【基于西门子PLC的水果分拣系统设计与实现研究8000字（论文）】

基于西门子PLC的水果分拣系统设计目录TOC\o"1-4"\h\u17697一、绪论 113545（一）自动分拣的简介 124357（二）自动分拣系统的分类及功能 129296（三）国内外目前的现状及发展趋势 317248（四）主要研究的内容 32823二、软件硬件基础 45665（一）变频器 423125（二）MCGS触摸屏 42444（三）伺服电机 514497（四）步进电机 610009（五）PLC 721873（六）西门子S7-200SMART 717809三、总体设计 94514（一）水果分拣系统运行说明 928242（二）电机要求 94879（三）水果分拣系统系统控制要求 1015388四、硬件系统设计 1225622（一）I/O分配 122040（二）变频器参数设置 1231056（三）伺服驱动器参数设置 1315620（四）电气原理图的设计 1524226五、软件系统设计 1622471（一）PLC编程 169678（二）触摸屏界面 2021766四、总结 2113431参考文献 23一、绪论（一）自动分拣的简介1.能够不间断进行大批量货品分拣作业。鉴于在大规模生产流水线自动化操作，自动分拣系统能够持续运转，没有受到人力、时间以及气候环境等多方面影响。在此之中，鉴于自动分拣系统在单位时间内有着很高的分拣量，所以，该系统实际运行时间参数要超过100小时，每小时分拣货品数量要达到7000个。假如要使用手工分拣方式，其每小时分拣数量为150个，在这种高强度的工作下，人工操作效能极其低下。2.没有很高排序错误率。自动分拣系统的信息输入与分类情况输入等都会对其分类错误率产生决定性作用。而条形码技术几乎不会产生错误问题，因此成为首选的扫描技术。3.通常会选择无人分拣操作模式。在发达经济体研发与应用自动分拣系统的目标之一是要解决劳动力不足的问题，可以在强化工作效能时降低人工工作量。在更大化层面上精简工作人员规模。现在几乎已经能够实现无人操作的应用效果。（二）自动分拣系统的分类及功能1.自动分拣系统的组成通常情况下，自动分拣系统包括控制部分、分类部分、输出部分以及分拣道口部分等控制模块的功能是识别分拣信号，并且接收相关信息以及采取处理操作等。参考具体的信息内容，控制分类装置考量货品种类情况，将其送到目的地，或者依据货品所有者的情况，以此展开商品的自动分类操作。然后选择不同分拣手段，并且将相关信号传输至系统中，参考相关数据信息的分析结果，以此确定某类商品需要传输到哪个分拣道口位置。分类模块的功能是参考控制模块输出的分拣指令信号，在分类装置中出现相同分解信号商品时产生的分拣动作，能够将输出装置的运行方向进行改变，以此对接相应的分拣道口或者其他输出机设备。现在已经有着很多的分拣装置种类，通常包括推出式类型、浮出式类型、倾斜式类型以及分支式类型等，以此可以更好的满足分解操作时的不同需求。譬如，这是需要考量分拣货品定的包装材料情况、包装重量信息以及包装货品底面平滑度状况等。输送模块重点包括传送机设备或者传送带，其功能是要在分拣货品经过各类分拣流程，并且可以传输到设备的两侧空间，然后进入到下一道分解工序。分拣道口模块是已经分拣后的货品传输到集货区域，该模块滑道主要包括钢带部分、皮带部分以及滚筒部分等，能够让相关货品进入到集货站台中，并且由工作人员进行后续的操作，或者展开入库存储操作，也是能够组配装车系统，从而开展相关的物流工作。这是需要通过计算机网络的方式将上述4个模块功能进行有效整合，并且融入人工控制以及相关的人工处理环节，从而创建1个综合性的自动分拣系统。2.自动分拣系统的分类堆块式分拣系统中所使用的分拣机设备主要是包括链板式输送机装置以及存在独特性的滑块构件，这是要在链板间进行左右滑动操作，以此完成商品分拣时推块作业。其主要参数如下所述：（1）能够应用于各类体积参数、数量参数以及形状参数的不同商品；（2）在分拣作业时有着准确性以及轻柔度；（3）能够同时进行左右两侧的分解操作，没有占用更高的使用面积；（4）在分拣过程中做货品的间隔时间较短，其分拣性能高达18000个/时；（5）有着最高达到110米的机身长度，并且提供诸多货品出口位置。交叉带式分拣系统主要是连接主驱动带式输送机装置和搭载小型带式输出机装置的台车，以此实现分拣功能。由于这两个装置间有着交叉分布情况，因此对其采用此种命名方式。主要参数如下所述：（1）其分拣性能范畴是从6000个/时到7700个/时；（2）能够适用于各类小件商品的分拣操作，譬如食品类货品、化妆类货品以及衣物类货品等。（3）能够同时进行左右两侧的分解操作，没有占用更高的使用面积；注明：大型交叉带式分解系统通常在机场行李分拣与安检分类领域中使用，参考实际的作业情况，能够将其概括为水平循环模式或者执行循环模式等。斜导轮式分拣机能够使平行排列的主窄幅皮带间隙中进行上浮操作与降下操作时，以此实现货品分拣效果。主要参数如下所述：（1）有着轻柔的分解力度，没有对货币产生较强的冲击力；（2）分解实效性高；（3）能够适用于各种货品的分拣工作，只要是具备底面平面包装形式的商品即可。（4）有着很多的分拣出口数量。（三）国内外目前的现状及发展趋势参考国内外自动分拣系统的实际应用，其中发达经济体的自动分拣系统具备更高的自动化水平。不过国内的相关设备发展历程较短，因此更是以人工的自动分拣系统操作为主。目前在以美国为代表的发达经济体已经大量推广自动分拣系统，平时也是有着日益增强的自动化水平。这类操作系统已经在发达经济体的各类物流中心、领域配送中心领域或者流通中心领域中特别常见。相较于国外而言，我国的自动分拣系统存在相应的落后问题，更多的是体现在人工作业上。综上所述，国内使用的自动分拣系统不具备较高的自动化水平，并且存在没有大规模普及的特点。（四）主要研究的内容本课题的研究实际上是一个关于货物合理分配的问题，是物流中的一个重要的环节。物流的含义为货品由供应地往接收地进行实体流动的进程，参考具体的需求，能够有效统筹如下所述的基础功能，主要包括运输操作、存储操作、装卸操作、搬运操作、包装操作、流程加工操作、配送操作以及信息处理操作等。这是需要参考实际商品的类型、情况数量状态以及质量现象等，能够选择理想的时机，在完成物流工作时最大化控制成本，然后快速进行货品信息传输与修改以及相关物流工具的回收工作。因此，自动分拣系统的核心分析内容是怎样让大量各类货品以自动方式存放至相应的仓储区域，在此之中没有产生差错率现象，还有一点是体现在怎样对各类物品进行识别，这些已经成为相关系统设计的两个核心考量内容。

二、软件硬件基础（一）变频器变频驱动器装置（即VFD）主要包括变频应用部分与微电子技术应用部分等，这是一类能够将电动机设备电源的工作频率参数进行改变后，从而对设备进行控制，主要包括如下所述的组成部分：本文在分析时选择Siemens的MM420型号的变频器装置，该装置属于新型多功能的技术产品有着简洁的操作属性。应用IGBT新技术，具备理想的通信性能，很强的控制力度，并且有着高可靠性，因此成为首选的变频器装置。（二）7392MCGS触摸屏1.15393MCGS的主要特点和基本功能（1）提供图形动画的显示功能。MCGS可以在Windows操作系统中使用，而且能够应用其提供的可视化图形工具直观开发环境等，创建各类所需的复杂图片信息。（2）可以提供实时数据库功能。进行系统的各类数据信息交互操作，也是会对各类流程进行衔接。（3）有着脚本语言。可以提供近似于Basic编程体系的应用效果。（4）能够应用系统设备管控功能。该触摸屏具备开放式结构，以此能够对设备进行处理，这是存在独立于设备之外的运行体系。可以借助于其具备的设备组件，并且对相关属性进行设置，能够对包括各类PLC主控芯片在内的不同硬件设备进行驱动，同时能够连接系统和工业控制设备。有鉴于此，考量上述的功能特征，能够选择组态王编程软件进行系统实时图形显示监控与报警监控操作的控制工作。除此之外，也是能够使用该装置的其他功能模块，以此实现所需信息的输入操作以及相应的图形信息显示功能，安全机制和其他功能。2.MCGSTPC7062Ti触摸屏昆仑通态TPC7062Ti触摸屏有着功能强大的Cortex-A8CPU为核心，并且选择高嵌入式集成化的触摸屏装置。能够内嵌组态网软件。可以提供图像显示与数据处理功能。图2-1昆仑通态TPC7062Ti触摸屏（三）伺服电机1.伺服电机的原理伺服机构属于一类自动控制系统，能够让目标体的位置变量、方向变量、状态变量以及其他输入控制变量能够遵循输入目标（或者给定值）的任意变化情况。主要是选择脉冲定位技术，简述如下所述的工作原理：如果伺服电动机设备在获取脉冲信号后，能够把旋转脉冲的对应角度参数通过位移的方式实现其控制功能。让伺服电机设备或者闭环接收后的脉冲信号相呼应。从而系统能够获知与伺服电动机收发的脉冲信号数量。以此能够对电动机设备的旋转进行精密控制，可以达到误差量级为0.001mm的精确定位效果。2.伺服电机的优点（1）精度特征：可以对位置参数、速度参数以及转矩参数等进行闭环控制；能够解决步进电机出现的失步情况。（2）速度特征：其额定速度参量范围是从2000rpm到3000rpm之间。（3）强适应性特征：存在较为理想的抗过载性能，能够承受额定转距参数三倍的负荷，特别适用于负载有着瞬间波动状态，同时要求快速启动的应用场所。（4）稳定习惯特征：在低速时有着稳定的运行状态，可以应用在高速响应领域中。（5）及时性特征：可以让电机设备在加减速环境中有则不超过几十毫秒的较短动态响应时间。（6）舒适度特征：没有显著的噪音情况以及过热状态等。3.伺服电机及驱动器的选择该设备使用三角伺服电机和驱动器（1）伺服驱动面板和接口。目前使用的DeltaASD-B2伺服驱动器是一种先进的通用型，具有内置的通用功能应用，降低了机电集成的差分成本。它除了简化接线和操作设置外，还大大提高了电机尺的兼容性和产品特性的匹配程度，可以方便地替代其他品牌，并为特殊机器提供了多种操作选择。（四）步进电机步进电机属于一类把电脉冲信号变换成角度移动信号或者直线位移信号的开环式控制系统。当没有出现过载状态时，步进电机的转速参数与停止位置参数只受到脉冲信号的频率参数与数量参数的决定性影响，并没有受到负载改变而产生的相应变化。能够通过脉冲信号数量的控制角度位移参数，进而产生精确定位效果，也是会通过脉冲频率参数以对步进电机的速度及其加速度查出进行控制，从而实现调速功能。1.步进电机及驱动器的选择步进电动机作为驱动整个系统的动力设备，对稳定性和可靠性要求很高。在进行步进电机时选型时，先是要考量及步进角参数(涵盖相数参量)、静态力矩参数以及电流参数，由此明确步进电机信号。（1）步距角参数研究这是以负载精度为重要考量因素，要将负载最低分辨率参数转换成电机轴以及各个等效电机需要移动的相关角度(其中包括减速状态)，同时电机步进角参数不能高于该值。（2）静力矩参数考量分析这是需要参考电动机设备的负载确定其静力距参数，能够将负载概括为两个种类，分别是惯性负载类型以及摩擦负载类型等。没有产生单一性的惯性荷载与摩擦荷载。在直接启动过程中需要考量两类负载的实际情况。如果处于启动与加速状态时，则需要分析惯性荷载情况，如果在稳定运行状态中，仅需要考量摩擦荷载情况。通常情况下，期静力矩参数需要控制在摩擦和在参数的2.3倍以内。如果确定静力矩参数后，这是能够明确电机框架的几何尺寸。（3）电流参数考量分析对于有着同种静力矩参数的电动机设备而言，这是会存在差异化的电流参数选择情况。电动机设备有着显著不同的运行特性，企业电流参数能够参考转矩-频率特征曲线进行分析。本设备选用Kinco步进电机。2.Kinco步进电机优点（1）电机的旋转角度参数和其脉冲数量间呈现正比关系；（2）鉴于各部经度范围是从3%到5%，并且每步出现的误差不会对下一步产生影响。所以，存在最理想的位置精度参数以及动作的可重复性能；（3）具备理想的启停状态与反向响应的特性；（4）鉴于未使用电刷，因此存在更高的可靠性，电击设备使用寿命只是以轴承使用时间长度为主要考量方面；（5）电机响应重点是由数字输入脉冲信号确定，以此能够选取开环控制体系让相关结构有着简洁性，并且高效的控制其成本。（五）PLCPLC属于一类基于计算机技术的新型工业控制设备，在1978年公布的PLC标准草案中，IEC组织进行权威的概念定义：PLC属于一类电子设备，这是专用于工业环境中的数码操作装置。其主要是存储各类控制操作指令信息，譬如包括逻辑控制方面、顺序控制方面、定时控制方面、计数控制方面以及算术控制方面等，而且能够通过模拟信号或者数据信号的输入与输出操作，以此对各类机械或者生产过程进行控制。在进行相关外设模块的设计时需要遵循容易扩展原则以及能够和工业控制体系融于一身的控制原则等。（六）西门子S7-200SMART在2012年7月30日，由Siemens成功研发simatics7-200smartplc。这是具备简单性、易于维护、价格合理、健壮、适时上市的缩写。其中小型的PLC芯片是该系列产品升级后的控制芯片，继承原有芯片的诸多优势功能，大体上近似于s7-200系列。这是增加以太网端口与信号板等，并且保留原有的RS-485通讯端口，让CPU点数增加10个，能够提供更加友好的人机交互界面。目前市场上的s7-200智能plc主要有以下几类:。标准类型(继电器输出类型):cpu-sr2o/sr40sr602。标准类型(质量管输出类型):cpu-st30o/st40/st60.3。经济型(继电器输出型):cpu-cr40step7-micro/winsmart是专门为s7-200smart.supportlad，fbd，stl编程提供相关的软件功能，既是可以为计算机程序源带来密码保护功能，也是会给CPU模块带来密码保护效果。能够更好的符合各类用户差异化的密码保护需要，产生程序源的三重保护体系。主要涵盖工程密码设置以及程序组织单元数据页的设置等。只有通过授权用户，才可以对相关内容进行查看与修改操作，从而更好的保护用户相关功能使用中的安全性。知识产权。

三、总体设计（一）水果分拣系统运行说明本文设计的系统框架内容见图3-1所示。图3-1仓库分拣系统系统俯视图从图3-2中可以了解到，立体仓库区主要的存储位置，数量为9个。各列仓位首层分别配设1个位置检测传感装置（即从SQ11到SQ13）。图3-2立体仓库区正视图（二）电机要求小车滑台主要是通过电机M1对步进电机设备驱动；其参数设置如下所述：该设备每转的脉冲信号数量为4000个，已经得知直线导轨构件中的节距参数是4mm，选择旋转编码器对小车位置参数进行调整测试。这是由电机M2对伺服电机设备进行驱动，然后让小车产生垂直操作状态；伺服电机参数如下所述：其每转脉冲信号数量为2000个，每上升一层时伺服电机设备往前旋转10次。这是由电机M3对输送带进行驱动，由电机M4对分拣传送带进行输送，通过变频器对多级速度参数进行控制，其参数设置为第一级15Hz，第二级25Hz，第三级35Hz。加速时间1.5秒，减速时间0.5秒；可进行正向和反向操作]。（三）水果分拣系统系统控制要求（1）小车滑台电机M1（即步进电机）调试情况：这是需要在丝杆装置中安装步进电机，相关内容见图3-3所示，其中SQ11代表的是仓库A区对应的定位开关装置，SQ12代表的是仓库B区对应的定位开关装置，SQ13代表的是仓库C区对应的定位开关装置，SQ14代表的是左侧限位开关装置，SQ15代表的是右侧限位开关装置。在未进行步进电机设备调试过程中，先是需要通过手动方式把回收台转移到SQ13位置。首先是在触摸屏中设定步进电机设备的速度参量（其范围从60r/min到150r/min之间），点击SB1，此时回收小车会出现左移情况，并且在sq12位置停止，在2s后继续左移到sq11后停止。接着重新设定步进电机设备的速度参量，接着使用SB1，此时回收小车会出现右移情况，并且在sq12位置停止，从而完成整体的调试工作。在此之中，将SB2按下后，则M1停止，接着使用SB1，小车继续由现有位置移动。在进行步进电机调试时，小车在运行中HL1处于长期点亮状态，如果小车停止后，HL1会以2Hz参数保持闪烁情况。调试后，HL1灯熄灭。图3-3取料小车水平移动示意图（2）取料小车垂直移动电机M2（即伺服电机）调试情况：无需在导螺杆装置中进行相关的安装活动，在未进行调试时，通过触摸屏设置伺服电机设备的速度参数（其范围从60r/min到150r/min之间），使用SB1后，伺服电动机M2会前进3圈后停止3s，接着反向旋转3圈后停止2s。然后使用SB2后，伺服电机停止运行。在进行调试时，HL2会以0.5Hz参数一直处于散射情况，在完成调试后熄灭。（3）运货传送带同选择电机M3的调试情况：使用SB1后，电动机M3的运行周期包括3s的星形操作状态，3s的角操作状态以及2s的停止操作状态，当使用SB2后电机设备停止运行，从而完成相关的调试工作。在调试过程中，HL1始终处于点亮状态，完成调整后熄灭。（4）送货传送带选择电机M4的调试情况：使用SB1后，电动机M3进行正向旋转操作，其动作顺序如下所述：其中3s是15Hz，3s是25Hz，3s是35Hz以及停止，再次使用SB1后，这是会产生反向旋转操作，其动作顺序如下所述：3s是15Hz，3s是25Hz，3s是35Hz以及使用SB2后电机停止运行。在其调试过程中，HL2是以1s时间间隔点亮与0.5秒钟关闭的周期闪烁。调试后，HL2灯熄灭。

四、硬件系统设计（一）I/O分配表4-1I/O分配表电气元件IO地址功能说明SB1I0.0启动按钮SB2I0.1停止按钮SA1I0.0转换开关KM1Q0.0电机正转KM2Q0.1电机反转KM3Q0.2电机M3星形连接KM4Q0.3电机M3三角形连接DIN1Q0.4电机M4多段速控制DIN2Q0.5电机M4多段速控制DIN3Q0.6电机M4多段速控制HL1Q1.0指示灯闪烁M1脉冲Q0.0M1脉冲M1方向Q0.2M1方向M2脉冲Q0.1M2脉冲M2方向Q0.3M2方向（二）变频器参数设置表4-2参数复位参数复位参数号出厂值说明P00101设用户访问级为专家级P09702命令源选择由端子排输入表4.2-2电动机参数设置电动机参数设置参数号出厂值设置值说明P001001快速调试P0304230380电动机的额定电压（V）P03053.250.2电动机的额定电流（A）P03070.750.04电动机的额定功率（KW）P030800电动机额定功率因数（由变频器内部计算电机的功率因数）P03105050电动机额定频率（Hz）P031101430电动机的额定1430r/minP001000快速调试结束表4-3多段速参数设置多段速参数设置参数号出厂值设置值说明P000313设用户访问级为专家级P070022命令源选择由端子排输入P0701117选择固定频率P0702117选择固定频率P0703117选择固定频率P100023选择固定频率设定值P1001015设置固定频率1(Hz)P1002525设置固定频率2(Hz)P10031035设置固定频率3(Hz)P100415-15设置固定频率4(Hz)P100520-25设置固定频率5(Hz)P100625-35设置固定频率6(Hz)P108000电动机的最低运行频率（Hz）P10825050电动机运行的最高频率（Hz）P1120101斜坡上升时间（s）P1121101斜坡下降时间（s）（三）伺服驱动器参数设置图4-1伺服驱动器参数设置伺服驱动器参数设置表4-4伺服驱动器参数设置参数设定值功能P2-0810参数复位P1-448电子齿轮比分子NP1-451电子齿轮比分子M图4-2伺服驱动器接线图（四）电气原理图的设计图4-3仓库分拣主电路图4-4仓库分拣控制电路

五、软件系统设计（一）PLC编程图5-1plc编程图（二）触摸屏界