高猛　張銀龍　王振華　陳雨

摘? 要：結(jié)合球類水果套網(wǎng)機的主要設(shè)計功能要求，該文針對球類水果套網(wǎng)機對于控制系統(tǒng)準(zhǔn)確、高效、可靠的性能要求，應(yīng)用西門子S7-200系列PLC設(shè)計了1個球類水果套網(wǎng)機的控制系統(tǒng)，從而協(xié)調(diào)控制多個電機的有序動作，完成球類水果的逐個進(jìn)給、水果套網(wǎng)、套網(wǎng)切割等設(shè)計功能。通過對控制系統(tǒng)的仿真，驗證了西門子S7-200系列PLC控制系統(tǒng)相對于繼電器控制的優(yōu)越性，同時也證明該控制系統(tǒng)在球類水果套網(wǎng)機設(shè)計中的適用性，對其他機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：S7-200系列PLC;控制系統(tǒng);球類水果套網(wǎng)機

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 球類水果套網(wǎng)機原理

球類水果套網(wǎng)機共分為4層，第1層為儲料層，分成前后2個部分，分別為1-套網(wǎng)存儲區(qū)，2-水果存儲區(qū)。第2層和第3層為包裝單元，其中8-給料機構(gòu)、5-套網(wǎng)機構(gòu)和6-轉(zhuǎn)刀機構(gòu)都位于第2層，9-舉升機構(gòu)和10-成品區(qū)位于第3層，最下層為4-電控單元。通過合理分配球類水果套網(wǎng)機的層次，優(yōu)化了套網(wǎng)機的空間布局。球類水果套網(wǎng)機的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間小，相對成本低，工作效率高。套網(wǎng)機結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

球類水果套網(wǎng)機的工作過程為：當(dāng)機器啟動，各機構(gòu)位于初始位置時，球類水果從2-水果存儲區(qū)沿7-軌道進(jìn)入8-給料機構(gòu)排隊，并按4-電控單元程序控制將水果供給9-舉升機構(gòu)，9-舉升機構(gòu)通過舉升動作，將水果舉入5-套網(wǎng)機構(gòu)內(nèi)。套網(wǎng)機構(gòu)完成套網(wǎng)操作，程序控制6-轉(zhuǎn)刀機構(gòu)切斷套網(wǎng)，隨后9-舉升機構(gòu)回落，8-給料機構(gòu)將套網(wǎng)成品搬運到10-成品區(qū)，同時供給下一個水果到9-舉升機構(gòu)，設(shè)備進(jìn)入循環(huán)工作。在各個機構(gòu)配合的過程中，需要控制系統(tǒng)具有高準(zhǔn)確度、高效率、順序控制等特點，因此采用S7-200系列PLC控制系統(tǒng)[1]。

2 球類水果套網(wǎng)機控制系統(tǒng)設(shè)計

針對球類水果套網(wǎng)機包裝設(shè)計的功能要求，在傳感檢測系統(tǒng)工作的前提下，確立了控制系統(tǒng)具有5個功能。1）控制給料機構(gòu)2個擋板電機，實現(xiàn)差時動作，完成逐個給料操作。2）控制給料機構(gòu)轉(zhuǎn)盤電機，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動作，完成水果進(jìn)給與成品搬運。3）控制舉升機構(gòu)電機，實現(xiàn)舉升機構(gòu)舉升及落下動作，實現(xiàn)水果進(jìn)出套網(wǎng)機構(gòu)。4）控制套網(wǎng)機構(gòu)電機，實現(xiàn)套網(wǎng)機構(gòu)套網(wǎng)功能。5）控制轉(zhuǎn)刀機構(gòu)電機，實現(xiàn)套網(wǎng)切割功能。

具體控制過程如下：球類水果套網(wǎng)機的控制系統(tǒng)根據(jù)開機信號，檢測給料機構(gòu)上的水果信號，如果軌道上有水果，便控制2個擋板電機進(jìn)行差時動作，完成水果逐個供給到給料結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)盤區(qū)，控制系統(tǒng)檢測到轉(zhuǎn)盤區(qū)存在水果的信號，進(jìn)一步控制轉(zhuǎn)盤電機，將水果供給到舉升機構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)檢測到舉升托盤存在的水果信息，繼續(xù)控制舉升電機，完成水果推舉入套網(wǎng)機構(gòu)內(nèi)的工作，程序按順序進(jìn)一步控制套網(wǎng)電機，計時控制套網(wǎng)機構(gòu)完成套網(wǎng)，然后轉(zhuǎn)刀電機工作，切斷套網(wǎng)，舉升機構(gòu)落下，轉(zhuǎn)盤電機工作，在將成品取下的同時，完成下一個水果進(jìn)給，從而實現(xiàn)球類水果套網(wǎng)機的循環(huán)工作[2]。

3 控制系統(tǒng)的控制器選型

PLC控制系統(tǒng)硬件主要由PLC主機、系統(tǒng)電源、信號采集單元、執(zhí)行單元、連接電氣元件、導(dǎo)線等組成。系統(tǒng)電源為PLC主機提供電源，信號采集單元主要由控制過程中的各個信號采集節(jié)點的各類傳感器組成，其中大部分傳感器的電源可直接從PLC主機獲得，PLC獲得各類傳感器從球類水果套網(wǎng)機的各個工作節(jié)點中檢測到的信號，通過內(nèi)部程序運算后，輸出相應(yīng)的控制信號，到達(dá)各個執(zhí)行單元，控制球類水果套網(wǎng)機的各個執(zhí)行機構(gòu)電機動作，從而實現(xiàn)了控制功能。

S7-200系列PLC是一種專門為解決多位輸出、多位控制、順序控制問題，并用來進(jìn)行數(shù)字運算控制的電子裝置。它采用可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲中執(zhí)行邏輯運算、定時、順序控制、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并且通過其中的數(shù)字式和模擬式的輸入、輸出，控制各種機械設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)工作[3]。

使用S7-200系列PLC與傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制相比有4個優(yōu)點。1）可靠性高、邏輯功能強、體積小。2）當(dāng)工作場合需要使用大量的中間繼電器、時間繼電器以及計數(shù)繼電器時，PLC不需要增加硬件設(shè)備。3）可以隨著工作要求的變化隨時對PLC程序進(jìn)行修改。如果繼電器線路要想改變控制功能，就必須變更硬接線。其與傳統(tǒng)的繼電器邏輯相比靈活性高。4）PLC還具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，可附加高性能模塊對模擬量進(jìn)行處理，實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制功能。

基于球類水果套網(wǎng)機高效率、高準(zhǔn)確度、低成本、小空間的設(shè)計需求，該文選用了西門子S7-200 CPU224可編程邏輯控制器作為控制系統(tǒng)的處理器[4]。其主要參數(shù)見表1。

表1? 西門子S7-200 CPU224 參數(shù)表

S7-200 CPU224 電源電壓 程序存儲器 計數(shù)器 本機I/O最多可接擴(kuò)展模塊

參數(shù) DC 20.4 V～28.8 V

AC 84 V～264 V

（47 Hz～63 Hz） 8 K字節(jié)/典型值為2.6 K條指令 0～256個計數(shù)器，6個高速計數(shù)器 數(shù)字量輸入：14個，其中4個可用作硬件中斷，10個用于高速功能

數(shù)字量輸出：10個，其中2個可用作本機功能

模擬電位器：2個 7個

4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計及仿真

通過分析球類水果套網(wǎng)機的控制過程，對控制程序進(jìn)行編程設(shè)計及仿真處理。首先，根據(jù)球類水果套網(wǎng)機的結(jié)構(gòu)及控制功能要求分析控制系統(tǒng)的輸入點數(shù)和輸出點數(shù)。輸入為給料傳感器、套網(wǎng)傳感器、轉(zhuǎn)刀傳感器、舉升傳感器、轉(zhuǎn)盤信號和開機信號，輸出為轉(zhuǎn)盤電機、套網(wǎng)電機、轉(zhuǎn)刀電機、舉升電機、擋板1電機正反轉(zhuǎn)、擋板2電機正反轉(zhuǎn)，共計6個輸入點數(shù)和8個輸出點數(shù)。然后，根據(jù)控制原理進(jìn)行I/O點的分配，控制系統(tǒng)中的6個輸入分別從I0.0～I(xiàn)0.5進(jìn)行分配，控制系統(tǒng)的8個輸出從Q0.0～Q0.7進(jìn)行分配。編寫程序首先根據(jù)球類水果套網(wǎng)機控制系統(tǒng)的具體控制過程繪制順序功能圖，參照順序功能圖利用梯形圖語言進(jìn)行PLC控制程序的編寫。初步編寫完成后，利用軟件對程序進(jìn)行編譯，檢查設(shè)備組態(tài)和程序錯誤問題并進(jìn)行改正。程序編輯完成后通過S7-200系列仿真軟件STEP-7 Micro/WIN V4.0 SP9進(jìn)行程序的運動仿真，從而分析程序是否存在沖突等編譯錯誤。最后，運動分析的結(jié)果顯示程序無編譯錯誤，程序運行完全符合控制系統(tǒng)的控制功能要求，可以實現(xiàn)對于球類水果套網(wǎng)機設(shè)計功能的控制目標(biāo)。S7-200系列PLC控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

5 結(jié)論

通過程序仿真測試顯示，基于西門子S7-200 CPU224可編程邏輯控制器的控制系統(tǒng)設(shè)計，可以有效實現(xiàn)其設(shè)計功能，并且該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、效率高、可靠性高，可重復(fù)進(jìn)行編程。因此S7-200系列PLC控制系統(tǒng)可以有效完成球類水果套網(wǎng)機的工作，且成本低、信號反應(yīng)快。S7-200系列PLC控制系統(tǒng)可以有效提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，降低設(shè)備的維修率，降低生產(chǎn)成本，對于該類球類水果套網(wǎng)機的應(yīng)用與推廣具有重要意義，同時對其他類似機械設(shè)備控制系統(tǒng)的選用具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]劉金娥.全自動定量包裝機的PLC控制系統(tǒng)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016（1）：3.

[2]唐利平.自動包裝機主要組成部分的工作原理及故障診斷[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（16）：113.

[3]蘇先棣.PLC步進(jìn)電動機控制的實現(xiàn)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2019（10）：32-33.

[4]張帆.基于PLC控制系統(tǒng)設(shè)計探討[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（6）：129.