基于S7-200PLC的球类水果套网机控制系统研究
高猛 张银龙 王振华 陈雨
摘? 要：结合球类水果套网机的主要设计功能要求，该文针对球类水果套网机对于控制系统准确、高效、可靠的性能要求，应用西门子S7-200系列PLC设计了1个球类水果套网机的控制系统，从而协调控制多个电机的有序动作，完成球类水果的逐个进给、水果套网、套网切割等设计功能。通过对控制系统的仿真，验证了西门子S7-200系列PLC控制系统相对于继电器控制的优越性，同时也证明该控制系统在球类水果套网机设计中的适用性，对其他机电产品控制系统的设计具有一定的借鉴意义。
关键词：S7-200系列PLC;控制系统;球类水果套网机
中图分类号：TP273? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
1 球类水果套网机原理
球类水果套网机共分为4层，第1层为储料层，分成前后2个部分，分别为1-套网存储区，2-水果存储区。第2层和第3层为包装单元，其中8-给料机构、5-套网机构和6-转刀机构都位于第2层，9-举升机构和10-成品区位于第3层，最下层为4-电控单元。通过合理分配球类水果套网机的层次，优化了套网机的空间布局。球类水果套网机的整体设计结构紧凑，所占空间小，相对成本低，工作效率高。套网机结构原理图如图1所示。
球类水果套网机的工作过程为：当机器启动，各机构位于初始位置时，球类水果从2-水果存储区沿7-轨道进入8-给料机构排队，并按4-电控单元程序控制将水果供给9-举升机构，9-举升机构通过举升动作，将水果举入5-套网机构内。套网机构完成套网操作，程序控制6-转刀机构切断套网，随后9-举升机构回落，8-给料机构将套网成品搬运到10-成品区，同时供给下一个水果到9-举升机构，设备进入循环工作。在各个机构配合的过程中，需要控制系统具有高准确度、高效率、顺序控制等特点，因此采用S7-200系列PLC控制系统[1]。
2 球类水果套网机控制系统设计
针对球类水果套网机包装设计的功能要求，在传感检测系统工作的前提下，确立了控制系统具有5个功能。1）控制给料机构2个挡板电机，实现差时动作，完成逐个给料操作。2）控制给料机构转盘电机，实现旋转动作，完成水果进给与成品搬运。3）控制举升机构电机，实现举升机构举升及落下动作，实现水果进出套网机构。4）控制套网机构电机，实现套网机构套网功能。5）控制转刀机构电机，实现套网切割功能。
具体控制过程如下：球类水果套网机的控制系统根据开机信号，检测给料机构上的水果信号，如果轨道上有水果，便控制2个挡板电机进行差时动作，完成水果逐个供给到给料结构中的转盘区，控制系统检测到转盘区存在水果的信号，进一步控制转盘电机，将水果供给到举升机构。控制系统检测到举升托盘存在的水果信息，继续控制举升电机，完成水果推举入套网机构内的工作，程序按顺序进一步控制套网电机，计时控制套网机构完成套网，然后转刀电机工作，切断套网，举升机构落下，转盘电机工作，在将成品取下的同时，完成下一个水果进给，从而实现球类水果套网机的循环工作[2]。
3 控制系统的控制器选型
PLC控制系统硬件主要由PLC主机、系统电源、信号采集单元、执行单元、连接电气元件、导线等组成。系统电源为PLC主机提供电源，信号采集单元主要由控制过程中的各个信号采集节点的各类传感器组成，其中大部分传感器的电源可直接从PLC主机获得，PLC获得各类传感器从球类水果套网机的各个工作节点中检测到的信号，通过内部程序运算后，输出相应的控制信号，到达各个执行单元，控制球类水果套网机的各个执行机构电机动作，从而实现了控制功能。
S7-200系列PLC是一种专门为解决多位输出、多位控制、顺序控制问题，并用来进行数字运算控制的电子装置。它采用可编程的存储器，在其内部存储中执行逻辑运算、定时、顺序控制、计数和算术运算等操作指令，并且通过其中的数字式和模拟式的输入、输出，控制各种机械设备进行生产工作[3]。
使用S7-200系列PLC与传统的继电器逻辑控制相比有4个优点。1）可靠性高、邏辑功能强、体积小。2）当工作场合需要使用大量的中间继电器、时间继电器以及计数继电器时，PLC不需要增加硬件设备。3）可以随着工作要求的变化随时对PLC程序进行修改。如果继电器线路要想改变控制功能，就必须变更硬接线。其与传统的继电器逻辑相比灵活性高。4）PLC还具有网络通信功能，可附加高性能模块对模拟量进行处理，实现各种复杂的控制功能。
基于球类水果套网机高效率、高准确度、低成本、小空间的设计需求，该文选用了西门子S7-200 CPU224可编程逻辑控制器作为控制系统的处理器[4]。其主要参数见表1。
表1? 西门子S7-200 CPU224 参数表
S7-200 CPU224 电源电压 程序存储器 计数器 本机I/O最多可接扩展模块
参数 DC 20.4 V～28.8 V
AC 84 V～264 V
（47 Hz～63 Hz） 8 K字节/典型值为2.6 K条指令 0～256个计数器，6个高速计数器 数字量输入：14个，其中4个可用作硬件中断，10个用于高速功能
数字量输出：10个，其中2个可用作本机功能
模拟电位器：2个 7个
4 控制系统程序设计及仿真
通过分析球类水果套网机的控制过程，对控制程序进行编程设计及仿真处理。首先，根据球类水果套网机的结构及控制功能要求分析控制系统的输入点数和输出点数。输入为给料传感器、套网传感器、转刀传感器、举升传感器、转盘信号和开机信号，输出为转盘电机、套网电机、转刀电机、举升电机、挡板1电机正反转、挡板2电机正反转，共计6个输入点数和8个输出点数。然后，根据控制原理进行I/O点的分配，控制系统中的6个输入分别从I0.0～I0.5进行分配，控制系统的8个输出从Q0.0～Q0.7进行分配。编写程序首先根据球类水果套网机控制系统的具体控制过程绘制顺序功能图，参照顺序功能图利用梯形图语言进行PLC控制程序的编写。初步编写完成后，利用软件对程序进行编译，检查设备组态和程序错误问题并进行改正。程序编辑完成后通过S7-200系列仿真软件STEP-7 Micro/WIN V4.0 SP9进行程序的运动仿真，从而分析程序是否存在冲突等编译错误。最后，运动分析的结果显示程序无编译错误，程序运行完全符合控制系统的控制功能要求，可以实现对于球类水果套网机设计功能的控制目标。S7-200系列PLC控制系统原理图如图2所示。
5 结论
通过程序仿真测试显示，基于西门子S7-200 CPU224可编程逻辑控制器的控制系统设计，可以有效实现其设计功能，并且该设计结构简单、效率高、可靠性高，可重复进行编程。因此S7-200系列PLC控制系统可以有效完成球类水果套网机的工作，且成本低、信号反应快。S7-200系列PLC控制系统可以有效提高设备的生产效率，降低设备的维修率，降低生产成本，对于该类球类水果套网机的应用与推广具有重要意义，同时对其他类似机械设备控制系统的选用具有借鉴意义。
参考文献
[1]刘金娥.全自动定量包装机的PLC控制系统[J].中国新技术新产品，2016（1）：3.
[2]唐利平.自动包装机主要组成部分的工作原理及故障诊断[J].中国新技术新产品，2010（16）：113.
[3]苏先棣.PLC步进电动机控制的实现[J].中国新技术新产品，2019（10）：32-33.
[4]张帆.基于PLC控制系统设计探讨[J].中国新技术新产品，2012（6）：129.
