基于PLC與MCGS的硫銨碼垛控制系統的設計

田亞立，梁波，薛春蓮

（寧夏工業職業學院 采礦與機電工程系，寧夏銀川，750021）

0 引言

伴隨著工廠自動化地發展，硫銨碼垛控制系統也由以前以人工搬用為主的運輸模式，逐漸轉變為帶式輸送機運輸，機械手搬用的自動化生產線模式。近幾年人力成本在逐年增高，自動化程度越低，人力成本越高，所以硫銨碼垛自動化控制系統的設計與應用極大地提高了硫銨的運輸效率節約了大量的人力成本。目前，企業為提高核心競爭力，降低人力成本，對自動化生產線的要求越來越高。因此，硫銨碼垛控制系統的設計具有現實及經濟意義，在PLC課程的教學中提高學生的面向崗位的職業技能和素養也是非常有意義的。

1 系統的總體設計

硫銨碼垛控制系統，分為計數、傳輸和機械手搬運三個主要環節。具體控制過程為，系統啟動后，當物料檢測傳感器檢測到物料時，計數器開始計數，計數指示燈每檢測到9個物品亮一次，持續時間為5s，計數器負責統計每天裝配的硫銨數量。系統啟動后，兩條皮帶依次啟動，遠端的第一條皮帶先啟動，5s后，第二條皮帶啟動。5s后，第三條皮帶啟動。機械手的初始位置停在原點，當裝料傳感器檢測到物料時，機械手下降——加緊工件——上升——右移——再下降——放松工件——在上升——左移，八個動作，完成一個工作周期。按下停止按鈕，計數停止，三條皮帶間隔5s依次停止，近端的皮帶先停止，遠端的皮帶后停止。機械手回到初始狀態。設置急停按鈕，按下急停按鈕，皮帶同時停，機械手停止工作。電機具備過載及短路保護的功能。觸摸屏顯示系統的工作狀態，設備采用觸摸屏加現場按鈕的多地控制設計。

1.1 系統整體框圖

本設計采用西門子S7-200PLC采集現場的信號（包括接近開關傳感器、啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕及機械手的上、下、左、右限位開關），將采集的信號送入到PLC程序，執行程序后，根據控制要求控制現場的電磁閥、繼電器線圈及指示燈等設備。PLC的電源采用220V交流電供電，觸摸屏的電源為24V直流供電。TPC7062k觸摸屏可以實時顯示設備的工作狀態。系統整體框圖如圖1所示。

圖1 系統整體框圖

1.2 系統的I/O分配表

根據對控制系統的功能進行分析，分析出硫銨碼垛控制系統共有20個輸入輸出信號，其中輸入信號10個，輸出信號10個，如表1所示。

表1 硫銨碼垛控制系統的I/O分配表

1.3 觸摸屏的組態畫面

采用昆侖通泰的TPC7062k嵌入式一體化觸摸屏作為上位機監控設備，通過設備窗口將MCGS與西門子PLC進行組態，上位機可以監控計數指示燈、機械手原位指示燈、皮帶輸送機的工作狀態、硫銨物料的移動狀態及機械手的工作過程及物料裝滿時小車的移動狀態等。組態畫面如圖2所示。

圖2 系統整體框圖

2 硬件設計

硫銨碼垛控制系統的硬件，主要包括，傳輸系統中控制三條皮帶的電動機控制主電路、PLC的外部接線圖及TPC7062k嵌入式一體化觸摸屏的接線示意圖。

2.1 傳輸模塊的主電路圖

皮帶傳輸模塊主要依靠三條皮帶進行傳輸，皮帶通過電機帶動，主電路中除了控制電機啟停的接觸器主觸點，還有用來過載保護的熱繼電器的加熱元件及短路保護的熔斷器，接線時要注意線的顏色（L1、L2、L3分別為黃綠紅），要符合規范要求，電機外殼要接地。主電路圖如圖3所示。

圖3 傳輸系統主電路圖

2.2 PLC的外部接線圖

PLC的外部接線圖體現的是PLC如何供電，輸入信號采集有哪些設備的信號，輸出需要控制哪些設備。根據PLC的類型不同，接線方式也有所不同的。本設計采用的是西門子S7-200，CPU226，AC/DC/RLY型，它有兩個RS485通信口，24個輸入16個輸出。電源供電范圍為85～260V之間，本設計采用交流220V供電。PLC的輸入采用直流24V供電，輸出為繼電器類型，可根據負載類型選擇不同，選擇不同的電壓等級。本設計的輸入主要有啟停按鈕、限位開關、急停按鈕及熱繼電器。輸出分為兩組，一組為接觸器線圈及計數指示燈等設備，采用交流24V供電，另一組為控制機械手的電磁閥及原位指示燈，采用直流24V供電。外部接線圖在接線時首先要嚴格看圖接線，同時需要按照顏色分類接線，方便查找硬件接線故障。輸入信號中的熱繼電器需接常閉觸點。PLC的外部接線圖如圖4所示。

圖4 PLC的外部接線圖

2.3 觸摸屏的外部接線圖

本設計采用TPC7062k嵌入式一體化觸摸屏，其供電類型為直流24V。觸摸屏與PLC之間的連接為RS485通信口中的PORT1，觸摸屏與PC機之間的連接通過USB2進行連接。在PC機中需要完成組態畫面、建立設備連接、定義數據庫、定義設備屬性、連接數據、制作動畫、編寫程序等，方可將設計好的畫面下載到MCGS中。觸摸屏的外部接線示意圖如圖5所示。

圖5 觸摸屏的外部接線示意圖

3 軟件設計

硫銨碼垛控制系統的軟件設計部分主要包括：技術模塊的程序編寫、傳送模塊的程序編寫、機械手部分的程序編寫及連接組態軟件后程序的改動部分。

3.1 計數模塊

計數模塊主要負責的工作有：統計硫銨的數量和計數指示燈的控制，在輸出口富足的情況下可以將計數器的當前值取出通過運算后送入到數碼管實時顯示。計數模塊的程序如圖6所示。

圖6 計數模塊的程序

3.2 傳送模塊

傳送模塊主要負責硫銨的運輸，在皮帶的傳送過程中為了避免物料堆積，采用順序啟動逆序停止的工作過程。在皮帶運行的過程中一旦出現過載電機會自動停機，當系統出現緊急狀況，按下急停按鈕，電機就會停止工作。傳送模塊的梯形圖如圖7所示。

圖7 皮帶傳送模塊的梯形圖程序

3.3 機械手模塊

機械手模塊的控制過程如圖8所示，機械手的初始狀態在原位，此時左限位開關和上限位開關為閉合狀態，原位指示燈亮。當檢測到物料時，機械手開始工作。下降閥輸出執行下降。下降到位時，下限開關動作，停止下降。夾緊電磁閥接通，延時5s。夾緊后上升動作開始，到位時，上限開關接通，停止上升。右行開始動作，到右限位接通時停止右移。下降開始工作。）下降完成時，機械手開始松開動作。延時3s后機械手上升，到上限后開始左移到達左限時機械手回到原位。當檢測到物料時，機械手開始工作。如此循環。

圖8 機械手模塊的工作過程

3.4 上位機組態畫面與PLC連接

在MCGS組態軟件中，首先在設備窗口添加父設備，在子設備中選擇西門子S7-200PPI，添加好PLC后，在設備屬性編輯窗口的內部屬性欄中設置內部屬性，添加輸入寄存器類型為M，通道數量為10，輸出寄存器Q，通道數量為10 。在快速連接中選擇默認設備連接，然后選擇全部添加。在組態畫面雙擊設備，在單元屬性設置中，對輸入輸出數據進行數據對象連接。設備添加與數據連接如圖9所示。

圖9 MCGS設備添加與數據連接圖

在循環策略中添加皮帶上放物料移動的循環策略及腳本程序，添加機械手移動的循環策略及腳本程序，注意不同的策略對應不同的表達式。循環策略的設置方法如圖10 所示。

圖10 MCGS 循環策略的設置方法圖

觸摸屏中的輸入輸出按鈕控制現場的設備時，需要將定義好的M存儲器與Q存儲器的觸點編寫在程序中，如在PLC程序中的啟動按鈕I0.0并聯M0.0觸點，在停止按鈕I0.1旁串聯M0.1觸點，遵循接通并聯，斷開串聯的原則。

4 結束語

本設以用西門子S7-200 PLC作為控制器，TPC7062k型MCGS觸摸屏作為監控上位機，控制器采用梯形圖編寫程序，上位機采用畫面組態、數據連接、循環策略C語言編程等方式實現實時監控。系統的調試首先通過軟件仿真驗證可行性，仿真軟件調試中調整了水平移動和垂直移動的循環時間及速度。同時，驗證控制系統的輸入信號送入后，輸出信號是否按照控制系統要求進行動作。然后在試驗臺分模塊進行驗證，通過試驗臺驗證后，證明系統能夠按照控制系統的設計要求進行工作，操作簡單，系統穩定性較好，可擴展。