西門子S7-1200的設計與應用

浙江工商職業技術學院 李方園

1 前言

PLC自上世紀60年代第一臺問世以來，很快被應用到汽車制造、機械加工、冶金、礦業、輕工等各個領域，并大大推進了機電一體化進程。經過長時間的發展和完善，PLC的編程概念和控制思想已為廣大的自動化行業人員所熟悉，這是一個目前任何其他工業控制器（包括DCS和FCS等）都無法與之相提并論的巨大知識資源。西門子S7-1200作為中小型PLC的佼佼者，無論在硬件配置和軟件編程上都具有強大的優勢。

2 金屬與非金屬自動分揀裝置的組成部分

金屬與非金屬自動分揀裝置如圖1所示，當落料光電傳感器檢測到有物料后，馬上啟動輸送電動機；當物料經過推料一位置，如果電感式傳感器動作，則說明該物料為金屬，則氣缸動作將物料推入到金屬料槽中；當物料未被電感式傳感器識別時，而被輸送到推料二位置，此時如果電容式傳感器動作，則說明必定為非金屬物料，氣缸動作將其推入到塑料料槽中。

圖1 自動分揀機構

自動分揀機構具體包括以下幾部分：

? 落料光電傳感器：檢測是否有物料到傳送帶上，并給PLC一個輸入信號；

? 放料孔：物料落料位置定位；

? 金屬料槽：放置金屬物料；

? 塑料料槽：放置非金屬物料；

? 電感式傳感器：檢測金屬材料；

? 電容式傳感器：用于檢測非金屬材料；

? 三相異步電動機：驅動傳送帶轉動，低速運行；

? 推料氣缸：將物料推入料槽，由雙向電控氣閥控制。

3 物料自動分揀用的檢測開關

（1）金屬分揀用的電感式傳感器

電感式傳感器由三大部分組成：振蕩器、開關電路及放大輸出電路。振蕩器產生一個交變磁場。當金屬目標接近這一磁場，并達到感應距離時，在金屬目標內產生渦流，從而導致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉換成開關信號，觸發驅動控制器件，從而達到非接觸式之檢測目的，如圖2所示。

圖2 電感式傳感器工作原理

圖3 電感式傳感器工作流程

在物料分揀中，電感式傳感器工作流程如圖3所示，金屬物體在接近電感式傳感器的振蕩感應頭時，會在物體內部產生渦流，這個渦流反作用于傳感器，使傳感器振蕩能力衰減，內部電路的參數發生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通或斷。這種電感式傳感器所能檢測的物體必須是金屬物體。

（2）物料分揀用的電容式傳感器

電容式傳感器的感應面由兩個同軸金屬電極構成，很象“打開的”電容器電極，這兩個電極構成一個電容，串接在RC振蕩回路內。電源接通時，RC振蕩器不振蕩，當一目標朝著電容器的電靠近時，電容器的容量增加，振蕩器開始振蕩。通過后級電路的處理，將振和振蕩兩種信號轉換成開關信號，從而起到了檢測有無物體存在的目的。該傳感器能檢測金屬物體，也能檢測非金屬物體，對金屬物體可以獲得最大的動作距離，對非金屬物體動作距離決定于材料的介電常數，材料的介電常數越大，可獲得的動作距離越大。

圖4所示為電容式傳感器工作流程。電容式傳感器亦屬于一種具有開關量輸出的位置傳感器，它的測量頭通常是構成電容器的一個極板，而另一個極板是物體的本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發生變化，使得和測量頭相連的電路狀態也隨之發生變化，由此便可控制開關的接通和關斷。這種傳感器的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體，在檢測較低介電常數ε的物體時，可以調節傳感器的內部電位器來增加感應靈敏度。

圖4 電容式傳感器工作流程

（3）提升氣缸的到位檢測

為了確保氣缸動作的正確性，通常還要在氣缸上安裝傳感器，用于檢測氣缸伸出和縮回是否到位。由于提升氣缸的動作為開關形式，因此只需要在氣缸的前點和后點上各安裝一個，當檢測到氣缸準確到位后，就給PLC或上位機發出一個信號。

由于氣缸運動部件是處于金屬殼體內部，這時就無法使用光電開關、電感開關等常用的接近開關來進行檢測，在這種情況下可以考慮采用能測量永久變化的磁感應式接近開關。圖5是利用磁性開關來測量氣缸活塞運動位置的示意圖。

圖5 磁性開關的安裝位置

用于氣缸到位檢測的磁性開關有不同的安裝方式，主要有帶式、導軌式、拉桿式和直接式四種。

4 S7-1200 PLC的硬件部分接線

（1）列出輸入/輸出資源配置

根據自動分揀控制工藝要求，選擇S7-1200作為PLC控制器，并列出物料傳送和分揀機構的輸入/輸出資源配置，如表1所示。

表1 自動分揀裝置的輸入/輸出資源配置

（2）PLC外部接線原理

無論是光電開關還是磁性開關，都有NPN和PNP輸出兩種接線方式。對于PLC來說，也有對應的兩種輸入接線方式，在本案例中接近開關和光電開關等均采用PNP接線，而輸出電磁閥或接觸器等采用直流24V線圈，具體如圖6所示。

5 S7-1200的軟件編程

如表2所示，除輸入信號和輸出信號外，新增進口物料檢測上升沿%M0.0布爾變量和未檢測到物料定時器%MD4時間變量。

圖6 自動分揀機構的PLC外部接線

表2 自動分揀控制的PLC變量表

本程序中需要注意的編程要點是：如果在設定時間（本案例為60s）內沒有檢測到新的物料的話，則傳送帶停止；如果在設定時間內有新的物料檢測后，則定時器復位。因此，需要應用到復位定時器的指令“----[ RT ]----”，它可重置指定定時器的定時器數據。

同時，由于需要檢測上升沿信號，需要用到P 觸點，如圖7所示。

圖7 P觸點

它在分配的“IN”位上檢測到正跳變（關到開）時，該觸點的狀態為 TRUE；該觸點邏輯狀態隨后與能流輸入狀態組合以設置能流輸出狀態。P 觸點可以放置在程序段中除分支結尾外的任何位置。

圖8所示是自動分揀裝置的詳細梯形圖程序，本程序中定時器采用了單一背景數據塊DB1。

圖8 自動分揀PLC控制梯形圖

6 結束語

在以S7-1200為核心的控制系統中，輸入/輸出部分用以接收信號或輸出信號，便于與PLC進行人機對話。輸入的有條碼讀入器，輸入模擬量的電位器等；輸出的則有打印機、編程器、監控器雖也可對PLC輸入信息，從PLC輸出信息，但輸入輸出設備實現人機對話更方便，可在現場條件下實現，并便于使用。隨著技術進步，這種設備將更加豐富。通過本案例的實現，可以進一步將S7-1200應用到以前使用S7-200的任何場合中去。

[1] 李方園. 圖解西門子S7-1200 PLC入門到實踐[M]. 北京: 機械工業出版社,2011.

[2] 李方園. 自動化綜合實踐[M]. 北京: 中國電力出版社, 2009.

[3] 李方園. PLC控制技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 2010.