【《基于PLC的包裹分拣系统的设计与实现》8000字】

-PAGEII-基于PLC的包裹分拣系统的设计与实现摘要本设计是基于PLC的包裹分拣控制系统设计，选择西门子的S7-300中型PLC进行控制，选择CPU315-2DP，西门子触摸屏为上位机，实现包裹分拣控制。通过重量传感器进行包裹称重，根据重量分成轻、中、重三类，传送带输送包裹到分拣位置，光电传感器检测到包裹到位，停止传送带，气缸推送分拣，推送到位，气缸返回，返回到位循环执行。通过分析包裹分拣控制要求，首先进行总体设计，然后进行硬件设计，选择PLC和模块，分配PLC输入和输出，设计主电路、控制电路和PLC输入和输出接线图；然后进行软件设计，编写控制流程图，编写梯形图程序；然后进行触摸屏设计，组态触摸屏画面；最后使用西门子的S7-300仿真PLC软件和触摸屏仿真软件，进行联合仿真测试，验证设计，经详细的仿真测试，证明设计符合要求，达到了预期设计目的。系统具有自动手动模式，手动方便调试和维修使用，使用方便灵活。系统具有短路，急停，过载保护，安全可靠。采用PLC和触摸屏进行设计，方便实用。关键词：包裹分拣；触摸屏；重量传感器；梯形图目录摘要 I第一章绪论 11.1设计目的和意义 11.2国内外现状 11.3研究主要内容 2第二章总体方案 32.1控制要求 32.2方案设计 3第三章硬件设计 53.1硬件选择 53.1.1PLC选择 53.1.2扩展模块选择 53.2主电路设计 53.3控制电路设计 63.4PLC输入和输出分配 73.5PLC输入和输出接线图 8第四章软件设计 104.1控制流程图设计 104.2PLC内部使用地址 114.3硬件配置 124.4梯形图程序设计 134.4.1程序结构 134.4.2数据块DB1 14第五章组态设计 155.1触摸屏选择 155.2通讯设定 155.3变量连接 165.4组态画面 16第六章调试 196.1调试 196.2仿真测试 19第七章结论 35参考资料 37附录 38附录1电气图纸 38附录2程序 39主程序OB1 39开机初始化组织程序OB100 51-PAGE8-第一章绪论1.1设计目的和意义自动分拣系统在生产工业中占有重要地位，特别是物流这一方面。自动分拣系统它相比人工作业来说它的分拣效率比较高，准确度也比较高，它运输时不容易出错出现包裹暴力投递以及包裹损坏和丢失的情况。而且在分拣时可以对包裹进行数据的储存，通过数据来对分拣过程中产生的错误、不足，能够及时改正，可以有效避免再次出现类似的问题，该系统也可以减少一系列的安全隐患，类似于钢铁制造产业所制作的铁钉不能以件计数的物品。控制系统方框图如图2-1所示，以PLC为控制核心，触摸屏与PLC进行通讯，进行控制和监控。 外部的启动、停止按钮接PLC输入，用于启、停系统。外部的急停开关接PLC的输入，用于发生紧急事件，按下急停开关，停止所有输出，紧急停止系统。外部的投币检测接PLC的输入，用于进行投币计数，投币足够才能使用。外部的左行按钮、右行按钮、前行按钮、后行按钮、下钩按钮和、取物按钮接PLC的输入，用于使用手柄或者按钮，进行手动左右行，前后行，升降和抓取控制。外部的左行限位、右行限位、前行限位、后行限位、上行限位和下行限位接PLC的输入，用于对左右行，前后行和上下行超程保护。外部的各电机故障反馈接PLC的输入，用于反馈电机故障，进行故障报警，停止相应的电机。 PLC输出接左行继电器，PLC通过控制继电器，继电器驱动接触器，接触器驱动左、右行电机左行，同样的右行控制，前行控制，后行控制，上行、下行控制，以及抖动控制类似。 PLC输出接抓取，通过继电器控制电磁阀，电磁阀控制手爪。 PLC输出接强力和弱力，用于控制手爪强弱。 PLC输出接音乐，控制音乐设备。 PLC输出故障显示，用于显示故障状态。3.2

主电路设计

主电路如图3-1所示。220V交流电接L和N，为设备提供工作电源。QF1是断路器，通断抓娃娃机电源。FU1是熔断器，用于短路过流保护。主电路 A1是直流开关电源，将220V交流电转成直流24V，为直流电机提供24V工作电源。 M1是左、右行电机，M2是前、后行电机，M3是上、下行电机，M4是抖动电机，FR1、FR2、FR3、FR4分别是电机M1到M4过载保护热继电器，QF3、QF4、QF5、QF6分别是电机M1到M4断路器，KM1到KM6分别是电机M1到M3正反转启动接触器，KM7是电机M4启动接触器。1.2国内外现状随着网络电子商务和快递业的快速发展，自动输送分拣设备在市场上的需求量大幅增加，商家们也就此引进了大量相应的设备。国内相关供应商抓住商机，拓展相关业务，在物流方面取得良好成绩。据相关报道2021年10月1日至7日，国家邮政局监测数据显示，全国邮政快递业高位运行安全平稳，共揽收快递包裹19.91亿件，与2019年同期相比增长100.38%，与2020年同比增长28.31%；投递快递包裹19.17亿件，与2019年同期相比增长104.44%，与2020同比增长25.71%。导致的结果如图1-1所示图1-1据统计，由于消费者提交的订单数量巨大，物流高峰将出现在购物狂欢之后。直到双十日后的13日和14日，许多物流仓库仍有货物堆积，快递速度将缓慢，存在包裹分拣人手不足以及分拣过慢的现状，如图1-2所示图1-21.3研究主要内容本文的包裹分拣系统主要是以PLC为控制核心，外加触摸屏，传感器等进行包裹分拣控制，采用重量传感器检测重量，根据检测的重量进行分类，分成轻，中和重三类，采用传送带输送包裹到重量检测位置进行重量检测分类，启动传送带驱动包裹到分拣位置，进行推送分拣，推送到位返回，返回原位循环执行。第二章总体方案2.1控制要求 传送带上通过重量传感器来进行包裹分拣，分成三类。启动主传送带，传送包裹到重量传感器位置，进行重量称重，根据称重结果分成三类，重量轻、重量中、重量重，保存结果，启动主传送带，传送到重量轻、重量中、重量重3个分传送带位置，对应位置1、位置2、位置3。到达分拣位置，启动分拣位置的气缸，执行推送，推送到位，执行返回，返回到位，启动分传送带输送出去分拣的包裹，最后重新启动主传送带，然后循环执行该操作。2.2方案设计 控制系统图如图2-1所示，以S7-300PLC为控制核心，通过触摸屏来进行系统的仿真实验，可以通过触摸屏进行模拟仿真监控，实现它的自动、手动控制。 启动、停止按钮要接PLC的输入端口，可以启动、停止系统。急停按钮也接输入端，当发生紧急事件时，可以按下急停开关，能够急停系统。自动手动接输入端，用于选择操作的模式，是自动还是手动。外部的包裹检测接PLC的输入端口，用于启动主传送带，检测到包裹到达称重位置，停止主传送带，进行称重，根据重量分类。外部的推送缸1推出到位、推送缸1返回原位、推送缸2推出到位、推送缸2返回原位、推送缸3推出到位等，用来控制传送带的运行。然后手动控制接输入端，选择手动模式，进行手动控制。主传送带故障、分传送带1故障、分传送带2故障以及分传送带3故障也接输入端，用来检测各传送带电机是否发生故障，发生故障时能够停止相应的传送带，并进行报警，然后可以采取相应措施。外部的重量1位置到位、重量2位置到位和重量3位置到位接PLC的输入端口，用于启动主传送带输送包裹到各分拣位置，到位停止主传送带，执行分拣。 PLC输出端口接各个传送带控制的继电器，通过继电器来驱动接触器，然后接触器驱动主传送带电机的运行。 PLC输出端口接推送缸1、2、3的推出继电器，接着通过继电器驱动电磁阀，电磁阀控制气缸执行推出。同样的PLC输出端口接推送缸1、2、3返回控制继电器，接着通过继电器驱动电磁阀，电磁阀控制气缸执行返回。自动运行以及故障指示灯，是用来显示该系统的运行状态。

图2-1控制系统图第三章硬件设计3.1硬件选择3.1.1PLC选择 由于包裹分拣系统为系统小型自动化系统，我们在学校也对西门子S7-300进行一系列的学习，对它也有相关的了解，所以我选择了该系列的PLC来进行系统设计。西门子的S7-300PLC是高性能的中型PLC，它的硬件性能稳定可靠，软件方面也比较严谨，操作方便性价比高，通讯方式多，接线简单，处理数据的速度也快，因此我选择西门子的S7-300PLC进行控制。S7-300PLC的CPU模块及其它模块示意如图3-1所示。图3-1S7-300PLC模块示意图3.2主电路设计主电路如图3-1所示。采用三相五线电源，AC380V为包裹分拣提供工作电源。QF1是电源断路器，通断系统的电源。 M1、M2、M3、M4分别是主传送带、分传送带1、分传送带2、分传送带3电机，驱动主传送带和各分传送带。QF2、QF3、QF4和QF5是主传送带和各分传送带电机断路器，通断各电机电源，QF6是控制电路断路器，通断控制电路电源。KM1、KM2、KM3和KM4是主传送带和分传送带电机启动接触器，启停各传送带；FR1、FR2、FR3、FR4是主传送带和各分传送带电机过载保护热继电器，保护各电机。FU1熔断器，保护短路。G1是直流开关电源，为直流设备提供电源。图3-1主电路3.3控制电路设计控制电路如图3-2所示。220V交流电源接L和N，HL0是电源指示灯。 KM1、KM2、KM3、KM4分别是主传送带和分传送带1到3启动接触器，通过继电器KA1到KA4控制，驱动各传送带运行。图3-2控制电路 YV1到YV6分别是气缸1、气缸2、气缸3推送和返回电磁阀，通过继电器KA5到KA10控制，电磁阀1线圈得电，执行动作。3.4PLC的I/O地址分配PLC的I/O地址分配如表3-1，表3-2和表3-3所示。

表3-1PLC的输入分配名称PLC地址外部编号名称PLC地址外部编号启动I0.0SB1手动启动分传送带2I1.5SB6停止I0.1SB2手动启动分传送带3I1.6SB7急停I0.2SB3手动推送缸1推出I1.7SB8自动手动I0.3SA1手动推送缸2推出I2.0SB9包裹检测I0.4S1手动推送缸3推出I2.1SB10推送缸1推出到位I0.5S2主传送带故障I2.2FR1推送缸1返回原位I0.6S3分传送带1故障I2.3FR2推送缸2推出到位I0.7S4分传送带2故障I2.4FR3推送缸2返回原位I1.0S5分传送带3故障I2.5FR4推送缸3推出到位I1.1S6重量1位置到位I2.6S8推送缸3返回原位I1.2S7重量2位置到位I2.7S9手动启动主传送带I1.3SB4重量3位置到位I3.0S10手动启动分传送带1I1.4SB5表3-2PLC的输出分配名称PLC地址外部编号名称PLC地址外部编号主传送带Q0.0KA1推送缸2推出Q0.6KA7分传送带1Q0.1KA2推送缸2返回Q0.7KA8分传送带2Q0.2KA3推送缸3推出Q1.0KA9分传送带3Q0.3KA4推送缸3返回Q1.1KA10推送缸1推出Q0.4KA5自动运行指示灯Q1.2HL1推送缸1返回Q0.5KA6故障指示灯Q1.3HL2表3-3重量检测分配名称PLC地址外部编号重量检测PIW288GT13.5PLC输入和输出接线图PLC的输入和输出接线图如图3-3所示。图3-3输入输出接线图第四章软件设计4.1控制流程图设计包裹分拣系统的控制流程图如图4-1所示。图4-1控制流程图 选择自动手动模式，为ON选择手动模式，通过外部按钮开关或者触摸屏进行手动控制，单独控制各个设备。为OFF选择自动模式，按下启动按钮，系统启动，点亮自动运行指示灯。开始执行初始化步骤，各气缸不在原点，则执行返回原点。气缸返回到原点，启动主传送带，传送包裹，检测到包裹到达重量检测位置，停止传送带，进行重量检测，判断，分成轻，中和重三类，重新启动传送带，根据判断的轻，中和重三类包裹，分别传送到位置1/2/3，到位置停止主传送带，启动相应的气缸推送，推出到位，执行返回，返回到位，重新启动主传送带，启动相应的分传送带，分传送带按定时执行，定时到，自动复位。4.2PLC内部使用地址为了编程和阅读方便，另外为了触摸屏进行控制，PLC内部使用内存M以及定时器T等，方便设定。表4-1PLC内部使用地址名称PLC地址外部编号名称PLC地址外部编号启动HMIM0.0上位机控制传送到分拣位置步骤M4.3启动HMIM0.0上位机控制分拣推送步骤M4.4停止HMIM0.1上位机控制分拣返回步骤M4.5急停HMIM0.2上位机控制重量轻M5.0自动手动HMIM0.3上位机控制重量中M5.1包裹检测HMIM0.4上位机控制重量重M5.2推送缸1推出到位HMIM0.5上位机控制无动作步骤标志M5.3推送缸1返回原位HMIM0.6上位机控制重量轻标志M5.4推送缸2推出到位HMIM0.7上位机控制重量中标志M5.5推送缸2返回原位HMIM1.0上位机控制重量重标志M5.6推送缸3推出到位HMIM1.1上位机控制返回原位标志M5.7推送缸3返回原位HMIM1.2上位机控制启动分传送带1M6.0手动启动主传送带HMIM1.3上位机控制启动分传送带2M6.1手动启动分传送带1HMIM1.4上位机控制启动分传送带3M6.2手动启动分传送带2HMIM1.5上位机控制气缸1推送条件M7.0手动启动分传送带3HMIM1.6上位机控制气缸1返回条件M7.1手动推送缸1推出HMIM1.7上位机控制气缸2推送条件M7.2手动推送缸2推出HMIM2.0上位机控制气缸2返回条件M7.3手动推送缸3推出HMIM2.1上位机控制气缸3推送条件M7.4重量1位置到位HMIM2.6上位机控制气缸3返回条件M7.5重量2位置到位HMIM2.7上位机控制重量检测定时T1重量3位置到位HMIM3.0上位机控制启动分传送带1定时T2初始动作步骤M4.0启动分传送带2定时T3主传送带启动M4.1启动分传送带3定时T4重量检测步骤M4.24.3硬件配置进行硬件配置，选择相应的模块。完成后总的硬件配置如图4-2所示。图4-2硬件配置4.4梯形图程序设计4.4.1程序结构 程序结构如果4-3所示。OB1是主程序，循环执行，调用其他程序，例如调用FC105进行模拟量输入处理。OB100是开机初始化程序，开机进行参数设定。FC105是模拟量输入处理子程序，可以在OB1里进行调用，用于处理模拟量输入。DB1是数据块，用于数据保存。图4-3硬件配置4.4.2数据块DB1DB1数据块，用于设定重量测量范围上下限，设定重量1、重量2，来分成轻，中，重三类包裹，保存重量读取实时值。图4-4DB1数据块

第五章组态设计5.1触摸屏选择 在Step7项目管理器里插入站点，选择HMI站点，新建触摸屏项目，选择MultiPanels，选择270，选择MP27010"Touch。图5-1触摸屏选择5.2通讯设定进行通讯设定，连接CPU315-2DP，通讯驱动SIMATICS7300/400，工作站\包裹分拣\SIMATIC300(1)，端口MPI/DP，触摸屏地址1，PLC地址2，扩展插槽2，机架0.选择主站上的唯一主站，触摸屏作为唯一主站。图5-2通讯设定5.3变量连接建立变量，连接PLC地址，与PLC进行数据交换。图5-3变量图片5.4组态画面组态监控画面，设计包裹分拣的仿真模型，建立主传送带，分传送带1，分传送带2，分传送带3，和主传送带电机，分传送带1、2、3电机，进行动画设定，设定显示属性。图5-4监控画面 设定启动、停止按钮，以及急停和自动手动的开关，连接变量，设定事件和动画显示。建立自动运行指示灯和故障指示灯，连接变量，设定显示颜色。建立重量轻，中，重标志指示灯，表示当前检测包裹重量分类。建立重量显示，实时显示当前重量。建立气缸1、2、3推出和返回指示灯，指示运行状态，连接变量，设定显示颜色。建立气缸1、2、3原位、到位控制，连接变量，设定事件，设定显示属性。建立包裹检测，位置1、2、3触摸屏控制，连接变量，设定事件，以及显示画面。建立画面切换按钮，用于切换画面。 设定手动画面，用于手动控制主传送带，分传送带1、2、3，和气缸1、2、3的手动运行。图5-5手动画面 建立参数设定画面，用于参数设定。图5-6参数设定 建立曲线画面，用于重量实时数据显示。图5-7曲线画面

第六章调试6.1调试 利用PLC的仿真和触摸屏进行调试，启动仿真PLC软件。图6-1启动仿真PLC 下载硬件配置和程序到仿真PLC，插入需要监控的变量，例如，IB0到IB3，选择垂直位显示，插入QB0到QB2，选择垂直位显示。插入MB0到MB7，选择垂直位显示。插入T0到T4，PIW288选择整数显示，插入DB1.DBD16，选择浮点数格式。然后勾选RUN-P，启动PLC。图6-2下载程序配置 按下启动后，打开触摸屏画面，点顶部的启动按钮，运行触摸屏。图6-3运行触摸屏 触摸屏初始画面如图6-4所示，系统预设为自动模式，一开始的时候系统停止运行，重量为0，无输出，无指示灯点亮。图6-4触摸屏初始画面 按下启动按钮，自动运行指示灯点亮，系统开始自动运行。系统开始执行初始化步骤，执行返回原点，气缸1执行返回，1返回指示灯点亮；气缸2执行返回，2返回指示灯点亮；气缸3执行返回，3返回指示灯点亮。图6-5返回原点 执行各气缸返回原点，按下1、2、3原位为ON，观察到1、2、3返回指示灯熄灭，停止气缸1、2、3返回，观察到主传送带启动，执行包裹输送。图6-6返回原位主传送带启动 模拟到达包裹检测位置，点包裹检测为ON，停止传送带，进行重量判断，判断完成，当前为轻，轻指示灯点亮，重新启动主传送带。图6-7重量检测判断重启主传送带 当前包裹为轻，主传送带启动，模拟到达位置1，点包裹检测为OFF，然后位置1为ON，观察到停止主传送带，气缸1执行推送，1推出指示灯点亮。图6-8气缸1推送 执行气缸1推送，模拟推送到位，点1原位为OFF，然后1到位为ON，观察到停止1推送，1推出指示灯熄灭，执行气缸1返回，1返回指示灯点亮。。图6-9气缸1返回 执行气缸1返回，模拟返回到位，点1到位为OFF，然后1原位为ON，观察到重启主传送带，分传送带1启动。图6-10重启主传送带和分传送带1 分传送带1启动，按定时执行，定时到，停止分传送带1。图6-11停止分传送带1 模拟包裹重量更改，到仿真PLC界面，PIW288改成例如300。图6-12更改PIW288重量 监控触摸屏画面，观察到重量变为54.25kg。图6-13监控重量 主传送带启动，模拟传送包裹到检测位置，点包裹检测为ON，停止传送带，进行重量检测，判断当前包裹为中重量，中重量标志为ON，从新启动主传送带，传送到位置2，中重量位置。图6-14包裹检测为中重量 主传送带启动，当前包裹为中重量，传送到2位置，模拟达到2位置，点包裹检测为OFF，位置1为ON，然后位置1为OFF，然后位置2为ON，观察到停止主传送带，气缸2执行推送，2推出指示灯点亮。图6-15气缸2推出 执行气缸2推出，到位后，按下2原位为OFF，2到位为ON，观察到停止气缸2运出，2推出为OFF，执行气缸2返回，2返回为ON。图6-16气缸2返回 执行气缸2返回，模拟气缸2返回原位，点2到位为OFF，然后2原位为ON，观察到停止气缸2返回，2返回为OFF，启动分传送带2，启动主传送带。图6-17启动分传送带2 分传送带2启动，传送完成，然后停止分传送带2.图6-18停止分传送带2模拟包裹重量变化，仿真PLC界面，更改PIW288数值，例如改成6000.图6-19更改PIW288数值为6000监控触摸屏，当前重量为108.51kg。图6-20监控触摸屏重量值 重量判断完成，判断结果是当前为重，包裹为重指示灯点亮，启动主传送带，输送到位置3.图6-21当前为重包裹输送到位置3 启动主传送带，模拟到达位置3，点包裹检测为OFF，然后位置1为ON，位置1为OFF，位置2为ON，位置2为OFF，位置3为ON，观察到停止主传送带，启动气缸3推出，3推出指示灯点亮。图6-22气缸3推出 执行气缸3推出，模拟推出到位，点3原位为OFF，然后3到位为ON，观察到停止气缸3推出，3推出为OFF，执行气缸3返回，3返回为ON。图6-23气缸3返回 执行气缸3返回，模拟气缸3返回到位，点3到位为OFF，然后3原位为ON，观察到停止气缸3返回，3返回为OFF，启动主传送带，启动分传送带3。图6-24启动主传送带和分传送带3 分传送带3输送完毕，停止分传送带3.图6-25停止分传送带3 触摸屏上点曲线画面按钮，查看画面。图6-26曲线画面 触摸屏上点参数设定按钮，进行参数设定。图6-27参数设定画面 监控画面上切换到手动模式，点自动手动变为手动，停止自动运行。图6-28选择手动模式 触摸屏上切换到手动画面，点主传送带手动启动，手动启动主传送带。图6-29手动启动主传送带 模拟急