基于西门子S7200系列PLC的自动货物分拣系统之欧阳数创编.docx
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基于西门子S7200系列PLC的自动货物分拣系统之欧阳数创编
毕业设计
时间：
2021.03.02
创作：
欧阳数
专业：
班级学号：
学生姓名：
指导教师：
二〇一三年五月
本科生毕业设计
基于西门子S7-200系列PLC的自动货物分拣系统
BasedonSiemensS7-200seriesPLCautomaticcargosortingsystem
2013年5月
摘要
随着社会飞速发展，电子商务交易下，货物的流通量日益增长，使得人工对货物的分拣也显得效率不高，劳动强度大；本文以SiemensS7-200系列PLC为控制器，结合Siemens上位机组态软件Wincc，设计、模拟了自动仓库货物分拣系统，上位机与PLC的系统的数据交换采用OPCScout协议技术；系统大概工作过程为：
货物经检录入仓后，经机器人取货放入主传送带，主传送带一侧的传感器对货物进行分析检测，传感器信号传达至PLC，PLC输出相应命令驱动气动执行机构，进行货物的分拣，货物被拣入缓存仓后经机器人取货至出仓，或者分发到立体仓库经堆垛机进行货物的储存；系统体现了现代自动化技术，运行稳定的同时更易于操作员的监控。
关键词：
PLCWinccOPC传感器堆垛机
ABSTRACT
Alongwiththesocialrapiddevelopment，theelectroniccommercetrade，ofgoodsincirculation，increasingmakesmanualsortingofgoodsalsoappearsefficiencyisnothigh,，thelaborintensity；BasedonSiemensS7-200seriesPLCascontroller，combiningwithSiemensupperunitconfigurationsoftwareWincc,design,simulation,automaticwarehousegoodssortingsystem，PCandPLCinthesystemofdataexchangebyOPCtechnologyScoutagreement；Systemworkprocessis：
probablyafterrollcallwarehousingofgoods，therobottakecargoputintotheconveyorbelt，theconveyorbelt，analyzethegoodssideofthesensor，thesensorsignalstoPLC，PLCoutputcorrespondingcommanddrivenactuator，thesortingofgoods，afterthegoodsbepickedintoslowinventoryviarobottakethegoodstothewarehouse，ordistributedtowarehousebythestackerforstorageofgoods；Systemembodiesthemodernautomationtechnology，runningstableandeasiertooperator'smonitoring．
Keywords:
PLCWinccOPCSensorPiler
1引言
1.1研究背景及内容
分拣作业是仓库货物输送中的一个关键环节，它指的是依据货物信息及货物属性，迅速、准确地将商品从储位或其他区域拣出，并按照一定方式进行分类、集中储存，等待配装送货的作业过程。
分拣是配送中心作业中最繁锁，工作量最大的环节，也是配送中心作业系统的核心。
如今，商品经济逐步深入，社会需求呈现出向小批量、多品种方向发展的趋势，配送商品的种类和数量急剧增加，这使得分拣作业在配送中心作业的比重越来越大。
随着电子技术的成熟，仓库货物的分拣也越来越依靠的电子设备及计算机的辅助控制，从而达到最优效率；基于PLC的货物自动分拣系统，具有稳定性强，效率高，网络构架丰富等特点，越发受到关注。
1.2仓库货物分拣系统概述
构建分拣系统是一个复杂的过程。
从规划设计到实现，需要考虑很多因素。
分拣系统与上游的仓储系统以及下游的装运送货系统都有着紧密的联系，所以还要考虑它们之间的衔接，解决好接口的问题。
建立分拣系统首先应了解分拣作业的流程，明确系统需要完成的任务。
就实际运作过程来看，分拣作业主要由生成拣选信息、行走或搬运、拣货、分类和集中四个基本环节组成。
其中:
拣选信息是分拣工作的指令，一般由顾客订单或送货单经加工处理而成，以拣货单或电子信号等形式存在;行走搬运是分拣作业人员或机器直接接触并拿取和移动货物的过程。
实现形式主要有三种，一是人员通过步行或搭乘运载工具到达货物储位;二是货物随自动化货架到达人员面前;三是无人参与的自动分拣系统中完全由机械自动完成；货物的分拣是按照拣选信息的指示抓取货物并确认的过程，是分拣作业的核心，根据货物体积、重量、出货频率等的不同分为手工、机械辅助及自动化设备等实现形式;分类集中是必要时（如批量拣选时）为了衔接出货装运作业而进行的再加工，在实际中也有人力分货、机械辅助和自动分货机等实现形式。
分拣作业流程是分拣系统的业务流程依据，合理利用机械、自动化设备，采用新技术可以节约作业时间、降低分拣错误率，也是构建分拣系统的目标与关键。
1.2.1仓库货物分拣系统的发展状况
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、搬运货物来完成货物的提取。
在这种系统中，书面文件的制作和查找、人工搬运等浪费了巨大的人力物力，作业效率低下，显然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。
虽然在多数的分拣系统中，某些作业环节还需要有人工的参与，但作业强度已越来越小，完全由机械完成分拣作业的自动分拣系统也应运而生。
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。
在现代的仓库货物分拣系统中，高科技的应用为作业效率和质量的提高提供了坚实的技术保证。
现代化的分拣系统逐渐成为物流机械化系统、信息系统以及管理组织系统的有机组合。
物流机械化系统主要是各种物流设备的有效组合和配置，信息系统是分拣信息和控制信息等流动的载体，管理组织系统负责设备、人员的调度，控制系统总体的运作模式。
计算机控制技术、信息技术以及物流自动化机械成为现代分拣系统的重要组成部分。
1.3堆垛机的概述
堆垛机是仓库货物分拣系统的重要组成部分，它是整个系统的执行部件，存货时将货物从出/入货台准确的存放到货位里，取货时将货物从货位中取回到出入货台。
无论何种类型的堆垛机，一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。
它是在所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。
尽管各厂家各有独创，结构形式有些差异，但可以说大同小异，所有的堆垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和控制系统等部分组成。
1.3.1堆垛机的发展
初期的仓库货物使用的堆垛机以桥式起重机为基础，这种堆垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架，利用门架的上下和旋转来搬运货物。
1960年左右在美国出现了巷道式堆垛机，随后巷道式堆垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式堆垛机。
1967年日本安装了高度10-15米的高层堆垛机，1969年出现了联机全自动化仓库，我国是在上世纪70年代初期开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。
目前的堆垛机技术取得了重大的发展，控制技术、定位精度、运行速度都得到了很大程度的提高。
巷道式堆垛机的起升速度已经可以达到90m/min，运行速度达到240m/min，在有的立体仓库中采用上、下两层分别用巷道堆垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力。
2西门子S7-200PLC概述
2.1产品概述
S7--200系列是一种可编程序逻辑控制器（MicroPLCs）。
它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。
S7--200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。
紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7--200成为各种控制应用的理想解决方案。
2.1.1S7-200CPU
S7--200CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC，参见图2-1。
在下载了程序之后，S7--200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。
图2-1S7-200的中央处理单元
Siemens公司提供多种类型的CPU以适应各种应用，如表2-2中介绍了S7-200系列的对各种CPU特性。
表2-2S7-200系列PLC的技术指标
2.2S7-200系列PLC的工作原理
PLC的工作过程一般可分为三个主要阶段：
输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段，如2-2图所示。
图2-2PLC工作过程
1、输入采样阶段
PLC以扫描工作方式，按顺序将所有信号读入到寄存输入状态的输入映像区中存储，这一过程称为采样。
在整个工作周期内，这个采样结果的内容不会改变，而且这个采样结果将在PLC执行程序时被使用。
2、程序执行阶段
PLC按顺序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映像区和输出映像区中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像区中保存。
这个结果在程序执行期间可能发生变化，但在整个程序未执行完毕之前不会到输出端口。
3、输出刷新阶段
在执行完用户所有程序后，PLC将输出映像区中的内容送到寄存输出状态的输出锁存器中，再去驱动用户设备。
PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。
PLC在一个工作周期中，输入采样和输出刷新的时间一般为毫秒级，而程序执行时间因程序的长度不同而不同。
PLC一个扫描周期因CPU模块的运算速度差别很大。
当PLC投入运行后，重复完成以上三个阶段的工作，即采用循环扫描工作过程。
PLC工作的主要特点是输入输出采样、程序执行、输出刷新的“串行”工作坊式，这样既可避免继电器、接触器控制系统中的触电竞争和时序混乱，又可提高PLC的运算速度，这是PLC系统可靠性高、响应快的原因。
但是，也导致输出对输入在时间上的滞后。
3自动货物分拣系统的硬件设计
3.1系统的控制要求
一、主要技术指标：
基于Siemenss7-226PLC进行编程控制，结合Siemens机组态软件WinCC，进行系统的监控、仿真模拟运行设计。
二、工作过程分析：
自动货物分拣系统包括检录货物、货物分析、货物输送、货物分拣、机械手臂取货装置、堆垛储存和报警功能等组成。
（1）检录货物：
货物经仓库传送入库的传感器检测到时，取货机械手将执行取货命令，将货物送往下级传送带。
（2）货物分析：
货物经传送带入口处信息检录，在传送带上，货物的固有属性，如体积，质料等经相关传感器检测后，将检测信息传达到控制单元。
（3）货物输送：
上源端的货物在主传送带经检测后将进行货物的分拣，经不同要求，执行货物的存储或出仓。
（4）货物分拣：
在主传送带一侧设有若干个分拣格口，货物经过分析后，气动回路通过电磁阀可控制分拣推杆的前推和后退，将货物按其自身属性，如材质、体积等，进行分拣，送入不同的缓存储位；为了储存漏检测的货物与特殊货物，在主传送带的末端还设有应急储位；储存仓库分别设有接近开关检测各储位是否有货物。
（5）机械手取货装置：
为气动控制，可在X、Y2个方向运动，从不同的缓存储位取得货物后送往仓库出口传送带。
（6）堆垛存储：
如果货物需要存放，则通过堆垛机的上升与下降，使于不同的货物存储在立体仓库，取货出仓时也雷同；为了方便操作员控制，堆垛机设有手动与自动工作方式。
（7）报警功能
系统发生故障时，如传送带停止、货物溢出等，传感器将信号传达控制单元后，系统立即响应处理，上位机操作画面中的故障指示闪烁。
只要故障排除，并按下故障复位按钮后，系统继续运行。
自动货物分拣系统的大致流程为：
货物进仓进行暂时堆放，当下达存储货物命令后，货物经机械手抓取后到主传送带，住传送带设有相应检测传感器件，进行货物的检测，信号传达到PLC，PLC处理传感器的信号并输出对应信号驱动执行机构，当下达出仓指令或堆垛储存指令后，由出仓机械手实现对货物的调取、分发出仓或者通过传送带送往立体仓库区进行堆垛储存流程图由3-1所示。
图3-1自动货物分拣系统的总体流程
三、编程规范：
Siemenss7-200系列PLC使用STEP7MicroWINV4.0编程软件，编写梯形图程序，实现自动货物分拣系统的工作要求。
四、系统演示：
用Siemens组态软件Wincc组态好画面，通过PLC与上位机Wincc的数据交换，实现自动货物分拣系统的工作过程的模拟运行、监控、报警等功能。
3.2方案设计
自动仓库货物分拣系统的被控对象一般为机械加工设备、电器设备、传送带或传送过程。
控制方案设计主要包括硬件设计、软件程序设计、施工设计及调试等几部分内容。
3.2.1PLC控制系统的总体设计
由于PLC应用方便、可靠性高，在各个行业、各个领域大量地应用着各种类型的PLC。
随着PLC本身的功能不断的拓宽与增强，它已成为继电器控制柜的替代物，逐渐进入到过程控制和闭环控制等各个领域，它所能控制的系统越来越复杂，控制规模越来越庞大。
因此，如何用PLC完成实际控制系统的应用设计，是每个从事电气自动化控制技术人员所面临的实际问题。
然而，随着PLC应用场合的不同，控制规模的不同，使用经验的不同等，目前还没有一个固定的设计模式。
尽管如此，还是可以根据PLC的工作特点和以往的经验，提出PLC控制系统设计应当遵循的基本原则和一般的设计步骤，以及实际应用时的注意事项。
可编程控制器的一个重要特点就是一旦选择好机型后，就可以同步进行系统设计和现场施工。
因此，在了解了PLC的基本工作原理及掌握该机型的指令系统和编程原则后，就可以把PLC应用在实际的工程项目中。
当采用PLC构成一个实际的控制系统时，这种系统的设计就是PLC的应用设计。
3.2.2PLC系统设计的基本原则
1、最大限度的满足被控对象提出的各项性能指标
为明确控制任务和控制系统应有的功能，设计人员在进行设计前，就应深入现场进行调查研究，搜集资料，与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，以便协同解决在设计过程中出现的各种问题。
2、确保控制系统的安全可靠
电气控制系统的可靠性就是生命线，不能安全可靠工作的电气控制系统，是不可能长期投入生产运行的。
尤其是在以提高产品数量和质量，保证生产安全为目标的应用场合，必须将可靠性放在首位，甚至构成冗余控制系统。
3、力求控制系统简单
在能够满足控制要求和保证可靠工作的前提下，应力求控制系统构成简单。
只有构成简单的控制系统才具有经济性、实用性的特点，才能做到使用方便和维护容易。
4、留有适当的裕量
考虑到生产规模的扩大，生产工艺的改进，控制任务的增加，以及维护方便的需要，要充分利用可编程控制器易于扩充的特点，在选择PLC的容量（包括存储器的容量、机架插槽数、Ｉ／Ｏ点的数量等）时，应留有时当的裕量。
3.2.3PLC系统设计的主要内容
1．明确设计任务和技术条件
设计任务和技术条件一般以设计任务书的方式给出，在设计任务书中，应明确各项设计要求、约束条件及控制方式。
因此，设计任务书是整个系统设计的依据。
2．确定用户输入设备和输出设备
用户的输入、输出设备是构成PLC控制系统中，除了作为控制器的PLC本身以外的硬件设备，是进行机型选择和软件设计的依据。
因此，要明确输入设备的类型（如控制按钮、行程开关、操作开关、检测元件、保护器件、传感器等）和数量，输出设备的类型（如信号灯、接触器、继电器等执行元件）和数量，以及由输出设备驱动的负载（如电动机、电磁阀等）。
并进行分类、汇总。
3．选择可编程控制器的机型
可编程控制器是整个控制系统的核心部件，正确、合理的选择机型对于保证整个系统的技术经济性能指标起着重要的作用。
4．分配Ｉ／Ｏ地址，绘制Ｉ／Ｏ接线图
通过对用户输入、输出设备的分析、分类和整理，进行相应的Ｉ/Ｏ地址分配，并据此绘制Ｉ／Ｏ接线图。
本设计的I/O分配表如表3-2所示；
输入
输出
地址
地址
对象
地址
地址
对象
I0.0
M10.0
手/自动切换
Q0.0
M14.0
1号机器人
I0.1
M10.1
急停
Q0.1
M14.1
1号传送带
I0.2
M10.2
信息检录确认
Q0.2
M14.2
执行器1
I0.3
M10.3
1号机器人
Q0.3
M14.3
执行器2
I0.4
M10.4
1号传送带
Q0.4
M14.4
执行器3
I0.5
M10.5
执行器1
Q0.5
M14.5
堆货仓1
I0.6
M10.6
执行器2
Q0.6
M14.6
堆货仓2
I0.7
M10.7
执行器3
Q0.7
M14.7
堆货仓3
I1.0
M11.0
1号限位开关
Q1.0
M15.0
2号机器人
I1.1
M11.1
2号机器人
Q1.1
M15.1
2号传送带
I1.2
M11.2
2号传送带
Q1.2
M15.2
堆垛机1
I1.3
M11.3
出仓传感器
Q1.3
M15.3
堆垛机2
I1.4
M11.4
报警解除
Q1.4
M15.4
堆垛机3
I1.5
M11.5
体积传感器-大
Q1.5
M15.5
限位报警灯
I1.6
M11.6
体积传感器-中
Q1.6
M15.6
传送带报警灯
I1.7
M11.7
体积传感器-小
Q1.7
M15.7
急停指示灯
表3-2自动货物分拣系统的I/O分配表
5．设计控制程序
根据控制任务和所选择的机型以及Ｉ／Ｏ接线图，一般采用梯形图语言设计系统的控制程序。
设计控制程序就是设计应用软件，这对于保证整个系统安全可靠的运行至关重要，必须经过反复调试，使之满足控制要求。
6．必要时设计非标准设备
在进行设备选型时，应尽量选用标准设备。
如无标准设备可选，还可能需要设计操作台、控制柜、模拟显示屏等非标准设备。
7．编制控制系统的技术文件
在设计任务完成后，要编制系统的技术文件。
技术文件一般应包括设计说明书、使用说明书、Ｉ／Ｏ接线图和控制程序（如梯形图等）。
4自动货物分拣系统的软件设计
4.1系统流程图
具体工作过程如图4-1，4-2所示：
图4-1自动货物分拣系统总体工作过程
图4-2自动货物分拣系统工作流程
4.2系统涉及到的软件
4.2.1STEP7MicroWINV4.0编程软件
STEP7-Micro/WIN32是SIEMENS公司专为SIMATIC系列S7-200研制开发的编程软件，它是基于Windows平台的应用软件。
STEP7-Micro/WIN32可以使用个人计算机作为图形编辑器，用于联机或脱机开发用户程序，并可在线实时监控用户程序的执行状态。
启动STEP7-Micro/WIN32编程软件，其主界面外观如图4-3所示。
主界面一般可以分为以下几个部分：
主菜单、工具条、浏览条、指令树、用户窗口、输出窗口和状态条。
除菜单条外，用户可以根据需要通过检视菜单和窗口菜单决定其它窗口的取舍和样式的设置。
图4-3编程软件主画面
4.2.2OPC服务器
一、产生背景
OPC诞生以前，硬件的驱动器和与其连接的应用程序之间的接口并没有统一的标准。
例如，在FA（FactoryAutomation）——工厂自动化领域，连接PLC（Programmable Logic Controller）等控制设备和SCADA／HMI软件，需要不同的FA网络系统构成。
根据某调查结果，在控制系统软件开发的所需费用中，各种各样机器的应用程序设计占费用的7成，而开发机器设备间的连接接口则占了3成。
此外，在PA（Process Automation）——过程自动化领域，当希望把分布式控制系统（DCS——Distributed Control System）中所有的过程数据传送到生产管理系统时，必须按照各个供应厂商的各个机种开发特定的接口，例如，利用C语言DLL（动态链路数据库）连接的DDE（动态数据交换）服务器或者利用FTP（文件传送协定）的文本等设计应用程序。
如由4种控制设备和与其连接的监视、趋势图以及表报3种应用程序所构成的系统时，必须花费大量时间去开发分别对应设备A，B，C，D的监视，趋势图以及表报应用程序的接口软件共计要用12种驱动器。
同时由于系统中共存各种各样的驱动器，也使维护运转环境的稳定性和信赖性更加困难。
而OPC是为了不同供应厂商的设备和应用程序之间的软件接口标准化，使其间的数据交换更加简单化的目的而提出的。
作为结果，从而可以向用户提供不依靠于特定开发语言和开发环境的可以自由组合使用的过程控制软件组件产品。
利用OPC的系统，是由按照应用程序（客户程序）的要求提供数据采集服务的OPC服务器，使用OPC服务器所必需的OPC接口，以及接受服务的OPC应用程序所构成。
OPC服务器是按照各个供应厂商的硬件所开发的，使之可以吸收各个供应厂商硬件和系统的差异，从而实现不依存于硬件的系统构成。
同时利用一种叫做Variant的数据类型，可以不依存于硬件中固有数据类型，按照应用程序的要求提供数据格式。
二、应用领域
1、工控解决方案用户
2、楼控解决方案用户
3、工控解决方案厂商
4、楼控解决方案厂商
5、工控解决方案集成商
6、楼控解决方案集成商
7、 All Automation Fields
如图4-4所示为OPC的现场总线应用模式:
图4-4现场总线应用模式
4.2.3OPC服务器的以太网通讯处理器的设置
一、配置PC站的硬件机架：
需要的软件：
（1）SIMATICNCMPCV5.4SP1；
（2）MicroWINV4.0编程软件。
完成安装SIMATICNET软件（SIMATICNCMPCV5.4SP1）之后,单击左面类似于电脑图标的“StationConfiguration”,弹出如图4-5对话框，并选择一号插槽，右击鼠标，选择“Add”。
依次为槽内添加OPSever和IEGeneral，添加“IEGeneral”完毕，弹出相应对话栏，对话栏显示MAC地址，和IP地址，此IP地址是PC的IP地址，如图4-6所示，点击OK并在“StationName”处单击鼠标，为此工作站点修改名字为“LZ”，如图4-7所示。
图4-5PC站点的工作画面
图4-6PC站点的IE组件添加
图4-7PC站点的名字更改
二、以太网模块向导的设置：
双击桌面“STEP7MicroWINV4.0”，打开编程软件，在编程窗口菜单栏中找到“工具”，在下拉菜单中找到并打开如4-8图所示的“以太网向导”,选择模块位置后，要为此向导设置IP地址，如4-9图示。
指定命
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