基于USS协议和MCGS的材料分拣自动监控系统设计与实现.doc

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S7-200 PLC为控制核心，利用USS协议与西门子MM420变频器通信，MCGS TPC7062K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；材料分拣第 1 页 共 1 页 目 次1 引言1 2 系统方案设计13 系统硬件设计13.1 PLC控制模块13.2 变频器控制模块23.3 触摸屏型号选择33.3.1 TPC7062KS介绍33.3.2 TPC7062KS硬件连接3 4 系统软件设计34.1 系统的控制要求及其流程图34.2 USS通信协议44.2.1 USS通信协议的介绍44.2.2 USS通信协议的优势44.3 软件设计及编程44.3.1 变频器的控制44.3.2 工件位置的计算64.3.3 材料的分拣65 组态画面设计75.1 MCGS组态软件介绍75.2 登录界面75.3 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151 主程序152 材料自动分拣子程序173 高速计数器子程序21第 21 页 共 21 页 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3.1 PLC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S7-200 CPU224XP AC/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3.1 I/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1Q0.4推杆1I0.5金属传感器Q0.5推杆2I0.6光纤2Q0.6推杆3I0.7电磁传感器1Q0.7黄灯I1.0电磁传感器2Q1.0绿灯I1.1电磁传感器3Q1.1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3.3.1 TPC7062KS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。3.3.2 TPC7062KS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3.3 TPC7062KS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4.2 USS通信协议4.2.1 USS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。4.2.2 USS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5.1 MCGS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MCGS TPC7062KS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Network 1 LD SM0.1R Q0.0, 24R M1.0, 100R S0.0, 100CALL SBR1R C0, 10Network 2 LDN I0.4AN I0.7AN I1.0AN I1.1AN Q0.1AN Q0.0LPSAN M2.0AN M1.0S M2.0, 1LPPNOTAN M1.0A M2.0R M2.0, 1Network 3 LD I1.3O M8.0A M2.0AN M1.0S M1.0, 1S S0.0, 1Network 4 LD M1.0CALL SBR0Network 5 LD I1.2O M8.1A M1.0S M1.1, 1Network 6 LD M1.1A S0.0R M1.0, 2R S0.0, 1R C0, 10Network 7 LD M1.0= Q1.1Network 8 LDN T37TON T37, +1Network 9 LD T37MOVD HC0, VD2000MOVD VD2000, VD2008-D VD2004, VD2008MOVD VD2000, VD2004Network 10 LD M3.3DTR VD2008, VD2012AENOMOVR VD2012, VD1051/R 10.0, VD1051Network 11 LDN M1.0MOVW VW1002, AC0Network 12 LD M5.0LPSEUAN M1.0S V1000.1, 1LPPEDAN M1.0R V1000.1, 1Network 13 LD M5.1LPSEUAN M1.0S V1000.2, 1LPPEDAN M1.0R V1000.2, 1Network 14 LD M5.2LPSEUAN M1.0S V1000.3, 1LPPEDAN M1.0R V1000.3, 1Network 15 LD M5.3LPSEUAN M1.0S V1000.4, 1LPPEDAN M1.0R V1000.4, 1Network 16 LD M1.0LPSA V1000.1S M5.0, 1LPPAN V1000.1R M5.0, 1Network 17 LD M1.0LPSA V1000.2S M5.1, 1LPPAN V1000.2R M5.1, 1Network 18 LD M1.0LPSA V1000.3S M5.2, 1LPPAN V1000.3R M5.2, 1Network 19 LD M1.0LPSA V1000.4S M5.3, 1LPPAN V1000.4R M5.3, 1Network 20 LDN V1000.0A V1000.1EU+I +1, VW3000Network 21 LDN V1000.0A V1000.2EU+I +1, VW3000Network 22 LDN V1000.0A V1000.3EU+I +1, VW3000Network 23 LDN V1000.0A V1000.4EU+I +1, VW3000Network 24 LDN V1000.0A V1000.1ED-I +1, VW3000Network 25 LDN V1000.0A V1000.2ED-I +1, VW3000Network 26 LDN V1000.0A V1000.3ED-I +1, VW3000Network 27 LDN V1000.0A V1000.4ED-I +1, VW3000Network 28 LDN V1000.0AN V1000.1AN V1000.2AN V1000.3AN V1000.4MOVW +0, VW3000Network 29 LDN M1.0MOVW VW3000, VW3002*I +2, VW3002Network 30 LD I0.7A M4.0AN M4.1EULD M1.1CTU C2, +2Network 31 LD I1.0A M4.0AN M4.1EULD M1.1CTU C3, +2Network 32 LD I1.1A M4.0AN M4.1EULD M1.1CTU C4, +2Network 33 LD T40A M4.0AN M4.1EULD M1.1CTU C5, +2Network 34 LD I0.7AN M4.0AN M4.1EULD M1.1CTU C6, +2Network 35 LD I1.0AN M4.0AN M4.1EULD M1.1CTU C7, +2Network 36 LD I1.1AN M4.0AN M4.1EULD M1.1CTU C8, +2Network 37 LD T40AN M4.0AN M4.1EULD M1.1CTU C9, +2Network 38 LD SM0.0ITB C2, VB1058ITB C3, VB1059ITB C4, VB1060ITB C5, VB1061ITB C6, VB1062ITB C7, VB1063ITB C8, VB1064ITB C9, VB1065Network 39 LD SM0.1MOVD +0, VD3000MOVD +0, VD1058MOVD +0, VD1062Network 40 LD M1.0AW= C0, VW3002AW= C1, VW3002= V1050.6Network 41 LD SM0.1CALL SBR5, 1, 19200, 2#100, M10.0, MB11Network 42 LD SM0.0= L60.0LD Q0.0= L63.7LD M1.1= L63.6LD M1.1= L63.5LD M1.1= L63.4LD Q0.1= L63.3LD L60.0CALL SBR6, L63.7, L63.6, L63.5, L63.4, L63.3, 2, 1, VD1500, M10.1, MB12, VW2500, VD2600, M10.2, M10.3, M10.4, M10.5Network 43 LD M3.2= L60.0LD M3.2EU= L63.7LD L60.0CALL SBR9, L63.7, 2, 1121, 0, &VB3500, M10.6, MB13, VD4500Network 44 LD M10.6R M3.2, 1Network 45 LD M3.0= L60.0LD M3.0EU= L63.7LDN SM0.0= L63.6LD L60.0CALL SBR11, L63.7, L63.6, 2, 1120, 0, VD2500, &VB3502, M10.7, MB14Network 46 LD M10.7R M3.0, 1Network 47 LD M3.4= L60.0LD M3.4EU= L63.7LD L60.0CALL SBR12, L63.7, 2, 2010, 0, &VB3503, M20.0, MB15, VW4600Network 48 LD SM0.0LPSAW= VW4600, 6MOVD 9600, VD4604LPPAW= VW4600, 7MOVD 19200, VD4604Network 49 LD M20.0R M3.4, 1Network 50 LD M3.1ITD VW2600, VD2604AENODTR VD2604, VD2608AENOMOVR VD2608, VD2612/R 50.0, VD26122 材料自动分拣子程序Network 1 LSCR S0.0Network 2 LD I0.4A M1.0AN M1.1LPSTON T38, +10A T38S Q0.0, 1SCRT S0.1LPPMOVR VD2012, VD1500CALL SBR1Network 3 SCRENetwork 4 LSCR S0.1Network 5 LDD= HC0, +500A Q0.0EUR M4.0, 8Network 6 LDD= HC0, +1750AD= HC0, +3700AD= HC0, +3750A M4.0AN M4.1EULD C0CTU C0, +100Network 9 LDD= HC0, +3750AN M4.0AN M4.1EULD C0CTU C1, +2Network 10 LDW= VW3002, +2A M4.0AN M4.1LDW= C0, +1OW= C0, +2ALDLDW= VW3002, +2AN M4.0AN M4.1LDW= C1, +2OW= C1, +1ALDOLDLPSA V1000.1AD= HC0, +3750S Q0.4, 1R Q0.0, 1LRDA V1000.2AD= HC0, +5150S Q0.5, 1R Q0.0, 1LRDA V1000.3AD= HC0, +6200S Q0.6, 1R Q0.0, 1LPPA V1000.4A T40R Q0.0, 1Network 11 LDW= VW3002, +4AN M4.1A M4.0LDW= C0, +1OW= C0, +3ALDLDW= VW3002, +4AN M4.0AN M4.1LDW= C1, +3OW= C1, +1ALDOLDLPSA V1000.1AD= HC0, +3750S Q0.4, 1R Q0.0, 1LRDAN V1000.1A V1000.2AD= HC0, +5150S Q0.5, 1R Q0.0, 1LPPAN V1000.1AN V1000.2A V1000.3AD= HC0, +6200S Q0.6, 1R Q0.0, 1Network 12 LDW= VW3002, +4AN M4.1A M4.0LDW= C0, +2OW= C0, +4ALDLDW= VW3002, +4AN M4.0AN M4.1LDW= C1, +4OW= C1, +2ALDOLDLPSA V1000.1LPSA V1000.2AD= HC0, +5150S Q0.5, 1R Q0.0, 1LRDA V1000.3AD= HC0, +6200S Q0.6, 1R Q0.0, 1LPPA V1000.4A T40R Q0.0, 1LRDAN V1000.1A V1000.2LPSA V1000.3AD= HC0, +6200S Q0.6, 1R Q0.0, 1LPPA V1000.4A T40R Q0.0, 1LPPAN V1000.1AN V1000.2A V1000.3A V1000.4A T40R Q0.0, 1Network 13 LDW= VW3002, +6A M4.0AN M4.1LDW= C0, +1OW= C0, +4ALDLDW= VW3002, +6AN M4.0AN M4.1LDW= C1, +4OW= C1, +1ALDOLDLPSA V1000.1AD= HC0, +3750S Q0.4, 1R Q0.0, 1LPPAN V1000.1A V1000.2AD= HC0, +5150S Q0.5, 1R Q0.0, 1Network 14 LDW= VW3002, +6A M4.0AN M4.1LDW= C0, +2OW= C0, +5ALDLDW= VW3002, +6AN M4.1AN M4.0LDW= C1, +5OW= C1, +2ALDOLDLPSA V1000.1LPSA V1000.2AD= HC0, +5150S Q0.5, 1R Q0.0, 1LPPA V1000.3AD= HC0, +6200S Q0.6, 1R Q0.0, 1LPPAN V1000.1A V1000.2A V1000.3AD= HC0, +6200S Q0.6, 1R Q0.0, 1Network 15 LDW= VW3002, +6AN M4.1A M4.0LDW= C0, +3OW= C0, +6ALDLDW= VW3002, +6AN M4.0AN M4.1LDW= C1, +6OW= C1, +3ALDOLDLPSA V1000.1A V1000.2LPSA V1000.3AD= HC0, +6200S Q0.6, 1R Q0.0, 1LPPA V1000.4A T40R Q0.0, 1LPPAN V1000.1A V1000.2A V1000.3A V1000.4A T40R Q0.0, 1Network 16 LDW= VW3002, +8AN M4.1A M4.0LDW= C0, +1OW= C0, +5ALDLDW= VW3002, +8AN M4.0AN M4.1LDW= C1, +5OW= C1, +1ALDOLDA V1000.1AD= HC0, +3750S Q0.4, 1R Q0.0, 1Network 17 LDW= VW3002, +8A M4.0AN M4.1LDW= C0, +2OW= C0, +6AL