西門子S7-1200的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李方園

1 前言

PLC自上世紀(jì)60年代第一臺(tái)問(wèn)世以來(lái)，很快被應(yīng)用到汽車制造、機(jī)械加工、冶金、礦業(yè)、輕工等各個(gè)領(lǐng)域，并大大推進(jìn)了機(jī)電一體化進(jìn)程。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展和完善，PLC的編程概念和控制思想已為廣大的自動(dòng)化行業(yè)人員所熟悉，這是一個(gè)目前任何其他工業(yè)控制器（包括DCS和FCS等）都無(wú)法與之相提并論的巨大知識(shí)資源。西門子S7-1200作為中小型PLC的佼佼者，無(wú)論在硬件配置和軟件編程上都具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

2 金屬與非金屬自動(dòng)分揀裝置的組成部分

金屬與非金屬自動(dòng)分揀裝置如圖1所示，當(dāng)落料光電傳感器檢測(cè)到有物料后，馬上啟動(dòng)輸送電動(dòng)機(jī)；當(dāng)物料經(jīng)過(guò)推料一位置，如果電感式傳感器動(dòng)作，則說(shuō)明該物料為金屬，則氣缸動(dòng)作將物料推入到金屬料槽中；當(dāng)物料未被電感式傳感器識(shí)別時(shí)，而被輸送到推料二位置，此時(shí)如果電容式傳感器動(dòng)作，則說(shuō)明必定為非金屬物料，氣缸動(dòng)作將其推入到塑料料槽中。

圖1 自動(dòng)分揀機(jī)構(gòu)

自動(dòng)分揀機(jī)構(gòu)具體包括以下幾部分：

? 落料光電傳感器：檢測(cè)是否有物料到傳送帶上，并給PLC一個(gè)輸入信號(hào)；

? 放料孔：物料落料位置定位；

? 金屬料槽：放置金屬物料；

? 塑料料槽：放置非金屬物料；

? 電感式傳感器：檢測(cè)金屬材料；

? 電容式傳感器：用于檢測(cè)非金屬材料；

? 三相異步電動(dòng)機(jī)：驅(qū)動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，低速運(yùn)行；

? 推料氣缸：將物料推入料槽，由雙向電控氣閥控制。

3 物料自動(dòng)分揀用的檢測(cè)開關(guān)

（1）金屬分揀用的電感式傳感器

電感式傳感器由三大部分組成：振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。當(dāng)金屬目標(biāo)接近這一磁場(chǎng)，并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，在金屬目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級(jí)放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制器件，從而達(dá)到非接觸式之檢測(cè)目的，如圖2所示。

圖2 電感式傳感器工作原理

圖3 電感式傳感器工作流程

在物料分揀中，電感式傳感器工作流程如圖3所示，金屬物體在接近電感式傳感器的振蕩感應(yīng)頭時(shí)，會(huì)在物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，這個(gè)渦流反作用于傳感器，使傳感器振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無(wú)金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種電感式傳感器所能檢測(cè)的物體必須是金屬物體。

（2）物料分揀用的電容式傳感器

電容式傳感器的感應(yīng)面由兩個(gè)同軸金屬電極構(gòu)成，很象“打開的”電容器電極，這兩個(gè)電極構(gòu)成一個(gè)電容，串接在RC振蕩回路內(nèi)。電源接通時(shí)，RC振蕩器不振蕩，當(dāng)一目標(biāo)朝著電容器的電靠近時(shí)，電容器的容量增加，振蕩器開始振蕩。通過(guò)后級(jí)電路的處理，將振和振蕩兩種信號(hào)轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)，從而起到了檢測(cè)有無(wú)物體存在的目的。該傳感器能檢測(cè)金屬物體，也能檢測(cè)非金屬物體，對(duì)金屬物體可以獲得最大的動(dòng)作距離，對(duì)非金屬物體動(dòng)作距離決定于材料的介電常數(shù)，材料的介電常數(shù)越大，可獲得的動(dòng)作距離越大。

圖4所示為電容式傳感器工作流程。電容式傳感器亦屬于一種具有開關(guān)量輸出的位置傳感器，它的測(cè)量頭通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是物體的本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開關(guān)的接通和關(guān)斷。這種傳感器的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體，在檢測(cè)較低介電常數(shù)ε的物體時(shí)，可以調(diào)節(jié)傳感器的內(nèi)部電位器來(lái)增加感應(yīng)靈敏度。

圖4 電容式傳感器工作流程

（3）提升氣缸的到位檢測(cè)

為了確保氣缸動(dòng)作的正確性，通常還要在氣缸上安裝傳感器，用于檢測(cè)氣缸伸出和縮回是否到位。由于提升氣缸的動(dòng)作為開關(guān)形式，因此只需要在氣缸的前點(diǎn)和后點(diǎn)上各安裝一個(gè)，當(dāng)檢測(cè)到氣缸準(zhǔn)確到位后，就給PLC或上位機(jī)發(fā)出一個(gè)信號(hào)。

由于氣缸運(yùn)動(dòng)部件是處于金屬殼體內(nèi)部，這時(shí)就無(wú)法使用光電開關(guān)、電感開關(guān)等常用的接近開關(guān)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，在這種情況下可以考慮采用能測(cè)量永久變化的磁感應(yīng)式接近開關(guān)。圖5是利用磁性開關(guān)來(lái)測(cè)量氣缸活塞運(yùn)動(dòng)位置的示意圖。

圖5 磁性開關(guān)的安裝位置

用于氣缸到位檢測(cè)的磁性開關(guān)有不同的安裝方式，主要有帶式、導(dǎo)軌式、拉桿式和直接式四種。

4 S7-1200 PLC的硬件部分接線

（1）列出輸入/輸出資源配置

根據(jù)自動(dòng)分揀控制工藝要求，選擇S7-1200作為PLC控制器，并列出物料傳送和分揀機(jī)構(gòu)的輸入/輸出資源配置，如表1所示。

表1 自動(dòng)分揀裝置的輸入/輸出資源配置

（2）PLC外部接線原理

無(wú)論是光電開關(guān)還是磁性開關(guān)，都有NPN和PNP輸出兩種接線方式。對(duì)于PLC來(lái)說(shuō)，也有對(duì)應(yīng)的兩種輸入接線方式，在本案例中接近開關(guān)和光電開關(guān)等均采用PNP接線，而輸出電磁閥或接觸器等采用直流24V線圈，具體如圖6所示。

5 S7-1200的軟件編程

如表2所示，除輸入信號(hào)和輸出信號(hào)外，新增進(jìn)口物料檢測(cè)上升沿%M0.0布爾變量和未檢測(cè)到物料定時(shí)器%MD4時(shí)間變量。

圖6 自動(dòng)分揀機(jī)構(gòu)的PLC外部接線

表2 自動(dòng)分揀控制的PLC變量表

本程序中需要注意的編程要點(diǎn)是：如果在設(shè)定時(shí)間（本案例為60s）內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到新的物料的話，則傳送帶停止；如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)有新的物料檢測(cè)后，則定時(shí)器復(fù)位。因此，需要應(yīng)用到復(fù)位定時(shí)器的指令“----[ RT ]----”，它可重置指定定時(shí)器的定時(shí)器數(shù)據(jù)。

同時(shí)，由于需要檢測(cè)上升沿信號(hào)，需要用到P 觸點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 P觸點(diǎn)

它在分配的“IN”位上檢測(cè)到正跳變（關(guān)到開）時(shí)，該觸點(diǎn)的狀態(tài)為 TRUE；該觸點(diǎn)邏輯狀態(tài)隨后與能流輸入狀態(tài)組合以設(shè)置能流輸出狀態(tài)。P 觸點(diǎn)可以放置在程序段中除分支結(jié)尾外的任何位置。

圖8所示是自動(dòng)分揀裝置的詳細(xì)梯形圖程序，本程序中定時(shí)器采用了單一背景數(shù)據(jù)塊DB1。

圖8 自動(dòng)分揀PLC控制梯形圖

6 結(jié)束語(yǔ)

在以S7-1200為核心的控制系統(tǒng)中，輸入/輸出部分用以接收信號(hào)或輸出信號(hào)，便于與PLC進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。輸入的有條碼讀入器，輸入模擬量的電位器等；輸出的則有打印機(jī)、編程器、監(jiān)控器雖也可對(duì)PLC輸入信息，從PLC輸出信息，但輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話更方便，可在現(xiàn)場(chǎng)條件下實(shí)現(xiàn)，并便于使用。隨著技術(shù)進(jìn)步，這種設(shè)備將更加豐富。通過(guò)本案例的實(shí)現(xiàn)，可以進(jìn)一步將S7-1200應(yīng)用到以前使用S7-200的任何場(chǎng)合中去。

[1] 李方園. 圖解西門子S7-1200 PLC入門到實(shí)踐[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2] 李方園. 自動(dòng)化綜合實(shí)踐[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2009.

[3] 李方園. PLC控制技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010.