基于S7-200PLC的球類水果套網機控制系統研究

高猛　張銀龍　王振華　陳雨

摘? 要：結合球類水果套網機的主要設計功能要求，該文針對球類水果套網機對于控制系統準確、高效、可靠的性能要求，應用西門子S7-200系列PLC設計了1個球類水果套網機的控制系統，從而協調控制多個電機的有序動作，完成球類水果的逐個進給、水果套網、套網切割等設計功能。通過對控制系統的仿真，驗證了西門子S7-200系列PLC控制系統相對于繼電器控制的優越性，同時也證明該控制系統在球類水果套網機設計中的適用性，對其他機電產品控制系統的設計具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：S7-200系列PLC;控制系統;球類水果套網機

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 球類水果套網機原理

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

球類水果套網機的工作過程為：當機器啟動，各機構位于初始位置時，球類水果從2-水果存儲區沿7-軌道進入8-給料機構排隊，并按4-電控單元程序控制將水果供給9-舉升機構，9-舉升機構通過舉升動作，將水果舉入5-套網機構內。套網機構完成套網操作，程序控制6-轉刀機構切斷套網，隨后9-舉升機構回落，8-給料機構將套網成品搬運到10-成品區，同時供給下一個水果到9-舉升機構，設備進入循環工作。在各個機構配合的過程中，需要控制系統具有高準確度、高效率、順序控制等特點，因此采用S7-200系列PLC控制系統[1]。

2 球類水果套網機控制系統設計

針對球類水果套網機包裝設計的功能要求，在傳感檢測系統工作的前提下，確立了控制系統具有5個功能。1）控制給料機構2個擋板電機，實現差時動作，完成逐個給料操作。2）控制給料機構轉盤電機，實現旋轉動作，完成水果進給與成品搬運。3）控制舉升機構電機，實現舉升機構舉升及落下動作，實現水果進出套網機構。4）控制套網機構電機，實現套網機構套網功能。5）控制轉刀機構電機，實現套網切割功能。

具體控制過程如下：球類水果套網機的控制系統根據開機信號，檢測給料機構上的水果信號，如果軌道上有水果，便控制2個擋板電機進行差時動作，完成水果逐個供給到給料結構中的轉盤區，控制系統檢測到轉盤區存在水果的信號，進一步控制轉盤電機，將水果供給到舉升機構。控制系統檢測到舉升托盤存在的水果信息，繼續控制舉升電機，完成水果推舉入套網機構內的工作，程序按順序進一步控制套網電機，計時控制套網機構完成套網，然后轉刀電機工作，切斷套網，舉升機構落下，轉盤電機工作，在將成品取下的同時，完成下一個水果進給，從而實現球類水果套網機的循環工作[2]。

3 控制系統的控制器選型

PLC控制系統硬件主要由PLC主機、系統電源、信號采集單元、執行單元、連接電氣元件、導線等組成。系統電源為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機的各個工作節點中檢測到的信號，通過內部程序運算后，輸出相應的控制信號，到達各個執行單元，控制球類水果套網機的各個執行機構電機動作，從而實現了控制功能。

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，并用來進行數字運算控制的電子裝置。它采用可編程的存儲器，在其內部存儲中執行邏輯運算、定時、順序控制、計數和算術運算等操作指令，并且通過其中的數字式和模擬式的輸入、輸出，控制各種機械設備進行生產工作[3]。

使用S7-200系列PLC與傳統的繼電器邏輯控制相比有4個優點。1）可靠性高、邏輯功能強、體積小。2）當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繼電器時，PLC不需要增加硬件設備。3）可以隨著工作要求的變化隨時對PLC程序進行修改。如果繼電器線路要想改變控制功能，就必須變更硬接線。其與傳統的繼電器邏輯相比靈活性高。4）PLC還具有網絡通信功能，可附加高性能模塊對模擬量進行處理，實現各種復雜的控制功能。

基于球類水果套網機高效率、高準確度、低成本、小空間的設計需求，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的處理器[4]。其主要參數見表1。

表1? 西門子S7-200 CPU224 參數表

S7-200 CPU224 電源電壓 程序存儲器 計數器 本機I/O最多可接擴展模塊

參數 DC 20.4 V～28.8 V

AC 84 V～264 V

（47 Hz～63 Hz） 8 K字節/典型值為2.6 K條指令 0～256個計數器，6個高速計數器 數字量輸入：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 控制系統程序設計及仿真

通過分析球類水果套網機的控制過程，對控制程序進行編程設計及仿真處理。首先，根據球類水果套網機的結構及控制功能要求分析控制系統的輸入點數和輸出點數。輸入為給料傳感器、套網傳感器、轉刀傳感器、舉升傳感器、轉盤信號和開機信號，輸出為轉盤電機、套網電機、轉刀電機、舉升電機、擋板1電機正反轉、擋板2電機正反轉，共計6個輸入點數和8個輸出點數。然后，根據控制原理進行I/O點的分配，控制系統中的6個輸入分別從I0.0～I0.5進行分配，控制系統的8個輸出從Q0.0～Q0.7進行分配。編寫程序首先根據球類水果套網機控制系統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行PLC控制程序的編寫。初步編寫完成后，利用軟件對程序進行編譯，檢查設備組態和程序錯誤問題并進行改正。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，運動分析的結果顯示程序無編譯錯誤，程序運行完全符合控制系統的控制功能要求，可以實現對于球類水果套網機設計功能的控制目標。S7-200系列PLC控制系統原理圖如圖2所示。

5 結論

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設計，可以有效實現其設計功能，并且該設計結構簡單、效率高、可靠性高，可重復進行編程。因此S7-200系列PLC控制系統可以有效完成球類水果套網機的工作，且成本低、信號反應快。S7-200系列PLC控制系統可以有效提高設備的生產效率，降低設備的維修率，降低生產成本，對于該類球類水果套網機的應用與推廣具有重要意義，同時對其他類似機械設備控制系統的選用具有借鑒意義。

參考文獻

[1]劉金娥.全自動定量包裝機的PLC控制系統[J].中國新技術新產品，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].中國新技術新產品，2010（16）：113.

[3]蘇先棣.PLC步進電動機控制的實現[J].中國新技術新產品，2019（10）：32-33.

[4]張帆.基于PLC控制系統設計探討[J].中國新技術新產品，2012（6）：129.