，省去不少的电气元件。该系统具有手动运行模式和自动运行模式功能，调试运行时采用手动单步运行，工作时为自动循环运行，自动循环运行前必须先回原点，如果不再原点就要手动复位，或者单步自动循环回原点。3.2.2 机械手动作要求 机械手从初始原点出发，该系统设计机械手实物结构为如下图所示。机械手经内转下降夹取上升等动作之后就已经完成分拣动作的一半，随后机械手将完成另一半的动作，上升外转下降放松等一系列动作之后物料放在指定位置，然后经上升动作回到原点，重新新的一轮循环。3.3 系统整体布置图系统布置如图2-3，是根据设备的机械结构来进行，一般情况下触摸屏，PLC和机械手都是打包使用，但是也有特殊情况，比如：用作主站PLC它们管理PLC之的通讯，主站PLC不和触摸屏机械手打包使用，像S7-300和S7-400。 3.4 系统设计的基本步骤1.对预期的功能进行分析来设计系统内所包含的功能模块。2.对所包含的模块进行进一步的解析画出接线图。3.根据产品的形态和大小以及质量选取硬件的型号。4.根据接线图来组装硬件使设备硬件成型。5.再由成形的设备动作要求来编写PLC程序和HMI的组态。6.在现场进行调试和修改程序和HMI的组态直到满足预期的功能。4 系统硬件设计4.1 系统元器件选型FESTO二位五通电磁阀5组和三位五通中封阀一组，SMC MRQBS32-50CB机械手2组，BALLUFF磁开12个，MURR电源DC24V一个，SIEMENS S-1200 CPU 1215C DC/DC/DC一块，SIMATIC TP177B PN/DP-6CSTN面板一块，网线若干，快插端子排若干，型材若干，空压机一台4.2 I/O地址分配 表格4-1和表格4-2是具体的 I/O地址分配如下。表4-1 PLC输入地址分配表功能说明输入地址功能说明输入地址X-上limitI0.0Y-内limitI1.0X-下limitI0.1Y-外limitI1.1X-内limitI0.2Y-夹limitI1.2X-外limitI0.3Y-放limitI1.3X-夹limitI0.4检测物体I1.4X-放limitI0.5金属检测I1.5Y-上limitI0.6Y-下limitI0.7表4-2 PLC输出地址分配表功能说明输出地址功能说明输出地址X-上下Q0.0备用Q1.0X-内外Q0.1备用Q1.1X-夹放Q0.2Y-上下Q0.3Y-内Q0.4Y-外Q0.5Y-夹放Q0.6备用Q0.74.3 硬件连线图（1）图4-1是系统的接入电源保护电路和DC24v安全电源。空气开关为电路的保护元件，在过流的情况下断开220v电源，以保护电气元件和人的安全，防止意外的发生；开关电源给HMI，PLC以及传感器和电磁阀提供可靠电源。图4-1 系统电源接线图（2） 如图5-2是HMI和PLC的接线图，PE必须得接地否则就不能进行调试。（3） 如图54-3（a)和54-(b)是机械手气缸限位开关的接线图，限位开关是三线传感器，会有不同的类型，如：PNP接法和NPN接法。图54-2 HMI和PLC 的接线图图5-3（a）加空格机械手气缸限位开关的接线图 图5-3（b）加空格机械手气缸限位开关的接线图（4）图5-4（a）和图5-4（b）PLC输出接到电磁阀线圈的线路，其中Y机械手用的是双线圈电磁阀，接线时应注意。图54-4（a）加空格PLC输出接到电磁阀线圈的线路图5-4（b）加空格PLC输出接到电磁阀线圈的线路65 系统程序设计65.1 软件介绍Portal-v13是西门子公司最新的编程软件，它在一个软件应用程序中集成了各种SIMATIC产品使这一软件可以提高生产力和效率，TIA产品在TIA Portal中协同工作，能够在创建自动化解决方案所需的各个方面强力支持，典型的自动化解决方案包括：借助程序来控制过程的PLC；用来操作和可视化过程的HMI设备。TIA Portal用来创建自动化解决方案，关键的组态步骤为：创建项目；配置硬件；联网设备；对PLC编程；组态可视化；加载组态数据使用在线和诊断功能。TIA Portal具有以下优点：公共数据管理；易于处理程序，组态数据和可视化数据；可使用拖放操作轻松编辑；易于将数据加载到设备；易于操作；支持图形组态和诊断。具体功能下：为了设计TIA博途平台，西门子对一些典型的软件工程组态应用进行了多年研究，并分析和评估全球客户的 需求。作为西门子所有软件工程组态包的一个集成组件，TIA博途平台在所有组态界面间提供高级共享服务，向用户提供统一的导航并确保系统操作的一致性。例如，自动化系统中的所有设备和网络可在一共享编辑器内进行组态。在此共享软件平台中，项目导航、库概念、数据管理、项目存储、诊断和在线功能等作为标准配置提供给用户。统一的软件开发环境由可编程控制器、人机界面和驱动装置组成，有利于提高整个自动化项目的效率。此外，TIA博途在控制参数、程序块、变量、消息等数据管理方面，所有数据只需输入一次，大大减少了自动化项目的软件工程组态时间，降低了成本。TIA博途的设计基于面向对象和集中数据管理，避免了数据输入错误，实现了无缝的数据一致性。使用项目范围的交叉索引系统，用户可在整个自动化项目内轻松查找数据和程序块，极大地缩短了软件项目的故障诊断和调试时间。TIA博途采用此新型、统一软件框架，可在同一开发环境中组态西门子的所有可编程控制器、人机界面和驱动装置。在控制器、驱动装置和人机界面之间建立通信时的共享任务，可大大降低连接和组态成本。例如，用户可方便地将变量（如I/O模块的信号）从可编程控制器拖放到人机界面设备的画面中。然后在人机界面内即时分配变量，并在后台自动建立控制器与人机界面的连接，无需手动组态。基于TIA博途平台的全新SIMATIC Step 7 V11工程组态软件，支持SIMATIC S7-1200控制器、SIMATIC S7-300和S7-400控制器、基于PC的SIMATIC WinAC自动化系统。由于支持各种可编程控制器，SIMATIC Step 7 V11具有可灵活扩展的软件工程组态能力和性能，能够满足自动化系统的各种要求。这种可扩展性的优点表现为，可将SIMATIC控制器和人机界面设备的已有组态传输到新的软件项目中，使得软件移植任务所需的时间和成本显著减少。 基于TIA博途平台的全新SIMATIC WinCC V11，支持所有设备级人机界面操作面板，包括所有当前的SIMATIC 触摸型和多功能型面板、新型SIMATIC 人机界面精简及精致系列面板，也支持基于PC的SCADA（监督控制和数据采集）过程可视化系统。TIA博途未来计划增加对SINAMICS逆变器驱动系列的组态和调试功能。65.2 设计思想在全球制造业大力前进的今天，我们也应该跟在世界潮流的左右，让我国的制造业也能大步的前进，以实现中国制造业的繁荣。第一步先要设计预期的功能，再就是根据预期的功能来设计它的机械部分，再由机械工程师和电气工程师选择元器件的型号，下来就是对设备进行制作编程，最后对设备预期设计的功能进行验证并进行预生产。65.3 程序设计流程（1）先根据机械手的动作要求，按顺序写出动作程序的主干。（2）再根据动作的限制条件来编写每一个动作的启动信号，比如：在原点的第一个动作是机械手内旋那么它的启动信号就包括外侧上升到位，外旋到位和放松到位。（3）再由每个动作之间的关系，确定动作的正确性和流畅性，使动作更具美观的特性，从而减少违和感。（4）接下来根据预期机械手的功能，加入自动循环程序，手动模式以及调试的手动单步程序，再加计数程序。（5）出于对工位安全考虑，还要加装急停程序，以确保人员的安全。（6）PLC程序写完后，再根据功能要求在HMI的界面开放出它的功能，最后完成软件程序的编写。65.3.1 PLC内部存储器功能物理存储器：S7-1200CPU提供了一下用于存储用户程序，数据和组态的存储区。（1）装载存储器：用于非易失性地存储用户程序，数据和组态。项目下载到CPU后，首先存储在装载存储器中，它位于存储卡（如存在/空间更大）或CPU中，能断电保持。（2）工作存储器：已失性存储器，执行用户程序时，CPU将一些项目内容从装载存储器复制到工作存储器中，断电丢失，恢复供电由CPU恢复。（3）保持性存储器：断电时非易失性地存储限量的所选用户存储单元的值，这些值在上电时可以恢复。SIMATIC存储卡（可选）用作存储用户程序的替代存储器，或用于程序传送。使用它，CPU将运行存储卡中的程序而不是自身存储器中的程序，CPU仅支持预格式化的SIMATIC存储卡。要插入存储卡，需打开CPU顶盖，然后将存储卡插入到插槽中，推弹式连接器可以轻松地插入和取出，存储卡要求正确安装，检查以确定存储卡没有写保护，滑动保护开关，使其离开“LOCK”位置。存储卡用作程序卡或传送卡：无需STEP 7 Basic而使用传送卡可将项目复制到多个CPU存储器，复制后取出传送卡；存储卡可替代CPU存储器（所有CPU功能由程序卡进行控制），插入存储卡会擦除CPU内部装载存储器的所有内容（包括用户程序和任何强制I/O）。CPU执行程序卡中的用户程序，程序卡必须留在CPU中，否则CPU切换的STOP模式。65.3.2 定时器指令使用定时器指令可创建编程的时间延迟：TP，脉冲定时器可生成具有预设脉冲宽度时间的脉冲；TON，接通延时定时器输出Q在预设的延时过后设置为ON；TOF；关断延时定时器输出Q在预设的延时过后设置为OFF；TONR，保持性接通延时定时器输出Q在预设的延时过后设置为ON，在使用R输入重置经过的时间之前，会跨越多个定时时段一直累加经过的时间；RT；通过清除存储在指定定时器背景数据块中的时间数据来重置定时器。每个定时器都使用一个存储在数据块中的结构来保存定时器数据，在编辑器中放置定时器指令时即可分配该数据块。在功能块中放置定时器指令后，可以选择多重背景数据块选项，各数据结构的定时器结构名称可以不同，但定时器数据包含在单个数据块中，从而无需每个定时器都使用一个单独数据块，这样可以减少处理定时器所需的时间和数据存储空间。在共享的多重背景数据块中的定时器结构之间不存在交互作用。65.4 程序分析或程序仿真分析65.4.1空格PLC程序分析 （1）如图6-1程序段的主要功能是使机械手在非原点的位置能够迅速回归。把我框注的程序截取，放大，居中。否则打印不清晰。其他的也一样处理，不在提示。 图65-1 机械手复位键（2）如图6-2 程序段的主要功能是当工位出现异常状况时，能及时停止机械手防止意外事故的发生。 图65-2 故障急停 图 65-3 主程序（3）如图65-3程序段是机械手动作的主程序，它主要包含两个功能自动手动模式的选择和单步循环的选择。（4）如图65-4程序段的主要功能是给机械手分拣的产品计数。 图65-4 产品计数65.4.2触摸屏程序分析 图65-5和6-6为触摸屏的组态画面，主要为用于调试维修而开放的功能。此图缩小一点， 图65-5 触摸屏画面一此图缩小一点， 图65-6 触摸屏画面二 6.4.3空格HMI的组态仿真分析如图6-6和65-7是HMI组态的仿真画面，经测试所有组态功能都符合要求。 图6-6 画面1仿真 图6-7 画面2仿真76 实物演示76.1 实物制作环境 （1)实物制作周期：54月81号-54月1025号组装机械手和电磁阀；54月1126号-5月125号连接电磁阀和PLC的接线；5月136号连接空压机和电磁阀；5月2117号-5月28号连接所有的电源接线并检测。图7-1 实物制作及测试环境整体（2） 实物制作地点：西安新亚图PLC培训中心。（3） 实物演示时间：2016年5月30号。 （4）实物外部接线：如图7-1是系统整体的接线和测试环境图图，图7-2是S7-1200外接线，图7-3是气动机械手外接线和气路连接。图7-2 S7-1200接线气动机械手外接线 图7-3空格气动机械手外接线76.2 操作过程及分析（1）先检查硬件接线是否真确；（2) 打开电源，PORTAL软件；（3）点击软件的“可访问设备”进行设备的查找，连接和恢复；（4）打开主程序进行PLC和HMI程序的下载；（5）最后打开空压机，进行供气的操作；（6）进行操作调试；87 总结本文介绍的气动机械手自动分拣装置，主要应用西门子PORTAL软件对S7-1200型PLC的梯形图进行编辑，对其组成及工作原理等方面进行了分析，基本学会了PORTAL软件设计的基本步骤和使用方法，对PLC的工作原理和使用方法也都有了更深刻的理解。通过这次对气动机械手控制系统的分析, 进而设计出整个控制系统各组成设备的程序。由于PLC 产品自身具有可靠性高、灵活性强、对工作环境无要求和抗干扰性能好等诸多优点, 使之完全可以将操作人员从恶劣的现场环境中解放出来, 因而深受用户欢迎。同时, 该控制系统可用较少的资金投入, 达到很高的精度控制。整个设计虽圆满完成，可是结果不太令人满意，但是在此过程中出现的一些问题，例如三线传感器的接法和基本电路设计还不太完善。遇到的问题主要是学习一些理论性的知识，没有真正察觉一些细节性的东西，当程序运行时，出现了一些的问题，这都是细节上的问题，在以后的学习工作上要注意这些问题，必须及时更正。我认为只有在实践中多去操作，多总结经验，多尝试，才能学以致用，达到学习的目的，才能更好地适应社会。参考文献1吕兴宋，王爽，蔡丹等.基于S71200和触摸屏的机械手控制J.轻工科技.2012,11：45-802王时军.零基础轻松学会西门子S7-1200M.北京:机械工业出版社,2008:70-953朱文杰.S7-1200PLC编程与应用M.北京:中国电力出版社,2015:1-4854西门