基于S7-1200PLC机器人物料识别实验平台设计

基于S7-1200PLC机器人物料识别实验平台设计

韩雪龙1侯银银2顾能华1

（1.衢州学院电气与信息工程学院；2.国网浙江省电力有限公司衢州供电公司，衢州，324000）

摘要:为增强学生动手能力，提高学生对工业以太网、可编程逻辑控制器（PLC）、电机调速、人机交互系统等现在工业常用设备的认知，开发了一套基于S7-1200PLC的智能物料分解实验平台。该实验平台可以自动分解不同物料，通过机械臂将物料夹取并放置到设定好的区域。学生通过该实验平台可以学习不同类型电机的控制方法，PLC工程的创建，传感器、电磁阀等工业常用器件的使用方法。很好的培养学生装配、接线、编程、调试等实际操作能力，促进学生由单纯知识接受者到平台设计者角色的转变。

关键词：可编程逻辑控制器(PLC)；智能物料分解；实验平台

中图分类号：TH124；文献标志码：A

DesignofRobotMaterialIdentificationandProcessingSystemBasedonS7-1200PLC

HANXueLong1HOUYinYin2GUNengHua1

1,SchoolofofElectricalandInformationEngineering,QuZhouUniversity,QuZhou,324000;

2,ZhejiangQuZhouPowerSupplyCompany,StateGrid,324000

Abstract:Inordertoenhancestudents'practicalability,awarenessofindustrialethernet,programmablelogiccontroller（PLC）,motorspeedcontrol,human-computerinteractionsystemandotherindustrialequipments,asetofintelligentmaterial-separationplatformbasedonS7-1200PLCisdeveloped.Theplatformcanautomaticallyseparatedifferentmaterials,grabandplacethematerialinthespecificareabytheroboticarm.Studentscanlearnthecontrolmethodsofdifferentmotors，creationofPLCprojectandlearnhowtousesolenoidvalveandsensor,commonlyusedinindustry,throughthisplatform.Itcanwelltrainstudents'practicalskillsinassembly,wiring,programming,debugging,etc.andpromotethetransformationofstudentsfromsimpleknowledgereceiverstoplatformdesigners.

Keywords:programmablelogiccontroller（PLC）;intelligentmaterialseparation;platform

可编程逻辑控制器（PLC）是电气控制领域的核心之一，相比于传统的电气控制有很大优势[1-4]。在传统的PLC教学方法中，学生基本属于被动接受，而非主动领悟[5]。提高学生动手操作及综合设计能力是电气工程学科教学的主要任务之一[6-9]。如何改变传统模式，探索以学生设计创造为主体，开发综合性可重复性实验平台成为专业教育急需解决的问题[10]。为此，本论文设计了一套以学生为实验主体，基于S7-1200PLC控制的实验平台。该实验平台以工业常用的异步电机、步进电机和直流电机为控制对象，以机器人作为载体，模拟现在物流行业中包裹的分解；利用工业以太网实现人机交互系统、PC机、变频器、PLC之间的通讯。通过人机交互系统实现实验平台的启停、电机转速设定等功能。

1实验平台总体设计方案

本实验平台主要是由PC机，S7-1200PLC，人机交互界面（HMI），机械臂，电机，电磁阀等组成，整体实验平台控制流程如图1所示。HMI主要实现电机转速的设定、状态监测、启/停电机等功能。PLC主要实现数据采集与处理，接收HMI指令，进行逻辑控制输出控制指令等功能。学生通过PC机，对HMI界面以及PLC程序进行编程，编辑好的程序通过以太网下载到HMI和PLC中，再通过按键或者HMI进行整体实验。

2硬件设计

2.1整体硬件组成

硬件部分主要包括：空压机、HMI、S7-1200PLC、变频器、异步电动机、步进电机、直流电机、电磁阀、传感器等。变频器主要对三相异步电机进行控制，实现传送带的运转。步进电机负责机械臂物料抓取时关节运动，直流电机负责物料抓取时机械臂的定位，电磁阀用来驱动活塞运动将物料打出以及机械爪抓取物料。图2给出了该实验平台工作过程。

2.2电机控制

本实验平台涉及三相异步电动机、步进电机和直流电机。三相异步电机的控制主要通过变频器SINAMICSG120C进行设定。

（1）步进电机控制

步进电机具有高精度、控制简单等优点，在该实验平台中，驱动器是一种将脉冲信号转化为角位移的执行机构，型号选DM415B。步进电机的控制原理图如图3所示。步进驱动器参数选择：电流为1A，细分为800。

（2）直流减速电机

在本实验平台中，改变继电器KP1与KP2的吸合改变电机正反转，如图4所示。在直流电机的运动轨道两端装有位移保护传感器，机械臂每次夹取物料时均回到起点归零，保证夹取物料位置准确无误。另外一端传感器保护机械臂在故障情况下滑出轨道，一旦到达极限位置，直流电机将会停止工作。

选择金属、橡胶和塑料制作的圆柱体代表不同物料，传感器根据物料经过时产生变化不同进行有选择的动作。电感式传感器检测金属材料，光纤传感器检测物料表面的反光率分拣橡胶物料；电容式传感器放在最后，当物料传送至该传感器处时，输出检测信号，气缸动作，完成物料分解，整体PLC控制系统由S7-1200CPU，模拟信号输入、输出模块SM1231和SM1232，数字信号输入、输出模块SM1222和SM1223构成[13]。

3通信设计

本实验平台使用工业以太网交换机、工业屏蔽双绞线与PC机、PLC、HMI的以太网通讯来组成一个工业以太网环境，使得PC机、PLC、HMI、变频器连接到同一工业以太网中，如图6所示。

4整体软件设计

本实验平台软件设计是在TIAPORTAL环境下开发的，主要包括急停保护程序，电机启动停止程序，传感器信号处理程序，电磁阀控制程序。HMI的开发，主要包括设备平台的启动和停止，电机转速的设定，故障报警显示等。S7-1200PLCCPU与HMI通过以太网进行通信。

4.1程序设定

在TIAPortal中，所有的数据项目都存储在一个项目中，当需要修改某些数据时，修改后的数据会在整个项目内自动更新。此外，它还提供了多种定义PLC变量的选项。所有的变量都呈现在PLC变量列表中，可以编辑，实现了数据的一致管理，这样就免去了不同学生在同一个项目内进行同步的必要。

4.2界面设计

HMI控制界面由启动、停止、复位、急停触发、电机转速设定以及气压值设定组成，如图7所示。

5实验过程

5.1工程创建

启动TIAPORTAL，点击创建新项目，项目命名添加项目目录，在项目树中，能访问所有组件和项目数据。点击添加新组件，各种硬件都出现在左侧，点击控制中SIMATICS7-1200，找到本实验平台所用的PLC型号CPU1214DC/DC/DC，订货号6ES7-214-1AG40-0XB0，在属性中设置PLC的I/O变量、中断等。在硬件目录中可以选择PLC所需的各种硬件。然后添加其属性，设置通信端口参数，最后保存项目。点击项目视图，在程序块进行整个实验的梯形图编写。工程建立完成后，返回属性设置界面配置PLC、HMI、PC机的IP地址在同一网段内，然后将程序载到PLC中，即可开始试验。

5.2整体实验流程

总电源上电，按下启动按钮，HMI以及PLC等设备上电，PLC开始自检，待红灯消失，自检完成后，复位指示灯开始闪烁，点击复位按钮，系统完成整体实验平台复位。将不同物料加入物料桶，点击启动按钮，传感器检测物料，电磁阀打开，活塞将物料弹出，异步电机启动，传送带开始带动物料运动，进入到传感器检测物料分解过程，完成分解工作。机械臂根据不同气阀的动作，移动到相应位置，夹取物料，放到指定位置，整体实验过程完结。

6结论

通过上述设计，该实验装备顺利实现了不同物料的分解，将监控界面程序编写、PLC梯形图以及电机调速、传感器运用、电磁阀控制等知识结合在一起，实现了不同课程之间的相互融合。对促进学生认知机器人、电气元器件、深度学习PLC编程以及电机控制等有巨大的帮助作用。除此之外，该实验平台还可以进行电机控制、传感器工作原理探究等多个试验项目。大大提高了学生的动手能力与实操能力。

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