基于S7200PLC的邮件分拣监控设计.docx
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基于S7200PLC的邮件分拣监控设计
基于S7200PLC的邮件分拣监控设计
本科毕业设计（论文）
题目基于S7-200PLC的邮件分拣监控
系统研究
学院电气与自动化工程学院
年级08专业测控技术与仪器
班级1605082学号160508206
学生姓名卢满春
指导教师孙斌职称中级
论文提交日期2012-5-19
常熟理工学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书
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保密的毕业设计（论文）在解密后遵守此规定。
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导师签名：
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基于S7-200PLC的邮件分拣监控系统研究
摘要
随着社会经济的迅速发展，邮件分拣行业中对邮件分拣控制的要求不断提高。
把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到邮件分拣控制中，已成为邮件分拣控制系统发展的趋势。
本文以西门子S7-200系列PLC和WinCC监控软件为工具,研究实现邮件分拣系统的全自动监控。
文中分析了邮件分拣的工艺流程,进行了PLC的选型设计。
本文设计了PLC控制程序,分析了邮件分拣的人机交互要求,采用组态软件WinCC6.0设计了监控程序。
系统的通信采用了pcaccess作为OPC服务器,实现了WinCC与PLC的通信。
系统在实验室进行了调试,结果表明,系统方案可行,程序正确,效果良好。
关键词：
PLC控制邮件分拣WinCC
ThestudyofthesortingmailmonitoringsystembasedonS7-200PLC
Abstract
Withtherapiddevelopmentofsocialeconomy,itdemandsthebetterofthemailsortingcontrolinthemailsortingofindustry,Soitisinevitabletendencytodesignthemailsortingcontrolsystem,withthehelpofadvancedtechniqueofautomation,controlandcommunication.
BasedontoolsoftheSiemensseriesS7-200PLCandWinCCmonitoringsoftware,thisstudyrealizesautomaticmonitoringofE-mailsortingsystem.ThispaperanalyzestheprocessesofE-mailsortingsystem,andtheselectionofPLCisdesigned.ThisarticledesignsthePLCcontrolprocedures,analyzestherequirementsofthehuman-computerinteraction,andtheconfigurationsoftwareWinCC6.0isusedtodesignthemonitoringprogram.PCaccessisusedasopcservertorealizethecommunicationsbetweenWinCCandPLC.
Thesystemhasbeendebuggedinthelaboratory,andtheresultsshowthatthesystemschemeisfeasible,theprogramiscorrectandtheeffectisgood.
Keywords：
PLCcontrolsSortingmailWinCC
1绪论
1.1课题的研究背景及意义
随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个企业都迫切地需要改进技术，提高效率，尤其在需要进行分拣、缓冲及传送的单位。
它们以往一直采用人工分拣的方法，效率低成本高。
为解决上述问题，将PLC技术应用到分拣装置中用以提高生产效率降低生产成本是一个很好的途径。
本文就介绍了PLC在邮件分拣系统中的应用。
最初的分拣系统是完全基于人力的作业系统。
通过人工搜索、搬运来完成货物的提取。
这种分拣系统的作业效率低下，无法满足现代化物流配送对速度和准确性的高要求。
随着科学技术的飞速发展，分拣系统中开始运用各种各样的自动化机械设备。
计算机控制技术和信息技术成为信息传递和处理的重要手段。
机械化、自动化、智能化成为现代分拣系统的主要特点与发展趋势。
自动分拣系统（automaticsortingsystem）是二战后在美国、日本以及欧洲的大中型物流中心广泛采用的一种分拣系统。
一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口四部分组成，它们通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的分拣系统。
随着计算机技术的飞速发展，可编程控制器应运而生。
并且功能也越来越强大。
在应用上，PLC有着其他设备无以比拟的优越性，它可靠性高，抗干扰能力高；适用性强，应用灵活；编程方便，易于使用；功能强大，扩展能力强；控制系统设计、安装、调试方便；维修方便，维修工作量少；体积小，质量轻，易于实现机电一体化。
1.1.1自动分拣系统概述
现代社会已将物流的高科技（自动分拣桃、自动化立体仓库、信息处理及通
讯自动化等）广泛应用于各个流通领域。
自动分拣系统（AutomaticSortingSystem）现在已成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。
可以肯定，随着物流大环境的逐步改善，科学技术日新月异的进步，特别是感测技术（激光扫描）、电子标签及计算机控制技术等的引入使用，自动分拣系统在我国发展空间巨大。
1.1.2自动分拣系统的主要特点
在我国，自动分拣系统主要用于邮政业的信函分拣或机场的行李分拣等场合。
自动分拣系统具有传统的人工分拣无可比拟的优势，其主要特点如下：
（1）分拣效率高：
由于采用流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等因素的限制，可以连续运行，而且单位时间分拣件数多，因此它能够连续大批量的分拣物品。
一般情况下，自动分拣系统可连续运行100个小时以上。
中等效率的分拣系统每小时可分拣7000件物品。
比起人工每小时最多分拣150件的效率来说，特别明显。
更重要的是不需要大量的劳动力来从事分拣作业。
实现了从劳动密集型到技术密集型的转变。
（2）分拣误差率低：
自动分拣系统的分拣误差率主要取决于所输入分拣信息的准确性。
而这又取决于分拣信息的输入机制。
其中携带货物的相关载体和识别装置起着主导作用。
如果采用人工输入，则误差率在3%以上；如果采用条形码输入，在条形码喷码无误和无破损的情况下出错率很低。
目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物；如果采用当前广泛研究的电子标签，则不仅解决了分拣过程中读取信息的不便，而且提高了系统的抗干扰能力和运行稳定性。
（3）分拣作业基本实现无人化：
国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少劳动力的使用，降低劳动强度，自动分拣系统能最大限度减少人员的使用，基本做到无人作业。
分拣系统本身并不需要人员，在分拣过程中主要从事以下工作：
送货小车抵达自动分拣作业线的进货端时，由人工接货；由人工控制分拣系统的运行；分拣系统的末端用人工将分拣出来的货物进行分包、堆盘、装车；自动分拣系统系统的经营、管理与维护。
自动分拣系统最早在我国邮政部门使用。
邮件分拣作业是自动分拣的一个重要的应用领域，邮件分拣机依据邮件的地址，迅速、准确地将发往不同地点的邮件从众多邮件中按邮政编码分拣出来。
自动分拣系统的使用，改变了传统的手工作业的分拣方式，大大减轻了笨重的体力劳动，而且更为重要的是提高了邮件分拣作业的准确性。
我国人口众多，人员之间的联系紧密，邮件数量相当巨大。
近年来，随着我国经济的发展和社会的进步，邮政事业得到了空前发展。
邮政通信网的技术含量不断增加，技术装备水平也在不断提高，邮件处理已基本实现机械化，并且朝着自动化的方向迈进。
其中，利用机器自动分拣邮件是一个重要的课题。
国内的研究工作起源于20世纪70年代中期。
20多年来，科技人员不断跟踪国际分拣技术的发展状况，推陈出新。
截止1998年底，全国共有106套邮件自动分拣设备投入运行。
供货厂家有国家邮政局上海研究所、德国SIEMENS公司、日本NEC公司。
本文主要介绍邮件分拣机的工作原理。
图1-1为某邮件分拣机的工作原理框图。
它主要通过对在传送带上通过的邮件进行扫码获得邮件的信息，识别出邮政编码后由邮政编码的数字信息来控制邮件流向。
图1-1邮件分拣系统的工作原理图
1.2PLC的概述
目前，世界上有200多个厂家生产300多品种PLC产品，而我国PLC生产厂有约30家，却并没有真正形成大规模的生产能力和名牌产品，其中有一部分厂家是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产。
但同时，我国在PLC应用方面却很活跃，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售30亿人民币，应用的行业也很广阔。
所以说，对我国PLC生产厂家来说．如何生产出拥有自主知识产权的PLC产品，并形成规模化生产，打造中国自己的PLC品牌是其面临的一大课题。
一句话，PLC自诞生之日起就成为自动控制领域一颗耀眼的明星，到今天已经发展为一个极其巨大的产业，也形成了其在自动化控制领域中短期内不可被替代的地位。
PLC是一种数字运算操作的电子系统，是在20世纪60年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。
它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。
PLC自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。
1.2.1PLC的产生背景
在PLC诞生之前，工业控制设备的主流品种是以继电器、接触器为主体的控制装置。
继电器、接触器是一些电磁开关。
其结构是由励磁线圈、铁心磁路、触点等部件组成。
其中触点是接通或断开电路的部件，按励磁线圈通电前的状态又可分为常开和常闭两种类型。
线圈通电前呈断开状态的为常开触点，呈接通状态的为常闭触点。
同一只接触器或继电器常有多对常开、常闭触点。
当励磁线圈通电，衔铁在磁力作用下被铁心吸合时，常开触点接通，常闭触点断开，以完成电路连接的切换。
触点又分为主触点及辅助触点。
用于主回路，控制较大电流的触点是主触点。
用于控制电路，只能通过较小电流的触点称为辅助触点。
通过继电器、接触器及其它控制元件的线路连接，可以实现一定的控制逻辑，从而实现生产设备的各种操作控制。
人们将由导线连接决定器件间逻辑关系的控制方式称为接线逻辑。
随着工业自动化程度的不断提高，使用继电器电路构成工业控制系统的缺陷不断暴露出来。
首先是复杂的系统使用成百上千个各种各样的继电器，成千上万根导线连接得密如蛛网。
只要有一个继电器、一根导线出现故障，系统就不能正常工作，这就大大降低了这种接线逻辑系统的可靠性。
其次是这样的系统维修及改造很不容易，特别是技术改造，当试图改变设备的工作过程以改善设备的功能时，人们宁愿新生产一套控制设备也都不愿意将继电器控制柜中的线路重接。
而在20世纪60-70年代，社会的进步要求制造业生产出小批量、多品种多规格、低成本、高质量的产品以满足市场需要，不断地提出改善生产机械功能的要求。
加上当时电子技术已经有了一定的发展，于是人们开始寻求一种以存储逻辑代替接线逻辑的新型工业控制设备。
这就是PLC。
1.2.2PLC的特点
（1）控制结构简单，通用性强，使用方便。
由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，当控制对象的硬件配置确定以后，就可通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
（2）功能性强，适应面广。
现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理等功能。
因此，它既可对开关量进行控制，也可对模拟量进行控制，既可控制1台生产机械、1条生产线，也可控制1个生产过程。
PLC还具有通讯联络功能，可与上位干扰信号有良好的抑制作用。
软件方面，设置故障检测与诊断程序。
采用以上抗干扰措施后，PLC平均无故障时间大大延长。
（3）抗干扰能力强，可靠性高。
继电器接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害，大大降低了系统的可靠性。
而PLC采用微电子技术，带领的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故其寿命长，可靠性大大提高。
微机虽然有很强的功能但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。
而PLC在电子线路、机械结构及结构上都吸取了生产控制经验，主要模块都采用了大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施，所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力，目前各生产厂家生产的PLC，平均无故障期都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时、
（4）编程方法简单，容易掌握。
PLC配备有易于接受和掌握的梯形图语言。
该语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。
（5）控制系统的设计、安装、调试方便。
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件，硬软件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化故可按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。
又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线工作量大大减小，设计人员只要有一台PLC就可进行控制系统的设计并可在实验室进行模拟调试，而继电接触器系统需在现场调试，工作量大且繁琐。
（6）体积小，质量小，功耗低，由于PLC是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品，因而结构紧凑，坚固，体积小，质量小，功耗低，而且具有很好的抗震性和适应环境温度湿度变化的能力,因此PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化较理想的控制设备
（7）维修方便，工作量小，PLC具有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能，对于其内部工作状态、通信状态异常状态和输入输出点的状态均有显示。
工作人员通过它可以检查出故障原因，工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。
控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。
1.3人机界面简介
人机界面是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现了生产或生活信息的内部形式与操作人员之间的可以接受的形式转换。
人机界面产品则是指PLC、变频器、直流调速器、仪表等现场控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元写入工作参数或输入操作命令，来实现人与机器信息交互的数字设备。
人机界面的基本功能是：
（1）设备工作状态显示，如指示灯、按钮、文字、图形、曲线等；
（2）数据、文字输入操作，打印输出；（3）生产配方存储，设备生产数据记录；（4）简单的逻辑和数值运算；（5）连接多种工业控制设备组网。
人机界面的设计法则有以下十点：
（1）以通讯功能作为界面设计的核心
人机界面的关键是使人与机器之间能够准确的交流信息。
一方面，人向机器输入时应当尽量采取自然的方式；另一方面，机器向人传递的信息必须准确，不致引起误解或混乱。
另外，不要把内部的处理、加工与人机界面混在一起（人机界面程序只是通讯），以免互相干扰，影响速度。
图1-2人机界面的通讯交互模式
人机界面设计时，针对每一个功能，都要按照输入—处理—输出的模块化思想，使输入、处理与输出分明，充分体现人机界面的通讯功能。
图1-2所示为人机界面的通讯交互模型。
（2）提供操作者帮助菜单和搜寻工具
在主菜单、次菜单或标题上放置显著而有意义的标题，如“帮助”、“查询”、“设定”、“回到主界面”等简单易懂的语句；可以将查询内容编页；搜寻控件或选项应该放置在明显且固定的位置上，以便操作者需要时可以很快找到所需工具，同时减少测试时间，并降低使用失误率。
（3）设计合理的文字区规划
要设法使说明具有阅读连贯性，因为井然有序的文字区规划，才易达到最有效、最舒适的效果，大幅度提高使用者界面的质量。
（4）增加视觉平衡感
显示界面的平衡性相当重要，尤其在垂直轴的两侧，轻重感一致性对操作者而言，心理感受影响更大。
不对称的视觉平面，会让人觉得整个画面是倾斜的，或者好像少了什么东西；而对称的视觉平面，看起来既整洁有完整，识别性高，又符合操作者心理。
增加平衡感的方法有：
注重空白区间与文字区块的使用比例；减少过度花哨的强调方式，如过多的花底线、粗体、3D图形；将所有内容块置于一完整方块中，使之有整体感。
（5）色彩和字型的合理应用
一个人机界面中，最好不要超过3~5种颜色，最好大区域使用浅灰阶色调。
同样，一个界面中，最好不要有太多的字型，更不宜选用字型太复杂或软弱无力的字体，如斜体字等。
越简洁清楚则辨识性越佳。
（6）减少显示器的视觉密度
一般机器、设备和器材所需表达的信息很多，易造成显示和操作界面看起来非常拥挤。
所以信息挤在一起，用户很难一眼获取所需的信息或知道如何正确操作。
因此，设计人机界面时，务必要考虑到内容的设置和空间裕度的保留，适当的留白将使整个界面看起来清楚而美观。
（7）必须使用户随时掌握任务的进展情况
人机界面应该能够告诉用户软件运行的进度。
特别是在需要较长时间的等待时，必须让用户了解工作进展情况，如已经完成了百分之几等。
切不可让用户面对一个没有任何反应的屏幕，以致怀疑出现了死机现象。
（8）使用简明扼要的词句和精简图像
操作界面中按钮、图标以及其他功能键的设计要符合用户的习惯。
当用户使用产品时，尽量不需要太多学习，通过按钮的形态、色彩以及上面的图标就可以进行操作。
（9）避免画面设计的不一致性
无论色彩或字体来表示某项含义，一定要前后一致，红色代表危险，粗体代表强调，决不可随意应用，否则会造成使用者混乱。
（10）安全提示、报警和故障
机器、设备、器材的使用安全性也与人机界面设计的好坏有关，因此设计上的缺失将会直接或间接地造成操作时的失误，严重时还可能造成使用者的伤害或死亡。
2PLC控制系统设计
2.1邮件分拣系统PLC控制硬件部分
2.1.1PLC控制范围及要求：
（1）自动准确识别邮政编码。
对邮政编码不符合规格的邮件进行处理（剔除），并根据邮政编码的不同加以分类，实现邮件的准确自动分拣；
（2）自动分拣。
硬件部分的分拣机是将软件识别出的邮政编码的编码信息随传送带分拣入各个代表唯一地址的邮箱中，如编码信息代表一号邮件的就拣入第一组的邮箱。
2.1.2分拣机的动作过程
图2-1邮件分拣结构图
分拣机工作过程如下：
本系统分4种邮件的模拟分拣系统，按下启动按钮ST，2秒后L1亮表示可以进邮件。
然后按下邮码B1，邮件检测灯L2亮，主电机M5运行。
2秒后光电开关M1亮，则将邮件送入邮箱1内。
之后L2灯灭，L1灯亮，表示可以继续进邮件。
同样按下邮码B2，邮件检测灯L2亮，主电机M5运行。
3秒后光电开关M2亮，则将邮件送入邮箱2内。
之后L2灯灭，L1灯亮。
表示可以继续进邮件。
同样按下邮码B3，邮件检测灯L2亮，主电机M5运行。
4秒后光电开关M3亮，则将邮件送入邮箱3内。
之后L2灯灭，L1灯亮。
表示可以继续进邮件。
同样按下邮码B4，邮件检测灯L2亮，主电机M5运行。
5秒后光电开关M4亮，则将邮件送入邮箱4内。
之后L2灯灭，L1灯亮。
若按下邮码B5，则说明被检邮件不是上述要求的4种邮件，则红灯L2闪烁，表示出错，主电机M5停止。
重新启动后，才能正常运行。
按下停止按钮SP，系统停止运行。
具体结构如上图2-1。
2.2机型的选择及输入输出的确定
2.2.1内存估计
用户程序所需的内存容量受以下几个因素的影响：
开关量输入，输出点数；用户的程序水平。
所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数×10；
所需内存字数=模拟量点数×100（只有模拟量输入）；
所需内存字数=模拟量点数×200（模拟量输入／输出同时存）。
该系统控制程序比较小，而且输入输出点较少，因此内存容量要求比较低。
一般的PLC都能满足其要求。
2.2.2响应时间
可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠地接受持续时间小于扫描周期的输入信号；但是在本系统中，邮件的输入速度是相对比较慢的，不可能比扫描周期短，所以，系统响应时间没特殊要求，不需要考虑这方面的问题。
邮件分拣是一个比较固定的、环境条件较好的工艺过程，要实现的功能也相对简单，无A/D和D／A转换、加减运算。
另外，控制程序也比较固定，不需要在线编程，选用整体式PLC就可以满足工艺的要求了。
综合前面的工艺要求与I/0点数可知，在机型上可选用西门子公司生产的CPU型号为224型的微型可编程控制器。
2.2.3输入输出的确定
可编程控制器系统I/O点数估算。
系统I/O分配见下表2-1：
表2-1系统I/O分配表
输入
输出
端子
功能
端子
功能
I0.0
启动
Q0.0
指示进邮件L1
I0.1
停止
Q0.1
邮件检测灯L2
I0.2
读码器输出的邮码1
Q0.2
光电开关M1
I0.3
读码器输出的邮码2
Q0.3
光电开关M2
I0.4
读码器输出的邮码3
Q0.4
光电开关M3
I0.5
读码器输出的邮码4
Q0.5
光电开关M4
I0.6
读码器输出的邮码5
Q0.6
光电开关M5
M1.7
启动（WinCC）
M1.1
停止（WinCC）
M1.2
读码器输出的邮码1（WinCC）
M1.3
读码器输出的邮码2（WinCC）
M1.4
读码器输出的邮码3（WinCC）
M1.5
读码器输出的邮码4（WinCC）
M1.6
读码器输出的邮码5（WinCC）
通过上面的I/O点的分析，需要7个输入点和7个输出点。
西门子的S7-200就已经符合邮件分拣控制要求。
S7-200PLC属于小型整体式的PLC,本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。
它的硬
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